Джавед, профессор отделения стоматологической и челюстно-лицевой хирургии UAB School of Dentistry, говорит, что полученные результаты будут способствовать развитию персонализированной медицины в будущем. В этом месяце Джавед представил эту работу постоянной аудитории на Ежегодном собрании Международной ассоциации стоматологических исследований в Бостоне. Работа была недавно опубликована в двух статьях в Journal of Bone and Mineral Research.
Было хорошо известно, что делеция обеих копий гена runx2 приводит к летальному исходу и организм не может образовывать кости, зубы или хрящи.Чтобы узнать о функции runx2 в определенных типах клеток, Джавед и его коллеги разработали мышей, у которых обе копии гена runx2 были удалены только в одной из двух ключевых клеток костной ткани — хондроцитах или остеобластах.«Наша цель состояла в том, чтобы проанализировать и выявить, какая клетка действительно способствует развитию костей», — сказал Джавед. «Runx2 жизненно важен.
Но когда мы говорим о персонализированной медицине, нам нужно определить, какие специализированные клетки нацелены на костную ткань».Исследование этих мышей (технически известных как модель условного нокаута runx2 следующего поколения) показывает, что хондроциты и остеобласты выполняют удивительно разные функции в формировании костей во время беременности или после рождения:• Хондроциты участвуют в минерализации костей во время эмбрионального развития.• Остеобласты участвуют в росте костей во время постнатального развития. Это большой шаг вперед в понимании биологии костей — динамичных, сложных органов, которые активно реконструируются на протяжении всей жизни.
В костях есть хрящевые клетки (хондроциты), костные клетки (остеобласты), костно-поедающие клетки (остеокласты), нейрональные клетки и кроветворные (кроветворные) клетки. Соединительная ткань и мышцы окружают кости.ХондроцитыМодель Джаведа началась с клеток, продуцирующих хрящи. «Сначала мы удалили ген runx2 из хондроцитов, клеток, которые необходимы для каждой хрящевой ткани в организме», — сказал Джавед. «Нашим первым сюрпризом была летальность при рождении».
Череп новорожденных мышей был нормальным (кости черепа образуются в результате другого процесса образования костей); но хрящи всех других костей в теле не смогли созреть и заменить минерализованной костью — процесс, известный как эндохондральная оссификация. Итак, runx2, который ранее считался функционирующим только в развивающихся терминально зрелых хондроцитах, теперь, по-видимому, действует раньше.Без гена runx2 хондроциты не могут пролиферировать и дифференцироваться в колонку клеток, необходимых для образования и удлинения костей.
Мутант с делецией показал, что runx2 напрямую регулирует уникальный набор из четырех генов клеточного цикла, чтобы контролировать пролиферативную способность хондроцитов. Мыши с мутантами runx2 также страдали карликовостью из-за почти полного отсутствия пролиферативной зоны в пластинах роста костей.Остеобласты
Когда группа Джаведа удалила runx2 из клеток остеобластов, результаты снова оказались неожиданными. «Здесь мы ожидали летального исхода», — сказал Джавед. «К нашему удивлению, они родились живыми. Когда мы увидели это, мы подумали, что это ошибка. Мы начали спрашивать:« Что случилось? »»
Считалось, что мутация runx2 будет препятствовать дифференцировке остеобластов в их конечную стадию развития зрелых остеобластов и, таким образом, оставить мышей без костей. Но результаты показали, что ген runx2 не является существенным после того, как клетки уже успели стать зрелыми остеобластами. Таким образом, большинство костей мышей развивались нормально, хотя кальцификации у них были плохие.Исключением был череп, который образовался в результате другого процесса образования кости (внутримембранозная оссификация).
Черепа мышей-мутантов runx2 имели открытые роднички и швы — мягкие пятна на голове между шестью пластинами черепа, пятна, которые должны срастаться с костью после рождения. Открытые роднички являются одним из признаков, наблюдаемых при наследственном врожденном заболевании кледокраниальной дисплазии (CCD) человека, вызванном гетерозиготной мутацией runx2; но у мышей не было другого признака человеческого CCD — отсутствующей ключицы. Не имея ключицы, пациенты с ПЗС могут соприкасаться плечами вместе перед грудью.
«Затем у нас был дополнительный сюрприз», — сказал Джавед о мышах с делецией runx2 в остеобластах. «Это постнатальный рост скелета, который страдает. Мыши начинают нормально, но к трехмесячному возрасту — что эквивалентно 18-21 году у людей — мыши имеют на 30 процентов меньше веса, чем мыши дикого типа».
Мутация runx2 в остеобластах вызвала плохое выравнивание коллагенового каркаса, который обеспечивает структурную прочность минерализованной кости. В результате кости стали хрупкими, менее жесткими и склонными к переломам. Дополнительным сюрпризом стало то, что мутация runx2 в остеобластах вызвала значительное уменьшение остеокластов (клеток, поедающих кости, которые работают вместе с остеобластами при ремоделировании костей).
Семейство runx Runx2, а также два родственных гена runx1 и runx3 — это главный фактор транскрипции, который контролирует как минимум тысячу других генов. Влияние на развитие этих генов runx (произносится как «runks» или «run-ex») давно известно путем создания мутантов с делециями каждого гена. Эти делеционные мутанты являются летальными во время гестационного развития, но каждый главный фактор транскрипции контролирует совершенно разные ткани.
В то время как runx2 контролирует кости, зубы и хрящ, организмы с потерей гена runx1 страдают от проблем с кроветворением. Делеция гена runx3 приводит к гиперплазии желудочно-кишечного тракта.