Mechanical Strain Enhances Extracellular Matrix-Induced Gene Focusing and Promotes Osteogenic Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells Through an Extracellular-Related Kinase-Dependent Pathway

细胞生物学 生物 间充质干细胞 细胞外基质 MAPK/ERK通路 脂肪生成 转分化 信号转导 细胞分化 基因表达 干细胞 基因 遗传学
作者
Donald F. Ward,Roman M. Salasznyk,Robert F. Klees,Julianne Backiel,Phaedra Agius,Kristin P. Bennett,Adele L. Boskey,George E. Plopper
出处
期刊:Stem Cells and Development [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:16 (3): 467-480 被引量:108
标识
DOI:10.1089/scd.2007.0034
摘要

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are a population of multipotent bone marrow cells capable of differentiating along multiple lineages, including bone. Our recently published proteomics studies suggest that focusing of gene expression is the basis of hMSC osteogenic transdifferentiation, and that extracellular matrix proteins play an important role in controlling this focusing. Here, we show that application of a 3–5% tensile strain to a collagen I substrate stimulates osteogenesis in the attached hMSCs through gene focusing via a MAP kinase signaling pathway. Mechanical strain increases expression levels of well-established osteogenic marker genes while simultaneously reducing expression levels of marker genes from three alternate lineages (chondrogenic, adipogenic, and neurogenic). Mechanical strain also increases matrix mineralization (a hallmark of osteogenic differentiation) and activation of extracellular signal-related kinase 1/2 (ERK). Addition of the MEK inhibitor PD98059 to reduce ERK activation decreases osteogenic gene expression and matrix mineralization while also blocking strain-induced down-regulation of nonosteogenic lineage marker genes. These results demonstrate that mechanical strain enhances collagen I-induced gene focusing and osteogenic differentiation in hMSCs through the ERK MAP kinase signal transduction pathway.

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