メラトニンは、PI3K/AKTおよびBMP/スマッドシグナル伝達経路を介して、グルココルチコイド誘発によるMC3T3-E1細胞の骨芽細胞分化阻害を回復させる。

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Life Sci..2020 Jul;:118044. S0024-3205(20)30794-3. doi: 10.1016/j.lfs.2020.118044.Epub 2020-07-02.

メラトニンは、PI3K/AKTおよびBMP/スマッドシグナル伝達経路を介して、グルココルチコイド誘発によるMC3T3-E1細胞の骨芽細胞分化阻害を回復させる。

Melatonin rescues glucocorticoid-induced inhibition of osteoblast differentiation in MC3T3-E1 cells via the PI3K/AKT and BMP/Smad signalling pathways.

Rui Zhao
Lin Tao
Shui Qiu
Lin Shen
Yihao Tian
Zunlei Gong
Zheng Bo Tao
Yue Zhu

PMID: 32622944 DOI: 10.1016/j.lfs.2020.118044.

抄録

研究テーマ:

高用量のグルココルチコイド（GC）投与は骨粗鬆症を引き起こす。我々のグループをはじめとする多くの先行研究では、メラトニンが骨芽細胞の増殖と分化の調節に関与していること、特に低濃度のメラトニンが骨芽細胞の骨形成を促進することが示されている。しかし、グルココルチコイド誘発性骨芽細胞分化におけるメラトニンの役割は不明である。

AIMS: High-dose glucocorticoid (GC) administration causes osteoporosis. Many previous studies from our group and other groups have shown that melatonin participates in the regulation of osteoblast proliferation and differentiation, especially low concentrations of melatonin, which enhance osteoblast osteogenesis. However, the role of melatonin in glucocorticoid-induced osteoblast differentiation remains unknown.

材料および方法:

骨芽細胞分化マーカー（ALP、OCN、COLL-1）の発現の検討、骨芽細胞分化を測定するためのアルカリホスファターゼ染色およびアルカリホスファターゼ酵素活性アッセイ、および鉱物化を測定するためのアリザリンレッドS染色の定量化を行い、デキサメタゾン（Dex）およびメラトニンがMC3T3-E1細胞の分化に及ぼす影響を決定した。メラトニン処理したMC3T3-E1細胞におけるRunx2の発現を免疫蛍光染色を用いて検出した。mRNA の発現は qRT-PCR により決定し、タンパク質レベルはウエスタンブロッティングにより測定した。

MATERIALS AND METHODS: An examination of the expression of osteoblast differentiation markers (ALP, OCN, COLL-1), as well as alkaline phosphatase staining and alkaline phosphatase enzymatic activity assay to measure osteoblast differentiation and quantifying Alizarin red S staining to measure mineralization, were performed to determine the effects of dexamethasone (Dex) and melatonin on the differentiation of MC3T3-E1 cells. We used immunofluorescence staining to detect the expression of Runx2 in melatonin-treated MC3T3-E1 cells. The expression of mRNA was determined by qRT-PCR, and protein levels were measured by western blotting.

重要な結果:

本研究では、100"Zs_202F"μM Dex が MC3T3-E1 細胞の骨芽細胞の分化と鉱物化を有意に抑制し、1"Zs_202F"μM メラトニンがこれらの抑制効果を減衰させることを明らかにした。その結果、PI3K/AKT(MK2206)とBMP/Smad(LDN193189)のシグナル伝達を阻害することで、メラトニンによる分化と鉱物化が抑制されることがわかった。一方、MK2206はP-AKTとP-Smad1/5/9の発現を低下させ、LDN193189はP-Smad1/5/9の発現を低下させたが、メラトニン処理細胞とDex誘導MC3T3-E1細胞ではP-AKTの発現には明らかな影響を与えなかった。

KEY FINDINGS: In the present study, we found that 100 μM Dex significantly reduced osteoblast differentiation and mineralization in MC3T3-E1 cells and that 1 μM melatonin attenuated these inhibitory effects. We found that only inhibition of PI3K/AKT (MK2206) and BMP/Smad (LDN193189) signalling abolished melatonin-induced differentiation and mineralization. Meanwhile, MK2206 decreased the expression of P-AKT and P-Smad1/5/9 and LDN193189 decreased the expression of P-Smad1/5/9 but had no obvious effect on P-AKT expression in melatonin-treated and Dex-induced MC3T3-E1 cells.

シグニフィカンス:

これらの知見は、メラトニンがPI3K/AKTシグナルとBMP/Smadシグナルを介してMC3T3-E1細胞の骨芽細胞分化を阻害することを示唆しており、PI3K/AKTシグナルがBMP/Smadシグナルの上流シグナルである可能性を示唆している。

SIGNIFICANCE: These findings suggest that melatonin rescues Dex-induced inhibition of osteoblast differentiation in MC3T3-E1 cells via the PI3K/AKT and BMP/Smad signalling pathways and that PI3K/AKT signalling may be the upstream signal of BMP/Smad signalling.