Background: Bone morphogenic proteins (BMPs) are known to promote osteogenesis, and clinical trials are currently underway to evaluate the ability of certain BMPs to promote fracture-healing and spinal fusion. The optimal BMPs to be used in different clinical applications have not been elucidated, and a comprehensive evaluation of the relative osteogenic activity of different BMPs is lacking. Methods: To identify the BMPs that may possess the most osteoinductive activity, we analyzed the osteogenic activity of BMPs in mesenchymal progenitor and osteoblastic cells. Recombinant adenoviruses expressing fourteen human BMPs (BMP-2 to BMP-15) were constructed to infect pluripotent mesenchymal progenitor C3H10T1/2 cells, preosteoblastic C2C12 cells, and osteoblastic TE-85 cells. Osteogenic activity was determined by measuring the induction of alkaline phosphatase, osteocalcin, and matrix mineralization upon BMP stimulation. Results: BMP-2, 6, and 9 significantly induced alkaline phosphatase activity in pluripotential C3H10T1/2 cells, while BMP-2, 4, 6, 7, and 9 significantly induced alkaline phosphatase activity in preosteoblastic C2C12 cells. In TE-85 osteoblastic cells, most BMPs (except BMP-3 and 12) were able to induce alkaline phosphatase activity. The results of alkaline phosphatase histochemical staining assays were consistent with those of alkaline phosphatase colorimetric assays. Furthermore, BMP-2, 6, and 9 (as well as BMP-4 and, to a lesser extent, BMP-7) significantly induced osteocalcin expression in C3H10T1/2 cells. In C2C12 cells, osteocalcin expression was strongly induced by BMP-2, 4, 6, 7, and 9. Mineralized nodules were readily detected in C3H10T1/2 cells infected with BMP-2, 6, and 9 (and, to a lesser extent, those infected with BMP-4 and 7). Conclusions: A comprehensive analysis of the osteogenic activity of fourteen types of BMPs in osteoblastic progenitor cells was conducted. Our results suggest an osteogenic hierarchical model in which BMP-2, 6, and 9 may play an important role in inducing osteoblast differentiation of mesenchymal stem cells. In contrast, most BMPs are able to stimulate osteogenesis in mature osteoblasts. Clinical Relevance: These findings have implications for the development of effective formulas for bone-healing and spinal fusion. The efficacy of osteogenesis may depend not only on the type of BMP or the combination of BMPs that is used but also on the cell types that are present.

Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are a group of signaling molecules that belongs to the Transforming Growth Factor-β (TGF-β) superfamily of proteins. Initially discovered for their ability to induce bone formation, BMPs are now known to play crucial roles in all organ systems. BMPs are important in embryogenesis and development, and also in maintenance of adult tissue homeostasis. Mouse knockout models of various components of the BMP signaling pathway result in embryonic lethality or marked defects, highlighting the essential functions of BMPs. In this review, we first outline the basic aspects of BMP signaling and then focus on genetically manipulated mouse knockout models that have helped elucidate the role of BMPs in development. A significant portion of this review is devoted to the prominent human pathologies associated with dysregulated BMP signaling.

Recombinant adenoviruses provide a versatile system for gene expression studies and therapeutic applications. We have developed an approach that simplifies the generation and production of such viruses called the AdEasy system. A recombinant adenoviral plasmid is generated with a minimum of enzymatic manipulations, employing homologous recombination in bacteria rather than in eukaryotic cells. After transfection of such plasmids into a mammalian packaging cell line, viral production is conveniently followed with the aid of GFP encoded by a gene incorporated into the viral backbone. This system has expedited the process of generating and testing recombinant adenoviruses for a variety of purposes. In this protocol, we describe the practical aspects of using the AdEasy system for generating recombinant adenoviruses. The full protocol usually takes 4-5 weeks to complete.

Abstract Efficacious bone regeneration could revolutionize the clinical management of many bone and musculoskeletal disorders. Bone morphogenetic proteins (BMPs) can regulate the differentiation of mesenchymal stem cells into cartilage, bone, tendon/ligament, and fat lineages. Early data documented the osteogenic potential of rhBMP2 and rhBMP7/OP‐1. However, prior to this work that summarized several of our recent studies, no comprehensive analysis had been undertaken to characterize relative osteogenic activity of all BMPs. Using recombinant adenoviruses expressing 14 BMPs, we have demonstrated that, besides BMP2 and BMP7, BMP6 and BMP9 exhibit the highest osteogenic activity both in vitro and in vivo. We further demonstrated that several BMPs may exert synergistic effect on osteogenic differentiation, and that osteogenic BMPs produce a distinct set of molecular fingerprints during osteogenic differentiation. The reported work should expand our current understanding of BMP functions during osteogenic differentiation. It is conceivable that osteogenic BMPs (i.e., BMP2, 4, 6, 7, and 9) may be used to formulate synergistic pairs among themselves and/or with other less osteogenic BMPs for efficacious bone regeneration in clinical settings. © 2007 Orthopaedic Research Society. Published by Wiley Periodicals, Inc. J Orthop Res 25:665–677, 2007

Pluripotent mesenchymal stem cells (MSCs) are bone marrow stromal progenitor cells that can differentiate into osteogenic, chondrogenic, adipogenic, and myogenic lineages. Several signaling pathways have been shown to regulate the lineage commitment and terminal differentiation of MSCs. Here, we conducted a comprehensive analysis of the 14 types of bone morphogenetic protein (BMPs) for their abilities to regulate multilineage specific differentiation of MSCs. We found that most BMPs exhibited distinct abilities to regulate the expression of Runx2, Sox9, MyoD, and PPARγ2. Further analysis indicated that BMP-2, BMP-4, BMP-6, BMP-7, and BMP-9 effectively induced both adipogenic and osteogenic differentiation in vitro and in vivo. BMP-induced commitment to osteogenic or adipogenic lineage was shown to be mutually exclusive. Overexpression of Runx2 enhanced BMP-induced osteogenic differentiation, whereas knockdown of Runx2 expression diminished BMP-induced bone formation with a decrease in adipocyte accumulation in vivo. Interestingly, overexpression of PPARγ2 not only promoted adipogenic differentiation, but also enhanced osteogenic differentiation upon BMP-2, BMP-6, and BMP-9 stimulation. Conversely, MSCs with PPARγ2 knockdown or mouse embryonic fibroblasts derived from PPARγ2−/− mice exhibited a marked decrease in adipogenic differentiation, coupled with reduced osteogenic differentiation and diminished mineralization upon BMP-9 stimulation, suggesting that PPARγ2 may play a role in BMP-induced osteogenic and adipogenic differentiation. Thus, it is important to understand the molecular mechanism behind BMP-regulated lineage divergence during MSC differentiation, as this knowledge could help us to understand the pathogenesis of skeletal diseases and may lead to the development of strategies for regenerative medicine.

The transcription factor Sox9 was first discovered in patients with campomelic dysplasia, a haploinsufficiency disorder with skeletal deformities caused by dysregulation of Sox9 expression during chondrogenesis. Since then, its role as a cell fate determiner during embryonic development has been well characterized; Sox9 expression differentiates cells derived from all three germ layers into a large variety of specialized tissues and organs. However, recent data has shown that ectoderm- and endoderm-derived tissues continue to express Sox9 in mature organs and stem cell pools, suggesting its role in cell maintenance and specification during adult life. The versatility of Sox9 may be explained by a combination of post-transcriptional modifications, binding partners, and the tissue type in which it is expressed. Considering its importance during both development and adult life, it follows that dysregulation of Sox9 has been implicated in various congenital and acquired diseases, including fibrosis and cancer. This review provides a summary of the various roles of Sox9 in cell fate specification, stem cell biology, and related human diseases. Ultimately, understanding the mechanisms that regulate Sox9 will be crucial for developing effective therapies to treat disease caused by stem cell dysregulation or even reverse organ damage.

The Wnt signaling pathway plays an important role not only in embryonic development but also in the maintenance and differentiation of the stem cells in adulthood. In particular, Wnt signaling has been shown as an important regulatory pathway in the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Induction of the Wnt signaling pathway promotes bone formation while inactivation of the pathway leads to osteopenic states. Our current understanding of Wnt signaling in osteogenesis elucidates the molecular mechanisms of classic osteogenic pathologies. Activating and inactivating aberrations of the canonical Wnt signaling pathway in osteogenesis results in sclerosteosis and osteoporosis respectively. Recent studies have sought to target the Wnt signaling pathway to treat osteogenic disorders. Potential therapeutic approaches attempt to stimulate the Wnt signaling pathway by upregulating the intracellular mediators of the Wnt signaling cascade and inhibiting the endogenous antagonists of the pathway. Antibodies against endogenous antagonists, such as sclerostin and dickkopf-1, have demonstrated promising results in promoting bone formation and fracture healing. Lithium, an inhibitor of glycogen synthase kinase 3β, has also been reported to stimulate osteogenesis by stabilizing β catenin. Although manipulating the Wnt signaling pathway has abundant therapeutic potential, it requires cautious approach due to risks of tumorigenesis. The present review discusses the role of the Wnt signaling pathway in osteogenesis and examines its targeted therapeutic potential.