Regulation of osteoclast differentiation by histone deacetylase 1

Abstract

Osteoclasts (OCs) are multinucleated cells that resorb bone and are essential for maintaining bone homeostasis together with osteoblasts. Regulation of osteoclast differentiation is central to the understanding of the pathogenesis and treatment of disease such as osteoporosis. Tumor necrosis factor-related activation induced cytokine (TRANCE) is the essential signal required both in vitro and in vivo for full osteoclast differentiation in the presence of the permissive factor macrophage colony stimulating factor (M-CSF). I identified that histone deacetylase1 (HDAC1), a member of the classⅠHDACs, is an induced protein following TRANCE stimulation by using 2-dimensional gel electrophoresis (2-DE) and mass spectrophotometry. The expression level of HDAC1 protein increased continuously during TRANCE-induced differentiation of BMMs to osteoclasts. Specific HDAC1 inhibitors, TSA and NaB or knock-down of HDAC1 by RNA interference (RNAi) inhibited TRANCE-induced osteoclastogenesis. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) of TRANCE-stimulated BMMs, reveals HDAC1 occupancy at differentiation gene promoters including NFATc1 and TRAP. Thus HDAC1 may act as a positive regulator for regulating terminal differentiation of osteoclasts.;파골세포 (osteoclast) 는 우리 몸에서 유일하게 뼈를 분해하는 다핵세포 (multinucleated cell) 로 뼈를 생성하는 조골세포 (osteoblast)와 함께 뼈의 항상성 (homeostasis) 을 유지한다. 파골세포는 TRANCE (tumor-necrosis factor related activation induced cytokine) 자극에 의해 그 전구체인 대식세포 (macrophage) 로부터 분화한다. 이 분화 과정을 우리가 이해할 수 있다면 골다공증 (Osteoporosis) 의 병리학적 연구에 큰 기여를 할 수 있게 된다. TRANCE 신호에 의한 분화 과정중에 많은 단백질들의 변화가 일어나게 되는데 이 들 중 하나인 Histone deacetylase1 (HDAC1) 을 Two-dimensional gel electrophoresis (2-DE) and mass spectrophotometry 방법을 통하여 찾게 되었다. HDAC1은 처음 효모 전사조절 인자인 Rpd3와 유사성을 가짐으로 발견되었고 주로 전사 조절 인자로 알려져 있다. 특히 전사 억제인자로 세포주기, 세포사멸, 세포분화억제 등에 영향을 줄 수 있는 단백질로 알려져 있다. 여기서 HDAC1의 파골세포 분화 조절을 알기 위해 우선 골수로부터 얻은 대식 세포에서 HDAC1 단백질의 양이 TRANCE자극에 의해 증가됨을 확인하였다. 그리고 이 단백질의 구체적인 기능 규명을 위해 HDAC1의 억제제와 HDAC1 유전자 발현 억제 (RNA interference, RNA간섭) 방법을 이용하여 파골 세포로의 분화가 억제되는 것을 확인 하였다. 따라서 HDAC1 은 대식세포에서 파골 세포로의 분화 유도 인자 (positive regulator) 로 작용함을 알게 되었다. 이 단백질의 기능과 관련하여 Histone의 아세틸화를 관찰해 보았는데 HDAC1 유전자 발현 억제에 의해서 Histone의 아세틸화가 증가함을 확인하였다. 그리고 이들이 파골세포 분화에 직접적으로 연관 되었는지 알기 위해 파골세포 분화에 표본 단백질로 알려진 NFATc1 과 TRAP의 유전자 프로모터 (prmoter) 부위의 아세틸화를 염색체 면역침전 (Chromatin immunoprecipitation) 방법으로 확인하였다. 그 결과 NFATc1 과 TRAP 프로모터 부위의 아세틸화가 증가한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 이 프로모터 부위와 HDAC1의 직접적인 결합관계를 염색체 면역침전을 통해 확인하였다. HDAC1 유전자 발현 억제에 의해서 NFATc1 과 TRAP 프로모터 부위와 HDAC1의 결합이 관찰되지 않았으므로 파골세포 분화에 직접적인 영향을 주는 단백질의 유전자 프로모터 부위와 HDAC1의 결합관계가 직접적으로 연결되어 있음을 알 수 있었다. 따라서 HDAC1이 파골세포 분화에 있어서 분화조절 인자들과 밀접한 관계를 가지고 있으며, HDAC1의 발현 여부에 따라 분화가 조절됨을 통하여 HDAC1은 파골세포 분화에 중요한 유도인자임을 알게 되었다. 본 연구가 기존의 밝혀진 HDAC1의 분화억제 작용 결과와 상반되는 결론을 안고 있지만 이 실험의 결과들과 좀 더 심도 깊은 실험들을 종합해서 HDAC1의 파골세포 분화 유도에 대한 확실 한 증거가 될 수 있을 것으로 확신한다. 그리고 파골세포 분화에 있어서 HDAC1의 기능을 규명하게 되면 골다공증 유발 원인을 알고 제거할 수 있음으로 임상적으로 치료제 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 확신한다.