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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-96569
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9656/


Role of Tgif1 in osteoclast differentiation and bone resorption

Funktion von Tgif1 bei der Differenzierung von Osteoklasten und der Knochenresorption

Maeda, Miki

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Knochen
Freie Schlagwörter (Deutsch): Osteoklasten , ERK1/2-Signalweg , Tgif1
Freie Schlagwörter (Englisch): Bone , osteoclast , Tgif1 , ERK1/2 signaling pathway
Basisklassifikation: 44.83
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hesse, Eric (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.03.2019
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 08.04.2019
Kurzfassung auf Englisch: High resorption activity is a key component of bone loss during aging. We identified an
increased expression of the homeodomain protein TG-interacting factor 1 (Tgif1) in osteoclasts after RANKL/M-CSF stimulation, suggesting a functional role of Tgif1 in osteoclast differentiation. To test this hypothesis, we deleted Tgif1 in the germline (Tgif1-/-) and in the osteoclast lineage (Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP). Interestingly, 8-month old Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP mice were protected from aging-related bone loss due to a reduced osteoclast number and bone resorption (p<0.05). Furthermore, in vitro differentiation of bone marrow macrophages (BMMs) obtained from Tgif1-/- or Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP mice demonstrated a decreased number and size of osteoclasts (p<0.05) and a reduced expression of osteoclast-related genes such as NFATc1 and Cathepsin K, leading to fewer and shallower resorption pits. These findings indicate that Tgif1 promotes osteoclast differentiation and function in a cellautonomous
manner and establish Tgif1 as a novel regulator of bone resorption. To elucidate
the underlying molecular mechanism, we performed signaling analyses, which revealed a reduction of phosphorylated ERK1/2 in Tgif1-/- BMMs. While the de novo phosphorylation of ERK1/2 in response to RANKL/M-CSF stimulation was comparable between wild-type and Tgif1-/- BMMs, ERK1/2 was rapidly de-phosphorylated in the absence of Tgif1. This suggests that Tgif1 controls ERK1/2 activity by inhibiting the expression of a specific phosphatase. Indeed, expression analysis of several ERK phosphatases demonstrated an increased expression of the Protein Phosphatase 2A catalytic subunit isoform β (PP2A-Cβ) in Tgif1-/- BMMs compared to control cells. Mechanistically, inhibition of PP2A using okadaic acid or targeted silencing of PP2A-Cβ using the GapmeR technology normalized the amount of phosphorylated ERK1/2 and restored the reduced osteoclast differentiation in Tgif1-/- BMMs. In summary, Tgif1-deficiency in osteoclasts impairs ERK1/2 signaling and subsequently osteoclast differentiation, function and bone resorption. Thus, Tgif1 is a novel regulator of bone remodeling with an important function in aging-related bone loss.
Kurzfassung auf Deutsch: Eine hohe Resorptionsaktivität ist eine Schlüsselkomponente für den Knochenverlust während des Alterns. Wir haben in Osteoklasten nach RANKL/M-CSF-Stimulation eine erhöhte Expression des Homeodomain-Proteins TG-interacting Factor 1 (Tgif1) festgestellt, was auf eine funktionale Rolle von Tgif1 bei der Osteoklasten-Differenzierung hindeutet. Um diese Hypothese zu testen, haben wir Tgif1 aus der Keimbahn (Tgif1-/-) und in der Osteoklastenlinie (Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP) entfernt. Interessanterweise wurden 8 Monate alte Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP-Mäuse vor einem durch Alterung bedingten Knochenverlust aufgrund einer reduzierten Osteoklastenzahl und Knochenresorption (p<0,05) geschützt. Darüber hinaus zeigte die in vitro Differenzierung von Knochenmark-Makrophagen (BMMs) aus Tgif1-/- oder Ctsk-Cre+;Tgif1loxP/loxP-Mäusen eine verringerte Anzahl und Größe von Osteoklasten (p<0,05) und eine verringerte Expression von Osteoklasten-assoziierten Genen, z.B. NFATc1 und CathepsinK, was zu weniger und flacheren Resorptionslakunen führt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Tgif1 die Differenzierung und Funktion von Osteoklasten auf zellautonome Weise fördert und Tgif1 als neuen Regulator der Knochenresorption etabliert. Um den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus aufzuklären, führten wir Signalanalysen durch, die eine Reduktion von phosphoryliertem ERK1/2 in Tgif1-/- BMMs zeigten. Während die de-novo Phosphorylierung von ERK1/2 als Reaktion auf die RANKL/M-CSF-Stimulation zwischen Wildtyp und Tgif1-/- BMMs vergleichbar war, wurde ERK1/2 in Abwesenheit von Tgif1 schnell desophoryliert. Dies legt nahe, dass Tgif1 die ERK1/2-Aktivität durch Hemmung der Expression einer spezifischen Phosphatase kontrolliert. In der Tat zeigte die Expressionsanalyse mehrerer ERKPhosphatasen eine erhöhte Expression der Isoform β (PP2A-Cβ) der katalytischen Proteinphosphatase-2A-Untereinheit in Tgif1-/- BMMs im Vergleich zu Kontrollzellen. Mechanistisch normalisierte die Inhibierung von PP2A unter Verwendung von Okadainsäure oder das gezielte Stummschalten von PP2A-Cβ unter Verwendung der GapmeR-Technologie die Menge an phosphoryliertem ERK1/2 und stellte die reduzierte Osteoklastendifferenzierung in Tgif1-/- BMMs wieder her. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Tgif1-Mangel bei Osteoklasten die ERK1/2-Signalgebung und anschließend die Differenzierung und Funktion von Osteoklasten beeinträchtigt. Somit ist Tgif1 ein neuartiger Regulator des Knochenumbaus mit einer wichtigen Funktion beim altersbedingten Knochenverlust.

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