Amelogenin Nanoribbons In Enamel Development And Engineering
釉原蛋白纳米带在牙釉质开发和工程中的应用
基本信息
- 批准号:10597115
- 负责人:
- 金额:$ 66.7万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-04-01 至 2027-03-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalAcidsAdoptedAmeloblastsAmino Acid SequenceAmyloidApatitesArchitectureBindingBiologicalBiologyBiomimeticsC-terminalCarrier ProteinsCryoelectron MicroscopyCrystallizationDataDental EnamelDentinDepositionDevelopmentDiameterEnamel FormationEngineeringEpitheliumEventExcisionExtracellular MatrixFamily suidaeFiberFilmFractureFutureGrowthHabitsHistidineHumanHydrolysisIn SituIn VitroIonsLengthMasticationMetalloproteasesMethodsMineralsModelingMolecularMorphologyPatternPeptidesPhasePhosphorylationPolymersProcessProtein SecretionProteinsProteolysisRecombinant ProteinsRecombinantsResistanceResolutionRoleSeriesSpecialized Epithelial CellStructureTestingThinnessTissuesX ray diffraction analysisamelogeninbeta pleated sheetbiomineralizationcalcium phosphatecopolymerdesignenamelinexperimental studyhydrophilicityin vitro Modelmineralizationmolecular modelingmouse modelnanonanofibernanolithographynanomaterialsnanometerscaffoldself assemblythree dimensional structurethree-dimensional modeling
项目摘要
Enamel is the only epithelial derived tissue that mineralizes. It develops in an extracellular matrix secreted by
highly specialized epithelial cells, the ameloblasts, which synthesizes a host of specific matrix proteins with little
homology to any other known proteins. Amelogenin is by far the largest constituent of the developing enamel
matrix (DEM) comprising ~90% of all secreted protein. Amelogenin’s primary structure encodes a series of critical
functions of the DEM that ultimately allow for control over the uniaxial growth of apatite nanofibers and their
three-dimensional organization into a stiff, hard and fracture-resistant tissue optimized for mastication and
integration with the underlying dentin. Previously, we have demonstrated the biological significance of the
amyloid-like character of amelogenin which allows the protein to adopt ß-sheet structure and to self-assemble
into nanoribbons (Amel-NR) that guide the growth of mineral ribbons. Based on this data, a new model of enamel
biomineralization founded on the activation of the mineralization process by the enzymatic cleavage of
amelogenin by matrix metalloprotease-20 (MMP20) has been proposed and will be further evaluated in this
application. We have hitherto shown, that removal of the hydrophilic C-terminal domain allowed an acidic
polymer to interact with Amel-NRs thereby initiating the deposition of an amorphous calcium phosphate (ACP)
layer. Subsequently, ACP transformed into crystalline apatite in the form of ribbon-like mineral about 15-20 nm
wide that followed the morphology of the Amel-NRs. The sequential process of biomineralization observed in
our in vitro model correlates with biological events of tissue mineralization and reinforces emerging concepts of
biomineralization not only valid to enamel but other hard tissues. Such concepts include: a) biomineralization is
regulated by proteolysis; b) presence of a carrier-protein that acts as a process-directing agent and delivers
mineral ions to a self-assembled protein framework; c) carrier-protein interactions produce amorphous mineral
deposits onto the protein framework; d) the supramolecular structure of the organic phase directs the phase
transformation into defined crystal habits by oriented crystallization.
In continuation of previous studies, we propose to identify constituents of the DEM that are critical for the
templated growth of crystalline apatite nanofibers in association with the protein nanoribbons. By determining
the three-dimensional structure of Amel-NRs at near-atomic resolution, further functional domains will be
identified and associated with critical molecular and structural mechanisms in enamel formation. Ultimately, we
plan to use the unique ability of Amel-NRs to direct the fibrous growth of apatite and synthesize nanomaterials
through hierarchical design at the micro- and nanometer length scale.
牙釉质是唯一矿化的上皮来源组织,它在细胞外基质中发育。
高度特化的上皮细胞,成釉细胞,可以合成大量特定的基质蛋白,几乎不需要
与任何其他已知蛋白质具有同源性,釉原蛋白是迄今为止牙釉质发育中最大的成分。
基质 (DEM) 占所有分泌蛋白的约 90%,其一级结构编码一系列关键蛋白。
DEM 的功能最终可以控制磷灰石纳米纤维的单轴生长及其
将三维结构转化为僵硬、坚硬且抗断裂的组织,并针对咀嚼和咀嚼进行了优化
与底层牙本质的整合之前,我们已经证明了其生物学意义。
牙釉蛋白的淀粉样蛋白样特征,使蛋白质能够采用 ß-片结构并进行自组装
纳米带(Amel-NR)可引导矿物带的生长 基于此数据,一种新的牙釉质模型。
生物矿化建立在通过酶裂解激活矿化过程的基础上
已提出由基质金属蛋白酶 20 (MMP20) 产生的釉原蛋白,并将在此进一步评估
迄今为止,我们已经证明,去除亲水性 C 端结构域可以产生酸性。
聚合物与 Amel-NR 相互作用,从而引发无定形磷酸钙 (ACP) 的沉积
随后,ACP 转化为约 15-20 nm 的带状矿物形式的结晶磷灰石。
广泛遵循 Amel-NR 的形态,观察到生物矿化的顺序过程。
我们的体外模型与组织矿化的生物事件相关,并强化了新兴概念
生物矿化不仅适用于牙釉质,也适用于其他硬组织。这些概念包括: a) 生物矿化是。
受蛋白水解调节;b) 存在充当过程导向剂并传递的载体蛋白
矿物质离子形成自组装蛋白质框架;c) 载体-蛋白质相互作用产生无定形矿物质
沉积到蛋白质框架上;d) 有机相的超分子结构引导相
通过定向结晶转变为确定的晶体习性。
继续之前的研究,我们建议确定 DEM 的组成部分,这些组成部分对于
通过确定与蛋白质纳米带相关的结晶磷灰石纳米纤维的模板生长。
在近原子分辨率下的 Amel-NR 的三维结构,进一步的功能域将是
最终,我们确定了牙釉质形成的关键分子和结构机制并与之相关。
计划利用Amel-NRs的独特能力来引导磷灰石的纤维状生长并合成纳米材料
通过微米和纳米长度尺度的分层设计。
项目成果
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