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機(jī)械牽張力下人牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞的差異基因表達(dá)及蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)

瀏覽次數(shù)：417　發(fā)布日期：2023-7-31　來(lái)源：上海泉眾機(jī)電科技有限公司

在正畸牙齒移動(dòng)（OTM）過(guò)程中，牙周韌帶在機(jī)械負(fù)荷的牙齒和牙槽骨組織之間的生物力學(xué)和分子通訊中起著關(guān)鍵作用。盡管尚未完全探索OTM背后的生物學(xué)機(jī)制，但眾所周知，OTM是由牽張力和壓縮力以及剪切應(yīng)力的相互作用驅(qū)動(dòng)的，這些應(yīng)力使牙齒能夠通過(guò)分子過(guò)程的逐步級(jí)聯(lián)移動(dòng)。牙周韌帶是外部機(jī)械信號(hào)的主要接收器，負(fù)責(zé)將其處理成生物信號(hào)。已經(jīng)確定參與這一過(guò)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(hào)、Rho-mDia1信號(hào)通路、cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白活化、Piezo1 介導(dǎo)的信號(hào)和yes 相關(guān)蛋白信號(hào)通路等。拉伸或壓縮機(jī)械力激活或抑制這些通路，因?yàn)镺TM介導(dǎo)的因素（如血流，氧氣和二氧化碳水平）在響應(yīng)相應(yīng)類型的機(jī)械力時(shí)表現(xiàn)出不同的行為。

正畸學(xué)中另一個(gè)重要的臨床問(wèn)題是應(yīng)用類似的正畸力后OTM率的個(gè)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(jù)表明單分子成分，例如白細(xì)胞介素-1β 多態(tài)性或瞬時(shí)受體電位陽(yáng)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(diào)控機(jī)制中個(gè)體間差異的復(fù)雜實(shí)體尚未明確。

關(guān)于 OTM 期間引發(fā)的牽張和壓縮力機(jī)制的知識(shí)有限，因?yàn)樗饕獊?lái)自專注于單個(gè)分子參數(shù)的研究，而不是在分子網(wǎng)絡(luò)上。雖然對(duì)壓縮力下牙周韌帶細(xì)胞的基因表達(dá)譜有初步的了解，在與OTM期間初始階段相當(dāng)?shù)臈l件下，人牙周韌帶張力側(cè)的差異表達(dá)基因（DEG）的剖析仍然缺失。

近日，維也納醫(yī)科大學(xué)牙學(xué)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(fā)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(tuán)隊(duì)利用RNA-seq技術(shù)鑒定了機(jī)械牽張力下人原代牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞（PDLSC）中的DEG，該張力可以模擬正畸牙齒移動(dòng)期間經(jīng)歷的張力的初始階段，而且還評(píng)估了不同供體的原代人PDLSC，以解決基因表達(dá)譜中潛在的個(gè)體間差異。

首先，利用體外張力加載系統(tǒng)施加靜態(tài)機(jī)械牽張力，開(kāi)始前6小時(shí)最大張力強(qiáng)度為10%，然后逐漸降低到3%。機(jī)械張力作用于PDLSC共72 h。

為了驗(yàn)證所選的處理設(shè)置不會(huì)干擾細(xì)胞活力而影響基因表達(dá)，進(jìn)行了活死染色。結(jié)果表明，牽張力處理72 h后細(xì)胞完整性穩(wěn)定，這可能與活細(xì)胞有關(guān)。此外，張力處理的PDLSC看起來(lái)比未處理的PDLSC體積更小，細(xì)胞形態(tài)更圓。

接下來(lái)，分析了機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞的差異基因表達(dá)。

轉(zhuǎn)錄組分析顯示，與未處理的PDLSC相比，張力處理的PDLSC中有1336個(gè)基因差異表達(dá)，其中，543個(gè)基因顯著上調(diào)，793個(gè)基因顯著下調(diào)。經(jīng)過(guò)p值調(diào)整后，剩下124個(gè)DEG至少具有≥1.0的效應(yīng)值。研究發(fā)現(xiàn)，124個(gè)DEG中有33個(gè)DEG參與了38個(gè)不同的生物過(guò)程（圖1），20個(gè)DEG參與了3個(gè)細(xì)胞成分（圖2），19個(gè)DEG參與了11個(gè)分子功能（圖3），10個(gè)DEG參與了12個(gè)KEGG通路，5個(gè)DEG參與了4個(gè)Reactome通路和18個(gè)DEG參與了15個(gè)WikiPathways 。

基于這些結(jié)果，在mRNA水平上進(jìn)一步分析了與OTM相關(guān)的“骨發(fā)育”和“成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體信號(hào)通路的調(diào)控”生物過(guò)程相關(guān)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(dá)均低于未處理的對(duì)照。

由于轉(zhuǎn)錄組分析是在三種不同PDLSC供體的RNA提取物中進(jìn)行的，因此必須評(píng)估對(duì)基因表達(dá)模式的個(gè)體影響，以將其從已鑒定的可能與OTM功能相關(guān)的DEG中排除。研究發(fā)現(xiàn)，總共有13個(gè)蛋白質(zhì)編碼DEG在所有三個(gè)供體之間是相互的。這13個(gè)已鑒定的蛋白質(zhì)編碼DEG中沒(méi)有一個(gè)是與OTM功能相關(guān)的所選DEG的一部分。

圖1 機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因相關(guān)生物過(guò)程的基因本體富集分析。在機(jī)械張力下人牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中的上調(diào)（紅色）和下調(diào)（藍(lán)色）基因與幾個(gè)生物過(guò)程有關(guān)。

圖2 機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因相關(guān)細(xì)胞成分的基因本體富集分析。在機(jī)械張力下人牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中的上調(diào)（紅色）和下調(diào)（藍(lán)色）基因與三種不同的細(xì)胞成分有關(guān)。

圖3 機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因相關(guān)分子功能的基因本體富集分析。在機(jī)械張力下人牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中的上調(diào)（紅色）和下調(diào)（藍(lán)色）基因與各種分子功能有關(guān)。

然后，進(jìn)一步分析了機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因的 mRNA 水平變化。為了確認(rèn)轉(zhuǎn)錄組分析的結(jié)果，使用RT-qPCR在mRNA水平上進(jìn)一步評(píng)估了與OTM期間生物學(xué)相關(guān)過(guò)程相關(guān)的選定DEG。與未經(jīng)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(méi)有顯著變化，但是它們的平均mRNA水平比對(duì)照組低。

最后，研究分析了蛋白質(zhì)之間相互作用的網(wǎng)絡(luò)�；谵D(zhuǎn)錄組分析的結(jié)果，通過(guò)創(chuàng)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（PPI）網(wǎng)絡(luò)來(lái)評(píng)估與GO 術(shù)語(yǔ)“骨發(fā)育”或“成纖維細(xì)胞因子受體信號(hào)通路調(diào)控”相關(guān)的前124 個(gè)DEG蛋白質(zhì)產(chǎn)物的潛在相互作用。對(duì)PPI的分析表明，11 個(gè)DEG的蛋白質(zhì)產(chǎn)物是四個(gè)不同PPI網(wǎng)絡(luò)的一部分（圖4）。

圖4 機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因產(chǎn)物的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于機(jī)械張力下牙周韌帶基質(zhì)細(xì)胞中差異表達(dá)基因產(chǎn)物的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，這些基因被發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)的已知的相互作用（綠線）或通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的（粉紅線）、基因同現(xiàn)預(yù)測(cè)的（藍(lán)線）、共表達(dá)的（黑線）或蛋白質(zhì)同源性的（紫線）相互作用相關(guān)。

圖5 圖形概要

綜上所述，該研究提供了證據(jù)，證明了六個(gè)候選基因APLN、FGFR2（成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體-2）、NOG、SULF1（硫酸酯酶1）、SFRP4（分泌型卷曲相關(guān)蛋白4）和STC1（斯鈣素-1）在人PDLSC中基于機(jī)械牽張力的效應(yīng)中發(fā)揮作用，這在OTM期間可能很重要。機(jī)械信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)相互作用應(yīng)在未來(lái)的研究中探索，以最終填補(bǔ)OTM分子機(jī)制的大圖景，這將有助于開(kāi)發(fā)更有效的口腔正畸個(gè)性化治療策略。

參考文獻(xiàn)：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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