Genetic and epigenetic effect of estrogen on mesenchymal stem cell maintenance and differentiation

Mezenkimal kök hücreler (MKH) kemik, yağ, kıkırdak, sinir ve karaciğer hücrelerine dönüşebilme potansiyeli olan, immün reaksiyon oluşturma özelliği olmayan hücrelerdir. Bu özellikler kök hücreleri doku mühendisliği ve hücre tedavisi alanları için yeni bir umut haline getirdi. Hücre transplantasyonunda kullanılmak üzere ideal yüzey üretmek için pek çok çalışma yürütüldü. Son yıllarda farklı fiziksel, kimyasal ve elektriksel özelliklerinden dolayı karbon nanotüpler (KNT) yeni biyomateryal yüzeyler olarak tanımlandı. Östrojen hormonunun mezenkimal kök hücre devamlılığı, çoğalması ve farklılaşması üzerine etkileri rapor edilmiştir. Fakat östrojenin biyomateryal yüzey üzerindeki mezenkimal kök hücrenin devamlılıgındaki ve mezenkimal kök hücre farklılaşmasındaki genetik ve epigenetik rolü tam olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle, bu çalışmada östrojenin karbon nantüp üzerine ekilen kök hücrelerin devamlılığındaki ve adipojenik, östeojenik ve kondrojek farklılaşmaya katılan anahtar transkripsiyon faktörlerinin genetik ve epigenetik regülasyonundaki rolünü araştrmak amaçlanmıştır. Sonuçlarımız östrojenin çok duvarlı karbon nanotüpler üzerindeki MKHlerin canlılıgını arttırıcı etkisini göstermiştir. Ayrıca hücre canlılıgı ve KNT materyalin üzerine yapışan MKH sayısının passajlama ile azaldıgını gösterdik. Bu çalışmada östrojenin MKH farklılaşmasının genetik ve epigenetik regülasyonuna etkisini gösterebildik. Östrojen tedavisi, normal dişi ve overi alınmış dişiden alınan MKH?de temel adipojenik transkripsiyon faktörler olan C/EBP?, FABP4, PPAR?, Adipsinin gen ifadesini azaltırken, anahtar transkripsiyon faktörü olan RUNX2 nin ifadesini arttırır. Bu sonucun östrojenin adipojenik farklılaşma üzerine baskılayıcı etkisini, östeojenik farklılaşma üzerine arttırıcı etkisini gösterdiği söylenebilir. PPAR? ve diğer transkripsiyon faktörü ETS1 proteinlerinin hücresel lokalizasyonunun östrojen yokluguna bağlı değişimi ayrıca gösterilmiştir. Diğer modifiye histonlar arasında, H3K27me2, H3K27me3 ve H3K36me2 protein düzeylerinin östrojen tedavisinden sonra azaldığını bulduk. Ek olarak, kromatin immünopresipitasyon analizleri H3K27me2, H3K27me3 ve ER? düzeylerinin C/EBP?, FABP4, PPAR?, Adipsin ve RUNX2 promotörleri üzerinde östrojen tedavisi sonucu arttıgını gösterdi. Bisülfit sekanslama analizleri östrojen yoklugunda C/EBP? ve PPAR? promotörleri üzerinde DNA hipermetilasyonu görülürken, ER? promotöründe CpG hipometilsayonu görüldü. Sonuç olarak, östrojen MKH devamlılıgı ve farklılaşmasında epigenetik ve genetik değişimlere yol açar. Östrojenin temel transkripsiyon faktölerinin regülasyonundaki etkisinin anlaşılması obezite, osteoporoz ve osteoartirit gibi kronik hastalıkların tedavisi için yeni ipuçları yaratır. Mesenchymal stem cells (MSCs) have the potential to differentiate into multiple cell types and immune privileged characteristics. These features make MSCs a hope in tissue engineering and cell based treatment applications. Tremendous amount of studies were carried out in order to produce an ideal biomaterial as a scaffold for cell transplantation. In recent studies, carbon nanotubes (CNT) were identified as a novel scaffold array due to their unique physical, chemical and electrical properties among the other biomaterials.The effect of estrogen hormone on the regulation of MSC maintenance, proliferation and differentiation was reported. However, its role in maintenance of MSCs on scaffold materials such as CNTs and the genetic and epigenetic regulation of MSC differentiation have not fully been elucidated. Therefore our aim was to examine the possible role of estrogen in the MSCs? maintenance seeded on CNT surfaces and genetic and epigenetic regulation of the key transcription factors involved in adipogenic, osteogenic and chondrogenic differentiaton of MSCs. Our results revealed the enhanced effect of estrogen on the viability of MCSs which were seeded and incubated on multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). In addition we demonstrated that passaging causes decrease of cell viability and the number of attached cells on CNT materials. We have also shown the effect of estrogen on the epigenetic and genetic regulation of MSC differentiation. Estrogen treatment decreased the expression of major adipogenic transcription factors; C/EBP?, FABP4, PPAR?, Adipsin and increased key osteogenic transcription factor RUNX2 in MSCs from both normal female and ovariectomized rats, suggesting inhibitory and stimulatory effect of estrogen on adipogenesis and osteogenesis respectively. We have also shown that the subcellular localization of PPAR? and ETS1 is changed in response to estrogen deficiency. Among modified histones, we found that H3K27me2, H3K27me3 and H3K36me2 protein levels were reduced after estrogen treatment both in female and ovariectomized animals. In addition, ChIP analysis showed that estrogen treatment caused an increase in H3K27me2, H3K27me3 and ER? levels at the promoters of C/EBP?, FABP4, PPAR?, Adipsin and RUNX2. Bisulfite sequencing analysis revealed that in the absence of estrogen, DNA hypermethylation was established in C/EBP? and PPAR? promoters whereas in ER? promoters CpG hypomethylation was observed after estrogen treatment. In conclusion, estrogen causes epigenetic and genetic changes in maintenace and differentiation of MSCs. Understanding the effect of estrogen on the genetic and epigenetic regulation of the major transcription factors may lead to clues for new treatment in chronic diseases such as obesity, osteoporosis and ostearthiritis. 175