FOXO1転写因子は、形質転換成長因子β1シグナル伝達を通じて軟骨形成分化を調節します

フォークヘッドボックスO（FOXO）タンパク質は、多くの細胞タイプの分化に関与する転写因子です。タイプIIコラーゲン（COL2）CRE-FOXO1-KNOCKOUTおよびCOL2-CRE-FOXO1,3,4トリプルノックアウトマウスは、成長プレートの奇形を示します。さらに、最近の研究では、一部の細胞では、軟骨形成分化に重要な役割を果たす成長因子である成長因子β1（TGFβ1）を形質転換することにより、FOXOSの発現と活性が促進されることが報告されています。ここでは、マウスの軟骨形成細胞株（ATDC5）、マウス胚、およびヒト間葉系幹細胞を使用して、FOXOが軟骨形成分化に影響を与えるメカニズムを報告します。FOXO1の発現は軟骨形成分化とともに増加し、FOXO1阻害は軟骨形成分化を抑制しました。TGFβ1/SMADシグナル伝達は、FOXO1の発現と活性を促進しました。ATDC5では、FOXO1ノックダウンは、性決定領域Yボックス9（SOX9）の発現を抑制しました。これは、TGFβ1治療後のコラーゲン型IIα1（COL2A1）およびAggrecan（ACAN）発現の減少をもたらしました。一方、化学FOXO1阻害は、Sox9を抑制してSox9とは独立して軟骨形成分化に対するFOXO1の効果を調査することなく、Col2A1およびACAN発現を抑制し、細胞周期に対するFOXO1の影響を調べました。FOXO1阻害は、G0/G1相でのp21および細胞周期停止の発現を抑制しました。逆に、FOXO1の過剰発現は、p21および細胞周期停止の発現を促進しました。FOXO1阻害は、TGFβ1による新生P21 RNAの発現を抑制し、FOXO1はP21プロモーターを結合しました。P21阻害軟骨形成分化中のCol2A1およびACANの発現を抑制しました。これらの結果は、FOXO1がSOX9発現だけでなく、TGFβ1シグナル伝達を介した軟骨形成分化中の細胞周期停止にも必要であることを示唆しています。

The forkhead box O (FOXO) proteins are transcription factors involved in the differentiation of many cell types. Type II collagen (Col2) Cre-Foxo1-knockout and Col2-Cre-Foxo1,3,4 triple-knockout mice exhibit growth plate malformation. Moreover, recent studies have reported that in some cells, the expressions and activities of FOXOs are promoted by transforming growth factor β1 (TGFβ1), a growth factor playing a key role in chondrogenic differentiation. Here, using a murine chondrogenic cell line (ATDC5), mouse embryos, and human mesenchymal stem cells, we report the mechanisms by which FOXOs affect chondrogenic differentiation. FOXO1 expression increased along with chondrogenic differentiation, and FOXO1 inhibition suppressed chondrogenic differentiation. TGFβ1/SMAD signaling promoted expression and activity of FOXO1. In ATDC5, FOXO1 knockdown suppressed expression of sex-determining region Y box 9 (Sox9), a master regulator of chondrogenic differentiation, resulting in decreased collagen type II α1 (Col2a1) and aggrecan (Acan) expression after TGFβ1 treatment. On the other hand, chemical FOXO1 inhibition suppressed Col2a1 and Acan expression without suppressing Sox9 To investigate the effects of FOXO1 on chondrogenic differentiation independently of SOX9, we examined FOXO1's effects on the cell cycle. FOXO1 inhibition suppressed expression of p21 and cell-cycle arrest in G0/G1 phase. Conversely, FOXO1 overexpression promoted expression of p21 and cell-cycle arrest. FOXO1 inhibition suppressed expression of nascent p21 RNA by TGFβ1, and FOXO1 bound the p21 promoter. p21 inhibition suppressed expression of Col2a1 and Acan during chondrogenic differentiation. These results suggest that FOXO1 is necessary for not only SOX9 expression, but also cell-cycle arrest during chondrogenic differentiation via TGFβ1 signaling.