Die Rolle von Twisted Gastrulation in der Chondrocytendifferenzierung und Skelettentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war die Aufklärung der Funktion von Twisted Gastrulation (Tsg), einem Ko-regulator des BMP-Signalweges, in der Entwicklung des Knorpelskeletts und der Differenzierung von Chondrocyten. In vorangegangenen Arbeiten zur Identifizierung von regulatorischen Genen in Chondrocyten verschiedener Zonen der fötalen Wachstumsfuge konnten wir erstmals durch Subtraktive Hybridisierung eine starke Expression von Tsg im bovinen hypertrophen Knorpel feststellen, das bis dahin vorwiegend durch seine Funktion in der Entwicklung dorsaler Strukturen im Xenopus und der Drosophila bekannt war. Durch umfassende in situ Hybridisierungsstudien und immunhistochemische Analysen der Tsg Expression auf mRNA und Proteinebene konnten wir zeigen, dass Tsg während der Embryonalentwicklung der Maus fast ausschließlich im Knorpel exprimiert wird. Das spezifische Ziel unseres Vorhabens war es daher, die Rolle von Tsg in der Regulation der Skelettentwicklung aufzuklären, insbesondere seine Interaktion mit BMP-Faktoren und ihren Antagonisten während der Chondrocytendifferenzierung und enchondralen Ossifizierung. Zur Klärung dieser Fragen wurden drei experimentelle Ansätze gewählt: 1) Einblick in die komplexe Regulation der Chondrocytendifferenzierung sollte durch in vitro Studien in Chondrocytenkulturen mit Hilfe von rekombinant hergestelltem Tsg erhalten werden. 2) Die Funktion von Tsg in der Korpelentwicklung sollte durch eine Knorpel-spezifische Überexpression von Tsg unter dem Kollagen II (Col2a1) Promoter in transgenen Mäusen, sowie 3) durch Analyse einer Tsg defizienten Maus aus dem Labor von Dr. Nosaka, Tokyo University, aufgeklärt werden. Die in vitro Studien zeigten, dass Tsg die BMP-2 induzierte Stimulation der Typ II und Typ X Kollagenexpression in Chondrocyten inhibiert. Diese inhibitorische Wirkung wurde durch Chordin, einem Tsg bindenden weiteren BMP-Antagonist, noch verstärkt werden. Die Überexpression von Tsg unter dem Typ II Kollagen (Col2a1-) Promotor in transgenen Mäusen bewirkte ebenfalls eine Suppression der Typ X Kollagen Expression im hypertrophen Knorpel, beeinflusste jedoch nicht in nennenswerter Weise die Morphologie der Knorpelentwicklung in der Wachstumsfuge. Im Gegensatz dazu bewirkte die vollständige Deletion des Tsg Gens in der Tsg-/-Maus von Nosaka et al. eine starke Wachstumsretardierung und Beeinträchtigung des Skelettentwicklung. Überraschenderweise zeigt die in situ Hybridisierungsanalyse ebenfalls eine deutliche Reduktion der Type X Kollagen Expression in der Wachstumszone der Tsg-/-Mäuse. Dieses scheinbar widersprüchliche Ergebnis ist wahrscheinlich auf die komplexe Drei-Komponenten-Interaktion von BMP mit Chordin und Tsg zurückzuführen und steht mit Ergebnissen aus der Xenopus-Achsenentwicklung in Übereinstimmung, die gezeigt haben, dass Tsg je nach Dosis und in Abhängigkeit von der lokalen Chordinkonzentration als BMP Agonist oder als Antagonist wirken kann. Damit konnten wir zum ersten mal die kritische Bedeutung von Twisted gastrulation, das bis dahin vor allem durch seine Wirkung in der Bildung der dorsalen Achse während der Xenopus- und Drosphila entwicklung bekannt war, als Modulator der BMP Funktion in der Entwicklung des Vertebratenskeletts offenlegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2006). Twisted gastrulation modulates BMP- induced collagen II and X expression in chondrocytes in vitro and in vivo. J Biol Chem 281:31790 - 31800
Schmidl M, Adam N, Surmann-Schmitt C, Hattori T, Stock M, Dietz U, Decrombrugghe B, Poschl E, von der Mark K
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(2009). Stable subclones of the chondrogenic murine cell line MC615 mimic distinct stages of chondrocyte differentiation. J Cell Biochem. Oct 15;108(3):589-99
Surmann-Schmitt C, Widmann N, Mallein-Gerin F, von der Mark K, Stock M
