機械牽張力下人牙周韌帶基質細胞的差異基因表達及蛋白質互作網絡
在正畸牙齒移動（OTM）過程中，牙周韌帶在機械負荷的牙齒和牙槽骨組織之間的生物力學和分子通訊中起著關鍵作用。盡管尚未完全探索OTM背后的生物學機制，但眾所周知，OTM是由牽張力和壓縮力以及剪切應力的相互作用驅動的，這些應力使牙齒能夠通過分子過程的逐步級聯移動。牙周韌帶是外部機械信號的主要接收器，負責將其處理成生物信號。已經確定參與這一過程的一些通路，包括局部粘著斑激酶和一氧化氮依賴性β-catenin 信號、Rho-mDia1信號通路、cAMP反應元件結合蛋白活化、Piezo1 介導的信號和yes 相關蛋白信號通路等。拉伸或壓縮機械力激活或抑制這些通路，因為OTM介導的因素（如血流，氧氣和二氧化碳水平）在響應相應類型的機械力時表現出不同的行為。
正畸學中另一個重要的臨床問題是應用類似的正畸力后OTM率的個體間差異，這可以至少部分地由遺傳因素解釋。到目前為止，有證據表明單分子成分，例如白細胞介素-1β 多態性或瞬時受體電位陽離子通道亞家族C成員6 激活可能參與OTM率，但OTM背后的調控機制中個體間差異的復雜實體尚未明確。
關于 OTM 期間引發的牽張和壓縮力機制的知識有限，因為它主要來自專注于單個分子參數的研究，而不是在分子網絡上。雖然對壓縮力下牙周韌帶細胞的基因表達譜有初步的了解，在與OTM期間初始階段相當的條件下，人牙周韌帶張力側的差異表達基因（DEG）的剖析仍然缺失。
近日，維也納醫科大學牙學院牙周研究中心、臨床研究中心的課題組在 European Journal of Cell Biology 上發表了題為 Differential gene expression and protein-protein interaction networks of human periodontal ligament stromal cells under mechanical tension 的文章，該團隊利用RNA-seq技術鑒定了機械牽張力下人原代牙周韌帶基質細胞（PDLSC）中的DEG，該張力可以模擬正畸牙齒移動期間經歷的張力的初始階段，而且還評估了不同供體的原代人PDLSC，以解決基因表達譜中潛在的個體間差異。
首先，利用體外張力加載系統施加靜態機械牽張力，開始前6小時最大張力強度為10%，然后逐漸降低到3%。機械張力作用于PDLSC共72 h。
為了驗證所選的處理設置不會干擾細胞活力而影響基因表達，進行了活死染色。結果表明，牽張力處理72 h后細胞完整性穩定，這可能與活細胞有關。此外，張力處理的PDLSC看起來比未處理的PDLSC體積更小，細胞形態更圓。
接下來，分析了機械張力下牙周韌帶基質細胞的差異基因表達。
轉錄組分析顯示，與未處理的PDLSC相比，張力處理的PDLSC中有1336個基因差異表達，其中，543個基因顯著上調，793個基因顯著下調。經過p值調整后，剩下124個DEG至少具有≥1.0的效應值。研究發現，124個DEG中有33個DEG參與了38個不同的生物過程（圖1），20個DEG參與了3個細胞成分（圖2），19個DEG參與了11個分子功能（圖3），10個DEG參與了12個KEGG通路，5個DEG參與了4個Reactome通路和18個DEG參與了15個WikiPathways 。
基于這些結果，在mRNA水平上進一步分析了與OTM相關的“骨發育”和“成纖維細胞生長因子受體信號通路的調控”生物過程相關的候選基因，包括APLN、FGFR1、NOG、SULF4、SFRP1和STC2。所有這些選定的DEG在張力處理的PDLSC中的表達均低于未處理的對照。
由于轉錄組分析是在三種不同PDLSC供體的RNA提取物中進行的，因此必須評估對基因表達模式的個體影響，以將其從已鑒定的可能與OTM功能相關的DEG中排除。研究發現，總共有13個蛋白質編碼DEG在所有三個供體之間是相互的。這13個已鑒定的蛋白質編碼DEG中沒有一個是與OTM功能相關的所選DEG的一部分。
圖1 機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因相關生物過程的基因本體富集分析。在機械張力下人牙周韌帶基質細胞中的上調（紅色）和下調（藍色）基因與幾個生物過程有關。
圖2 機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因相關細胞成分的基因本體富集分析。在機械張力下人牙周韌帶基質細胞中的上調（紅色）和下調（藍色）基因與三種不同的細胞成分有關。
圖3 機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因相關分子功能的基因本體富集分析。在機械張力下人牙周韌帶基質細胞中的上調（紅色）和下調（藍色）基因與各種分子功能有關。
然后，進一步分析了機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因的 mRNA 水平變化。為了確認轉錄組分析的結果，使用RT-qPCR在mRNA水平上進一步評估了與OTM期間生物學相關過程相關的選定DEG。與未經處理的PDLSC相比，張力處理的PDLSC顯示FGFR2、NOG和SULF1 mRNA水平顯著降低；APLN、SFRP4或STC1 mRNA水平上沒有顯著變化，但是它們的平均mRNA水平比對照組低。
最后，研究分析了蛋白質之間相互作用的網絡�；谵D錄組分析的結果，通過創建蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡來評估與GO 術語“骨發育”或“成纖維細胞因子受體信號通路調控”相關的前124 個DEG蛋白質產物的潛在相互作用。對PPI的分析表明，11 個DEG的蛋白質產物是四個不同PPI網絡的一部分（圖4）。
圖4 機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因產物的蛋白質-蛋白質相互作用網絡。蛋白質-蛋白質相互作用網絡的節點對應于機械張力下牙周韌帶基質細胞中差異表達基因產物的蛋白質產物，這些基因被發現與數據庫中發現的已知的相互作用（綠線）或通過實驗確定的（粉紅線）、基因同現預測的（藍線）、共表達的（黑線）或蛋白質同源性的（紫線）相互作用相關。
圖5 圖形概要
綜上所述，該研究提供了證據，證明了六個候選基因APLN、FGFR2（成纖維細胞生長因子受體-2）、NOG、SULF1（硫酸酯酶1）、SFRP4（分泌型卷曲相關蛋白4）和STC1（斯鈣素-1）在人PDLSC中基于機械牽張力的效應中發揮作用，這在OTM期間可能很重要。機械信號網絡的詳細相互作用應在未來的研究中探索，以最終填補OTM分子機制的大圖景，這將有助于開發更有效的口腔正畸個性化治療策略。
參考文獻：Janjić K, Nemec M, Maaser JL, Sagl B, Jonke E, Andrukhov O. Differential gene expression and protein-protein interaction networks of human periodontal ligament stromal cells under mechanical tension. Eur J Cell Biol. 2023 Apr 26;102(2):151319. doi: 10.1016/j.ejcb.2023.151319. Epub ahead of print. PMID: 37119575.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37119575/
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