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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-79107
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7910/


Bilaterale Kommunikation zwischen Osteoblasten und Osteoklasten

Heckt, Timo Marian

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SWD-Schlagwörter: Knochen , Zellkommunikation , Parathormon , Calcitonin , Osteoporose , Osteologie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Osteoblasten , Osteoklasten , Pate4 , Sphingosin-1-phosphat
Freie Schlagwörter (Englisch): Osteoblasts , Osteoclasts , Pate4 , Sphingosine-1-phosphate
Basisklassifikation: 42.18 , 42.13 , 42.15
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schinke, Thorsten (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.06.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 11.07.2016
Kurzfassung auf Deutsch: Die molekulare Kommunikation zwischen knochenbildenden Osteoblasten und knochenabbauenden Osteoklasten ist von fundamentaler Wichtigkeit für einen geregelten Knochenumbau im Organismus. Hierbei ist insbesondere die physiologische Rolle von 4 Faktoren von Bedeutung: Parathormon (PTH) und Rankl, sowie Calcitonin und S1P. Alle 4 Faktoren beeinflussen, zusammen mit ihren Rezeptoren, das Gleichgewicht von Knochenaufbau und Knochenabbau und können in ihrer Wirkung zugunsten einer osteoanabolen Therapie beeinflusst werden. Unter normalen physiologischen Bedingungen induziert PTH bei einem Kalziummangel im Blut den Knochenabbau, es kann aber, bei intermittierender Injektion des Hormonfragments PTH (1-34), ebenfalls den Knochenaufbau fördern. Hierbei ist das Rankl-Rank-Opg-System von großer Wichtigkeit. Der von Osteoblasten als Transmembranprotein exprimierte Faktor Rankl wirkt dabei über seinen Rezeptor Rank auf Osteoklasten und fördert so die Osteoklastogenese. Der ebenfalls von Osteoblasten exprimierte und sezernierte Faktor Osteoprotegerin bindet in diesem Prozess an Rankl und inhibiert die Osteoklastogenese. Unklar ist in diesem Zusammenhang, ob Rankl seiner physiologische Funktion effizienter als Transmembranprotein oder in seiner löslichen Form nachkommen kann und ob eine, und wenn ja welche, Protease für die Abspaltung der extrazellulären Domäne verantwortlich ist. Da schon aus vorherigen Untersuchungen bekannt war, dass das Hormon PTH in der Lage ist nicht nur die Expression des Rankl-Gens Tnfsf11 in Osteoblasten zu induzieren, sondern auch das Protein zu prozessieren, konnte auf Grundlage dieser Ergebnisse in dieser Arbeit festgestellt werden, dass die PTH-induzierte Freisetzung von sRankl auf der Aktivität einer oder mehrerer Rankl-Proteasen zurückzuführen ist und nicht auf einem alternativen Splicing der Rankl-prä-mRNA beruht. Die osteoanabole Wirkung von PTH und die erhöhte Osteoblastogenese konnte nach intermittierender Gabe in Mäusen bestätigt werden. Es konnte außerdem festgestellt werden, dass intermittierendes PTH in vivo ebenfalls die Prozessierung von Rankl induziert und dass die erhöhte Konzentration von sRankl im Blut der Tiere die Osteoklastogenese fördert. In einem Versuch, die verantwortliche Rankl-Sheddase zu identifizieren, wurden in einer genomumfassenden Expressionsanalyse drei lösliche Metalloproteasen identifiziert, die in Osteoblasten durch PTH induziert werden. Durch den Vergleich mit diversen anderen Tnfsf11-induzierenden Faktoren konnten dabei sowohl die allgemeine PTH-Spezifität der Rankl-Prozessierung hervorgehoben werden, als auch die beiden Proteasen Adamts1 und Adamts16 als spezifisch PTH-induziert identifiziert werden. Bei der Analyse von Adamts16-defizienten Ratten konnte gezeigt werden, dass Adamts16 als essentielles Rankl-prozessierendes Enzym in vivo ausgeschlossen werden konnte. Die Generierung von Adamts1-defizienten Mäusen wird folgen, war aber nicht mehr Bestandteil dieser Arbeit. Der PTH-Gegenspieler Calcitonin übt seine Funktion über die Bindung an den Calcitonin-Rezeptor auf Osteoklasten und negativer Regulierung der S1P-Sezernierung aus. S1P wirkt über S1P-Rezeptoren weiter auf Osteoblasten und fördert auf diesem Wege die Knochenbildung. Welcher S1P-Rezeptor in Osteoblasten dafür verantwortlich ist, das S1P-Signal in einen verstärkten Knochenaufbau zu übersetzen ist noch nicht vollständig geklärt, allerdings gilt der Rezeptor S1pr3 als aussichtsreicher Kandidat. In dieser Arbeit wurde der Knochenphänotyp von Sgpl1-defizienten Mäusen mit und ohne Defizienz des Rezeptors S1pr3 auf molekularer und zellulärer Ebene untersucht. Eine Defizienz des S1P-abbauenden Enzyms S1P-Lyase führt in den Sgpl1-defizienten Mäusen zu einer hohen S1P-Konzentration im Organismus und u.a. einer erhöhten Knochenmasse. Bei Analyse der Mäuse konnte in dieser Arbeit festgestellt werden, dass die Sgpl1-/--Mäuse schon im Alter von 3 Wochen eine signifikant erhöhten trabekulären Knochenmasse besitzen, welche nicht durch die zusätzliche Defizienz des Rezeptors S1pr3 korrigiert wird. Der S1pr3 konnte damit als allein verantwortlicher Rezeptor in diesen Mäusen ausgeschlossen werden. Die Untersuchung der knochenrelevanten Serumparameter ließ hierbei auf einen Knochenphänotyp mit einem erhöhten Knochenumsatz (high bone turnover) schließen. Wasserlösliche Peptide wie z.B. Pate4, welches in Osteoklasten ebenfalls negativ durch Calcitonin reguliert wird, sind im Hinblick auf medikamentöse Osteoporose-Therapien ebenfalls ein wichtiges Forschungsfeld. Um die Wirkung und Funktion des Proteins Pate4 im Organismus und im speziellen auf den Knochenstoffwechsel zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit ebenfalls Pate4-defiziente Mäuse generiert und analysiert. Die Tiere zeigten keine Veränderungen im Knochenphänotyp, Prostata und Samenblase, es konnte allerdings eine signifikant erhöhte Spermienmotilität festgestellt werden.
Kurzfassung auf Englisch: The molecular communication between bone-forming osteoblasts and bone-resorbing osteoclasts is of fundamental importance for the regulation of bone remodeling. Especially the physiological role of four different factors are of central importance: Parathyroid hormone (PTH) and Rankl, as well as Calcitonin and S1P. All factors affect the balance of bone formation and bone resorption together with their receptors and can be influenced in favour of an osteoanabolic therapy. Under normal physiological conditions PTH induces bone resorption in case of calcium deficiency, on the other hand intermittent treatment with PTH (1-34) can also promote bone formation. The Rankl-Rank-Opg-system, which is well established as a model for the communication between osteoblasts and osteoclasts, is very important for these bilateral process. Rankl is expressed as a transmembrane protein from osteoblasts and acts via the receptor Rank on osteoclasts by supporting osteoclastogenesis. The Rankl-antagonizing factor Opg is also expressed and secreted by osteoblasts and inhibits osteoclastogenesis. In this context, it is unclear, whether Rankl exerts its physiological effect more efficiently as a transmembrane protein or in its soluble form (sRankl) and which proteolytic enzyme (sheddase) is responsible for cleavage of the extracellular domain. As already known from previous studies, PTH is not only able to induce the expression of the Rankl gene Tnfsf11 in osteoblasts, but also to promote the proteolytic processing of the protein. Following these results it could be determined in this thesis that the PTH-induced release of sRankl is based on the activity of at least one Rankl sheddase and that it is not due to an alternative splicing event of the Rankl pre-mRNA. The osteoanabolic effect of PTH (1-34) due to induced osteoblastogenesis could be confirmed after intermittent administration in mice. Furthermore it has been found that intermittent PTH (1-34) also induces the proteolytic processing of Rankl in vivo and that the increased concentration of sRankl in the serum promotes osteoclastogenesis in mice. A genome-wide expression analysis in PTH-stimulated osteoblasts was performed, followed by the identification of three metalloprotease-encoding genes, Adamts4, Adamts1 and Adamts16, which are significantly induced by PTH. By addressing the question, how their expression is affected by PTH and various other Tnfsf11-inducing factors, it was firstly found that PTH-mediated shedding of Rankl is very specific and that secondly Adamts16 expression is most specifically induced by PTH. A respective rat deficiency model was analyzed, thereby ruling out a major physiological function of Adamts16 in bone remodeling and Rankl processing. While PTH acts via the Rankl-Rank-Opg pathway from osteoblasts to osteoclasts, the PTH antagonist calcitonin exerts its function by binding to the calcitonin receptor on osteoclasts and negative regulation of S1P secretion. S1P binds to S1P receptors on osteoblasts and promotes bone formation. It is not fully understood, which S1P receptor is responsible for translating the S1P signal into an increased bone formation, although the receptor S1pr3 is a promising candidate. Therefore, the next objective of this work was to examine the bone phenotype of mice with a deficiency of the S1P-degrading enzyme S1P-lyase and additionally with and without a deficiency of the receptor S1pr3 on a molecular and cellular level. These Sgpl1-deficient mice have a known high S1P-level in the serum and increased bone mass. In this work, they showed a shortened life span on average of 3 weeks and have strong pathological changes in various organs, ending, at least in the case of liver and lung, in fibrosis. At the age of 3 weeks they showed a significantly increased trabecular bone mass, which was not corrected by the additional deficiency of the receptor S1pr3, so the receptor S1pr3 could thus be ruled out as the solely responsible S1P receptor in bone. Water-soluble peptides, such as Pate4, which is also negatively regulated by calcitonin in osteoclasts, are also important research objectives in terms of drug therapies for osteoporosis. Since Pate4 encodes for a secreted protein, it was besides S1P a good candidate for a signaling between osteoclasts and osteoblasts, so another aim of this thesis was to investigate the effect and function of the Pate4 protein in the context of bone metabolism. For this purpose, Pate4-deficient mice were generated and analyzed, yet these mice do not display an obvious phenotype. The analysis demonstrated, that Pate4, in contrast to a weak expression in osteoclasts, is strongly and highly specifically expressed in prostate and seminal vesicles in mice. Prostate and seminal vesicles of Pate4-deficient mice showed no visible changes and the fertility and litter size was not affected by a deficiency of Pate4. However, a slight but significantly increased sperm motility was observed.

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