间歇性压缩力通过 Yes 相关蛋白调控人牙周膜细胞行为
2025-09-16 来源:本站 点击次数:25
Intermittent compressive force regulates human periodontal ligament cell behavior via yes-associated protein
Keywords: Cell fate decision, FTIR, Hippo signaling pathway, Human periodontal ligament cells, Intermittent compressive force, Yes-associated protein
机械调控通过机械感知和机械转导过程影响干细胞命运分化，其关键在于细胞对物理和机械信号（如 ECM 硬度、外在力等）的响应。研究表明，ECM 硬度和机械力可通过影响整合素聚集、黏着斑形成、细胞骨架蛋白（如 F - 肌动蛋白）及相关信号通路（如 Rho GTP 酶），调控间充质干细胞的命运决定（如成骨分化）。而这一调控过程的具体表现，与力的模式及细胞类型相关。
牙周膜作为连接牙齿与牙槽骨的特殊结缔组织，在机械力传递中发挥关键作用。研究通过多种加载模型发现，不同类型的机械力（如持续压缩力、周期性张力等）会使人牙周膜细胞产生不同的机械生物学反应。其中，间歇性压缩力可通过调控牙周膜细胞活性维持牙周组织稳态，具体表现为：作为机械传感器，通过 IL-1β 刺激 RANKL 激活骨重塑；通过 TGF-β1 信号通路促进 SOST 和 POSTN 表达，助力牙周组织重塑。
YAP 和 TAZ 作为 Hippo 信号通路的下游介质，通过经典通路（受 Hippo 核心激酶负调控，影响细胞增殖）和非经典通路（响应机械信号，通过细胞骨架网络调控细胞结构）参与细胞功能及组织生长调控。在牙组织中，YAP 在牙上皮和口腔间充质中表达，其异常（过表达或敲除）会影响牙齿形态发生、牙胚发育及细胞增殖，提示 YAP 在牙齿形成及牙周组织等周围间充质组织中具有关键作用。YAP 在骨稳态中具有重要作用，可通过促进成骨分化、抑制成脂分化维持骨量，例如能促进成骨细胞增殖分化、抑制骨髓间充质干细胞成脂潜能，且对人间充质干细胞的成骨与成脂分化有调控作用，在周期性强度加载下还能促进人牙周膜细胞成骨分化。但目前，关于压缩力作用下 YAP 对人牙周膜细胞命运决定的影响仍有待研究。
基于此，朱拉隆功大学牙科学院再生牙科学卓越中心及解剖学系的研究团队探究了人牙周膜细胞是否通过 Hippo-YAP 通路响应间歇性压缩力，并分析 YAP 敲低在此条件下对细胞增殖和命运决定的影响。研究成果发表在Heliyon期刊，题为“Intermittent compressive force regulates human periodontal ligament cell behavior via yes-associated protein”。
首先，为确定压缩力对人牙周膜细胞中 YAP 的影响，研究人员检测了间歇性压缩力（ICF）和持续性压缩力（CCF）加载后 YAP 的表达情况。结果显示：ICF 会诱导 YAP 核转位（图 1B），使 YAP 活性形式增加（图 1B）、非活性形式（p-YAP）减少（图 1D），即ICF 可促进 YAP 的表达及活性。而 CCF 则产生相反效果，会降低 YAP 活性、 增加其非活性形式。
图1 压缩力加载下人牙周膜细胞中 YAP 的表达。
为了探究牙周膜细胞是否通过 YAP 信号级联响应ICF ，研究人员构建了 YAP 敲除（YAP-KD）的牙周膜细胞及对照细胞，施加 ICF 24 小时后检测相关基因表达。通过蛋白质印迹法 证实 YAP 蛋白的表达受到抑制（图 2A）。结果显示，YAP 缺失不影响细胞活力和凋亡。ICF 处理使对照组中 YAP1 及其下游靶基因（CYCLIN-D1、C-MYC ）表达显著上调（图 2B、C），而 YAP-KD 组及 YAP-KD ICF 组中YAP、CYCLIN-D1、C-MYC 和 CTGF 的 mRNA 表达水平下调 ，但 YAP-KD ICF 组表达仍高于单纯 YAP-KD 组。这表明 ICF 可激活 YAP 转录活性，且 YAP 作为机械感知蛋白能将 ICF 信号转化为细胞变化。
图2 ICF 加载下，YAP 敲除的牙周膜细胞中 YAP 及其下游靶基因的 mRNA 表达。
随后，为了探究压缩力对人牙周膜细胞增殖的影响，研究人员检测了 ICF 和 CCF 处理后细胞增殖相关标志物的表达。结果显示，ICF 显著上调 LIN28a、LIN28b、OCT4、REX1、SOX2 和 KI67 等增殖相关基因的 mRNA 表达，而 CCF 无此效果（图 3A），表明压缩力对增殖相关基因的影响与载荷类型相关。在 ICF 条件下，YAP 敲除细胞中上述基因表达显著降低（图 3B），且这一结果与使用 YAP 抑制剂的情况一致。免疫荧光分析也显示，ICF 可提高 KI67 阳性细胞比例，而 YAP 缺失会降低该比例（无论是否施加 ICF）（图 3C、D）。
接下来，研究人员通过体外伤口愈合实验探究了ICF是否通过 YAP 的表达影响人牙周膜细胞的增殖。结果显示，对照组在 48 小时后伤口几乎闭合（图 4A），而 YAP 敲除且经 ICF 处理的细胞伤口缩减比例低于 ICF 处理的对照组（图 4B），经 YAP 抑制剂 DH 处理的细胞也呈现类似结果。这表明 ICF 通过 YAP 信号影响人牙周膜细胞增殖，YAP 缺失会导致其靶基因转录活性降低、伤口闭合延迟。
图4 在 ICF 加载下，YAP 沉默降低人牙周膜细胞的增殖能力。
接着，为探究 ICF 是否通过 YAP 信号影响人牙周膜细胞成骨分化，研究人员对 YAP-KD 细胞施加 ICF 24h后进行成骨分化诱导。结果显示，YAP-KD 且经 ICF 处理的细胞中， 成骨特异性标志物OCN 和 COL1A1的mRNA 表达显著下调（图 5A）。ICF 诱导的细胞中 COL1 蛋白水平升高，而 YAP-KD 细胞（无论是否经 ICF 处理）中 COL1 蛋白水平均降低（图 5B）。ALP 活性染色显示 YAP-KD ICF 细胞成骨分化能力低于对照组。茜素红 S 染色表明 Control ICF 组矿化骨基质分泌增加，而 YAP 抑制会显著减少矿化物沉积（无论是否施加 ICF）（图 5C）。
为了进一步探究了ICF是否通过 YAP 的表达影响人牙周膜细胞的成脂分化能力 ，研究人员对 YAP-KD 细胞进行成脂分化诱导。21 天后发现，YAP-KD 组和 YAP-KD ICF 组成脂特异性标志物（PPARG、ADIPOQ）的 mRNA 表达较各自对照组显著上调，而对照组与 Control ICF 组间无显著差异（图 6A），表明 YAP 缺失会促进人牙周膜细胞成脂分化，而 ICF 本身对成脂分化无显著影响。 油红 O 染色结果显示，在YAP-KD 细胞中含脂滴的细胞积累增多。对正常牙周膜细胞施加 ICF 可间接上调 YAP 活性，显著减少脂滴形成（图 6B-C）。此外，YAP-KD 组与 YAP-KD ICF 组的脂滴积累量无显著差异，且 YAP-KD ICF 组脂滴仍多于 Control ICF 组，表明牙周膜细胞中 YAP 缺失会使其对机械力失去响应。
最后，为证实 YAP 是重要的机械感知信号分子，研究人员通过同步辐射 FTIR 分析检测了细胞整体生物分子变化。结果显示，在类似 ICF 的培养条件下，YAP-KD ICF 组与 Control ICF 组相比，整体生物分子结构明显改变，脂质水平更高（图 7A-C）。PCA 得分图显示两组细胞明显分离（图 7D-E）。这一结果表明 YAP 是调控人牙周膜细胞成脂分化的重要信号分子。此外，对 YAP 缺失细胞施加 ICF 无法完全恢复对照组表型。
总之，研究表明，牙周膜细胞中的 YAP 作为机械感知蛋白调控细胞分化：间歇性压缩力诱导 YAP 表达，促使细胞向成骨分化；而 YAP 缺失则使细胞倾向于成脂分化，这解释了机械负荷对预防牙槽骨丢失的重要性。综上，YAP 作为机械敏感调节因子，在人牙周膜细胞增殖及命运决定中起必要作用（图8）。
参考文献：Klincumhom N, Lorthongpanich C, Thumanu K, Septham P, Phomyu W, Issaragrisil S, Pavasant P. Intermittent compressive force regulates human periodontal ligament cell behavior via yes-associated protein. Heliyon. 2022 Oct 1;8(10):e10845. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e10845. PMID: 36247165; PMCID: PMC9561743.
原文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9561743/
Impact Factor: 3.6
ISSN: 2405-8440
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Keywords: Cell fate decision, FTIR, Hippo signaling pathway, Human periodontal ligament cells, Intermittent compressive force, Yes-associated protein
机械调控通过机械感知和机械转导过程影响干细胞命运分化，其关键在于细胞对物理和机械信号（如 ECM 硬度、外在力等）的响应。研究表明，ECM 硬度和机械力可通过影响整合素聚集、黏着斑形成、细胞骨架蛋白（如 F - 肌动蛋白）及相关信号通路（如 Rho GTP 酶），调控间充质干细胞的命运决定（如成骨分化）。而这一调控过程的具体表现，与力的模式及细胞类型相关。
牙周膜作为连接牙齿与牙槽骨的特殊结缔组织，在机械力传递中发挥关键作用。研究通过多种加载模型发现，不同类型的机械力（如持续压缩力、周期性张力等）会使人牙周膜细胞产生不同的机械生物学反应。其中，间歇性压缩力可通过调控牙周膜细胞活性维持牙周组织稳态，具体表现为：作为机械传感器，通过 IL-1β 刺激 RANKL 激活骨重塑；通过 TGF-β1 信号通路促进 SOST 和 POSTN 表达，助力牙周组织重塑。
YAP 和 TAZ 作为 Hippo 信号通路的下游介质，通过经典通路（受 Hippo 核心激酶负调控，影响细胞增殖）和非经典通路（响应机械信号，通过细胞骨架网络调控细胞结构）参与细胞功能及组织生长调控。在牙组织中，YAP 在牙上皮和口腔间充质中表达，其异常（过表达或敲除）会影响牙齿形态发生、牙胚发育及细胞增殖，提示 YAP 在牙齿形成及牙周组织等周围间充质组织中具有关键作用。YAP 在骨稳态中具有重要作用，可通过促进成骨分化、抑制成脂分化维持骨量，例如能促进成骨细胞增殖分化、抑制骨髓间充质干细胞成脂潜能，且对人间充质干细胞的成骨与成脂分化有调控作用，在周期性强度加载下还能促进人牙周膜细胞成骨分化。但目前，关于压缩力作用下 YAP 对人牙周膜细胞命运决定的影响仍有待研究。
基于此，朱拉隆功大学牙科学院再生牙科学卓越中心及解剖学系的研究团队探究了人牙周膜细胞是否通过 Hippo-YAP 通路响应间歇性压缩力，并分析 YAP 敲低在此条件下对细胞增殖和命运决定的影响。研究成果发表在Heliyon期刊，题为“Intermittent compressive force regulates human periodontal ligament cell behavior via yes-associated protein”。
图1 压缩力加载下人牙周膜细胞中 YAP 的表达。 图2 ICF 加载下，YAP 敲除的牙周膜细胞中 YAP 及其下游靶基因的 mRNA 表达。 随后，为了探究压缩力对人牙周膜细胞增殖的影响，研究人员检测了 ICF 和 CCF 处理后细胞增殖相关标志物的表达。结果显示，ICF 显著上调 LIN28a、LIN28b、OCT4、REX1、SOX2 和 KI67 等增殖相关基因的 mRNA 表达，而 CCF 无此效果（图 3A），表明压缩力对增殖相关基因的影响与载荷类型相关。在 ICF 条件下，YAP 敲除细胞中上述基因表达显著降低（图 3B），且这一结果与使用 YAP 抑制剂的情况一致。免疫荧光分析也显示，ICF 可提高 KI67 阳性细胞比例，而 YAP 缺失会降低该比例（无论是否施加 ICF）（图 3C、D）。
图3 在 ICF 加载下，YAP-KD 细胞中细胞增殖相关标志物的 mRNA 表达水平。
接下来，研究人员通过体外伤口愈合实验探究了ICF是否通过 YAP 的表达影响人牙周膜细胞的增殖。结果显示，对照组在 48 小时后伤口几乎闭合（图 4A），而 YAP 敲除且经 ICF 处理的细胞伤口缩减比例低于 ICF 处理的对照组（图 4B），经 YAP 抑制剂 DH 处理的细胞也呈现类似结果。这表明 ICF 通过 YAP 信号影响人牙周膜细胞增殖，YAP 缺失会导致其靶基因转录活性降低、伤口闭合延迟。
图4 在 ICF 加载下，YAP 沉默降低人牙周膜细胞的增殖能力。 接着，为探究 ICF 是否通过 YAP 信号影响人牙周膜细胞成骨分化，研究人员对 YAP-KD 细胞施加 ICF 24h后进行成骨分化诱导。结果显示，YAP-KD 且经 ICF 处理的细胞中， 成骨特异性标志物OCN 和 COL1A1的mRNA 表达显著下调（图 5A）。ICF 诱导的细胞中 COL1 蛋白水平升高，而 YAP-KD 细胞（无论是否经 ICF 处理）中 COL1 蛋白水平均降低（图 5B）。ALP 活性染色显示 YAP-KD ICF 细胞成骨分化能力低于对照组。茜素红 S 染色表明 Control ICF 组矿化骨基质分泌增加，而 YAP 抑制会显著减少矿化物沉积（无论是否施加 ICF）（图 5C）。
图5 在 ICF 加载下，YAP 的抑制会阻碍人牙周膜细胞的成骨分化。
为了进一步探究了ICF是否通过 YAP 的表达影响人牙周膜细胞的成脂分化能力 ，研究人员对 YAP-KD 细胞进行成脂分化诱导。21 天后发现，YAP-KD 组和 YAP-KD ICF 组成脂特异性标志物（PPARG、ADIPOQ）的 mRNA 表达较各自对照组显著上调，而对照组与 Control ICF 组间无显著差异（图 6A），表明 YAP 缺失会促进人牙周膜细胞成脂分化，而 ICF 本身对成脂分化无显著影响。 油红 O 染色结果显示，在YAP-KD 细胞中含脂滴的细胞积累增多。对正常牙周膜细胞施加 ICF 可间接上调 YAP 活性，显著减少脂滴形成（图 6B-C）。此外，YAP-KD 组与 YAP-KD ICF 组的脂滴积累量无显著差异，且 YAP-KD ICF 组脂滴仍多于 Control ICF 组，表明牙周膜细胞中 YAP 缺失会使其对机械力失去响应。
图6 在 ICF 加载下，YAP 的抑制会促进人牙周膜细胞的成脂分化。
最后，为证实 YAP 是重要的机械感知信号分子，研究人员通过同步辐射 FTIR 分析检测了细胞整体生物分子变化。结果显示，在类似 ICF 的培养条件下，YAP-KD ICF 组与 Control ICF 组相比，整体生物分子结构明显改变，脂质水平更高（图 7A-C）。PCA 得分图显示两组细胞明显分离（图 7D-E）。这一结果表明 YAP 是调控人牙周膜细胞成脂分化的重要信号分子。此外，对 YAP 缺失细胞施加 ICF 无法完全恢复对照组表型。
图7 在 ICF 加载下，分化的 YAP-KD 细胞呈现成脂表型。
图8 人牙周膜细胞通过 YAP 信号响应 ICF 的行为示意图。
总之，研究表明，牙周膜细胞中的 YAP 作为机械感知蛋白调控细胞分化：间歇性压缩力诱导 YAP 表达，促使细胞向成骨分化；而 YAP 缺失则使细胞倾向于成脂分化，这解释了机械负荷对预防牙槽骨丢失的重要性。综上，YAP 作为机械敏感调节因子，在人牙周膜细胞增殖及命运决定中起必要作用（图8）。
参考文献：Klincumhom N, Lorthongpanich C, Thumanu K, Septham P, Phomyu W, Issaragrisil S, Pavasant P. Intermittent compressive force regulates human periodontal ligament cell behavior via yes-associated protein. Heliyon. 2022 Oct 1;8(10):e10845. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e10845. PMID: 36247165; PMCID: PMC9561743.
原文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9561743/
Impact Factor: 3.6
ISSN: 2405-8440
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