The functional study of macrophage survival and osteoclast differentiation

Abstract

The development of pluripotent hematopoietic stem cells into different cell types requires the expression of different sets of lineage-determining and lineage-specific genes. Myeloid stem cells generate progenitors of red blood cells (erythrocyte) or white blood cells (neutrophils, monocytes, dendritic cells). Monocyte/macrophages generated from hematopoietic stem cells are differentiated by macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) that regulates the proliferation or survival of monocyte/macrophage. Osteoclasts originate from hematopoietic stem cells and are formed by the fusion of monocyte/macrophage precursor cells. Osteoclast differentiation is activated by macrophage colony-stimulating factor (M-CSF), receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL). Therefore, a detailed understanding of the role of cytokines, such as RANKL and M-CSF, will lead to novel strategies for the treatment of various diseases, including osteoporosis, osteoarthritis, rheumatoid arthritis, paget’s disease, multiple myeloma and metastatic bone tumors. Here, I investigate not only positive role of EEIG1 in RANKL-induced osteoclastogenesis but also the function of SHP1 in M-CSF-induced monocyte/macrophage proliferation. The differentiation of osteoclasts is mainly regulated by signaling pathways activated by RANK-RANKL binding and by co-stimulatory signals linked to ITAM-containing adaptors. However, how RANK and ITAM signals are integrated remains unclear. In the first part, I suggest that RANKL-induced EEIG1 gene plays an important role in osteoclastogenic signaling as an integrator between RANK to ITAM-containing immune receptors, acting through feedback regulation of NFATc1 and prolonging ITAM signaling. In the second part, I investigate that the redox-sensitive Src homology region 2 domain-containing phosphatase 1 (SHP1) is a critical regulator of M-CSF-mediated signaling in bone marrow monocyte/macrophage lineage cells (BMMs) and M-CSF-mediated ROS generation leads to SHP1 oxidation, which promotes cell proliferation through the PI3K/Akt-dependent signaling pathway.;RANK ligand (RANKL) 에 의한 신호전달은 골수에서 유래한 단핵구/포식세포로부터의 파골세포로의 분화에 필수적이다. RANK, TRAF6, NF-κB 그리고 ITAM signaling 이 파골세포 분화에 중요한 단백질임은 잘 밝혀져 있으나, RANK 와 ITAM signaling 의 연결고리에 의한 파골세포 분화 및 신호 조절 단백질에 대해서는 명확하지 않다. 본 논문 첫 번째 장 에서는 RANKL에 의해 유도되는 신규 조절 단백질 Early estrogen-inducible gene 1 (EEIG1)이 파골세포의 분화에서 어떠한 역할을 하는가를 조사하였다. 파골세포 분화 과정 동안 RANKL에 의해 증가하는 단백질들을 찾기 위해 GeneChip 방법을 수행하였고, 그 결과 EEIG1 이 RANKL에 의해 유도됨을 확인하였다. EEIG1은 파골세포 분화에 NFATc1의 발현을 증가시킴으로써 긍정적 조절인자로 작용하는 것을 확인하였고, 이는 EEIG1 의 N-turminus와 RANK의 C-turminus의 결합을 통해 유도되는 현상임을 발견하였다. 또한 EEIG1은 ITAM signaling에 관계된 단백질 들과도 결합함을 통해 ITAM signaling에서도 중요한 역할을 함을 알게 되었고, 이러한 결과들은 EEIG1이 RANK 와 ITAM signaling 의 연결 인자로 파골세포의 분화를 조절함을 제시한다. Macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) 는 골수에서 유래한 대식세포 (macrophage)의 생존에 필수인자이다. 대식세포에 M-CSF 처리는 M-CSF receptor (c-fms) 와 NADPH oxidase (Nox) 를 경유하는 신호전달 경로를 통해 일시적으로 세포내의 활성산소종을 증가시킨다. 두 번째 장에서는 M-CSF에 의해 유도된 활성산소종이 Src homology 2 (SH2) domain-containing tyrosine phosphatases (SHP1)을 억제하여 대식세포의 생존에 어떻게 관여하는지에 대하여 조사하였다. M-CSF 에 의해 유도되는 신호전달 체계와 활성산소종에 의해 유도되는 신호전달 체계가 유사함을 통해 연관성을 찾고, M-CSF에 의해 활성산소종이 발생됨을 확인하였다. M-CSF에 의해 유도된 활성산소종은 특이적으로 SHP1의 cysteine 잔기에 산화(oxidation)를 일으키어 SHP1의 기능을 억제하는 효과를 가져왔다. SHP1의 과 발현 이나 SHP1의 결여에서 M-CSF에 의한 PI3K 와 Akt 의 인산화 가 조절됨을 발현하였다. PI3K 와 Akt 의 인산화는 세포의 생존에 관여하는 단백질로, SHP1의 활성산소종에 의한 억제가 M-CSF에 의한 세포 생존에 필요한 인자일 것이라 추측하여 세포 생존과 증식 실험을 한 결과 SHP1의 과 발현 이나 SHP1의 결여에서 세포의 생존과 증식이 Cyclin D 단백질의 조절에 의해 유지 되는 것을 확인하였다. 이러한 결과들은 M-CSF에 의해 유도된 활성산소종이 SHP1을 억제함으로 대식세포의 생존을 유지함을 제시한다.