GSK-3β negatively regulates RANKL-mediated osteoclast differentiation

Abstract

Homeostasis of the skeletal system depends on a balance between bone-forming osteoblasts and bone-resorbing osteoclasts. Receptor activator of nuclear factor kB ligand (RANKL) induces osteoclast formation from hematopoietic stem cells via regulation of various transcription factors. Glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) is a fascinating enzyme that has enzymatic activity regulated by many signaling pathways and acts as a key negative regulator in Wnt signaling pathway of osteoblasts. However, the role of GSK-3β in ostoeclastogenesis has not been elucidated. Interestingly, bone resorption activity of mature osteoclasts was reduced by pharmacological GSK-3 inhibition. However focusing on GSK-3β, RANKL induces its inactivation. Overexpression of constitutively active form of GSK-3β (GSK-3β S9A) in RAW 264.7 cells inhibits the formation of TRAP+ multinuclear osteoclasts, but overexpression of enzymatically inactive GSK-3β (GSK-3β KD) enhanced osteoclastogenesis much more than control. Also, ectopic expression of GSK-3β S9A shows same inhibitory effect in bone marrow-derived monocyte/macrophage lineage cells (BMMs) and ectopic expression of GSK-3β KD increases the ability to differentiate into osteoclasts. Furthermore, GSK-3β KD enhanced RANKL-induced nuclear accumulation and expression of NFATc1. Consistently, reduced expression of GSK-3β by siRNA enhances osteoclastogenesis. Taken together, these results suggest that GSK-3β can act as an important negative regulator of RANKL-mediated ost-eocastogenesis;파골세포 (osteoclast) 는 우리 몸에서 뼈를 분해함으로써 뼈의 재구성 (remodeling) 과 항상성 (homeostasis) 에 중요하게 작용하는 다핵세포 (multinucleated cell) 이다. RANKL (receptor activator of nuclear factor kB ligand) 에 의한 신호전달은 M-CSF (macrophage colony-stimulating factor) 와 함께 파골세포의 분화에 필수적이다. 세포 내신포 전달계에서 다양한 기능을 하는 GSK (Glycogen sunthase kinase)-3β 는 조골세포 (osteoblast) 의 Wnt 신호전달계에서 중요한 분화억제 조절인자로 작용한다. GSK-3 억제제 (inhibitor) 는 조골세포의 분화를 유도하고 뼈의 형성, 뼈의 질량과 세기를 증가시킨다. 그렇지만 파골세포 분화과정에있어서 GSK-3β의 역할은 밝혀진 바가 없다. 약리성 억제제에 의한 GSK-3 억제는 완전히 발달한 파골세포의 골흡수 (Bone resorption activity) 를 감소시켰다. 또한 파골세포 분화의 중요한 조절인자라고알려진 NFATc1의 전사능력 (transcription activity) 도 감소시킨다. GSK-3에는 α와 β의 두가지 동류형 (isoform) 이 존재하는데 이들 중 β 동류형을 중심으로 조사한 결과, RANKL 자극에 의해서 GSK-3β가 불활성 되는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, 비활성의 GSK-3β (GSK-3β KD) 는 파골세포로의 분화를 촉진 시키는 반면, 활성상태로 유지되는 GSK-3β S9A는 파골세포를 거의 분화시키지 못하는 것을 확인하였다. 흥미롭게도 siRNA를 이용하여 GSK-3α와 GSK-3β 각각의 유전자 발현을 저해시켰을 때, GSK-3α의 저해는 파골세포 분화를 억제시키고 GSK-3β의 저해는 파골세포의 분화를 촉진시키는 상반되는 결과를 보였다. 그러므로 이들 결과를 통해, GSK-3β 는 파골 세포의 분화에 있어서 중요한 저해 조절인자로 작용한다는 것과 GSK-3α와 GSK-3β가 파골세포 분화를 독립적으로 서로 다르게 조절한다는 결론을 내릴 수 있다.