Extracellular matrix stiffness as an energy metabolism regulator drives osteogenic differentiation in mesenchymal stem cells

细胞生物学 细胞外基质 间充质干细胞 干细胞 线粒体 细胞分化 化学 糖酵解 生物 新陈代谢 生物化学 基因
作者
Jing Na,Zhijie Yang,Qiusheng Shi,Chiyu Li,Yu Liu,Yaxin Song,Xinyang Li,Lisha Zheng,Yubo Fan
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:35: 549-563 被引量:59
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.02.003
摘要

The biophysical factors of biomaterials such as their stiffness regulate stem cell differentiation. Energy metabolism has been revealed an essential role in stem cell lineage commitment. However, whether and how extracellular matrix (ECM) stiffness regulates energy metabolism to determine stem cell differentiation is less known. Here, the study reveals that stiff ECM promotes glycolysis, oxidative phosphorylation, and enhances antioxidant defense system during osteogenic differentiation in MSCs. Stiff ECM increases mitochondrial fusion by enhancing mitofusin 1 and 2 expression and inhibiting the dynamin-related protein 1 activity, which contributes to osteogenesis. Yes-associated protein (YAP) impacts glycolysis, glutamine metabolism, mitochondrial dynamics, and mitochondrial biosynthesis to regulate stiffness-mediated osteogenic differentiation. Furthermore, glycolysis in turn regulates YAP activity through the cytoskeletal tension-mediated deformation of nuclei. Overall, our findings suggest that YAP is an important mechanotransducer to integrate ECM mechanical cues and energy metabolic signaling to affect the fate of MSCs. This offers valuable guidance to improve the scaffold design for bone tissue engineering constructs.
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