Signal Transduction and Targeted Therapy

Signal Transduction and Targeted Therapy

北京大学口腔医学院林久祥教授与陈峰副研究员在STTT发表论文:三种人牙源性干细胞DNA甲基化谱及其成骨潜能的关联研究

北京大学口腔医学院陈峰副研究员与林久祥教授在自然出版社与川大华西医院生物治疗国家重点实验室联合主办的《Signal Transduction and Targeted Therapy》(STTT)上发表论文,揭示了三种不同人牙源性干细胞具有高度相似的DNA甲基化谱,但同时存在一些特异性差异位点,其中最显著的差异位点与他们之间不同的成骨能力有关。该文的通讯作者为陈峰副研究员和林久祥教授,第一作者为艾婷婷博士和张杰铌博士





人牙源性干细胞具备自我更新及多向分化的能力且细胞来源容易获取,因此作为组织工程以及再生医学的种子细胞受到了广泛的关注1,2。然而,来源于牙齿不同组织的干细胞可能具备不同的分化命运,了解它们之间的差异有利于牙源性干细胞在生物医学领域得以更好的应用。近年来,很多研究通过比较不同牙源性干细胞的形态学特征、免疫表型及蛋白质组学等来分析各自的特点,但尚无统一结论3-6。


本文作者应用人甲基化芯片比较了牙周膜干细胞(PDLSC)、牙髓干细胞(DPSC)及牙囊祖细胞(DFPC)的全基因甲基化谱,发现三种牙源性干细胞的DNA甲基化谱具有高度的相似性,其中牙囊祖细胞与牙周膜干细胞最为相近,反映了三种干细胞之间的同源关系,如图1。



<图1  DNA甲基化谱的分布比较.>


作者进一步比较了三种干细胞甲基化谱之间的差异,发现在所有被检测的CpG位点中,差异位点占1-2%。其中在DFPCPDLSC及DFPCDPSC的比较中,大部分差异为CpG位点高甲基化,少部分为低甲基化,而在PDLSCDPSC的比较中高甲基化与低甲基化的差异比例相近,这可能与三种干细胞不同的生长发育阶段相关。接下来,作者将存在差异的甲基化基因位点进行GO分析,发现差异基因与很多生物学过程相关,包括骨发育、软骨发育、神经系统发育等。除此之外,差异基因还包括CD109、SMAD3等参与成骨相关通路的细胞表面抗原及转录因子等。此外,流式细胞术及RT-PCR证明了PDLSC相比于另外两种细胞更显著地表达CD109及SMAD3。同时,其它成骨相关通路的重要因子ALP、OCN及RUNX2也通过转录水平被证实在PDLSC中更高表达。通过上述分析,三种牙源性干细胞可能在成骨能力方面存在差异。


为了验证这一推测,作者对三种牙源性干细胞的成骨分化潜能进行体内外实验对比。首先,作者对三种干细胞分别进行成骨诱导,并且在成骨早期进行ALP检测,并在成骨诱导第14天进行茜素红染色。三种干细胞的ALP活性检测及茜素红染色均为阳性,但定量分析表明PDLSC的ALP活性最高,钙结节染色程度最高。接下来,作者将三种牙源性干细胞分别与羟基磷灰石混合植入小鼠背部皮下,8周后所有样本进行micro-CT检测,结果发现PDLSC比另外两种干细胞形成更多的矿化组织,如图2。上述实验证明了PDLSC具有更强的体内外成骨分化潜力,作者推测这可能与其来源的牙齿组织所处的不同微环境相关7,8。



<图2  体内成骨分化实验.>


综上,作者展示了PDLSC、DPSC及DFPC三种人牙源性干细胞具有高度相似且同时存在一定差异的DNA甲基化谱。同时,作者检测了三种干细胞间具有显著差异的甲基化位点并将这些差异基因位点进行GO分析,结果显示差异基因与成骨功能相关。与另外两种干细胞相比,PDLSC更高表达与成骨功能相关的转录因子及细胞表面抗原。此外,作者进一步通过体内外实验验证了PDLSC比DPSC及DFPC具有更强的成骨分化潜能。这些结果表明三种人牙源性干细胞差异化的DNA甲基化谱可能揭示了三者之间不同的成骨分化潜力,为今后牙源性干细胞的研究和应用提供了新的思路。



参考文献

(1)Bojic, S., Volarevic, V., Ljujic, B. & Stojkovic, M. Dental stem cells--characteristics and potential. Histol. Histopathol. 29, 699–706 (2014).

2Menicanin, D. et al. Periodontal-ligament-derived stem cells exhibit the capacity for long-term survival, self-renewal, and regeneration of multiple tissue types in vivo. Stem Cells Dev. 23, 1001–1011 (2014). 

3Gosau, M. et al. Comparison of the differentiation potential of neural crest derived progenitor cells from apical papilla (dNC-PCs) and stem cells from exfoliated deciduous teeth (SHED) into mineralising cells. Arch. Oral Biol. 58, 699–706 (2013). 

4Guo, L. et al. Comparison of odontogenic differentiation of human dental follicle cells and human dental papilla cells. PLoS ONE 8, e62332 (2013). 

5Ponnaiyan, D., Bhat, K. M. & Bhat, G. S. Comparison of immuno-phenotypes of stem cells from human dental pulp and periodontal ligament. Int. J. Immuno- pathol. Pharmacol. 25, 127–134 (2012). 

6Wang, X. et al. Comparative characterization of stem cells from human exfoliated deciduous teeth and dental pulp stem cells. Arch. Oral Biol. 57, 1231–1240 (2012). 

7Seo, B. M. et al. Investigation of multipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament. Lancet 364, 149–155    (2004).

8Kim, B. C. et al. Osteoblasticcementoblastic and neural differentiation of dental stem cells and their applications to tissue engineering and regenerative medicine. Tissue Eng. B Rev. 18, 235–244 (2012).



陈峰  副研究员简介


陈峰副研究员,2006年博士毕业于清华大学生命科学学院,期间师从陈晔光院士,进行细胞信号转导相关课题研究。后进入美国加州大学洛杉矶分校牙医学院进行博士后研究,合作导师为牙医学院正畸科主任Eric Kang Ting教授,方向为新型生长因子信号通路及其诱导骨形成机制。2011年入职北京大学口腔医学院中心实验室任微生物平台负责人,目前主要研究领域为口腔颅颌面发育遗传疾病的分子机制及口腔微生态组学研究。迄今已发表第一或通讯作者SCI论文40余篇,包括J Dent Res,J BONE MINER RES,FRONT MICROBIOL等,并受邀为Ebiomedicine杂志撰写评述。同时担任中华口腔医学会口腔生物医学专委会委员,及口腔科研管理专委会青年委员


林久祥  教授简介


林久祥,男,博士(1988年),北京大学口腔医学院教授兼主任医师(1991年),博士生导师(1993年);现任口腔颅面生长发育研究中心主任,兼任中华口腔正畸学杂志总编辑,美国Case大学口腔医学院客座教授;曾任中华口腔医学会正畸专委会主委等;1991年成为我国正畸界唯一获得国家教委和国务院学位委员会授予的“做出突出贡献的中国博士学位获得者”,1992年获政府特殊津贴待遇,1998年被评为卫生部有突出贡献的中青年专家。在学科建设上,牵头创建了我国正畸界唯一的口腔颅面发育研究中心;在口腔正畸临床非手术治疗骨性III类牙颌畸形疑难病例方面取得了开创性的成就;研发出了具有我国自主知识产权的新一代传动直丝弓矫正器及技术,被国家卫生部列为十年百项适宜推广技术,曾获中华医学科技二等奖,并被卫生部推荐申请国家级科技成果发明奖;首次提出了颈椎骨骨龄定量分期法,获得湖北省科技一等奖。作为第一作者或通讯作者于1985年、1999年及2003年分别在口腔正畸界仅有的3份SCI收录的杂志:欧洲正畸杂志(Europ. J. Orthod)、美国正畸杂志(Am. J. Orthod.)及美国Angle正畸杂志(Angle Orhtod)发表论著,取得了我国大陆正畸界历史性零的突破。在国内外杂志上发表了近200篇论文,其中 SCI收录论文50余篇;获省部级科技成果奖10余项,国家专利8项,出版著作10余本,其中主编8本,例如主编了卫生部高等医学院校研究生规划教材“口腔正畸学”第一版及第二版主编;国内率先主编了“现代口腔正畸学”大型专著,已出版第四版近200万字。作为负责人承担过国家“863”科技攻关项目、科技部“十五”科技攻关项目及卫生部重点科技项目、国家自然科学基金项目等10余项。共培养出近60名博士


Signal Transduction and Targeted Therapy简介

《Signal Transduction and Targeted Therapy》(STTT)是自然出版集团和四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室合作出版的全英文生物医学专业期刊(网站:http://www.nature. com/sigtrans,点击本网站最下方"阅读原文”)。主编由美国俄亥俄州立大学Carlo M. Croce教授(美国三院院士,Cancer Research前主编),UCSD的张康教授、川大华西医院魏于全教授/院士担任。有来自全球等多个国家及地区的多位相关领域的近百位著名学者组成编委会。本杂志每周五发表文章,欢迎各位投稿,包括论著或综述。对于原创性成果采取“快速通道”模式,帮助作者以最快的速度发表文章,最快一周可接收。该杂志发表论文可免收发表费。该杂志投稿格式不限,正式发表之前再按杂志格式修改。感谢将此信息转发给您们的同事、朋友以及学生等。


Cite this article

Tingting Ai, Jieni Zhang, Xuedong Wang, Xiaowen Zheng, Xueyan Qin, Qian Zhang, Weiran Li, Wei Hu, Jiuxiang Lin & Feng Chen. DNA methylation profile is associated with the osteogenic potential of three distinct human odontogenic stem cells. doi:10.1038/sigtrans. 2017.61.


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