Protein Phosphatase Magnesium-Dependent 1A Promotes Matrix Mineralization of Osteoblast Differentiation in Ankylosing Spondylitis

Abstract

Protein phosphatase magnesium-dependent 1A (PPM1A) is a Ser/Thr protein phosphatase that is known to dephosphorylate AMP-activated protein Kinase (AMPK) and Smad1/2/3. PPM1A level was reported to be closely associated with disease activity and pathological bone formation in ankylosing spondylitis (AS). To date, it is unclear how PPM1A contributes to the bone-forming activity of AS. In this study, we investigate the potential mechanism of PPM1A on excessive bone formation in AS. We confirmed that PPM1A and runt-related transcription factor 2 (RUNX2) were highly expressed in AS. In addition, PPM1A treatment accelerated matrix mineralization in AS-osteoprogenitor cells but not in the control cells. Interestingly, both mRNA and protein levels of RUNX2 in osteoblasts were elevated by PPM1A stimulation. Mechanically, PPM1A treatment dephosphorylates transcription factor forkhead box O1A (FOXO1A) and translocates FOXO1A protein into the nucleus. Interestingly, RUNX2 protein was decreased by serum stimulation in a time-dependent manner, however, PPM1A co-treatment preserved RUNX2 protein against serum stimulation. Taken together, our results are the first to demonstrate the mechanism by which extracellular PPM1A promotes new bone formation in AS.|Protein phosphatase magnesium-dependent 1A (PPM1A)는 AMPactivated protein Kinase (AMPK)와 Smad1/2/3을 탈인산화하는 것으로 알려 진 Ser/Thr 계열의 단백질 탈인산화효소이다. 강직척추염에서 PPM1A 수준 은 질병 활성과 새로운 뼈 형성에 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되었지만, PPM1A가 강직척추염의 새로운 뼈 형성에 기여하는 기전은 여전히 불분명하 다. 따라서 본 연구에서는 강직척추염에서 PPM1A가 과도한 뼈 형성을 조절 하는 기전을 규명하였다. 강직척추염 환자의 후관절 (facet joint) 조직과 뼈형성전구세포 (osteoprogenitor cells)에서 PPM1A와 runt-related transcription factor 2 (RUNX2)의 발현이 높은 것을 확인하였다. 또한, PPM1A는 강직척추염 뼈형 성전구세포의 기질 무기질화를 촉진하였고, RUNX2의 mRNA와 단백질 수준 모두 증가시켰다. 이를 통해 PPM1A가 RUNX2의 발현을 상항 조절하여 강직척추염의 기질 무기질화를 촉진하는 것을 추정할 수 있었다. 더 나아가 PPM1A 처리로 인해 전사인자인 forkhead box O1A (FOXO1A)가 탈인산화되 고 핵 내로 유도되어 RUNX2의 발현을 상향 조절하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 강직척추염의 뼈형성전구세포에서 PPM1A는 FOXO1A를 탈 인산화 시켜 핵 내로 이동시키고, RUNX2의 발현을 상향 조절하여 기질 무기 질화를 촉진시킨다. 따라서, 본 연구는 PPM1A가 강직척추염에서 새로운 뼈 형성을 촉진하는 기전을 최초로 제시한 연구이다.