Bedeutung der extrazellulären Kollagenmodifikationen für die Osteoblastendifferenzierung und Entstehung von Knochengewebe

Abstract

Ein wesentlicher Bestandteil des Parodonts ist das alveoläre Knochengewebe, das einer hohen mastikatorischen Druckbelastung sowie funktionellen Anpassungen an metabolische und inflammatorische Reize unterliegt. Die durch Osteoblasten geförderte extrazelluläre Matrixakkumulation sowie die anschlieβende Matrixmineralisation sind für die Entstehung, das Remodeling und die Regeneration des alveolären Knochengewebes entscheidend. Posttranslationale extrazelluläre Prokollagenmodifikationen sind für die Akkumulation von quervernetztem und damit unlöslichem Kollagen verantwortlich. Die extrazelluläre Modifikation des Kollagens umfasst die Abspaltung der N- und C-terminalen Propeptide und die Konversion der Lysin- und Hydroxylysinreste in reaktive Aldehyde. Dies erfolgt im Wesentlichen durch die Enzyme Prokollagen C-Proteinasen (PCP), Prokollagen N-Proteinase und Lysyloxidase (LOX). Bisher war unklar, wie die extrazellulären, kollagenmodifizierenden Enzyme im Zuge der Osteoblastendifferenzierung reguliert werden. Die vorliegenden Arbeiten zeigen, dass die Expression der Enzyme und insbesondere der LOX in differenzierenden Osteoblastenkulturen einer präzisen Regulation unterliegt. Im Gegensatz zur LOX scheint die Expression der PCP im Verlauf der Osteoblastendifferenzierung konstant zu sein. Bei der Spaltung des 50 kDa großen Lysyloxidase-Proenzyms entsteht das 18 kDa große Propeptid (LOPP). Die vorgelegten Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass LOPP nach der Abspaltung vom LOX-Propeptid von den Osteoblasten aufgenommen wird und intrazellulär in differenzierenden Zellen an α-Tubulin bindet, was auf eine Funktionalität des LOPP im Verlauf der Osteoblastendifferenzierung hindeutet. Vorliegende Untersuchungen zeigen, dass rekombinantes LOPP in der Lage ist, die Progression des Zellzykluses zu beeinflussen. In den vorliegenden Untersuchungen wurde des Weiteren gezeigt, dass sowohl spezifische Inhibitoren der Lysyloxidaseaktivität (ß-APN) als auch der Lysyloxidasespaltungsprozesse (BMP-1-Inhibitor) zu massiven strukturellen kollagenen Veränderungen in Osteoblastenkulturen führen. Im Zuge von entzündlichen Erkrankungen des Knochengewebes wie der Parodontitis kommt es zur massiven Freisetzung von inflammatorischen Zytokinen. Die Originalarbeiten zeigen, dass inflammatorische Zytokine wie TNF-α die Gen- und Proteinexpression sowie die Aktivität der LOX hemmen. Möglicherweise könnte eine gezielte Regulation der extrazellulären Enzyme zukünftig genutzt werden, um Spaltprozesse und die Akkumulation des fibrillären Kollagens zu modulieren und im Zuge entzündlicher Erkrankungen des Knochengewebes therapeutisch zu nutzen.

Alveolar bone tissue, a major component of the periodontium, provides mechanical integrity and strength during mastication and is prone to functional adaptations during metabolic and inflammatory changes. Extracellular collagen accumulation and subsequent matrix mineralisation by osteoblasts is crucial for the formation, remodeling and regeneration of alveolar bone tissue. Post-translational extracellular modifications of procollagen are responsible for the accumulation of unsoluble and cross-linked collagen. The extracellular modifications include the processing of the N- and C-terminal propeptides and the conversion of lysin- and hydroxylysinrests in reactive aldehydes by the enzymes, procollagen C-proteinases (PCP), procollagen N-proteinase and lysyl oxidase (LOX). The present studies examined the regulation of the extracellular, collagen-modifying enzymes during osteoblast differentiation. Data show that LOX expression is precisely controlled in differentiating osteoblast cultures. In contrast, constant PCP expression was found during stages of osteoblast differentiation. During processing of 50 kDa LOX-proenzyme a 18 kDa LOX-propeptid (LOPP) is deposited. Present results show that LOPP is up-taken by osteoblasts and binds to α-tubulin network in differentiating cells, which points to a functional role of LOPP in osteoblast differentiation. Data show that recombinant LOPP influences cell cycle progression. Also, the present results show that the use of the specific LOX inhibitor (ß-APN) as well as BMP-1 inhibitors lead to major structural collagen changes in osteoblast cultures. During inflammatory processes of the bone tissue, as during periodontitis, high amounts of inflammatory cyrokines are released. Prresent data show that the inflammatory cytokine TNF-α significantly inhibits LOX gene- and protein expression as well as LOX activity. In the future, a regulation of the extracellular enzymes may be used by therapeutic means to control processing and accumulation of the fibrillar collagens during inflammatory bone diseases.