5.4.4.3 Rol van NCPs in dentine biomineralisatie (SIBLINGs)
Verschillende zure proteïnen zijn erkend als actief in het bevorderen of remmen van mineraalafzetting. Een groep eiwitten die veel aandacht krijgt is de familie van de kleine integrine-bindende ligand N-gekoppelde glycoproteïnen (SIBLING). Deze groep eiwitten vormt de belangrijkste groep NCPs in zowel bot als dentine en omvat: osteopontine (OPN), botsialoproteïne (BSP), dentin matrix proteïne 1 (DMP1), dentin sialophosphoproteïne (DSPP), en matrix extracellulaire fosfoglycoproteïne (MEPE) (Fisher et al., 2001). Al deze eiwitten hebben aangetoond te kunnen binden aan bepaalde specifieke ECM-componenten of cellen, en te kunnen interageren en Ca2+ -ionen te binden. Ze zijn intrinsiek ongeordend, met relatief willekeurige structuren en een open conformatie die hen in staat stelt tot interactie met een verscheidenheid van andere matrixcomponenten (Evans, 2003; George en Veis, 2008). Hun belang bij mineralisatie blijkt uit studies waarin het ontbreken van individuele SIBLINGs defecte mineralisatie in vivo veroorzaakt (Maciejewska en Chomik, 2012; Xiao et al., 2001; Zhang et al., 2001). Niettemin werd een zekere mate van redundantie in hun functie gesuggereerd, aangezien geen van de eiwitten een totale onderdrukking van mineralisatie induceerde.
Verschillende studies hebben aangetoond dat DMP1 een multifunctioneel eiwit is met een relevante rol in odontoblast-differentiatie en mineraalkerngebeurtenissen (He et al., 2003a; He and George, 2004; Qin et al., 2007). Studies met recombinant DMP1 (rDMP1) hebben aangetoond dat het eiwit alleen in aanwezigheid van calcium zelfassemblage ondergaat in een β-sheet configuratie (He et al., 2003a,b). Deze bevinding leidde tot het concept dat oligomerisatie van DMP1 tijdelijk de nieuw gevormde calciumfosfaat precursors stabiliseert door hun verdere aggregatie en precipitatie vast te leggen en te voorkomen (He et al., 2005). Bovendien toonde peptide mapping collageen-bindende plaatsen aan op het C-terminale deel van het DMP1 (He en George, 2004). Latere experimenten toonden aan dat, in aanwezigheid van type I collageen, zowel het volledige rDMP1 als het gefosforyleerde natieve DMP1 (p-DMP1) HAp-kernvorming en -groei induceren, terwijl het N-terminale domein HAp-vorming remde en de amorfe minerale fase stabiliseerde (Gajjeraman et al., 2007). Interessant is dat DMP1 gelokaliseerd is in de peritubulaire dentine, waarin collageenfibrillen ontbreken. Deze bevinding suggereert dat, in vivo, DMP1 betrokken zou kunnen zijn bij minerale organisatie buiten de collageen fibril en bij de mineralisatie van peritubulair dentine (Beniash et al., 2011). Verdere studies zullen meer informatie opleveren om de functie beter te begrijpen, maar het is waarschijnlijk dat de functie van DMP1 wordt gecontroleerd door zijn fosforylatietoestand. Daarom zou DMP1 een tweeledige rol kunnen hebben, namelijk remming van de kristalgroei en bevordering van mineraalkernvorming.
DSPP komt sterk tot expressie in odontoblasten en tijdelijk ook in ameloblasten (Begue-Kirn et al., 1998; D’Souza et al., 1997). Dit eiwit wordt gesplitst in twee hoofdproducten: dentine sialoproteïne (DSP) afkomstig van het N-terminale DSPP en dentine fosfoproteïne (DPP), of fosforine, afkomstig van het C-terminale gebied. Mutaties in het DSPP-gen zijn in verband gebracht met dentinogenesis imperfecta type II/III bij de mens, wat suggereert dat het betrokken is bij het mineralisatieproces (McKnight et al., 2008). In feite hebben studies met knock-out (KO) muizen aangetoond dat deletie of modificatie van het eiwit de ontwikkeling van dentine beïnvloedt (von Marschall et al., 2012) en mineralisatie, wat vergelijkbare defecten veroorzaakt als bij menselijke dentinogenesis imperfecta III (Sreenath et al., 2003). DPP, één van de splitsingsproducten, werd eigenlijk veel eerder ontdekt dan zijn precursor (Veis en Perry, 1967) en het is inderdaad het meest overvloedige NCP in dentine ECM, goed voor 50% van de NCPs (MacDougall et al., 1985). DPP wordt in hoge mate tot expressie gebracht en direct gesecreteerd aan het dentine mineralisatie front door gepolariseerde odontoblasten (D’Souza et al., 1997). Dit eiwit wordt beschouwd als een fosfaatdrager, aangezien 85-90% van de Ser-residuen gefosforyleerd zijn (Butler et al., 1983; Fujisawa en Sasaki, 1983; Sabsay et al., 1991). Bindingstests van DPP aan collageenfibrillen hebben aangetoond dat DPP hecht aan een specifieke band in het gat-gebied van collageen, hetgeen wijst op een mogelijke regulatie van mineraalafzetting binnen het gat-gebied (Traub et al., 1992). Bovendien maken de hoge gehaltes aan Asp en gefosforyleerd serine van DPP een zeer polyanionisch macromolecuul dat grote hoeveelheden calcium bindt met een relatief hoge affiniteit. Het DSP fragment, geëxpresseerd door odontoblasten en gesecreteerd in de ECM, is minder overvloedig aanwezig. Studies met voorwaardelijke DPP-KO muizen om de rol van DSP te isoleren toonden een gedeeltelijke redding van het fenotype met significante dentine volume vorming, maar met lagere minerale dichtheid. Op basis van deze resultaten suggereerden de auteurs dat DSP betrokken zou kunnen zijn bij de initiatie van dentine mineralisatie (Suzuki et al., 2009).
Andere, minder onderzochte eiwitten zouden ook een belangrijke rol kunnen spelen. In dentine moet een mogelijke functie tijdens dentinogenese echter nog worden opgehelderd. BSP, oorspronkelijk geïsoleerd uit bot, vertoont bijvoorbeeld sterke Ca+ 2-bindende eigenschappen (Zurick et al., 2013). In vitro is aangetoond dat BSP HAp-kernvorming bevordert door interactie met collageen (Baht et al., 2008). Evenzo is OPN een negatief geladen zuur eiwit dat een collageen-bindend deel bevat (Lee et al., 2007). Verscheidene in vitro studies hebben aangetoond dat OPN een remmend of versterkend effect heeft op de vorming van HAp, afhankelijk van de mate van fosforylering en de concentratie (Gericke et al., 2005; Hunter et al., 1994, 1996; Pampena et al., 2004). Een van de mechanismen die het remmende effect zouden verklaren, is gebaseerd op de adsorptie van de fosfaatgroepen aan het HAp-kristal, waardoor verdere kristalgroei wordt verhinderd, maar de specifieke interactie is nog niet volledig begrepen (George en Veis, 2008). Met een vermeende rol in de fosfaathomeostase komt MEPE sterk tot expressie in gedifferentieerde odontoblasten en is aangetoond dat het de mineralisatie remt (MacDougall et al., 2002). Een zuur serine/asparaginezuur-rijk motief op het C-terminale uiteinde van MEPE is geïdentificeerd als een sterke remmer van mineralisatie na enzymatische splitsing (Addison et al., 2008; Salmon et al., 2013). Een recente studie meldde abnormale lokalisatie van MEPE en OSP in menselijk dentine bij patiënten met X-hypofosfatemie rachitis (XLH), wat een rol suggereert van beide eiwitten in de verminderde dentine mineralisatie waargenomen bij XLH (Salmon et al., 2014).
Over het geheel genomen zijn al deze eiwitten actieve spelers in het mineralisatieproces, waarbij ze multifunctionele rollen vertonen die de mineralisatie zullen beïnvloeden. Deze eiwitten zullen ofwel de mineralisatie remmen of bevorderen, afhankelijk van hun concentratie, hun gefosforyleerde toestand, de mate van andere posttranslationele modificaties, en of ze in oplossing aanwezig zijn of gebonden zijn aan een of andere ECM component.