HIF1α Promotes BMP9-Mediated Osteoblastic Differentiation and Vascularization by Interacting with CBFA1

Abstract

Bone morphogenetic protein 9 (BMP9) as the most potent osteogenic molecule which initiates the differentiation of stem cells into the osteoblast lineage and regulates angiogenesis, remains unclear how BMP9-regulated angiogenic signaling is coupled to the osteogenic pathway. Hypoxia-inducible factor 1α (HIF1α) is critical for vascularization and osteogenic differentiation and the CBFA1, known as runt-related transcription factor 2 (Runx2) which plays a regulatory role in osteogenesis. This study investigated the combined effect of HIF1α and Runx2 on BMP9-induced osteogenic and angiogenic differentiation of the immortalized mouse embryonic fibroblasts (iMEFs). The effect of HIF1α and Runx2 on the osteogenic and angiogenic differentiation of iMEFs was evaluated. The relationship between HIF1α- and Runx2-mediated angiogenesis during BMP9-regulated osteogenic differentiation of iMEFs was evaluated by ChIP assays. We demonstrated that exogenous expression of HIF1α and Runx2 is coupled to potentiate BMP9-induced osteogenic and angiogenic differentiation both in vitro and animal model. Chromatin immunoprecipitation assays (ChIP) showed that Runx2 is a downstream target of HIF1α that regulates BMP9-mediated osteogenesis and angiogenic differentiation. Our findings reveal that HIF1α immediately regulates Runx2 and may originate an essential regulatory thread to harmonize osteogenic and angiogenic differentiation in iMEFs, and this coupling between HIF1α and Runx2 is essential for bone healing.

Effect of Mesenchymal Stem Cells Overexpressing BMP-9 Primed with Hypoxia on BMP Targets, Osteoblast Differentiation and Bone Repair

“…BMP-9 increases the HIF-1α expression, and the downregulation of HIF-1α inhibits osteoblast differentiation induced by BMP-9, a mechanism that is regulated by Runx2, a downstream target of HIF-1α [ 27 , 28 , 33 ]. Based on this cellular mechanism, we worked with MSCs +BMP-9 , an immortalized cell line that expresses BMP-9, which enhances their ability to induce bone repair [ 21 ].…”

“…The BMP-9 increased the HIF-1α protein expression and the inactivation of HIF-1α with either a chemical inhibitor or siRNA reduced the extracellular matrix mineralization induced by BMP-9 in cultures of osteoblasts, indicating that HIF-1α plays an essential role in the BMP-9-mediated osteoblast differentiation [ 27 ]. Chromatin immunoprecipitation assays in immortalized mouse embryonic fibroblasts showed that the runt-related transcription factor 2 (Runx2) is a downstream target of HIF-1α that regulates osteoblast differentiation induced by BMP-9 [ 28 ].…”

Efeitos da hipóxia em células-tronco mesenquimais sobre-expressando BMP-9

“…A modificação gênica de MSCs para expressar BMP-9, a mais osteogênica da família das BMPs, induz aumento da formação óssea, mas ainda sem resultar na regeneração do tecido ósseo (CHENG et al, 2003;FREITAS et al, 2021), indicando a necessidade de outras modificações dessas MSCs para aumentar sua efetividade terapêutica. Nesse sentido, as evidências de que BMP-9 e HIF-1α, que está aumentado em condições de Hipóxia celular, têm efeito sinérgico sobre MSCs para aumentar seu potencial angiogênico e osteogênico (AMIR et al, 2022;HU et al, 2013;LI et al, 2022) sugerem que MSCs BMP-9+ submetidas à Hipóxia são promissoras para se obter a regeneração do tecido ósseo. Neste estudo, foram avaliados in vitro os efeitos da Hipóxia sobre as vias de sinalização de BMPs em MSCs BMP-9+ e o efeito do secretoma de MSCs BMP-9+ submetidas à Hipóxia sobre a proliferação, migração e diferenciação osteoblástica de MSCs e osteoblastos por serem essas células aquelas mais envolvidas na regeneração do tecido ósseo.…”

“…Considerando que há sinergismo entre os efeitos da BMP-9 e de HIF-1 na diferenciação osteoblástica de MSCs, mas observados em experimentos com adição exógena de BMP-9 (AMIR et al, 2022;HU et al, 2013;LI et al, 2022), neste estudo investigamos o efeito da Hipóxia na expressão proteica de BMP-9 e na expressão de genes envolvidos na sinalização de BMPs em MSCs BMP-9+ . Interessante que a BMP-9 aumenta a expressão de HIF-1 (AMIR et al, 2022;HU et al, 2013;LI et al, 2022), mas esse não afeta a expressão proteica de BMP-9, mas atua sobre a via de sinalização de BMPs aumentando a expressão gênica de Bmp-2, do receptor Bmpr1a, da Smad1 e do fator de transcrição Hey-1.…”

“…Em geral, as evidências são favoráveis ao aumento da formação óssea por MSCs submetidas à Hipóxia. Também é interessante que foi demonstrado efeito sinérgico entre HIF-1α e BMP-9 no aumento da diferenciação angiogênica e osteoblástica de MSCs (AMIR et al, 2022;HU et al, 2013;LI et al, 2022) que abre oportunidades para aproveitar esse sinergismo na terapia celular para regeneração óssea.…”