Pathobiochemische Relevanz der humanen Xylosyltransferase-I in der Knochenhomöostase

• Antragstellerin: Dr. Isabel Faust
• Fachliche Zuordnung: Toxikologie, Laboratoriumsmedizin ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316628156

Proteoglykane (PG) sind Bestandteil der extrazellulären Matrix (ECM) des Knochens und regulieren die Proliferation und Differenzierung der an der Knochenhomöostase beteiligten Zellen, indem sie die Bioverfügbarkeit von Wachstumsfaktoren und Zytokinen modulieren. Darüber hinaus definieren PG die Organisation der Kollagenfibrillen und beeinflussen somit die mechanische Integrität und Histoarchitektur des Knochens. Den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der PG-Glykosylierung katalysieren die humane Xylosyltransferase-I und -II (XT-I und -II). Wie bereits von uns publiziert, spiegelt die XT-Aktivität im Serum die PG-Syntheserate wider und fungiert somit als nicht-invasiver Biomarker der PG-Biosynthese.Im Rahmen unserer Erstförderung stellten wir heraus, dass eine Defizienz der XT-I in Dermalfibroblasten mit einer abnormen ECM-Remodellierung und einer verstärkten zellulären Seneszenz einhergeht. Die hieraus resultierende Hypothese, dass eine XT-I-Defizienz eine hohe pathophysiologische Relevanz hat, wird durch die Beschreibung humanpathogener XYLT1 Mutationen untermauert, die kausativ für das Auftreten skeletaler Dysplasien sind. Ziel unseres geplanten Forschungsvorhabens ist es daher zu eruieren, welche pathobiochemische Relevanz der XT-I in der Knochenhomöostase zukommt. In unserem Vorhaben wollen wir primäre humane mesenchmyale Stammzellen (hMSC) und Osteoklasten verwenden, um zu evaluieren, welche molekularen Mechanismen dazu führen, dass eine XT-I-Defizienz eine Veränderung der Zellbiologie des Knochens und damit die Entstehung skeletaler Dysplasien bedingt. Die Konzeptionierung unseres Projektes sieht die Bearbeitung von vier Fragestellungen vor. Um zu eruieren, welchen Einfluss eine XT-I-Defizienz auf die zellbiologische Funktionalität humaner hMSC nimmt, wird in diesen Zellen zunächst ein CRISPR- (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas9-vermittelter XYLT1-Knockout durchgeführt. Weiterführend wird das Differenzierungspotenzial der XT-I-defizienten hMSC sowie die ECM-Remodellierung von aus hMSC abgeleiteten Osteoblasten und Chondrozyten charakterisiert. In einem zweiten Teilprojekt werden wir analysieren, ob auch die zellbiologische Funktionalität der Osteoklasten durch eine XT-I-Defizienz beeinträchtigt wird. Über die Quantifizierung der Serum XT-Aktivität von Osteoporose-Patienten werden wir ergänzend überprüfen, ob sich die XT-Aktivität als Biomarker einer aberranten Osteolyse eignet. Im letzten Teilprojekt wird der Zusammenhang zwischen einer XT-I-Defizienz und zellulärer Seneszenz untersucht. Diesbezüglich wird die XT-Regulation während der hMSC-Alterung sowie die Charakterisierung des putativ seneszenten Phänotyps XT-I-defizienter hMSC analysiert.Langfristig werden die in diesem Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse dazu beitragen die molekularen Mechanismen der Knochenhomöostase besser zu verstehen und therapeutische Interventionsmöglichkeiten für XT-assoziierte skeletale Erkrankungen aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen