The study on the effect of nicotinamide in bone metabolism

Abstract

Nicotinamide (NAM), a water-soluble amide form of vitamin B3, has been used to treat various disorders for many years with safety profile. NAM is generated during sir2-like proteins (sirtuins) reaction, which is nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)-dependent class III histone deacetylases. Many studies have revealed that sirtuins are responsible for normal skeletal development and bone homeostasis. However, the effect of NAM in bone homeostasis is not clear. In this study, we investigated whether and howNAM can regulate bone homeostasis. The mitochondrial respiration to supply the energy required for differentiation is very important during osteogenic differentiation. The action of antioxidant enzymes is critical to maintain the naturally occurring reactive oxygen species (ROS), a natural by-product of cellular respiration, at an appropriate level. In part1, we showed that NAM enhanced osteoblast differentiation by inducing antioxidant enzymes. NAM improved mitochondrial respiration which is necessary to supply energy for osteoblast differentiation. NAM also induced the expression of antioxidant enzymes by activating mitochondrial SIRT3 and subsequential activation of FOXO3a. These results suggest that NAM promoted osteoblast differentiation by enhancing mitochondrial respiration and antioxidant enzymes. Patients with cleidocranial dysplasia (CCD) caused by RUNX2 haploinsufficiency exhibit premature closure of cranial sutures, hypoplastic clavicles, and dental anomalies. The chief complaint of CCD patients is the delayed or unerupted permanent teeth. However, the only therapeutic intervention has been a combination of surgical and orthodontic treatment. In part 2, we examined whether NAM improve delayed tooth eruption in Runx2+/- mice, a well-established CCD animal model. Runx2+/- mice showed delayed tooth eruption and the delay was significantly rescued by NAM administration. Primary osteoblasts from Runx2+/- mice showed decreased expression of colony stimulating factor 1 (CSF1) which is critical factor to induce osteoclast differentiation. NAM induced osteoclast differentiation by increasing expression of both RUNX2 and CSF1. RUNX2 directly regulated the expression of Csf1 through binding to the promoter region. The improved expression and activity of RUNX2 by nicotinamide was due to the inhibition of Sirt2. These results suggest that the delayed tooth eruption in CCD mice was due to the decreased level of Csf1 in Runx2-defificient osteoblasts and NAM can be a candidate therapeutic drug promoting RUNX2 level. In this study, we revealed that NAM induces mitochondrial respiration and the expression of antioxidant enzymes in osteoblasts to maintain bone homeostasis, confirming that the possibility of alleviating musculoskeletal disorders related to oxidative stress. In addition, we also showed the mechanism of delayed tooth eruption in CCD patients and explored the possibility as a candidate therapeutic drug to treat dental abnormalities by direct administration of NAM to Runx2+/- mice.

니코틴아마이드 (nicotinamide;NAM)는 수용성 비타민 B3의 하나로, 안전성이 높다고 알려져 여러 질병을 치료하기 위한 약물로 오랫동안 사용되어왔다. 니코틴아마이드는 제 3형 히스톤 탈아세틸화 효소로, Sirtuin (Sirt)의 반응 중에 형성된다. 여러 연구를 통해 Sirt는 골 발달과 골 항상성 유지에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 또한, 니코틴아마이드 리보사이드 (nicotinamide riboside; NR)와 니코틴아마이드 모노뉴클레오타이드 (nicotinamide mononucleotide; NMN)와 같은 NAD+ 전구체들이 뼈 항상성을 조절한다는 사실이 보고된 바 있다. 그러나 니코틴아마이드가 뼈 항상성 유지에 미치는 영향과 그 기전에 대해서 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 조골세포의 분화 과정에서는 분화에 필요한 에너지를 공급하기 위한 미토콘드리아 호흡이 매우 중요하고 세포 호흡에 의해 자연적으로 발생하는 활성산소종을 적절한 수준으로 유지하기 위한 항산화 효소의 작용이 중요하다. 또한 뼈 항상성을 위해서는 조골세포와 파골세포 사이의 상호작용에서 두 세포 간 기능의 균형이 필수적이다. 따라서 Part 1에서는 니코틴아마이드의 조골세포 분화 및 대사에 미치는 영향을 알아보고 조골세포의 항상성 유지에 관여하는지 확인하고자 하였다. Part 2에서는 Runx2 유전자 반수체부족에 의해 발생하는 두개쇄골이형성증 (Cleidocranial dysplasia; CCD)에서 나타나는 영구치 맹출 장애의 기전을 밝히고 니코틴아마이드가 조골세포와 파골세포의 조절을 통해 치아 맹출 지연 증상에 대해 회복 효과를 보일 수 있는지 관찰하였다. Part 1에서 니코틴아마이드가 항산화 효소를 유도하여 조골세포의 분화를 증가시키고, 조골세포 분화에 필요한 에너지를 공급하는 미토콘드리아 호흡을 촉진시킴을 확인하였다. 또한, 니코틴아마이드는 미토콘드리아 Sirt3를 활성화하고, FOXO3a를 활성화하여 항산화 효소의 발현을 유도함을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 니코틴아마이드가 미토콘드리아 대사와 항산화 효소를 촉진하여 조골세포의 분화를 증가시켰음을 알 수 있다. Part 2에서는 니코틴아마이드가 CCD표현형을 나타내는 Runx2+/− 마우스의 치아 맹출 지연 증상을 회복시킬 수 있는지를 관찰하였다. Runx2가 결핍된 조골세포에서는 파골세포 분화 유도에 중요한 인자인 colony stimulating factor 1 (CSF1)의 발현이 감소되어 있었다. 니코틴아마이드는 RUNX2를 활성화하고, RUNX2가 CSF1의 프로모터 부분에 직접 결합하여 발현을 촉진시킨다는 것을 확인하였다. 또한 니코틴아마이드는 Sirt2를 직접적으로 억제하여 RUNX2의 활성을 조절한다는 것을 밝혔다. 이와 같은 결과들을 통해, CCD 표현형 마우스에서 나타나는 치아 맹출 이상은 Runx2가 결핍된 조골세포에서 저하되어 있는 CSF1에 의한 것이며, 니코틴아마이드는 RUNX2의 활성을 촉진하여 파골세포 분화를 유도하여 이를 회복시킴을 확인하였다. 본 논문에서 우리는 니코틴아마이드가 조골세포의 분화를 직접적으로 촉진할 뿐 아니라, 조골세포에서 발현되는 파골세포 분화 유도 인자를 조절하여 파골세포의 분화를 조절할 수 있음을 밝혔다. 니코틴아마이드는 조골세포 내에서 미토콘드리아 대사와 항산화 효소를 촉진하여 골 항상성을 유지하도록 하였기에, 산화적 스트레스와 관련되어 있는 다양한 근골격계 질환을 완화시킬 수 있는 약물로서 가능성을 보인다. 또한, CCD환자들에서 나타나는 치아 맹출 지연의 발생 기전을 규명하였으며, 약물치료법이 전무하였던 CCD 환자의 치과적 문제를 치료하기 위한 치료제로서의 가능성을 확인하였다.