5.4.4.3 Role of NCPs in dentin biomineralization (SIBLINGs)
Sono state riconosciute diverse proteine acide attive nel promuovere o inibire il deposito di minerali. Un gruppo di proteine che sta ricevendo grande attenzione è la famiglia delle piccole glicoproteine legate all’integrina (SIBLING). Questo gruppo di proteine costituisce il principale gruppo di NCP sia nell’osso che nella dentina, e comprende: osteopontina (OPN), sialoproteina ossea (BSP), proteina della matrice dentinale 1 (DMP1), sialofosfoproteina dentinale (DSPP), e fosfoglicoproteina extracellulare della matrice (MEPE) (Fisher et al., 2001). Tutte queste proteine hanno mostrato la capacità di legarsi ad alcuni specifici componenti ECM o cellule, e la capacità di interagire e legare ioni Ca2+. Sono intrinsecamente disordinate, con strutture relativamente casuali e una conformazione aperta che permette loro di interagire con una varietà di altri componenti della matrice (Evans, 2003; George e Veis, 2008). La loro importanza nella mineralizzazione deriva da studi in cui la mancanza di singoli SIBLING causa una mineralizzazione difettosa in vivo (Maciejewska e Chomik, 2012; Xiao et al., 2001; Zhang et al., 2001). Tuttavia, è stato suggerito un certo livello di ridondanza nella loro funzione, poiché nessuna delle proteine ha indotto la soppressione totale della mineralizzazione.
Diversi studi hanno dimostrato che DMP1 è una proteina multifunzionale con un ruolo rilevante nella differenziazione degli odontoblasti e negli eventi di nucleazione minerale (He et al., 2003a; He e George, 2004; Qin et al., 2007). Gli studi che utilizzano DMP1 ricombinante (rDMP1) hanno dimostrato che la proteina subisce l’autoassemblaggio in una configurazione a foglio β solo in presenza di calcio (He et al., 2003a,b). Questa scoperta ha portato al concetto che l’oligomerizzazione della DMP1 stabilizza temporaneamente i precursori di fosfato di calcio appena formati, sequestrando e impedendo la loro ulteriore aggregazione e precipitazione (He et al., 2005). Inoltre, la mappatura del peptide ha rivelato siti di legame al collagene al C-terminale di DMP1 (He e George, 2004). Esperimenti successivi hanno dimostrato che, in presenza di collagene di tipo I, sia la rDMP1 completa che la DMP1 nativa fosforilata (p-DMP1) inducono la nucleazione e la crescita di HAp, mentre il dominio N-terminale inibisce la formazione di HAp e stabilizza la fase minerale amorfa (Gajjeraman et al., 2007). È interessante notare che DMP1 è stato localizzato nella dentina peritubulare, che manca di fibrille di collagene. Questo risultato suggerisce che, in vivo, la DMP1 potrebbe essere coinvolta nell’organizzazione minerale al di fuori delle fibrille di collagene e nella mineralizzazione della dentina peritubulare (Beniash et al., 2011). Ulteriori studi contribuiranno a fornire maggiori informazioni per comprendere meglio la funzione, ma è probabile che la funzione di DMP1 sia controllata dal suo stato di fosforilazione. Pertanto, DMP1 potrebbe avere un doppio ruolo che coinvolge l’inibizione della crescita dei cristalli e la promozione della nucleazione dei minerali.
DSPP è altamente espresso negli odontoblasti e transitoriamente espresso negli ameloblasti (Begue-Kirn et al., 1998; D’Souza et al., 1997). Questa proteina è scissa in due prodotti principali: la sialoproteina dentinale (DSP) derivata dall’N-terminale della DSPP e la fosfoproteina dentinale (DPP), o fosforina, dalla regione C-terminale. Mutazioni nel gene DSPP sono state associate alla dentinogenesi imperfetta umana di tipo II/III, suggerendo il suo coinvolgimento nel processo di mineralizzazione (McKnight et al., 2008). Infatti, studi sui topi knockout (KO) hanno dimostrato che la delezione o la modifica della proteina ha influenzato lo sviluppo della dentina (von Marschall et al., 2012) e la mineralizzazione, generando difetti simili alla dentinogenesi imperfetta umana III (Sreenath et al., 2003). DPP, uno dei prodotti di scissione, è stato scoperto molto prima del suo precursore (Veis e Perry, 1967) ed è effettivamente il NCP più abbondante nella ECM della dentina, rappresentando il 50% dei NCP (MacDougall et al., 1985). La DPP è altamente espressa e secreta direttamente sul fronte di mineralizzazione della dentina dagli odontoblasti polarizzati (D’Souza et al., 1997). Questa proteina è considerata un trasportatore di fosfato, poiché l’85-90% dei residui Ser sono fosforilati (Butler et al., 1983; Fujisawa e Sasaki, 1983; Sabsay et al., 1991). I saggi di legame di DPP alle fibrille di collagene hanno dimostrato che DPP si attacca a una banda specifica nella regione del foro del collagene, il che suggerisce una possibile regolazione della deposizione di minerali all’interno della regione del foro (Traub et al., 1992). Inoltre, gli alti livelli di Asp e di serina fosforilata rendono la DPP una macromolecola molto polianionica che lega grandi quantità di calcio con affinità relativamente alta. Espresso dagli odontoblasti e secreto nell’ECM, il frammento DSP è meno abbondante. Gli studi che utilizzano topi DPP-KO condizionati per isolare il ruolo del DSP hanno mostrato un parziale salvataggio del fenotipo con una significativa formazione di volume della dentina, ma con una minore densità minerale. Sulla base di questi risultati, gli autori hanno suggerito che DSP potrebbe essere implicato nell’inizio della mineralizzazione della dentina (Suzuki et al., 2009).
Anche altre proteine meno studiate possono giocare ruoli importanti. Nella dentina, tuttavia, una potenziale funzione durante la dentinogenesi deve ancora essere chiarita. Per esempio, BSP, inizialmente isolata dall’osso, mostra forti proprietà di legame al Ca+ 2 (Zurick et al., 2013). In vitro, BSP ha dimostrato di promuovere la nucleazione di HAp interagendo con il collagene (Baht et al., 2008). Allo stesso modo, OPN è una proteina acida caricata negativamente che contiene una parte legante il collagene (Lee et al., 2007). Diversi studi in vitro hanno rivelato che OPN ha un effetto inibitorio o di rafforzamento sulla formazione di HAp a seconda del suo livello di fosforilazione e della sua concentrazione (Gericke et al., 2005; Hunter et al., 1994, 1996; Pampena et al., 2004). Uno dei meccanismi che spiegherebbe il suo effetto inibitorio si basa sull’adsorbimento dei gruppi fosfato al cristallo di HAp, impedendo l’ulteriore crescita del cristallo, ma l’interazione specifica non è ancora del tutto compresa (George e Veis, 2008). Con un ruolo putativo nell’omeostasi del fosfato, MEPE è altamente espresso negli odontoblasti differenziati ed è stato dimostrato che inibisce la mineralizzazione (MacDougall et al., 2002). Un motivo ricco di serina/acido aspartico situato al C-terminale di MEPE è stato identificato come un forte inibitore della mineralizzazione dopo la scissione enzimatica (Addison et al., 2008; Salmon et al., 2013). Uno studio recente ha riportato la localizzazione anomala di MEPE e OSP nella dentina umana in pazienti con rachitismo da X-ipofosfatemia (XLH), suggerendo un ruolo di entrambe le proteine nella mineralizzazione alterata della dentina osservata nella XLH (Salmon et al., 2014).
In generale, tutte queste proteine sono attori attivi nel processo di mineralizzazione, mostrando ruoli multifunzionali che influenzano la mineralizzazione. Queste proteine agiranno per inibire o promuovere la mineralizzazione a seconda della loro concentrazione, il loro stato fosforilato, il grado di altre modifiche post-traslazionali, e se sono presenti in soluzione o legate a qualche componente ECM.
Si tratta di proteine che hanno un ruolo attivo nel processo di mineralizzazione.