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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-46935
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4693/


Untersuchungen zur Regulation des Knochenumbaus durch den Wnt-Signalweg

Analysis of the regulation of bone remodeling by the Wnt signaling pathway

Schulze, Jochen

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SWD-Schlagwörter: Knochen , Wnt , Osteoblast , Osteoklast
Freie Schlagwörter (Englisch): Bone , Wnt , Osteoblast , Osteoclast
Basisklassifikation: 42.15 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schinke, Thorsten (PD. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 21.07.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Der kanonische Wnt-Signalweg spielt eine entscheidende Rolle für die Regulation des Knochenumbaus, was sich nicht nur in Erkrankungen, wie z.B. dem Osteoporose-Pseudoglioma Syndroms (ausgelöst durch inaktivierende Mutationen des Wnt-Ko-Rezeptors LRP5), sondern auch in Tumorerkrankungen wie dem multiplen Myelom und dem Prostatakarzinom zeigt, bei denen es durch eine Inhibition des kanonischen Wnt-Signalwegs in Osteoblasten durch Dickkopf-1 (DKK1) zur Ausbildung von Osteolysen kommt.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine selektive Überexpression des Dkk1-Rezeptors Kremen-2 (Krm2) unter der Kontrolle des 2,3kb-Fragments des Col1a1-Promoters im Osteoblasten zur Ausbildung einer Osteoporose in Verbindung mit osteolytischen Läsionen führt. Der Phänotyp Col1a1-Krm2 transgener Mäuse beruhte dabei nicht nur auf einer verringerten Knochenformation, sondern auch auf einer gesteigerten Knochenresorption. Krm2 inhibierte den kanonischen Wnt-Signalweg im Osteoblasten, und Genchip-Analysen machten es möglich, zahlreiche Zielgene von Krm2 im Osteoblasten zu identifizieren. Hier konnte gezeigt werden, dass transgene Osteoblasten eine signifikant verringerte Expression des Wnt-Zielgens Tnfrsf11b aufweisen, welches für Osteoprotegerin kodiert und einen entscheidenden Regulator der Osteoklastenfunktion darstellt.
Zudem kam es in Col1a1-Krm2 transgenen Mäusen zu einer erhöhten Expression von Interleukin-33 (IL-33). Die Charakterisierung der Wirkung von IL-33 in vitro in Osteoblasten- und Osteoklastenkulturen zeigte, dass IL-33 einen potenten Inhibitor der Osteoklastogenese darstellt. So wird IL-33 in differenzierten Osteoblasten exprimiert und inhibiert nicht nur die Osteoklastenformation, sondern auch die Resorption in vitro. Ferner konnte gezeigt werden, dass IL-33 die Generierung basophiler und eosinophiler Granulozyten sowie alternativ aktivierter Makrophagen propagierte. Die Analyse eines IL-33-Rezeptor-defizienten Mausmodells (ST2 oder Il1rl1) zeigte, dass IL-33-abhängige Signalwege eine physiologische Relevanz in Bezug auf den Knochenumbau besitzen. So zeigten ST2- defiziente Mäuse eine signifikant herabgesetzte Knochenmasse, bedingt durch eine gesteigerte Knochenresorption.
Abschließend wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Prostatakarzinomzelllinien auf Osteoblasten charakterisiert. Hier konnte gezeigt werden, dass die osteolytische Zelllinie PC-3, welche den Krm2-Liganden DKK1 überexprimiert, den kanonischen Wnt-Signalweg im Osteoblasten inhibierte. Daneben gelang es außerdem zu zeigen, dass diese Zellllinie eine inflammatorische Reaktion in Osteoblasten auslöst, welche charakterisiert war durch eine erhöhte Expression verschiedener Zytokine und Chemokine. Diese Reaktion wurde durch eine Aktivierung Stat3/5-abhängiger Signalwege hervorgerufen, da eine selektive Inhibition dieser Signalwege in der Lage war, die erhöhte Zytokin- bzw. Chemokin-Expression zu verhindern. Die Analyse humaner Biopsien von Prostatakarzinom-Knochenmetastasen ließ zudem darauf schließen, dass neben der Inhibition des kanonischen Wnt-Signalwegs im Osteoblasten auch eine Aktivierung STAT3/5-abhängiger Signalwege in diesen Zellen bei der Entwicklung von Osteolysen eine Rolle spielen könnte.

Kurzfassung auf Englisch: The canonical Wnt signaling pathway plays a crucial role in the regulation of bone remodeling not only in diseases such as Osteoporosis-pseudoglioma syndrome (caused by inactivating mutations of the Wnt Co-receptor LRP5) but also in malignancies such as multiple myeloma and prostate cancer in which an inhibition of canonical Wnt signaling in osteoblasts by Dickkopf-1 ( DKK1) results in the development of osteolytic lesions in bone.
In this study it was shown that selective overexpression of the Dkk1 receptor Kremen-2 (Krm2)in osteoblasts under the control of the 2.3 kb fragment of the Col1a1 promoter leads to the formation of osteoporosis associated with osteolytic lesions in mice. The phenotype of Col1a1-krm2 transgenic mice was characterized by reduced bone formation and increased bone resorption. Krm2 inhibited the canonical Wnt signaling in osteoblasts, and gene chip analyses made it possible to identify several target genes of Krm2 in osteoblasts. Here it was shown that transgenic osteoblasts exhibited a significantly reduced expression of the Wnt-target gene Tnfrsf11b, which encodes osteoprotegerin, a crucial regulator of osteoclast function. Col1a1-krm2 transgenic mice also showed an increased expression of interleukin-33 (IL-33). The characterization of the effect of IL-33 in vitro in osteoblast and osteoclast cultures showed that IL-33 is a potent inhibitor of osteoclastogenesis.IL-33 expression was detected in differentiated osteoblasts and recombinant IL-33 not only inhibited osteoclast formation but also resorption in vitro. Furthermore it was shown that IL-33 promoted the generation of basophils, eosinophils and alternatively activated macrophages in vitro. The analysis of an IL-33 receptor-deficient mouse model (Il1rl1 or ST2) showed that IL-33-dependent signaling is of physiological relevance for bone remodeling. ST2-deficient mice displayed significantly reduced bone mass caused by an increase in bone resorption.
Finally, in this work the influence of prostate cancer cell lines was characterized on osteoblasts. Here it was shown that the osteolytic cell line PC-3, which produces the KRM2 ligand DKK1 inhibits canonical Wnt signaling in osteoblasts. In addition this cell line triggerd an inflammatory response in osteoblasts, which was characterized by an increased expression of several cytokines and chemokines. This reaction was caused by an activation of STAT3/5- signaling pathways, since a selective inhibition of these signaling pathways was able to prevent the increased cytokine and chemokine expression. The analysis of human biopsies of prostate cancer bone metastases showed that in addition to the inhibition of canonical Wnt signaling in osteoblasts an activation of STAT3/5 dependent signaling pathways in these cells could play a role in the process of osteolysis

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