Mechanistic study of STAC2 and EEIG1 in osteoclast differentiation and function

Abstract

Bone homeostasis depends on a balance between bone-forming osteoblasts and bone-resorbing osteoclasts. If this balance is disrupted; for example, excessive osteoclast activity leads to pathological bone resorption and disease such as osteoporosis and rheumatoid arthritis. Osteoclasts, derived from hematopoietic monocyte/macrophage precursor cells are regulated by several signaling pathways. Macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) and receptor activator of nuclear factor-κB (RANKL) are essential for osteoclastogenesis. In the presence of RANKL, various pro-inflammatory cytokines, such as IL-1, IL-6 and TNFα cooperatively enhance osteoclastogenesis. TNFα is one of the several pro-inflammatory cytokines, and plays a major role in the chronic inflammation of bone in synergy with RANKL. The activation of osteoclasts with these inflammatory signaling leads to severe pathogenesis of bone loss. Here, I report the role of STAC2 as a negative regulator of RANKL-induced osteoclast differentiation and the effect of EEIG1 during RANKL and TNF-mediated osteoclast differentiation. This thesis is divided into 2 parts and the summary of each part is described below. Part I : Src homology 3 (SH3) and a cysteine rich domain 2 (STAC2) is a novel-RANKL inducible protein that negatively regulates RANKL-mediated osteoclastogenesis. I found that STAC2 is induced by RANKL via NFATc1. Overexpression of STAC2 attenuates RANKL-initiated MAPK and NF-κB signaling pathways. In addition, STAC2 interacts with RANK and further associates with RANK signaling components, such as Gab2, PLCγ2 and Btk/Tec kinases upon RANKL stimulation. STAC2 overexpression disrupted RANK signaling complex and RANKL-stimulated PLCγ2 phosphorylation, thereby attenuates osteoclast differentiation. Taken together, these findings reveal that STAC2 is a novel RANK signaling component negatively regulates osteoclast formation. Part II : Early estrogen-induced gene 1 (EEIG1) is a novel RANK signaling component positively controlling RANKL-mediated osteoclast formation. I investigated that EEIG1 is induced by both RANKL and TNF during osteoclastogenesis and EEIG1 deficiency showed decreased osteoclast differentiation. Furthermore, EEIG1 plays as an important regulator in RANKL and TNF-induced osteoclast differentiation by down-regulating anti-osteoclastogenic gene, IRF8. Here, I suggested a novel mechanism by which EEIG1 positively regulates osteoclast differentiation by contributing Blimp1-mediated IRF8 repression.;뼈의 항상성은 뼈를 형성하는 조골세포와 뼈를 흡수하는 파골세포 사이의 균형에 달려 있으며, 이러한 균형이 붕괴되면 골다공증 및 류마티스성 관절염과 같은 병적인 뼈 흡수 및 질병을 유발하게 된다. 조혈모세포 및 대식세포의 전구세포로부터 유래된 파골세포는 몇 가지 신호 전달 경로에 의해 조절된다. 대식세포 형성을 위해서는 M-CSF와 조골세포로부터 발현된 사이토카인 RANKL의 수용체 활성화가 필수적이며 RANKL의 존재 하에, IL-1, IL-6 및 TNFα와 같은 다양한 염증성 사이토카인이 파골세포 생성을 협력적으로 강화 시킨다. TNFα는 여러 가지 염증성 사이토카인 중 하나이며 RANKL과의 시너지 효과로 뼈의 만성 염증에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 이러한 염증성 신호들을 가진 파골세포의 활성화는 뼈 손실의 심각한 병인을 유발한다. 본 논문에서는 RANKL에 의해 유도되는 파골세포 분화를 억제하는 조절 인자로서 STAC2 단백질의 역할과 RANKL 및 TNF를 통해 매개되는 EEIG1 단백질이 파골세포 분화 과정 동안 미치는 효과에 대해 보고하였다. 논문의 첫 번째 장에서는 RANKL에 의해 유도되는 Src homology 3 (SH3) and Cysteine rich domain 2 (STAC2)라는 새로운 단백질에 대해 연구하였다. STAC2는 파골세포의 형성을 억제함으로써 파골세포 분화를 조절하는 새로운 RANKL 유도 단백질로 밝혀졌다. STAC2는 NFATc1을 통해 RANKL에 의해 유도되며, STAC2를 과발현시킨 경우 RANKL에 의한 MAPK 및 NF-ĸB의 신호 전달 경로가 약화되는 것을 확인하였다. 또한 STAC2는 RANK와 상호 작용하며 RANKL 신호에 의하여 Gab2, PLCγ2 및 Btk/Tec kinase와 같은 RANK 신호 전달 요소와 결합하였다. 이러한 STAC2 과발현은 RANK 신호 전달 복합체를 파괴시키고 RANKL에 의한 PLCγ2의 인산화를 억제함으로써 파골세포 분화를 약화시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이러한 발견은 STAC2가 파골세포 형성을 억제 조절하는 새로운 RANK 신호 전달 요소라는 것임을 규명하였다. 두 번째 장에서는, 초기 에스트로겐 유도 유전자로 알려져 있으며, 최근 RANKL에 의한 파골세포 형성을 촉진하는 것으로 알려진 새로운 RANK 신호전달 단백질인 Early estrogen-induced gene 1 (EEIG1)에 대하여 연구하였다. EEIG1은 파골세포 형성 과정에서 작용하는 다양한 사이토카인 중에서, RANKL과 TNF에 의해 특이적으로 발현량이 증가하였다. 또한 EEIG1 유전자가 제거된 EEIG1-/-로부터 유래된 파골세포의 분화가 감소하는 것을 확인함으로써, EEIG1이 파골세포로의 분화과정을 촉진시킨다는 것을 알 수 있었다. 특히나 EEIG1은 파골세포의 억제 조절 유전자로 알려진 IRF8의 전사를 억제함으로써 RANKL 및 TNF에 의한 파골세포 분화의 촉진을 조절하는 것으로 밝혀졌다. 더불어 이러한 조절 과정에서 중요하게 작용하는 단백질인 Blimp1에 의한 IRF8 억제에 기여함으로써 EEIG1이 파골세포 형성을 증가시키는 매개체로 작용한다는 새로운 기전을 제안하였다.