The role of Pellino-1 as a regulator of NFATc1 signaling during osteoclast differentiation

Abstract

Bone homeostasis requires an adequate balance of bone formation by osteoblasts and bone resorption by osteoclasts. Failure to this coupling process, it originates diseases such as osteoporosis. Many studies reported that osteoclast differentiation is associated with various signal pathway. Pellino-1 is a E3 ligase protein which is well known as a regulator in cell signal pathway through ubiquitination of target proteins. In this study, I investigated the role and mechanism of Pellino-1 during osteoclastogenesis. Here I demonstrated that the loss of Pellino-1 in osteoclasts lead to excessive osteoclastogenesis through inactivation of GSK-3β. in vivo study showed that the loss of Pellino-1 gene induced osteoclast differentiation and reduced bone mineral density in Pellino-1 knockout mice. Knockout of Pellino-1 in osteoclasts also increased the secretion of the bone resorption marker CTX-1. To find out the mechanism of Pellino-1 during osteoclast differentiation, I performed knockdown study of Pellino-1, then found that NFATc1 promoter activity was increased and inactive form of GSK-3β was upregulated. Also, by ubiquitination assay, Pellino-1 turned out to be inducing ubiquitination of GSK-3β. These results proposed that Pellino-1 regulates the activity of GSK-3β in osteoclast differentiation. In conclusion, I have described a novel mechanism of Pellino-1 as a negative regulator in osteoclast differentiation. Furthermore, this study would be offer a new therapeutic target for dysregulated bone remodeling including osteoporosis and bone fracture.

뼈의 항상성은 조골세포에 의한 골형성과 파골세포에 의한 골흡수의 적절한 균형에 의해 조절된다. 이 과정의 조절 실패는 골다공증과 같은 질환을 유발한다. 많은 문헌에서 파골세포의 분화과정에 관련된 다양한 신호전달 체계가 보고되고 있으며, E3 연결 효소인 Pellino-1은 다양한 표적 단백질들의 유비퀴틴화를 통해 세포 신호 전달 체계를 조절한다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 파골세포 분화에 있어서 Pellino-1의 기능 및 신호전달 기전을 밝히고자 하였다. Pellino-1 유전자의 결손이 마우스 파골세포의 분화와 골흡수 표지 인자인 CTX-1의 분비를 증가시켰으며, 골밀도를 감소시킴을 동물실험 에서 확인하였다. 파골세포 분화 과정 중 Pellino-1의 작용 기전을 규명하기 위해 Pellino-1을 억제하였을 때 NFATc1의 프로모터 활성은 증가하였고, 불활성화된 GSK-3β의 발현이 증가하였다. 또한, 유비퀴틴화 분석을 통해 Pellino-1이 GSK-3β의 유비퀴틴화를 유도함을 확인하였다. 이러한 결과들은 파골세포 분화 과정에서 Pellino-1이 GSK-3β의 활성을 조절함을 의미한다. 이를 통해, 파골세포에서 Pellino-1의 결손이 GSK-3β를 불활성화 시킴으로써 파골세포 분화를 증가시키는 것을 확인 하였다. 따라서 본 연구에서는 파골세포 분화의 억제 조절자로서의 Pellino-1의 기능을 새로이 규명하였으며, 골다공증 및 골절과 같은 골 리모델링 관련 골격 질환의 치료 표적이 될 수 있을 것이라 기대한다.