Giessener Elektronische Bibliothek

GEB - Giessener Elektronische Bibliothek

Hinweis zum Urheberrecht

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-79683
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2011/7968/


Role of peroxisomes in physiology and pathology of ossification and bone metabolism

Die Rolle der Peroxisome in der Physiologie und Pathologie der Ossifikation und des Knochenstoffwechsels

Qian, Guofeng


Originalveröffentlichung: (2010) Giessen : VVB Laufersweiler
pdf-Format: Dokument 1.pdf (7.630 KB)

Bookmark bei Connotea Bookmark bei del.icio.us
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institute for Anatomy and Cell Biology II
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5698-8
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.12.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 10.02.2011
Kurzfassung auf Englisch: Only sparse information is available in the literature on peroxisomes and their
enzyme composition in different cell types of the mouse skeleton. However, the
vital importance of peroxisomes in these tissues is accentuated by the strong
ossification defects and growth retardation observed in children with peroxisomal
biogenesis defects, such as the Zellweger syndrome, or corresponding knockout
(KO) mouse models. Therefore, in the first part of this dissertation the
peroxisomal compartment was characterized in different cell types of cartilage
and bone, using a variety of morphological, biochemical as well as molecular
biological techniques. In the second part of this dissertation, the pathological
consequences of peroxisome dysfunction and the molecular pathogenesis of
ossification defects were examined in PEX11beta KO mice, a mouse model for
Zellweger syndrome.
The results of this thesis revealed the presence of peroxisomes in all distinct
cell types of the skeleton, however, with significant differences in their numerical
abundance and enzyme composition. The peroxisomal biogenesis protein Pex14p
proved to be the best marker for identification of the whole peroxisomal
population in different cell types. The peroxisomal metabolic proteins catalase
and the lipid transporter ABCD3 were strongly enriched in hypertrophic
chondrocytes and osteoblasts, suggesting a close relationship of these proteins
to ossification processes. In primary cell cultures, a low numerical abundance of
peroxisomes was noted in 3d osteoblasts, whereas a constantly higher
abundance of peroxisomes was observed in more mature osteoblasts at later
time points (7d, 11d and 15d). In contrast, the protein levels of catalase and 3-
ketoacyl-CoA thiolase, which were also low in 3d osteoblast reached their
maximum at 7 days and declined thereafter. Interestingly, different members of
the PPAR-family (peroxisome proliferation-activated receptors alpha, beta;, gamma,
transcription factors regulating peroxisomal beta-oxidation genes, were altered in
an individual pattern during osteoblast differentiation. PPARalpha was regulated in a
similar pattern as the peroxisomal metabolic proteins, whereas the expression of
PPARgamma mRNA exhibited opposite regulation and the one for PPARbeta was not
altered at all. Activation of PPARalpha by treatment of primary osteoblasts with
ciprofibrate for 6 days increased both peroxisomal number and metabolic
enzymes, whereas treatment with the PPARgamma agonist troglitazone altered the
expressions of peroxisomal metabolic enzymes without a significant change in
peroxisomal numerical abundance. Interestingly, thiolase and ABCD3 were
differentially regulated by PPARalpha or PPARgamma agonists, indicating that different
PPARs might indeed have distinct effects on the regulation of “peroxisomal”
genes.
Analyses of PEX11beta KO mice with flat-panel volumetric computer tomography
or skeletal stainings revealed a strong reduction of bone volume, mass and
density in comparison to their wildtype littermates. Comparative analyses of
skeletal tissues and primary osteoblast cultures showed a significant decrease in
the synthesis of osteoblast secretory marker proteins and a severe retardation in
different ossification processes. Furthermore, increased oxidative stress and
severe alterations of bone specific signaling pathways were detected in PEX11beta
KO osteoblasts. An increase in PPARgamma was observed, which was accompanied by
a decrease in canonical Wnt signaling and FoxO1 protein expression. In addition,
the osteoblast transcription factor Runx2 was relocalized from the nucleus into
the cytoplasm. All above mentioned alterations might contribute to the
ossification defects observed in peroxisomal disorders.
Taken together, the results of this dissertation indicate that regular
peroxisomal metabolic functions are required for intramembranous and
endochondral ossification processes through protecting osteoblasts against ROS
and lipid toxicity as well as the control of PPAR ligand homeostasis.
Kurzfassung auf Deutsch: Zum Thema Peroxisomen und Enzymzusammensetzung dieser Organellen im
Stützgewebe sind aus der Literatur kaum Informationen erhältlich. Jedoch wird
deren hoher Stellenwert für den Organismus durch die starken
Ossifikationsdefekte und Wachstumsretardierung verdeutlicht, die bei Patienten
mit peroxisomalen Biogenesestörungen oder entsprechenden Knockout-
Mausmodellen auftreten. Deshalb wurde im ersten Teil dieser Dissertation das
peroxisomale Kompartiment in unterschiedlichen Zelltypen von Knorpel und
Knochen mithilfe einer großen Auswahl morphologischer, biochemischer und
molekularbiologischer Methoden charakterisiert. Im zweiten Teil der Dissertation
wurden die pathologischen Konsequenzen einer Peroxisomendysfunktion und die
molekulare Pathogenese der Ossifikationsdefekte in PEX11beta-Knockoutmäusen
untersucht.
Die Resultate dieser Dissertation erbrachten den Nachweis von Peroxisomen in
allen Zelltypen des Stützgewebes, jedoch mit unterschiedlicher numerischer
Dichte und heterogener Enzymzusammensetzung der Organellen. Das
peroxisomale Biogeneseprotein Pex14p stellte sich als bester Marker für die
Identifikation der gesamte Peroxisomenpopulation unterschiedlicher Zelltypen
heraus, während die metabolischen Proteine Katalase und der Lipidtransporter
ABCD3 sehr stark in hypertrophischen Knorpelzellen und in Osteoblasten
angereichert waren, was eine enge Beziehung zu Ossifikationsprozessen
nahelegte. In primären Osteoblastenkulturen wurde im Frühstadium (3 Tage)
eine geringe numerische Dichte der Peroxisomen nachgewiesen, während eine
wesentlich höhere Anzahl dieser Organellen in mehr maturen Osteoblasten zu
späteren Zeitpunkten aufgefunden wurden (7d, 11d, 15d). Im Unterschied zu
der Peroxisomenverteilung erreichten die Proteinmengen für Katalase und 3-
Ketoacyl-CoA-Thiolase, die in drei Tage alten Osteoblasten auch nur in geringer
Menge vorhanden waren, ihr Maximum nach 7 Tagen und fielen danach wieder
ab. Interessanterweise wurden unterschiedliche Mitglieder der PPAR-Familie
(Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptoren alpha, beta;, gamma, Transkriptionsfaktoren
für peroxisomale beta-Oxidationsgene, individuell in unterschiedlicher Weise im
Verlauf der Osteoblastendifferenzierung verändert. PPARalpha wurde in ähnlicher
Weise wie die metabolischen peroxisomalen Proteine verändert, während die
Expression der mRNA für PPARgamma eine gegensätzliche Regulation aufwies und die
für PPARbeta nicht verändert wurde. Aktivierung von PPARalpha durch Behandlung
primärer Osteoblasten für 6 Tage mit Ciprofibrat führte zur Erhöhung sowohl der
Peroxisomenanzahl als auch der metabolischen Enzyme, während Behandlung
mit dem PPARgamma-Agonisten Troglitazon nur eine signifikante Veränderung
metabolischer Enzyme bewirkte. Interessanterweise wurden Thiolase und ABCD3
durch die PPARalpha-oder PPARgamma-Agonisten in gegensätzlicher Weise verändert, was
vermuten lässt, dass verschiedene PPARs unterschiedliche Wirkung auf die
Regulation peroxisomaler Gene ausüben. Analysen von PEX11beta-Knockoutmäusen
mittels „flat-panel volumetric CT“ oder Skelettfärbungen erbrachten eine starke
Verminderung des Volumens, der Masse und der Dichte der Knochen im
Vergleich zu Kontrolltieren. Vergleichende Analysen der Stützgewebe und von
primären Osteoblastenkulturen erbrachten eine signifikante Abnahme in der
Synthese von osteoblastenspezifischen sekretorischen Markerproteinen
(Osteopontin und Osteocalcin) und eine starke Retardierung der verschiedenen
Ossifikationsprozesse. Weiterhin wurden oxidativer Stress und schwere
Veränderungen von osteoblastenspezifischer Signaltransduktionswege in PEX11beta
-/--Osteoblasten nachgewiesen. Die Erhöhung der PPARgamma mRNA-Expression wurde
gezeigt und die Verminderung des kanonischen Wnt-Signalweges sowie die
Translokation von Runx2 aus dem Zellkern ins Cytoplasma nachgewiesen.
Zusätzlich wurde eine Reduktion der Proteinmenge des FoxO1-
Transkriptionsfaktors nachgewiesen, was zusammen mit den oben erwähnten
Befunden zu einer Minderung der Ossifikationprozesse in peroxisomalen
Krankheiten beitragen könnte.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass reguläre peroxisomale
Stoffwechselfunktionen für den normalen Ablauf desmaler und enchondraler
Ossifikationsprozesse notwendig sind und sowohl für den Schutz der
Osteoblasten gegen ROS- und Lipidtoxizität als auch zur Kontrolle der PPARLigandenhomöostase
unerlässlich sind.