5.4.4.3 Rolle der NCPs bei der Biomineralisierung des Dentins (SIBLINGs)
Es ist bekannt, dass verschiedene saure Proteine die Mineralablagerung fördern oder hemmen. Eine Gruppe von Proteinen, der große Aufmerksamkeit zuteil wird, ist die Familie der kleinen N-gebundenen Integrin-bindenden Liganden-Glykoproteine (SIBLING). Diese Gruppe von Proteinen stellt die Hauptgruppe der NCPs sowohl im Knochen als auch im Dentin dar und umfasst: Osteopontin (OPN), Knochensialoprotein (BSP), Dentinmatrixprotein 1 (DMP1), Dentin-Sialophosphoprotein (DSPP) und extrazelluläres Matrixphosphoglykoprotein (MEPE) (Fisher et al., 2001). Alle diese Proteine haben die Fähigkeit gezeigt, an bestimmte ECM-Komponenten oder Zellen zu binden, und die Fähigkeit, mit Ca2+-Ionen zu interagieren und diese zu binden. Sie sind von Natur aus ungeordnet, haben relativ zufällige Strukturen und eine offene Konformation, die es ihnen ermöglicht, mit einer Vielzahl anderer Matrixkomponenten zu interagieren (Evans, 2003; George und Veis, 2008). Ihre Bedeutung für die Mineralisierung ergibt sich aus Studien, in denen das Fehlen einzelner SIBLINGs zu einer gestörten Mineralisierung in vivo führt (Maciejewska und Chomik, 2012; Xiao et al., 2001; Zhang et al., 2001). Nichtsdestotrotz wurde ein gewisses Maß an Redundanz in ihrer Funktion vermutet, da keines der Proteine eine vollständige Unterdrückung der Mineralisierung induzierte.
Verschiedene Studien haben gezeigt, dass DMP1 ein multifunktionales Protein ist, das eine wichtige Rolle bei der Differenzierung der Odontoblasten und bei der Mineralienkeimbildung spielt (He et al., 2003a; He und George, 2004; Qin et al., 2007). Studien mit rekombinantem DMP1 (rDMP1) haben gezeigt, dass sich das Protein nur in Gegenwart von Kalzium zu einer β-Faltblattkonfiguration zusammenfügt (He et al., 2003a,b). Diese Erkenntnis führte zu dem Konzept, dass die DMP1-Oligomerisierung die neu gebildeten Kalziumphosphatvorläufer vorübergehend stabilisiert, indem sie deren weitere Aggregation und Ausfällung verhindert (He et al., 2005). Darüber hinaus wurden durch Peptidkartierung kollagenbindende Stellen am C-Terminus von DMP1 nachgewiesen (He und George, 2004). Spätere Experimente zeigten, dass in Gegenwart von Typ-I-Kollagen sowohl das rDMP1 in voller Länge als auch das phosphorylierte native DMP1 (p-DMP1) die HAp-Keimbildung und das Wachstum induzieren, während die N-terminale Domäne die HAp-Bildung hemmt und die amorphe Mineralphase stabilisiert (Gajjeraman et al., 2007). Interessanterweise wurde DMP1 im peritubulären Dentin lokalisiert, das keine Kollagenfibrillen aufweist. Dieser Befund deutet darauf hin, dass DMP1 in vivo an der Mineralisierung außerhalb der Kollagenfibrille und an der Mineralisierung des peritubulären Dentins beteiligt sein könnte (Beniash et al., 2011). Weitere Studien werden weitere Informationen liefern, um die Funktion besser zu verstehen, aber es ist wahrscheinlich, dass die Funktion von DMP1 durch seinen Phosphorylierungszustand gesteuert wird. Daher könnte DMP1 eine doppelte Funktion haben, die die Hemmung des Kristallwachstums und die Förderung der Mineralkeimbildung umfasst.
DSPP wird in Odontoblasten stark und in Ameloblasten vorübergehend exprimiert (Begue-Kirn et al., 1998; D’Souza et al., 1997). Dieses Protein wird in zwei Hauptprodukte gespalten: Dentin-Sialoprotein (DSP) aus dem N-terminalen Teil des DSPP und Dentin-Phosphoprotein (DPP) oder Phosphorin aus dem C-terminalen Bereich. Mutationen im DSPP-Gen wurden mit menschlicher Dentinogenesis imperfecta Typ II/III in Verbindung gebracht, was auf seine Beteiligung am Mineralisierungsprozess hindeutet (McKnight et al., 2008). Studien mit Knockout-Mäusen (KO) haben gezeigt, dass die Deletion oder Modifikation des Proteins die Dentinentwicklung (von Marschall et al., 2012) und die Mineralisierung beeinträchtigt, was zu ähnlichen Defekten wie bei der menschlichen Dentinogenesis imperfecta III führt (Sreenath et al., 2003). DPP, eines der Spaltprodukte, wurde bereits viel früher als sein Vorläufer entdeckt (Veis und Perry, 1967) und ist in der Tat das am häufigsten vorkommende NCP in der Dentin-ECM, das 50% der NCPs ausmacht (MacDougall et al., 1985). DPP wird in hohem Maße exprimiert und direkt an der Mineralisierungsfront des Dentins von polarisierten Odontoblasten sezerniert (D’Souza et al., 1997). Dieses Protein wird als Phosphatträger angesehen, da 85-90% der Ser-Reste phosphoryliert sind (Butler et al., 1983; Fujisawa und Sasaki, 1983; Sabsay et al., 1991). Bindungsversuche von DPP an Kollagenfibrillen haben gezeigt, dass DPP an ein bestimmtes Band in der Lochregion des Kollagens bindet, was auf eine mögliche Regulierung der Mineralablagerung innerhalb der Lückenregion hindeutet (Traub et al., 1992). Darüber hinaus macht der hohe Anteil an Asp und phosphoryliertem Serin DPP zu einem sehr polyanionischen Makromolekül, das große Mengen an Kalzium mit relativ hoher Affinität bindet. Das DSP-Fragment, das von Odontoblasten exprimiert und in die ECM sezerniert wird, kommt weniger häufig vor. Studien mit konditionalen DPP-KO-Mäusen zur Isolierung der Rolle von DSP zeigten eine teilweise Rettung des Phänotyps mit signifikanter Dentinvolumenbildung, jedoch mit geringerer Mineraldichte. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse schlugen die Autoren vor, dass DSP an der Initiierung der Dentinmineralisierung beteiligt sein könnte (Suzuki et al., 2009).
Auch andere, weniger untersuchte Proteine könnten eine wichtige Rolle spielen. Im Dentin ist eine mögliche Funktion während der Dentinogenese jedoch noch nicht geklärt. BSP, das ursprünglich aus Knochen isoliert wurde, weist zum Beispiel starke Ca+ 2-Bindungseigenschaften auf (Zurick et al., 2013). In vitro hat sich gezeigt, dass BSP die HAp-Keimbildung durch Wechselwirkung mit Kollagen fördert (Baht et al., 2008). Ebenso ist OPN ein negativ geladenes saures Protein, das eine kollagenbindende Komponente enthält (Lee et al., 2007). Mehrere In-vitro-Studien haben gezeigt, dass OPN je nach Phosphorylierungsgrad und Konzentration entweder eine hemmende oder eine verstärkende Wirkung auf die HAp-Bildung hat (Gericke et al., 2005; Hunter et al., 1994, 1996; Pampena et al., 2004). Einer der Mechanismen, die seine hemmende Wirkung erklären könnten, beruht auf der Adsorption der Phosphatgruppen an den HAp-Kristall, wodurch ein weiteres Kristallwachstum verhindert wird, aber die spezifische Interaktion ist noch nicht vollständig geklärt (George und Veis, 2008). MEPE, das vermutlich eine Rolle bei der Phosphathomöostase spielt, wird in differenzierten Odontoblasten stark exprimiert und hemmt nachweislich die Mineralisierung (MacDougall et al., 2002). Ein saures Serin/Asparaginsäure-reiches Motiv am C-Terminus von MEPE wurde als starker Mineralisierungsinhibitor nach enzymatischer Spaltung identifiziert (Addison et al., 2008; Salmon et al., 2013). In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde über eine abnorme Lokalisierung von MEPE und OSP in menschlichem Dentin bei Patienten mit X-Hypophosphatämie-Rachitis (XLH) berichtet, was darauf hindeutet, dass beide Proteine eine Rolle bei der gestörten Dentinmineralisierung spielen, die bei XLH beobachtet wird (Salmon et al., 2014).
Insgesamt sind alle diese Proteine aktive Akteure im Mineralisierungsprozess und zeigen multifunktionale Rollen, die die Mineralisierung beeinflussen. Abhängig von ihrer Konzentration, ihrem phosphorylierten Zustand, dem Grad anderer posttranslationaler Modifikationen und der Tatsache, ob sie in Lösung vorliegen oder an eine ECM-Komponente gebunden sind, wirken diese Proteine entweder hemmend oder fördernd auf die Mineralisierung.