The PCK2-glycolysis axis assists three-dimensional-stiffness maintaining stem cell osteogenesis

细胞生物学 细胞外基质 化学 糖酵解 干细胞 串扰 细胞分化 细胞 生物 生物化学 新陈代谢 物理 光学 基因
作者
Zheng Li,Muxin Yue,Xuenan Liu,Yunsong Liu,Longwei Lv,Ping Zhang,Yongsheng Zhou
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier]
卷期号:18: 492-506 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2022.03.036
摘要

Understanding mechanisms underlying the heterogeneity of multipotent stem cells offers invaluable insights into biogenesis and tissue development. Extracellular matrix (ECM) stiffness has been acknowledged as a crucial factor regulating stem cell fate. However, how cells sense stiffness cues and adapt their metabolism activity is still unknown. Here we report the novel role of mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK2) in enhancing osteogenesis in 3D ECM via glycolysis. We experimentally mimicked the physical characteristics of 3D trabeculae network of normal and osteoporotic bone with different microstructure and stiffness, observing that PCK2 promotes osteogenesis in 3D ECM with tunable stiffness in vitro and in vivo. Mechanistically, PCK2 enhances the rate-limiting metabolic enzyme pallet isoform phosphofructokinase (PFKP) in 3D ECM, and further activates AKT/extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) cascades, which directly regulates osteogenic differentiation of MSCs. Collectively, our findings implicate an intricate crosstalk between cell mechanics and metabolism, and provide new perspectives for strategies of osteoporosis.
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