5.4.4.3 Rola NCPs w biomineralizacji zębiny (SIBLINGs)
Several acidic proteins have been recognized to be active in promoting or inhibiting mineral deposition. Jedną z grup białek, której poświęca się najwięcej uwagi, jest rodzina małych glikoprotein wiążących ligand integrynowy N-linked (SIBLING). Ta grupa białek stanowi główną grupę NCP zarówno w kości, jak i zębinie, i obejmuje: osteopontynę (OPN), sialoproteinę kości (BSP), białko macierzy zębiny 1 (DMP1), sialofosfoproteinę zębiny (DSPP) oraz zewnątrzkomórkową fosfoglikoproteinę macierzy (MEPE) (Fisher i in., 2001). Wszystkie te białka wykazały zdolność do wiązania się z niektórymi specyficznymi składnikami ECM lub komórkami, a także zdolność do interakcji i wiązania jonów Ca2 +. Są one wewnętrznie nieuporządkowane, mają stosunkowo przypadkową strukturę i otwartą konformację, co pozwala im oddziaływać z wieloma innymi składnikami macierzy (Evans, 2003; George i Veis, 2008). Ich znaczenie w mineralizacji wynika z badań, w których brak poszczególnych SIBLINGów powoduje defekt mineralizacji in vivo (Maciejewska i Chomik, 2012; Xiao i in., 2001; Zhang i in., 2001). Niemniej jednak, zasugerowano pewien poziom redundancji w ich funkcji, ponieważ żadne z białek nie indukowało całkowitej supresji mineralizacji.
Wiele badań wykazało, że DMP1 jest wielofunkcyjnym białkiem z istotną rolą w różnicowaniu odontoblastów i wydarzeniach związanych z nukleacją minerałów (He i in., 2003a; He i George, 2004; Qin i in., 2007). Badania z użyciem rekombinowanego DMP1 (rDMP1) wykazały, że białko to ulega samoorganizacji do konfiguracji arkusza β tylko w obecności wapnia (He i in., 2003a,b). To odkrycie doprowadziło do koncepcji, że oligomeryzacja DMP1 tymczasowo stabilizuje nowo utworzone prekursory fosforanu wapnia poprzez sekwestrację i zapobieganie ich dalszej agregacji i wytrącaniu (He i in., 2005). Co więcej, mapowanie peptydów ujawniło miejsca wiążące kolagen na C-końcu DMP1 (He i George, 2004). Późniejsze eksperymenty wykazały, że w obecności kolagenu typu I zarówno rDMP1 o pełnej długości, jak i fosforylowana natywna DMP1 (p-DMP1) indukują zarodkowanie i wzrost HAp, podczas gdy N-końcowa domena hamuje tworzenie HAp i stabilizuje amorficzną fazę mineralną (Gajjeraman i in., 2007). Co ciekawe, DMP1 został zlokalizowany w zębinie okołotubularnej, w której nie występują włókna kolagenowe. To odkrycie sugeruje, że in vivo DMP1 może być zaangażowany w organizację mineralną poza włóknami kolagenu oraz w mineralizację zębiny okołotubularnej (Beniash i in., 2011). Dalsze badania dostarczą więcej informacji, aby lepiej zrozumieć tę funkcję, ale jest prawdopodobne, że funkcja DMP1 jest kontrolowana przez stan fosforylacji. Dlatego DMP1 może pełnić podwójną rolę, polegającą na hamowaniu wzrostu kryształów i promowaniu nukleacji minerałów.
DSPP ulega wysokiej ekspresji w odontoblastach i przejściowej w ameloblastach (Begue-Kirn i in., 1998; D’Souza i in., 1997). Białko to jest rozszczepiane na dwa główne produkty: sialoproteinę zębiny (DSP) pochodzącą z N-końca DSPP i fosfoproteinę zębiny (DPP), czyli fosforynę, z regionu C-końca. Mutacje w genie DSPP były związane z ludzką dentinogenesis imperfecta typu II/III, sugerując jego udział w procesie mineralizacji (McKnight i in., 2008). W rzeczywistości, badania na myszach typu knockout (KO) wykazały, że delecja lub modyfikacja tego białka wpływa na rozwój zębiny (von Marschall i in., 2012) i mineralizację, generując podobne defekty jak w przypadku ludzkiej dentinogenesis imperfecta III (Sreenath i in., 2003). DPP, jeden z produktów rozszczepienia, został odkryty znacznie wcześniej niż jego prekursor (Veis i Perry, 1967) i rzeczywiście jest najobficiej występującym NCP w ECM zębiny, stanowiąc 50% NCP (MacDougall i in., 1985). DPP ulega wysokiej ekspresji i jest wydzielane bezpośrednio na froncie mineralizacji zębiny przez spolaryzowane odontoblasty (D’Souza i in., 1997). Białko to uważane jest za nośnik fosforanów, ponieważ 85-90% reszt Ser jest fosforylowanych (Butler i in., 1983; Fujisawa i Sasaki, 1983; Sabsay i in., 1991). Badania wiązania DPP z fibrylami kolagenu wykazały, że DPP przyłącza się do specyficznego pasma w rejonie otworu kolagenu, co sugeruje możliwość regulacji odkładania minerałów w rejonie szczeliny (Traub i in., 1992). Ponadto, wysoki poziom Asp i fosforylowanej seryny sprawia, że DPP jest bardzo polianionową makrocząsteczką, która wiąże duże ilości wapnia ze stosunkowo wysokim powinowactwem. Fragment DSP, ekspresjonowany przez odontoblasty i wydzielany do ECM, jest mniej obfity. Badania z użyciem warunkowych myszy DPP-KO w celu wyizolowania roli DSP wykazały częściowe uratowanie fenotypu z istotnym tworzeniem objętości zębiny, ale z mniejszą gęstością mineralną. Na podstawie tych wyników autorzy zasugerowali, że DSP może być zaangażowane w inicjację mineralizacji zębiny (Suzuki i in., 2009).
Inne, mniej zbadane białka mogą również odgrywać ważną rolę. W zębinie jednak ich potencjalna funkcja podczas zębinogenezy nie została jeszcze wyjaśniona. Na przykład BSP, pierwotnie wyizolowany z kości, wykazuje silne właściwości wiązania Ca+ 2 (Zurick i in., 2013). W warunkach in vitro wykazano, że BSP promuje zarodkowanie HAp poprzez oddziaływanie z kolagenem (Baht i in., 2008). Podobnie, OPN jest ujemnie naładowanym kwaśnym białkiem, które zawiera cząsteczkę wiążącą kolagen (Lee i in., 2007). Kilka badań in vitro wykazało, że OPN ma hamujący lub wzmacniający wpływ na tworzenie HAp w zależności od poziomu fosforylacji i stężenia (Gericke i in., 2005; Hunter i in., 1994, 1996; Pampena i in., 2004). Jeden z mechanizmów wyjaśniających jego hamujące działanie opiera się na adsorpcji grup fosforanowych do kryształu HAp, uniemożliwiając dalszy wzrost kryształu, ale specyficzna interakcja nie jest jeszcze w pełni poznana (George i Veis, 2008). MEPE, przypuszczalnie odgrywający rolę w homeostazie fosforanowej, ulega wysokiej ekspresji w zróżnicowanych odontoblastach i wykazano, że hamuje mineralizację (MacDougall i in., 2002). Kwaśny motyw bogaty w serynę/kwas asparaginowy zlokalizowany na C-końcu MEPE został zidentyfikowany jako silny inhibitor mineralizacji po enzymatycznym rozszczepieniu (Addison i in., 2008; Salmon i in., 2013). W ostatnim badaniu odnotowano nieprawidłową lokalizację MEPE i OSP w ludzkiej zębinie u pacjentów z krzywicą z hipofosfatemią X (XLH), sugerując rolę obu białek w upośledzonej mineralizacji zębiny obserwowanej w XLH (Salmon i wsp., 2014).
Ogółem, wszystkie te białka są aktywnymi graczami w procesie mineralizacji, wykazując wielofunkcyjne role, które będą wpływać na mineralizację. Białka te będą działać hamująco lub promująco mineralizację w zależności od ich stężenia, stanu fosforylacji, stopnia innych modyfikacji potranslacyjnych oraz tego, czy są obecne w roztworze, czy związane z jakimś składnikiem ECM.
.