The Role of Rgnef in bone metabolism

Abstract

골 항상성은 파골세포에 의한 골흡수와 조골세포에 의한 골 형성 사이의 균형에 의해 유지된다. 골 재형성의 조절 장애는 낮은 골량, 골 취약성 및 높은 골절 위험을 특징으로 하는 골다공증과 같은 골 질환을 유발한다. Rho GTPase는 파골세포의 증식, 분화 및 기능을 조절하는 중요한 인자이다. Dock5 및 Vav3과 같은 Guanine nucleotide Exchange Factor (GEF)는 Rho GTPase 활성 조절을 통해 파골세포 분화 및 기능에 영향을 미치는 것으로 보고되었다. Rho Guanine nucleotide Exchange Factor (Rgnef)는 최근 RhoA 및 Rac1의 GEF로 확인되었지만 뼈 대사에서 그 역할은 알려져 않았다. 본 연구에서는 생리학적 및 병리학적 조건에서 Rgnef 결손 및 과발현 형질전환 마우스의 뼈 표현형과 파골세포 형성 및 조골세포 형성에서 Rgnef의 기능을 확인했다. Rgnef 결손 및 과발현 마우스는 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 분석에 의해 생리학적 조건에서 각각 osteopetrotic 및 osteoporotic 표현형을 보였다. 실제로, Rgnef 결손은 NF-κB 및 NFATc1 뿐만 아니라 RhoA와 Rac1의 활성화를 감소시켜 파골세포 분화 및 골 흡수를 억제하고, Runx2 발현 증가와 NF-κB 및 Rho GTPase 활성화 감소로 조골세포 분화 및 칼슘침착능을 촉진한 반면, Rgnef 과발현은 파골세포 생성을 강화하고 조골세포 생성을 억제했다. 또한 Rgnef 결손의 모든 효과는 RhoA 또는 Rac1의 과발현에 의해 회복되었다. 더욱이 Rgnef 결여는 염증 유도 두개골과 난소 절제술에 의해 확립된 병리학적 골 손상 모델에서 골 손실을 보호한 반면, Rgnef 과발현은 염증에 의한 골 손상모델에서 골 침식을 가속화했다. 종합적으로, 현재 연구 결과에 따르면 Rgnef 결손은 Rho GTPase 및 NF-κB 활성화를 약화시켜 파골세포 및 조골세포의 분화 및 기능을 억제 및 촉진하여 생리학적 조건에서 골량을 증가시키고 병리학적 골 손상 조건에서 골 손실을 보호함을 시사했다. 결론적으로, Rgnef는 골 항상성의 중요한 조절자이며 그의 표적화는 골 질환 치료에 유용한 전략이 될 수 있음을 제시한다. ;Bone homeostasis is maintained by a balance between bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts. Dysregulation of bone remodeling causes bone diseases such as osteoporosis which is characterized by low bone mass, bone fragility, and high fracture risk. Rho GTPase is an important factor that regulates the proliferation, differentiation, and function of osteoclasts. Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) such as Dock5 and Vav3 were reported to affect osteoclast differentiation and function via regulating Rho GTPase activity. Rho guanine nucleotide exchange factor (Rgnef) was recently identified as a GEF of RhoA and Rac1, but its role in bone metabolism remains known. In this study, I investigated bone phenotypes of Rgnef knock-out (KO) and overexpression transgenic (Tg) mice in both physiological and pathological conditions as well as functions of Rgnef in osteoclastogenesis and osteoblastogenesis. Rgnef KO and Tg mice showed an osteopetrotic and osteoporotic phenotype, respectively, in physiological condition as revealed by micro computed tomography analysis. Bone histology and serum analysis also indicated that Rgnef deletion decreases osteolysis and increases osteogenesis. Indeed, Rgnef deficiency inhibited osteoclast differentiation and bone resorption with a decrease in activation of NF-κB and NFATc1 as well as RhoA and Rac1, and promoted osteoblast differentiation and mineralization with increased Runx2 expression and reduced activation of NF-κB and Rho GTPases, whereas Rgnef overexpression enhanced osteoclastogenesis and attenuated osteoblastogenesis. In addition, all effects of Rgnef deletion were reversed by viral expression of constitutively active RhoA or Rac1. Moreover, Rgnef deficiency protected bone loss in pathological bone destruction mouse models which are established by lipopolysaccharide injection into calvaria or ovariectomy, whereas Rgnef overexpression accelerated the lipopolysaccharide-induced bone erosion. Collectively, current findings suggest that Rgnef deficiency inhibits and promotes the differentiation and function of osteoclasts and osteoblasts, respectively, through attenuating Rho GTPase and NF-κB activation, thereby increasing bone mass in physiological condition and protecting bone loss in pathological osteolytic conditions. In conclusion, Rgnef is a crucial regulator of bone homeostasis and its targeting could be a useful strategy for treating bone diseases.