Functional analysis of GSK-3β as a novel positive regulator of osteoclastogenesis

Abstract

파골세포 (osteoclasts)는 우리 몸에서 뼈를 분해함으로써 뼈의 재구성 (remodeling) 과 항상성 (homeostasis) 에 중요하게 작용하는 다핵세포 (multinucleated cell) 이다. TRANCE (tumor-necrosis factor related activation induced cytokine) 에 의한 신호전달은 M-CSF (macrophage colony-stimulating factor) 와 함께 파골세포의 분화에 필수적이다. 세포 내 신호 전달계에서 여러 가지 기능을 하는 GSK (Glycogen synthase kinase)-3β는 조골세포 (osteoblast) 의 Wnt 신호 전달계에서 중요한 분화억제 조절인자로 작용한다. GSK-3β 억제제 (inhibitor) 는 조골세포의 분화를 유도하고 뼈의 형성, 뼈의 질량과 세기를 증가시킨다. 그렇지만, 파골세포 분화과정에 있어서 GSK-3β의 역할은 알려져 있지 않다. 흥미롭게도, 약리성 억제제에 의한 GSK-3β 억제는 BMM (bone marrow derived macrophage) 단일 배양 (single culture) 뿐만 아니라 조골세포와 BMM의 공배양 (coculture system) 에서도 파골세포의 분화를 감소시켰다. 완전히 발달한 파골세포의 골흡수 (Bone resroption activity) 또한 GSK-3β 억제에 의해 감소하였다. 또한, GSK-3β는 BMM의 파골세포로의 commitment 과정에 관여함을 확인하였다. 비활성의 GSK-3β (GSK-3β KD) 는 파골세포로 거의 분화시키지 못하는 반면, 활성상태로 유지되는 GSK-3β S9A는 GSK-3β WT에 비하여 파골세포의 분화를 훨씬 더 증가시켰다. 이러한 결과는 GSK-3β의 효소활성이 파골세포의 분화에 필요함을 보여준다. 또한, GSK-3β의 억제는 TRANCE에 의해 파골세포에 특징적으로 발현하는 NFATc1과 OSCAR의 발현을 감소시켰다. 종합적으로, GSK-3β는 파골세포의 분화에 있어서 중요한 분화유도 조절인자임을 제시한다.;Osteoclasts are multinucleated cells that are responsible for bone resorption and indispensable for keeping balance in bone remodeling. Signaling by tumor necrosis factor-related activation induced cytokine (TRANCE) is essential for complete osteoclast differentiation in cooperation with the permissive factor macrophage colony-stimulating factor (M-CSF). Glycogen synthase kinase (GSK)-3β, a fascinating enzyme with a number of actions in intracellular signaling systems, acts as a key negative regulator in Wnt signaling pathway of osteoblasts. GSK-3β inhibitors induce osteoblast differentiation and increase markers of bone formation, bone mass, and strength. However, the role of GSK-3β in osteoclastogenesis has not been identified. Interestingly, GSK-3β inhibition by pharmacological inhibitors reduced osteoclast differentiation not only in BMMs single culture, but also in osteoblasts-BMMs coculture system. Bone resorption activity of mature osteoclasts was also decreased by GSK-3β inhibition. Further, GSK-3β was involved in commitment of BMMs into osteoclasts. Although enzymatically inactive GSK-3β (GSK-3β KD) scarcely developed osteoclasts, constitutively active GSK-3β (GSK-3β S9A) enhanced osteoclastogenesis much more than GSK-3β WT. These results indicate that GSK-3β kinase activity was indispensable for osteoclast differentiation. GSK-3β inhibition also downregulated TRANCE-induced osteoclast specific NFATc1 and OSCAR gene expression. Taken together, these results suggest that GSK-3β is a crucial positive regulator of osteoclastogenesis.