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また、比較トランスクリプトーム解析により、軟骨芽細胞と破骨細胞の異なる分子シグネチャーと制御ネットワークを同定した
Comparative transcriptomic analysis identifies distinct molecular signatures and regulatory networks of chondroclasts and osteoclasts.
PMID: 32650826 PMCID: PMC7353397. DOI: 10.1186/s13075-020-02259-z.
抄録
背景:
軟骨細胞と破骨細胞は、それぞれ鉱物化した軟骨と骨のマトリックスを再吸収する能力を持つ細胞であることがこれまでに確認されています。しかし、破骨細胞と軟骨細胞のゲノム上の類似点や相違点についての情報は得られていませんでした。
BACKGROUND: Chondroclasts and osteoclasts have been previously identified as the cells capable of resorbing mineralized cartilage and bone matrices, respectively. While both cell types appear morphologically similar, contain comparable ultrastructural features, and express tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP), however, no information is available about the genomic similarities and differences between osteoclasts and chondroclasts.
方法:
この問題を解決するために、マウスの大腿骨骨折カルス切片から、骨と相互作用するTRAP陽性細胞（破骨細胞）と、鉱物化した軟骨と相互作用するTRAP陽性細胞（軟骨芽細胞）の同質な集団を同一平面上でレーザー撮影した。次に、マウスゲノム Agilent GE 4X44K V2 マイクロアレイプラットフォームを利用して、軟骨芽細胞と破骨細胞のグローバルなトランスクリプトームプロファイリングを行った。複数の計算機アプローチと相互作用ネットワークを用いて、破骨細胞と軟骨細胞のトランスクリプトーム解析を行いました。
METHODS: To address this question, we laser captured homogeneous populations of TRAP-positive cells that interact with bone (osteoclasts) and TRAP-positive cells that interact with mineralized cartilage (chondroclasts) on the same plane from murine femoral fracture callus sections. We then performed a global transcriptome profiling of chondroclasts and osteoclasts by utilizing a mouse genome Agilent GE 4X44K V2 microarray platform. Multiple computational approaches and interaction networks were used to analyze the transcriptomic landscape of osteoclasts and chondroclasts.
結果:
我々は、階層的クラスタリングと主成分分析（PCA）を用いた系統的かつ包括的な解析により、軟骨細胞と破骨細胞は転写的に異なる細胞集団であり、散布図、ボルケーノプロット、ヒートマップ解析を含む多変量解析によって明らかになった個別のトランスクリプトームシグネチャーを示すことを明らかにした。マイクロアレイの結果を検証するためにTaqMan qPCRを用いた。その結果、軟骨芽細胞と破骨細胞に特異的なGene Ontology用語と分子経路が明らかになり、さらに代謝遺伝子のサブセットが軟骨芽細胞に特異的であることが示唆された。タンパク質間相互作用（PPI）ネットワーク解析により、軟骨芽細胞における代謝経路、ATP合成経路、プロテアソーム経路の構造化ネットワークが豊富に存在していることが明らかになった。また、転写因子を標的とした遺伝子ネットワークを用いた制御ネットワーク解析により、軟骨細胞特異的な遺伝子シグネチャとしてETV6、SIRT1、ATF1を含む遺伝子のプールが予測された。
RESULTS: Our systematic and comprehensive analyses using hierarchical clustering and principal component analysis (PCA) demonstrate that chondroclasts and osteoclasts are transcriptionally distinct cell populations and exhibit discrete transcriptomic signatures as revealed by multivariate analysis involving scatter plot, volcano plot, and heatmap analysis. TaqMan qPCR was used to validate the microarray results. Intriguingly, the functional enrichment and integrated network analyses revealed distinct Gene Ontology terms and molecular pathways specific to chondroclasts and osteoclasts and further suggest that subsets of metabolic genes were specific to chondroclasts. Protein-protein interaction (PPI) network analysis showed an abundance of structured networks of metabolic pathways, ATP synthesis, and proteasome pathways in chondroclasts. The regulatory network analysis using transcription factor-target gene network predicted a pool of genes including ETV6, SIRT1, and ATF1 as chondroclast-specific gene signature.
結論:
本研究は、生体内での軟骨クラストの機能をさらに研究するための重要な遺伝資源を提供するものである。本研究は、軟骨芽細胞から破骨細胞の遺伝的景観を明らかにした初めての研究であり、軟骨芽細胞の特徴的な分子シグネチャー、機能的クラスタリング、相互作用ネットワークを明らかにしました。
CONCLUSIONS: Our study provides an important genetic resource for further exploration of chondroclast function in vivo. To our knowledge, this is the first demonstration of genetic landscape of osteoclasts from chondroclasts identifying unique molecular signatures, functional clustering, and interaction network.