Sox9 ist der wichtigste Transkriptionsfaktor für die frühe Chondrogenese während der embryonalen Skelettentwicklung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Sox9 einen p38-MAPK-vermittelten Einfluss auf die Zellvitalität von undifferenzierten adulten MSC, insbesondere auf die Proliferation sowie die Apoptose und gleichzeitig auf ihr Potential zu Adipo-, Osteo-, und Chondrozyten zu ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Sox9 ist der wichtigste Transkriptionsfaktor für die frühe Chondrogenese während der embryonalen Skelettentwicklung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Sox9 einen p38-MAPK-vermittelten Einfluss auf die Zellvitalität von undifferenzierten adulten MSC, insbesondere auf die Proliferation sowie die Apoptose und gleichzeitig auf ihr Potential zu Adipo-, Osteo-, und Chondrozyten zu differenzieren, hat. Über eine Caspase 3/7-Bcl-2-Bax-abhängige Kaskade, sowie durch die Akkumulation von p21 im Kern, induziert die Inhibition von Sox9 eine verstärkte apoptotische Aktivität. Das nukleäre p21 wirkt inhibierend auf den Zellzyklus und führt zu einem verzögerten S-Phase Eintritt, was in einer verminderten Proliferationsrate resultiert. Die Erhöhung der p21 Expression ist dabei Cyclin D1-abhängig. Das Cyclin D1 Protein wiederum wird durch eine verminderte Aktivierung (Phosphorylierung) von p38 stabilisiert und hat durch die Regulierung der Osteocalcin Expression einen Einfluss auf das osteogene Differenzierungspotential von MSC. Dieser pro-osteogene Effekt, genau wie die Inhibition der Proliferation als Folge einer Sox9 Inhibition, konnte auch für ASC gezeigt werden. Es scheint sich dabei also um einen allgemein gültigen Mechanismus zu handeln, ungeachtet des Ursprungs der MSC. Für die Induktion der Apoptose traf dies interessanterweise nicht zu und konnte nur in BMSC beobachtet werden. Ebenso wird C/EBPß, ein Schlüsseltranskriptionsfaktor der Adipogenese, vermutlich durch p38-abhängige mRNA Destabilisierung reprimiert, was zu einer reduzierten adipogenen Differenzierungskapazität führt. Die Reduktion von C/EBPß könnte außerdem, über direkte Bindung, zur Reduktion von Bcl-2 führen und damit auch zur verstärkten apoptotischen Aktivität beitragen und letztendlich zur verlangsamten Proliferation durch die Regulierung von spezifischen Transkriptionsfaktoren (TFs) (Pal, Janz et al. 2009). Der negative Einfluss einer Sox9 Inhibition auf die frühe chondrogene Differenzierungsfähigkeit konnte in einem 3D-Kulturmodell durch veränderte Expression von Comp und Integrin alpha 11, sowie durch Größenänderung und morphologische Bewertung der Aggregate, gezeigt werden. Die Ergebnisse wurden in der Abbildung A schematisch zusammengefasst. Mit unseren Ergebnissen beweisen wir, dass Sox9 mehr als der chondrogene Schlüsseltranskriptionsfaktor ist. Sox9 stellt einen Link zwischen Differenzierung, Proliferation und Apoptose in adulten undifferenzierten MSC dar. Über wichtige Zellzyklusregulatoren und den p38-MAPK-Signalwege kann Sox9 verschiedene zelluläre Funktionen beeinflussen, was eine wichtige Rolle bei der Regeneration von adulten Geweben und Organen spielt. Die dem zugrunde liegenden, molekularen Mechanismen genau zu verstehen, ist von großer Bedeutung und die Voraussetzung, um in Zukunft theoretisch eine MSC-basierte Therapie muskuloskelettaler Traumata möglich zu machen. Sox9 in MSC einzubringen wirkt sich im Allgemeinen positiv auf die Zellvitalität aus, indem das Wachstum gesteigert und gleichzeitig die Apoptose unterdrückt wird. Sox9 bringt allerdings genau dadurch auch das Potential mit sich, onkogen wirken zu können. Es erfordert noch weitere Studien, unter anderem auch im humanen System, um genauere Erkenntnisse über das kanzerogene Potential der Sox9 Dosis in MSC zu erlangen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Sox9 is a key transcription factor in early chondrogenesis with distinct roles in differentiation processes during embryonic development. Here, we report that Sox9 modulates, via the p38 MAPK pathway, on the one hand cell viability in adult mesenchymal stem cells (MSC), especially by affecting proliferation and apoptotic activity, and on the other hand the differentiation capacity of MSC.
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Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Sox9 is a key transcription factor in early chondrogenesis with distinct roles in differentiation processes during embryonic development. Here, we report that Sox9 modulates, via the p38 MAPK pathway, on the one hand cell viability in adult mesenchymal stem cells (MSC), especially by affecting proliferation and apoptotic activity, and on the other hand the differentiation capacity of MSC. The inhibition of Sox9 activates apoptosis through a caspase 3/7-Bcl-2-Bax-dependent mechanism and, in addition, through accumulation of p21 in the nucleus. Nuclear p21 inhibits the cell cycle progression and leads to a decrease of the S-phase population and subsequently to a decrease in proliferation. The p21 induction in Sox9 knockdown cells is Cyclin D1-dependent. The Cyclin D1 protein in turn, is stabilized via impaired activation (phosphorylation) of p38. Cyclin D1 affects the regulation of Osteocalcin and by that, alters the osteogenic differentiation potential of MSC. This pro-osteogenic effect, as well as the inhibition of proliferation was also detected in ASC after silencing Sox9. Therefore, this mechanism seems to be universal, regardless of the source of MSC. Notably, induction of apoptotic activity after Sox9 knockdown could only be measured in BMSC, but not in ASC. The adipogenic differentiation capacity is impaired by strong reduction of C/EBPß, probably via p38-mediated mRNA destabilization. Reduction of C/EBPß may also inhibit the anti-apoptotic gene Bcl-2 via direct binding and thus, contributes to increased apoptosis and, ultimately, to decreased proliferation via regulation of other proliferation associated transcription factors (Pal, Janz et al. 2009). The negative impact of Sox9 inhibition on early chondrogenic differentiation could be shown in a 3D culture aggregate model by altered expression of Comp and Integrin alpha 11, as well as by analysis of the diameter and the morphology of the aggregates. The results are summarized in figure A. Our results show that Sox9 is more than only the chondrogenic master transcription factor. We identified Sox9 as an important link between differentiation, proliferation and apoptosis in undifferentiated mesenchymal stem cells. Moreover, we emphasize the importance of the delicate balance of a precisely regulated Sox9 activity in MSC, not only for proper skeletal development during embryogenesis, but likely also for successful repair and regeneration of tissues and organs in adults. For that, it is necessary to understand the biology of mesenchymal stem cells completely and in detail for a possible future safe application of MSC in musculoskeletal traumata. There are some advantages by using Sox9 as a transgene in MSC, concerning the cell viability of rBMSC, as cell growth is activated and apoptosis reduced. But as Sox9 promotes proliferation and decreases cell death, there is a strong potential to function as a pro-oncogenic factor. Further studies are needed, among others in the human model, to obtain more information about the cancerogenic potential of the Sox9 dose in adult MSC.
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