骨細胞様細胞株MLO-Y4において、張力はG2/M期での細胞周期停止を引き起こす

Tension force causes cell cycle arrest at G2/M phase in osteocyte-like cell line MLO-Y4.

抄録

骨リモデリングとは、骨吸収と骨形成のプロセスであり、骨構造を維持するため、あるいは新しい状況に適応するために必要である。運動、体重負荷、矯正力などの機械的負荷は、骨リモデリングにおいて重要な役割を果たす。リモデリングの過程において、骨細胞は骨芽細胞と破骨細胞を制御するメカノセンサーとして重要な役割を果たしている。しかしながら、力学的刺激が骨細胞の機能に影響を及ぼす正確な分子機構は不明なままである。本研究では、張力（TF）に暴露したマウス骨細胞様細胞MLO-Y4細胞の生存率、細胞周期分布および遺伝子発現パターンを解析した。細胞は、Flexcer Strain Unit (FX-3000)を用いて、18%伸長、6サイクル/分で24時間TFを受けた。その結果、MLO-Y4細胞では、TF刺激によりG2/M期での細胞周期停止が誘導されたが、細胞死は誘導されなかった。マイクロアレイ解析により、TF刺激細胞と非刺激細胞間の発現差遺伝子（DEG）を同定したところ、TF刺激細胞ではグルタチオン-S-トランスフェラーゼα（GSTA）ファミリー遺伝子の顕著な発現増加が観察された。DEGsのエンリッチメント解析の結果、ストレス応答に関連するGene Ontology (GO) termsおよびKyoto Encyclopedia Genes and Genomes (KEGG)パスウェイが、TF後に発現上昇した遺伝子に有意に濃縮されていた。これらの結果と一致して、活性酸素種（ROS）の産生はTF刺激細胞で上昇した。腫瘍抑制因子p53の活性化と、その下流標的GADD45Aの発現上昇も、刺激細胞で観察された。GADD45AはG2/M細胞周期停止の促進に関与していることから、これらの観察結果は、TFストレスが少なくとも部分的にはp53依存的にG2/M停止を引き起こすことを示唆しているのかもしれない。

Bone remodelling is the process of bone resorption and formation, necessary to maintain bone structure or for adaptation to new conditions. Mechanical loadings, such as exercise, weight bearing and orthodontic force, play important roles in bone remodelling. During the remodelling process, osteocytes play crucial roles as mechanosensors to regulate osteoblasts and osteoclasts. However, the precise molecular mechanisms by which the mechanical stimuli affect the function of osteocytes remain unclear. In the present study, we analysed viability, cell cycle distribution and gene expression pattern of murine osteocyte-like MLO-Y4 cells exposed to tension force (TF). Cells were subjected to TF with 18% elongation at 6 cycles/min for 24 h using Flexcer Strain Unit (FX-3000). We found that TF stimulation induced cell cycle arrest at G2/M phase but not cell death in MLO-Y4 cells. Differentially expressed genes (DEGs) between TF-stimulated and unstimulated cells were identified by microarray analysis, and a marked increase in glutathione-S-transferase α (GSTA) family gene expression was observed in TF-stimulated cells. Enrichment analysis for the DEGs revealed that Gene Ontology (GO) terms and Kyoto Encyclopedia Genes and Genomes (KEGG) pathways related to the stress response were significantly enriched among the upregulated genes following TF. Consistent with these results, the production of reactive oxygen species (ROS) was elevated in TF-stimulated cells. Activation of the tumour suppressor p53, and upregulation of its downstream target GADD45A, were also observed in the stimulated cells. As GADD45A has been implicated in the promotion of G2/M cell cycle arrest, these observations may suggest that TF stress leads to G2/M arrest at least in part in a p53-dependent manner.