TGF-βはHDAC6を介して一次繊毛の短縮と歪みを介してヒト骨芽細胞の力学的感覚を損なう

TGF-β impairs mechanosensation of human osteoblasts via HDAC6-mediated shortening and distortion of primary cilia.

• Sabrina Ehnert
• Vrinda Sreekumar
• Romina H Aspera-Werz
• Sahar O Sajadian
• Elke Wintermeyer
• Gunther H Sandmann
• Christian Bahrs
• Jan G Hengstler
• Patricio Godoy
• Andreas K Nussler

抄録

トランスフォーミング成長因子β（TGF-β）は、細胞の成長と分化に複数の効果を発揮することから、骨密度の重要な調節因子として知られています。最近、TGF-βがヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）活性をアップレギュレートすることにより、骨芽細胞の成熟化を効果的に阻害することが明らかになってきた。本研究の目的は、rhTGF-β処理が特定のHDACの発現に及ぼす影響と、微小管構造(一次繊毛)や力学的感覚などの細胞への影響を調べることである。TGF-βに曝露することで、遺伝子レベルとタンパク質レベルの両方でHDAC6の発現が最も有意に誘導された。HDAC6は細胞質に最も多く存在し、微小管構造を効果的に脱アセチル化する。このように、TGF-βによるHDAC6の発現誘導は、一次繊毛の変形や短縮、繊毛細胞数の減少をもたらした。一次繊毛は機械的な刺激を感知するとされている。そのため、細胞に流体を流すことで、骨芽細胞の機能（AP活性とマトリックスの鉱物化）を刺激した。TGF-β処理した細胞の一次繊毛は、流体流に曝露したにもかかわらず、骨形成機能の低下と関連していた。TGF-x3B2を投与した細胞の一次繊毛は、流動性条件に曝露したにもかかわらず、骨形成機能の低下と関連していた。これらの細胞は、特に流動性条件下で骨形成機能の改善を示した。以上の結果をまとめると、TGF-βはHDAC6を介して一次繊毛の歪みや短縮を介して骨芽細胞の成熟を部分的に阻害することがわかった。この知見は、慢性的にTGF-βレベルが上昇している外傷患者（例：糖尿病患者）に対する新たな治療法の選択肢を開くものであり、適切な機械的刺激にもかかわらず骨折の治癒が遅れていることが多い。

Transforming growth factor β (TGF-β) is a critical regulator of bone density owing to its multiple effects on cell growth and differentiation. Recently, we have shown that TGF-β effectively blocks bone morphogenetic protein (BMP) induced maturation of osteoblasts by upregulating histone deacetylase (HDAC) activity. The current study aimed at investigating the effect of rhTGF-β treatment on the expression of specific HDACs and their cellular effects, e.g., microtubule structures (primary cilia) and mechanosensation. Exposure to TGF-β most significantly induced expression of HDAC6 both on gene and protein level. Being most abundant in the cytoplasm HDAC6 effectively deacetylates microtubule structures. Thus, TGF-β-induced expression of HDAC6 led to deformation and shortening of primary cilia as well as to reduced numbers of ciliated cells. Primary cilia are described to sense mechanical stimuli. Thus, fluid flow was applied to the cells, which stimulated osteoblast function (AP activity and matrix mineralization). Compromised primary cilia in TGF-β-treated cells were associated with reduced osteogenic function, despite exposure to fluid flow conditions. Chemical inhibition of HDAC6 with Tubacin restored primary cilium structure and length. These cells showed improved osteogenic function especially under fluid flow conditions. Summarizing our results, TGF-β impairs human osteoblast maturation partially via HDAC6-mediated distortion and/or shortening of primary cilia. This knowledge opens up new treatment options for trauma patients with chronically elevated TGF-β-levels (e.g., diabetics), which frequently suffer from delayed fracture healing despite adequate mechanical stimulation.

重要なメッセージ:

TGF-βに曝露すると、ヒト骨芽細胞でHDAC6の発現が誘導される。TGF-βに曝露したヒト骨芽細胞では、一次繊毛が少なく歪んだ状態になっている。TGF-βを暴露したヒト骨芽細胞は、機械的刺激に対して感受性が低い。ヒト骨芽細胞では、HDAC6阻害剤Tubacinを投与することで、機械的感覚を回復させることができる。

KEY MESSAGES: Exposure to TGF-β induces expression of HDAC6 in human osteoblasts. TGF-β exposed human osteoblasts show less and distorted primary cilia. TGF-β exposed human osteoblasts are less sensitive towards mechanical stimulation. Mechanosensation can be recovered by HDAC6 inhibitor Tubacin in human osteoblasts.