分泌タンパク質DEL-1は、β3インテグリン-FAK-ERK1/2-RUNX2経路を活性化し、骨形成分化と骨再生を促進する

The secreted protein DEL-1 activates a β3 integrin-FAK-ERK1/2-RUNX2 pathway and promotes osteogenic differentiation and bone regeneration.

抄録

インテグリン結合性分泌タンパク質DEL-1（developmental endothelial locus-1）は、炎症性骨欠損を特徴とする口腔疾患である歯周炎を含む様々な疾患において、炎症の開始と消失の両方の制御に関与している。我々は、骨再生マウスモデルと細胞を用いたメカニズム研究を用いて、DEL-1が実験的歯周炎の治癒過程において歯槽骨の再生を促進するかどうか、またどのように促進するかを検討した。WTマウスと比較して、DEL-1欠損マウスやRGDモチーフにAspからGluに置換したDEL-1変異体（「RGE点変異体」）を発現するマウスは、RGD依存性インテグリンと相互作用しないため、骨再生に欠損を示した。DEL-1またはインテグリン結合RGDモチーフを含むそのN末端セグメントを局所投与すると、RGE点変異体は投与しなかったが、DEL-1欠損マウスの骨再生不全は回復した。さらに、DEL-1（RGE点変異体ではなく）は、β3インテグリン依存的にMC3T3-E1骨形成細胞や初代腓骨頭骨芽細胞の骨分化を促進した。DEL-1が骨形成を促進する能力は、マスター転写因子であるRunt関連転写因子-2（）のような骨形成遺伝子の誘導や鉱化結節形成によって示され、フォーカルアドヒージョンキナーゼ（FAK）と細胞外シグナル調節キナーゼ1/2（ERK1/2）のリン酸化を誘導する能力に依存していた。我々は、DEL-1は骨形成細胞においてβ3インテグリン-FAK-ERK1/2-RUNX2経路を活性化し、マウスの新生骨形成を促進することができると結論した。これらの知見は、DEL-1が歯周炎やおそらく他の溶骨性疾患によって失われた骨を回復させるために治療的に利用される可能性を示唆している。

The integrin-binding secreted protein developmental endothelial locus-1 (DEL-1) is involved in the regulation of both the initiation and resolution of inflammation in different diseases, including periodontitis, an oral disorder characterized by inflammatory bone loss. Here, using a mouse model of bone regeneration and cell-based mechanistic studies, we investigated whether and how DEL-1 can promote alveolar bone regeneration during resolution of experimental periodontitis. Compared with WT mice, mice lacking DEL-1 or expressing a DEL-1 variant with an Asp-to-Glu substitution in the RGD motif ("RGE point mutant"), which does not interact with RGD-dependent integrins, exhibited defective bone regeneration. Local administration of DEL-1 or of its N-terminal segment containing the integrin-binding RGD motif, but not of the RGE point mutant, reversed the defective bone regeneration in the DEL-1-deficient mice. Moreover, DEL-1 (but not the RGE point mutant) promoted osteogenic differentiation of MC3T3-E1 osteoprogenitor cells or of primary calvarial osteoblastic cells in a β3 integrin-dependent manner. The ability of DEL-1 to promote osteogenesis, indicated by induction of osteogenic genes such as the master transcription factor Runt-related transcription factor-2 () and by mineralized nodule formation, depended on its capacity to induce the phosphorylation of focal adhesion kinase (FAK) and of extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2). We conclude that DEL-1 can activate a β3 integrin-FAK-ERK1/2-RUNX2 pathway in osteoprogenitors and promote new bone formation in mice. These findings suggest that DEL-1 may be therapeutically exploited to restore bone lost due to periodontitis and perhaps other osteolytic conditions.