The enhancer landscape predetermines the skeletal regeneration capacity of stromal cells

间质细胞 细胞生物学 软骨内骨化 生物 再生(生物学) 转录因子 转分化 移植 间充质干细胞 软骨 干细胞 免疫学 癌症研究 医学 解剖 遗传学 内科学 基因
作者
Sarah Hochmann,Kristy Ou,Rodolphe Poupardin,Michaela Mittermeir,Martin Textor,Salaheddine Ali,Martin Wolf,Agnes Ellinghaus,Dorit Jacobi,Juri A. J. Elmiger,Samantha Donsante,Mara Riminucci,Richard Schäfer,Uwe Kornak,Oliver Klein,Katharina Schallmoser,Katharina Schmidt‐Bleek,Georg N. Duda,Julia K. Polansky,Sven Geißler,Dirk Strunk
出处
期刊:Science Translational Medicine [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:15 (688) 被引量:10
标识
DOI:10.1126/scitranslmed.abm7477
摘要

Multipotent stromal cells are considered attractive sources for cell therapy and tissue engineering. Despite numerous experimental and clinical studies, broad application of stromal cell therapeutics is not yet emerging. A major challenge is the functional diversity of available cell sources. Here, we investigated the regenerative potential of clinically relevant human stromal cells from bone marrow (BMSCs), white adipose tissue, and umbilical cord compared with mature chondrocytes and skin fibroblasts in vitro and in vivo. Although all stromal cell types could express transcription factors related to endochondral ossification, only BMSCs formed cartilage discs in vitro that fully regenerated critical-size femoral defects after transplantation into mice. We identified cell type-specific epigenetic landscapes as the underlying molecular mechanism controlling transcriptional stromal differentiation networks. Binding sites of commonly expressed transcription factors in the enhancer and promoter regions of ossification-related genes, including Runt and bZIP families, were accessible only in BMSCs but not in extraskeletal stromal cells. This suggests an epigenetically predetermined differentiation potential depending on cell origin that allows common transcription factors to trigger distinct organ-specific transcriptional programs, facilitating forward selection of regeneration-competent cell sources. Last, we demonstrate that viable human BMSCs initiated defect healing through the secretion of osteopontin and contributed to transient mineralized bone hard callus formation after transplantation into immunodeficient mice, which was eventually replaced by murine recipient bone during final tissue remodeling.
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