Cell and Tissue BiologyCell and Tissue BiologyЦитология0041-37713034-6061The Russian Academy of Sciences66966310.31857/S0041377123010066GPCARCArticlesСтатьиOsteogenic Differentiation in vitro off Human Osteoblasts is Associated with Only Slight Shift in Their Proteomics ProfileОстеогенная дифференцировка остеобластов человека in vitro ассоциирована со слабым изменением их протеомного профиляKhvorovaI. A.ХвороваИ. А.lobov@incras.ruMalashichevaA. B.МалашичеваА. Б.lobov@incras.ruKarelkinV. V.КарелкинВ. В.lobov@incras.ruSeredaA. P.СередаА. П.lobov@incras.ruBozhkovaS. A.БожковаС. А.lobov@incras.ruTikhilovR. M.ТихиловР. М.lobov@incras.ruGromovaE. S.ГромоваЕ. С.lobov@incras.ruFefilovaE. A.ФефиловаЕ. А.lobov@incras.ruZainullinaB. R.ЗайнуллинаБ. Р.lobov@incras.ruKostinaD. A.КостинаД. А.lobov@incras.ruLobovA. A.ЛобовА. А.lobov@incras.ruLaboratory of Regenerative Biology, Institute of Cytology of the Russian Academy of SciencesЛаборатория регенеративной биомедицины, Институт цитологии Российской академии наукVreden National Medical Research Center of Traumatology and OrthopedicsНациональный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. ВреденаResource Centre for Molecular and Cell Technologies, St. Petersburg State UniversityРесурсный центр “Развитие молекулярных и клеточных технологий” Научного парка СПбГУ01012023651202727022025Copyright ©; 2023, И.А. Хворова, Д.А. Костина, Б.Р. Зайнуллина, Е.А. Фефилова, Е.С. Громова, Р.М. Тихилов, С.А. Божкова, А.П. Середа, В.В. Карелкин, А.Б. Малашичева, А.А. ЛобовCopyright ©; 2023, И.А. Хворова, Д.А. Костина, Б.Р. Зайнуллина, Е.А. Фефилова, Е.С. Громова, Р.М. Тихилов, С.А. Божкова, А.П. Середа, В.В. Карелкин, А.Б. Малашичева, А.А. Лобов2023И.А. Хворова, Д.А. Костина, Б.Р. Зайнуллина, Е.А. Фефилова, Е.С. Громова, Р.М. Тихилов, С.А. Божкова, А.П. Середа, В.В. Карелкин, А.Б. Малашичева, А.А. ЛобовИ.А. Хворова, Д.А. Костина, Б.Р. Зайнуллина, Е.А. Фефилова, Е.С. Громова, Р.М. Тихилов, С.А. Божкова, А.П. Середа, В.В. Карелкин, А.Б. Малашичева, А.А. Лобовhttps://journals.eco-vector.com/0041-3771/article/view/669663

Fracture healing is a complex process in which the periosteum and endosteum become the main sources of osteoblast progenitor cells. However, cellular mechanisms and signaling cascades underlying the early stages of osteoblast progenitors differentiation in adult bone are still not well understood. Therefore, we performed shotgun proteomics analysis of primary culture of isolated human osteoblasts from femur of adult donors in undifferentiated conditions and on the sixth day of osteogenic differentiation in vitro. This is an early timepoint in which we have observed no extracellular matrix mineralization yet. 1612 proteins identified with at least two unique peptides were included in proteomics analysis. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD033697. Despite the fact, that matrix mineralization starts only after induction of osteogenic differentiation, we revealed unexpectedly weak physiological shift associated with a decrease of cells proliferative activity and changes in proteins inVved in extracellular matrix secretion and organization. We demonstrated that osteoblasts were positive for markers of later osteogenic differentiation stages during standard cultivation: osteopontin, osteocalcin, BMP-2/4 and RUNX2. Therefore, further differentiation required for matrix mineralization needs minimal physiological changes.

Заживление переломов представляет собой сложный процесс, при котором основными источниками клеток-предшественников остеобластов становятся надкостница и эндост. Однако клеточные механизмы и сигнальные каскады, лежащие в основе начальных стадий дифференцировки предшественников остеобластов во взрослой кости, до сих пор недостаточно изучены. Поэтому мы провели протеомный анализ первичной культуры изолированных остеобластов человека из бедренной кости взрослых доноров в недифференцированных условиях и на пятый день остеогенной дифференцировки in vitro. Это ранняя временная точка, при которой ещe не наблюдается минерализация внеклеточного матрикса. В протеомный анализ были включены 1612 белков, идентифицированных как минимум по двум пептидами. Данные доступны через ProteomeXchange с идентификатором PXD033697. Несмотря на то, что минерализация матрикса начинается только после индукции остеогенной дифференцировки, мы выявили неожиданно слабый физиологический сдвиг, связанный со снижением пролиферативной активности клеток и изменением белков, участвующих в секреции и организации внеклеточного матрикса. Мы показали, что при культивировании в стандартных условиях в остеобластах выявляются маркеры поздних стадий остеогенной дифференцировки, в том числе BMP-2/4, остеокальцин, остеопонтин и RUNX2. Следовательно, дальнейшая дифференцировка, необходимая для минерализации матрикса, требует минимальных физиологических изменений.

osteoblastsosteogenic differentiationshotgun proteomicsbonemass spectrometryостеобластыостеогенная дифференцировкапротеомика дробовикакостьмасс-спектрометрияПротеомику дробовика выполнили в Ресурсном центре “Развитие молекулярных и клеточных технологий” Научного парка СПбГУ.Bahney C., Zondervan R., Allison P., Theologis A., Ashley J., Ahn J., Miclau T., Marcucio R., Hankenson K. 2019. Cellular biology of fracture healing. J. Orthop. Res. V. 37. P. 35. https://doi.org/10.1002/jor.24170Blighe K., Sharmila R., Myles L. 2022. EnhancedVcano: publication-ready Vcano plots with enhanced colouring and labeling. https://bioconductor.org/packages/devel/bioc/vignettes/EnhancedVcano/inst/doc/EnhancedVcano.htmlBragdon B., Bahney C. 2018. Origin of reparative stem cells in fracture healing, Curr. Osteoporos. Rep. V. 16. P. 490. https://doi.org/10.1007/s11914-018-0458-4Cleland T., Vashishth D. 2015. Bone protein extraction without demineralization utilizing principles from hydroxyapatite chromatography. Anal. Biochem. V. 472. P. 62. https://doi.org/10.1016/j.ab.2014.12.006Cleland T., Voegele K., Schweitzer M. 2012. Empirical evaluation of bone extraction protocols. PLoS One. V. 7. P. e31443. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0031443Florencio-Silva R., Sasso G., Sasso-Cerri E., Simões M., Cerri P. 2015. Biology of bone tissue: structure, function, and factors that influence bone cells. Biomed. Res. Int. V. 2015. P. e421746. https://doi.org/10.1155/2015/421746Hastie T., Tibshirani R., Narasimhan B., Chu G. 2022. Impute: imputation for microarray data. Bioconductor version: Release (3.14). https://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/html/impute.htmlJiang X., Ye M., Jiang X., Liu G., Feng S., Cui L., Zou H. 2007. Method development of efficient protein extraction in bone tissue for proteome analysis. J. Proteome Res. V. 6. P. 2287. https://doi.org/10.1021/pr070056tLobov A., Malashicheva A. 2022. Osteogenic differentiation: a universal cell program of heterogeneous mesenchymal cells or a similar extracellular matrix mineralizing phenotype? Bio. Comm. V. 67. P. 32. https://doi.org/10.21638/spbu03.2022.104Matthews B., Novak S., Sbrana F., Funnell J., Cao Y., Buckels E., Grcevic D., Kalajzic I. 2021. Heterogeneity of murine periosteum progenitors inVved in fracture healing. Elife. V. 10. P. e58534. https://doi.org/10.7554/eLife.58534Perez-Riverol Y., Bai J.; Bandla C., García-Seisdedos D., Hewapathirana S., Kamatchinathan S., Kundu D.J., Prakash A., Frericks-Zipper A., Eisenacher M., Walzer M., Wang S., Brazma A., Vizcaíno J.A. 2022. The PRIDE database resources in 2022: A hub for mass spectrometry-based proteomics evidences. Nucleic Acids Res. V. 50. D543–D552. https://doi.org/10.1093/nar/gkab1038Pitkänen S. 2020. In vitro and in vivo osteogenesis and vasculogenesis in synthetic bone grafts. Doctoral dissertation: Tampere University.Raouf A., Ganss B., McMahon C., Vary C., Roughley P., Seth A. 2002. Lumican is a major proteoglycan component of the bone matrix. Matrix Biol. V. 21. P 361. https://doi.org/10.1016/s0945-053x(02)00027-6Ritchie M.E., Phipson B., Wu D., Hu Y., Law C.W., Shi W., Smyth G.K. 2015. Limma powers differential expression analyses for RNA-sequencing and microarray studies. Nucleic Acids Res. V. 43. P. e47. https://doi.org/10.1093/nar/gkv007Rohart F., Gautier B., Singh A., Cao K. 2017. mixOmics: an R package for ‘omics’ feature selection and multiple data integration. PLoS Comput. Biol. V. 13. P. e1005752. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005752Rutkovskiy A., Stensløkken K., Vaage I. 2016. Osteoblast differentiation at a glance. Med. Sci. Monit. Basic Res. V. 22. P. 95. https://doi.org/10.12659/MSMBR.901142Wickham H. 2016. ggplot2. Cham: Springer Int. Publishing.Yan L. 2021. ggvenn: Draw Venn Diagram by “ggplot2”. https://cran.r-project.org/web/packages/ggvenn/