5.4.4.3 NCP:iden rooli dentiinin biomineralisaatiossa (SIBLINGit)
Monien happamien proteiinien on todettu edistävän tai estävän mineraalien kertymistä. Yksi proteiinien ryhmä, johon on kiinnitetty paljon huomiota, on pienten integriinejä sitovien ligandien N-sidoksissa olevien glykoproteiinien (SIBLING) perhe. Tämä proteiiniryhmä muodostaa tärkeimmän NCP-ryhmän sekä luussa että dentiinissä, ja siihen kuuluvat: osteopontin (OPN), luun sialoproteiini (BSP), dentiinimatriisiproteiini 1 (DMP1), dentiinisialofosfosfoproteiini (DSPP) ja matriksin ekstrasellulaarinen fosfoglykoproteiini (MEPE) (Fisher ym., 2001). Kaikilla näillä proteiineilla on osoitettu kyky sitoutua joihinkin tiettyihin ECM:n komponentteihin tai soluihin sekä kyky olla vuorovaikutuksessa ja sitoa Ca2 + -ioneja. Ne ovat luonnostaan epäjärjestäytyneitä, niillä on suhteellisen satunnainen rakenne ja avoin konformaatio, jonka ansiosta ne voivat olla vuorovaikutuksessa monien muiden matriisin komponenttien kanssa (Evans, 2003; George ja Veis, 2008). Niiden merkitys mineralisaatiossa on peräisin tutkimuksista, joissa yksittäisten SIBLINGien puuttuminen aiheuttaa viallista mineralisaatiota in vivo (Maciejewska ja Chomik, 2012; Xiao ym., 2001; Zhang ym., 2001). Tästä huolimatta niiden toiminnassa viitattiin jonkinasteiseen redundanssiin, sillä mikään proteiineista ei aiheuttanut mineralisaation täydellistä tukahduttamista.
Monissa tutkimuksissa on osoitettu, että DMP1 on monitoiminen proteiini, jolla on merkityksellinen rooli odontoblastien erilaistumisessa ja mineraalien ydintymistapahtumissa (He ym., 2003a; He ja George, 2004; Qin ym., 2007). Tutkimukset, joissa käytettiin rekombinantti-DMP1:tä (rDMP1), ovat osoittaneet, että proteiini järjestäytyy itsestään β-arkkikokoonpanoon vain kalsiumin läsnä ollessa (He ym., 2003a,b). Tämä havainto johti käsitykseen, jonka mukaan DMP1:n oligomerisaatio vakauttaa tilapäisesti äskettäin muodostuneita kalsiumfosfaatin esiasteita sitomalla ja estämällä niiden myöhemmän aggregoitumisen ja saostumisen (He et al., 2005). Lisäksi peptidikartoitus paljasti kollageenia sitovia kohtia DMP1:n C-terminaalissa (He ja George, 2004). Myöhemmät kokeet osoittivat, että tyypin I kollageenin läsnä ollessa sekä täyspitkä rDMP1 että fosforyloitu natiivi DMP1 (p-DMP1) indusoivat HAp:n ydintymistä ja kasvua, kun taas N-terminaalinen domeeni esti HAp:n muodostumisen ja vakautti amorfisen mineraalifaasin (Gajjeraman ym., 2007). Mielenkiintoista on, että DMP1 on paikallistettu peritubulaariseen dentiiniin, josta puuttuvat kollageenifibrillit. Tämä havainto viittaa siihen, että in vivo DMP1 saattaa osallistua kollageenifibrillien ulkopuoliseen mineraalijärjestäytymiseen ja peritubulaarisen dentiinin mineralisaatioon (Beniash ym., 2011). Lisätutkimukset tuovat lisää tietoa toiminnan ymmärtämiseksi paremmin, mutta on todennäköistä, että DMP1:n toimintaa ohjaa sen fosforylaatiotila. Siksi DMP1:llä saattaa olla kaksoisrooli, johon kuuluu kiteiden kasvun estäminen ja mineraalien ydintymisen edistäminen.
DSPP ilmentyy voimakkaasti odontoblasteissa ja ohimenevästi ameloblasteissa (Begue-Kirn ym., 1998; D’Souza ym., 1997). Tämä proteiini pilkkoutuu kahdeksi päätuotteeksi: dentiinisialoproteiiniksi (DSP), joka on peräisin DSPP:n N-terminaalialueesta, ja dentiinifosfoproteiiniksi (DPP) eli fosforiiniksi, joka on peräisin C-terminaalialueesta. DSPP-geenin mutaatiot on yhdistetty ihmisen dentinogenesis imperfecta tyyppi II/III:een, mikä viittaa sen osallistumiseen mineralisaatioprosessiin (McKnight ym., 2008). Itse asiassa knockout (KO) -hiirillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että proteiinin poistaminen tai muokkaaminen vaikutti dentiinin kehitykseen (von Marschall ym., 2012) ja mineralisaatioon, mikä synnyttää samanlaisia vikoja kuin ihmisen dentinogenesis imperfecta III (Sreenath ym., 2003). DPP, yksi pilkkoutumistuotteista, löydettiin itse asiassa paljon aikaisemmin kuin sen esiaste (Veis ja Perry, 1967), ja se onkin runsain NCP dentiinin ECM:ssä, sillä sen osuus NCP:stä on 50 % (MacDougall ym., 1985). DPP ilmentyy ja erittyy voimakkaasti suoraan dentiinin mineralisaatiorintamalla polarisoituneiden odontoblastien toimesta (D’Souza ym., 1997). Tätä proteiinia pidetään fosfaatin kuljettajana, sillä 85-90 % Ser-jäännöksistä on fosforyloituja (Butler ym., 1983; Fujisawa ja Sasaki, 1983; Sabsay ym., 1991). DPP:n sitoutumiskokeet kollageenifibrilleihin ovat osoittaneet, että DPP kiinnittyy kollageenin reikäalueella olevaan spesifiseen kaistaleeseen, mikä viittaa mahdolliseen mineraalien laskeutumisen säätelyyn reikäalueella (Traub et al., 1992). Lisäksi Asp:n ja fosforyloidun seriinin suuri määrä tekee DPP:stä hyvin polyanionisen makromolekyylin, joka sitoo suuria määriä kalsiumia suhteellisen suurella affiniteetilla. Odontoblastien ilmentämä ja ECM:ään erittämä DSP-fragmentti on vähemmän runsas. Tutkimukset, joissa käytettiin ehdollisia DPP-KO-hiiriä DSP:n roolin eristämiseksi, osoittivat fenotyypin osittaista pelastumista ja merkittävää dentiinin tilavuuden muodostumista, mutta pienempää mineraalitiheyttä. Näiden tulosten perusteella kirjoittajat ehdottivat, että DSP saattaa olla osallisena dentiinin mineralisaation käynnistymisessä (Suzuki ym., 2009).
Muillakin vähemmän tutkituilla proteiineilla saattaa olla tärkeä rooli. Dentiinissä mahdollinen funktio dentinogeneesin aikana on kuitenkin vielä selvittämättä. Esimerkiksi BSP:llä, joka on alun perin eristetty luusta, on vahvoja Ca+ 2-sitoutumisominaisuuksia (Zurick ym., 2013). In vitro BSP:n on osoitettu edistävän HAp:n ydintymistä vuorovaikutuksessa kollageenin kanssa (Baht et al., 2008). Vastaavasti OPN on negatiivisesti varautunut hapan proteiini, joka sisältää kollageenia sitovan osan (Lee ym., 2007). Useat in vitro -tutkimukset osoittivat, että OPN:llä on joko estävä tai tehostava vaikutus HAp:n muodostumiseen riippuen sen fosforylaatiotasosta ja pitoisuudesta (Gericke et al., 2005; Hunter et al., 1994, 1996; Pampena et al., 2004). Yksi mekanismeista, joka selittäisi sen inhiboivan vaikutuksen, perustuu fosfaattiryhmien adsorptioon HAp-kiteeseen, mikä estää kiteiden kasvun jatkumisen, mutta erityistä vuorovaikutusta ei vielä täysin tunneta (George ja Veis, 2008). MEPE:llä on oletettu rooli fosfaattihomeostaasissa, ja se ilmentyy voimakkaasti erilaistuneissa odontoblasteissa, ja sen on osoitettu estävän mineralisaatiota (MacDougall ym., 2002). MEPE:n C-terminaalissa sijaitseva hapan seriini-/asparagiinihapporikas motiivi on tunnistettu voimakkaaksi mineralisaation estäjäksi entsymaattisen pilkkomisen jälkeen (Addison ym., 2008; Salmon ym., 2013). Tuoreessa tutkimuksessa raportoitiin MEPE:n ja OSP:n epänormaalista lokalisaatiosta ihmisen dentiinissä potilailla, joilla on X-hypofosfatemian riisitauti (X-hypophosphatemia rickets, XLH), mikä viittaa molempien proteiinien rooliin XLH:ssa havaitussa heikentyneessä dentiinin mineralisaatiossa (Salmon ym., 2014).
Kokonaisuutena kaikki nämä proteiinit ovat aktiivisia toimijoita mineralisaatioprosessissa, ja niillä on monitahoisia funktiorooleja, jotka vaikuttavat mineralisaatioon. Nämä proteiinit toimivat joko mineralisaatiota estävästi tai edistävästi riippuen niiden pitoisuudesta, fosforyloidusta tilasta, muiden posttranslationaalisten modifikaatioiden asteesta ja siitä, ovatko ne liuoksessa vai sitoutuneina johonkin ECM-komponenttiin.