Concentrated bovine milk whey active proteins facilitate osteogenesis through activation of the JNK-ATF4 pathway

Concentrated fractions of low molecular weight whey proteins (1-30 kDa), that is concentrated bovine milk whey active proteins (CBP), have been found to enhance bone formation in both in vivo and clinical studies, but the underlying mechanisms are poorly understood. In this study, we found that CBP promoted osteoblastic differentiation in normal human osteoblasts, and determined the involvement of the c-jun NH2-terminal kinase (JNK)-activating transcription factor 4 (ATF4) pathway. We observed that alkaline phosphatase activity and mineralization were significantly induced by CBP treatment. In addition, mRNA expression of ATF4 was intensely elevated in CBP-treated osteoblasts, indicating that the late-phase events of differentiation were promoted. We found that CBP activated the phosphorylation of JNK and extracellular signal-regulated kinase (ERK). Furthermore, pathway analyses using the various signaling pathway-specific inhibitors revealed that JNK activation, but not ERK activation, is essential for CBP-induced mineralization and ATF4 expression. Our results indicate that the JNK-mediated ATF4 pathway is required for CBP-promotive osteogenesis.

低分子乳清タンパク質(1〜30kDa)の濃縮画分、すなわち濃縮ウシ乳清活性タンパク質(CBP)は、in vivoおよび臨床研究の両方で骨形成を増強することが見出されているが、根底にあるメカニズムはほとんど理解されていない。本研究では、CBPが正常なヒト骨芽細胞における骨芽細胞分化を促進することを見出し、c-jun NH2 terminal kinase(JNK)活性化転写因子4(ATF4)経路が関与していることを確定した。我々は、アルカリホスファターゼ活性および石灰化がCBP処理によって有意に誘導されることを観察した。さらに、ATF4のmRNA発現はCBP処理の骨芽細胞において激しく上昇し、これは分化の後半のフェーズが促進されたことを示している。我々は、CBPがJNKおよび細胞外シグナル調節キナーゼ(ERK)のリン酸化を活性化することを見出した。さらに、各種シグナル伝達経路特異的阻害剤を用いた経路解析により、CBP誘導石灰化およびATF4発現には、ERK活性化ではなくJNK活性化が必須であることが明らかになった。我々の結果は、JNK媒介性ATF4経路がCBPの骨形成促進に必要であることを示している。