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Main Title: Altered bone formation response to mechanical loading in a mouse model of the progeroid disorder gerodermia osteodysplastica
Translated Title: Veränderte Reaktion des Knochenwachstums auf mechanische Belastung in einem Mausmodell der progeroiden Krankheit Gerodermia osteodysplastica
Author(s): Thelen, Michael
Advisor(s): Lauster, Roland
Kornak, Uwe
Willie, Bettina
Referee(s): Lauster, Roland
Kornak, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Bone tissue has to constantly adapt to changing mechanical requirements. The mechanisms behind mechanosensation, mechanotransduction, signal transmission and the resulting response of bone tissue are, until this day not fully understood. A failure of these processes leads to inappropriate bone architecture, bone mass and reduced mechanical stability as seen in age-related osteoporosis or rare diseases such as osteogenesis imperfecta or gerodermia osteodysplastica (GO). GO is a progeroid disorder with wrinkled skin, osteoporosis, and spontaneous fractures caused by loss-of-function mutations in the gene GORAB (SKYL1BP1). The gene product is located in the Golgi-apparatus where it is likely involved in retrograde vesicle trafficking. Our group showed recently that loss of Gorab leads to an impairment of early osteoblast differentiation, low dermatan sulfate levels, altered TGF-b signaling and an impaired proteoglycan (decorin/biglycan) glycosylation in skin and bone resulting in an osteoporosis phenotype and spontaneous fractures in the GorabPrx1 mouse model. Unexpectedly, we observed elevated numbers of abnormally differentiated osteocytes in the mutants. Given that osteocytes are the bone cell type orchestrating the bone’s response to mechanical loading we wanted to investigate how GorabPrx1 animals react to mechanical stimulation. To this end, GorabPrx1 mutants and littermate controls (LC) were subjected to in vivo tibial loading for two weeks. Serial microCT registrations, dynamic and static histomorphometry were performed to define the different responses of the two cohorts. The results showed an astonishing complete loss of the physiological anabolic response to mechanical loading in GorabPrx1 mice. This effect was mirrored by altered strain-induced gene expression changes revealed by RNA-sequencing. In order to find the reason for this phenomenon we investigated the lacunar-canalicular osteocyte network in detail. The results show a reduced canalicular density and connectivity in spite of the higher osteocyte numbers. In a parallel approach, osteocyte-like cell lines were investigated after Gorab knock-down. The analysis of the primary cilium and mechanisms (ATP vesicle formation, calcium flux and GAP-junction function) important for mechanosensation did not reveal striking impairments. In summary, we found a loss of mechanosensitivity in GorabPrx1 mutants that is possibly due to a perturbed lacunar-canalicular osteocyte network.
Knochengewebe passt sich kontinuierlich an variable mechanische Anforderungen an. Die verantwortlichen Mechanismen für die Kraftamplifikation, Mechanosensitivität, Signaltransmission und die daraus resultierende Anpassung des Knochengewebes sind bis heute nicht komplett verstanden. Eine Beeinträchtigung dieser Mechanismen führt durch eine unzureichende Knochenarchitektur und -masse zu einer reduzierten Knochenstabilität. Beispiele für Erkrankungen mit einer verminderten Knochenstabilität sind die altersbedingte Osteoporose oder seltenen Erkrankungen wie Osteogenesis imperfecta oder Gerodermia osteodysplastica (GO). Bei GO handelt es sich um eine progeroide Erkrankung, welche mit faltiger Haut, frühzeitiger Osteoporose und spontanen Knochenfrakturen einhergeht. Sie wird durch „loss-of-function“ Mutationen im Gen GORAB (SKYL1BP1) verursacht. Das von GORAB kodierte Protein ist im Golgi-Apparat lokalisiert und in den retrograden Vesikeltransport des Golgi-Apparates involviert. Der Verlust von Gorab in mesenchymalen Stammzellen führt im GorabPrx1 Mausmodell zu einer Beeinträchtigung der frühen Osteoblastendifferenzierung, einem verminderten Dermatansulfat-Gehalt und einer beeinträchtigten Glykanierung von Proteoglykanen (Decorin/Biglykan) in Haut und Knochen. Die daraus resultierenden Veränderungen der extrazellulären Matrix und des TGF-b Signalwegs rufen einen Osteoporose Phänotyp und spontane Frakturen hervor. Unerwartet wurde eine erhöhte Anzahl von abnorm differenzierten Osteozyten in den Mutanten gefunden. Osteozyten sind der für die Umsetzung mechanischer Stimulation in eine anabole zelluläre Antwort des Knochens zuständige Zelltyp. Die Zellen verfügen über eine einzigartige Form der Kommunikation über ein sogenanntes lakunokanalikuläres Netzwerk. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich der Osteoporose- Phänotyp der GorabPrx1 Mausmutanten durch eine verminderte Sensitivität der veränderten Osteozyten für mechanische Reize verursacht wird. Um die Reaktion des Knochens auf mechanische Belastung in einem definierten Experiment zu untersuchen, wurde die linke Tibia von GorabPrx1 Mutanten und Kontrolltieren fünfmal wöchentlich über zwei Wochen einer zyklischen, genau definierten Verformung ausgesetzt. Die stimulierte Tibia wurde fortwährend im Vergleich zur nicht stimulierten Tibia mittels serieller microCT Aufnahmen und durch dynamische und statische Histomorphometrie analysiert. Die Ergebnisse zeigten einen gänzlichen Verlust der physiologisch anabolen Reaktion auf mechanische Belastung in GorabPrx1 Tieren. Dieser Effekt spiegelte sich auch in einem veränderten Genexpressionsmuster wieder, das durch RNAseq ermittelt wurde. Um den Grund für die fehlende anabole Antwort auf mechanische Belastung zu finden, wurde das lakuno-kanalikuläre Netzwerk der Osteozyten detailliert untersucht. Trotz der erhöhten Anzahl an Osteozyten in GorabPrx1 Mutanten wurde eine reduzierte kanalikuläre Dichte und eine herabgesetzte Konnektivität dokumentiert. Um weitere Ursachen für die fehlende Mechanosensitivität zu erforschen, wurden in Osteozyten ähnlichen Zelllinien die Auswirkung des Gorab-Knockdowns auf das primäre Zilium, die Bildung von ATPVesikeln, den Kalzium-Fluss und die Funktion der GAP-Junctions untersucht, ohne deutliche Unterschiede festzustellen. Zusammengefasst haben wir den Verlust der Mechanosensitivität in GorabPrx1 Mutanten, welcher wahrscheinlich durch ein gestörtes lakuno-kanalikular Netzwerk der Osteozyten zustande kommt, gezeigt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9470
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8526
Exam Date: 7-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 8-Jul-2019
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): bone
progeroid
osteocyte
mechanotransduction
Gorab
Knochen
Osteozyt
Mechanotransduktion
Netzwerk
Osteoporose
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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