Role of FGFs in the development of cranial base synchondrosis

Abstract

[한글]섬유아세포 성장인자 수용체(fibroblast growth factor receptor, FGFR) 유전자의 돌연변이는 에이퍼트(Apert) 증후군과 크로우즌(Crouzon) 증후군 등에서 특징적으로 두개골 유합증을 나타내는 것으로 알려져 있으며 이는 두개 봉합 부위의 골막성 성장이 비정상적으로 과증식되어 나타나는 증상이다. 그러나 에이퍼트 증후군 증례의 부검 보고 및 관련된 유전자 변형 동물 연구에서는 골막성 성장 외에 두개저의 연골성 골 성장에도 변화가 있음을 제시하고 있다.현재까지 섬유아세포 성장인자 및 수용체의 역할과 관련하여 두개 봉합 부위의 골막성 성장에 관해서는 많은 연구가 있었으나 두개저의 연골성 성장에는 어떠한 영향을 미치는지에 관해서는 거의 연구된 바가 없다.이에 본 연구에서는 인류와 유사한 두개 구조를 가진 ICR mouse를 사용하여 두개저 성장의 정상적인 발육 양상을 살펴보고 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor, FGF) 및 섬유아세포 성장인자 수용체(FGFR)가 두개저의 연골 결합(cranial base synchondrosis) 성장에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하였다.정상적인 두개저 성장 관찰 결과, 두개저 성장에 있어서 출생직후에 가장 뚜렷한 연골의 골화가 나타났으며 이 시기에 가장 많은 양의 성장이 일어남을 알 수 있었다. 섬유아세포 수용체의 발현양상에 있어 섬유아세포 성장인자 수용체1(FGFR1)과 2(FGFR2)는 연골 및 골 형성 부위에서 발현된 반면 섬유아세포 성장인자3(FGFR3)는 주로 연골부위에서 발현되었으며 이는 섬유아세포 수용체 인자들이 각각 골 형성 및 연골 형성에 특이하게 관여하고 있음을 보여 주는 결과이다.또한 섬유아세포 수용체 각각에 대해 특이한 친화성을 갖는 섬유아세포 성장인자2와 9(FGF2, FGF9)가 두개저 발육에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 농도 별로 배양을 시행하였으며 그 결과 두 인자 모두 연골의 성장억제를 나타냈으며 특히 섬유아세포 성장인자 9에서 특징적인 억제 양상을 보였다. 연골 성장 억제양상에 있어서는 조직학적으로 두 인자 간에 차이를 보였으며 섬유아세포 성장인자2(FGF2)는 주로 연골세포의 마지막 분화 단계를 억제하는 것으로 나타났고 섬유아세포 성장인자9(FGF9)는 연골 세포의 분화 억제 외에 특징적으로 증식 억제 및 조기 성숙을 일으키는 양상을 보였다.

[영문]Mutations of the fibroblast growth factor receptor-2(FGFR2) have been reported to cause syndromic craniosynostosis such as Apert, Crouzon syndrome, characterized by unregulated growth of intramembranous bone at the suture leading to premature fusion of cranial sutures. But human autopsy studies of craniosynostosis patients and related animal studies have suggested the possible alteration of the endochondral bone formation in the cranial base by the mutations in the FGFR2. FGF/FGFRs mediated signaling pathway has been largely investigated in intramembranous bone, including calvarial sutures, but relatively little is known about cranial base development.The purpose of this study was to investigate the developmental progression of the cranial base and the possible involvement of the FGF/FGFR in regulating the growth and development of cranial base.By analyzing the time course of normal growth and development of the endochondral cranial base of mice, the perinatal period is a time of rapid cranial base growth and endochondral ossification and active transition from cartilage to bone occured in these early postnatal life.Study of FGFR expression pattern in cranial bone development showed that FGFR1 and FGFR 2 were predominantly expressed both in the cartilage phase and in the bone phase, while FGFR3 expression was limited in the cartilage. These findings implies that FGFR1 and FGFR2 may be involved in endochondral ossification and osteogenesis as well as chondrogenesis, with FGFR3 in chondrogenesis.Experimental culture showed that both FGF2 and FGF9 affects the maturation in the cranial base. We also found that FGF2 inhibits cartilage growth mainly by suppressing chondrocyte differntiation and FGF9, unlike the FGF2, inhibits cartilage growth mainly by early maturation and differentiation in the synchondrosis.From these results, FGF9 is considered to be more potent inducer of early cartilageous maturation compared with FGF2.