FGF-mediated FGFR signaling 이 두개봉합부의 초기형태발생 및 유지기전에 미치는 영향

남순현,김영진,서경환,김현정,박미현,유현모 大韓小兒齒科學會 1999 大韓小兒齒科學會誌 Vol.26 No.4

두개봉합부의 조기융합으로 알려진 Craniosynostosis는 두개봉합부 주위 조직들 사이의 조화로운 상호 작용이 파괴되었을 때 야기될 수 있다. 흥미롭게도 FGF receptor들, 특히 FGFR2의 point mutation은 여러 가지 형태의 craniosynostosis 증후군과 연관되어 있어, FGFR가 두개봉합부를 포함한 두개골 성장 발달과정에 중요한 유전자임을 시사하고 있다. Mouse 두개봉합부의 초기형태발생시 FGFR 유전자들의 기능을 알아보기위해, in situ hybridization 방법을 이용하여 FGFR2(BEK) 및 골아세포분화의 초기표지자인 osteopontin이, 태생기(E15-18)에서 출생후(P1-P3)까지, 두개골의 시상봉합부에서의 발현양상을 조사하였다. FGFR2(BEK)은 osteogenic front에 강하게 발현되었으며, osteopontin은 parietal bone의 exo-, endocranial부위에서 발현되었으나, parietal bone의 성장가장자리인 osteogenic front에서는 관찰되지 않았다. 두개봉합부에서의 FGF-mediated FGFR signaling의 역할을 좀더 심도깊게 조사 하기위해 E15.5 mouse의 두개골을 이용하여 in vitro 실험을 시행하였다. 흥미롭게도 osteogenic fronts 및 시상봉합부의 간엽조직 중앙에 FGF2 - soaked beads를 점적하여 36시간 기관배양한 결과, bead주위 조직들의 두께 및 세포수가 증가되었으며, osteogenic fronts 상에 FGF4 beads를 올려놓은 경우, 시상두개봉합부 중앙에 점적된 FGF4 beads나 BSA control beads에 비해, 골성장이 촉진되어 시상두개봉합부의 부분적인 소멸을 관찰할 수 있었다. 이와 더불어 FGFR2 beads는 osteopotin 및 Msxl 유전자의 발현을 유도하였다. 이 결과들을 종합해 볼 때, FGF - mediated FGFR signaling이 발육중인 두개골과 두개봉합부에서 세포의 증식과 분화의 균형을 조절하는데 중요한 담당하고 있음을 시사해주고 있으며, 이 과정중 FGF signaling이 osteopontin 및 Msxl 유전자의 발현을 조절하므로써 막내골 성장 및 두개봉합부의 유지기전에 기여할 것으로 사료된다. Craniosynostosis, the premature fusion of cranial sutures, presumably involves disturbance of the interactions between different tissues within the cranial sutures. Interestingly, point mutaions in the genes encoding for the fibroblast growth factor receptors(FGFRs), especially FGFR2, cause various types of human craniosynostosis syndromes. To elucidate the function of these genes in the early morphogenesis of mouse cranial sutures, we first analyzed by in situ hybridization the expression of FGFR2(BEX) and osteopontin, an early marker of osteogenic differentiation, in the sagittal suture of calvaria during embryonic (E15-E18) and postnatal stage (P1 - P3). FGFR2(BEK) was intensely expressed in the osteogenic fronts, whose cells undergo differentiation into osteoprogenitor cells that ultimately lay down the bone matrix. Osteopontin was expressed throughout the parietal bones excluding the osteogenic fronts, the periphery of the parietal bones. To further examine the role of FGF-mediated FGFR signaling in cranial suture, we did in vitro experiments in E15.5 mouse calvarial explants. Interestingly, implantation of FGF2 soaked beads onto both the osteogenic fronts and mid-mesenchyme of sagittal suture after 36 hours organ culture resulted in the increase of the tissue thickness and cell number around FGF2 beads, moreover FGF4-soaked beads implanted onto the osteogenic fronts stimulated suture closure due to an accelerated bone growth, compared to FGF4 beads placed onto mid-mesenchyme of sagittal suture and BSA control beads. In addition FGF2 induced the ectopic expression of osteopontin and Msxl genes. Taken together, these data indicate that FGF-mediated FGFR signaling has a important role in regulating the cranial bone growth and maintenance of cranial suture, and suggest that FGF-mediated FGFR signaling is involved in regulating the balance between the cell proliferation and differentiation through inducing the expression of osteopontin and Msxl genes.

Bone Morphogenetic Protein 2 가 두개골 성장 및 두개봉합부의 초기형태발생에 미치는 영향

정혜경,박미현,유현모,남순현,김영진,김현정,Jung, Hae-Kyung,Park, Mi-Hyun,Ryoo, Hyun-Mo,Nam, Soon-Hyeun,Kim, Young-Jin,Kim, Hyun-Jung 대한소아치과학회 2003 大韓小兒齒科學會誌 Vol.30 No.2

뇌와 두개골의 조화로운 성장 발육은 성장 중인 두개골과 이 뼈들을 연결하는 두개봉합부들 그리고 발육중인 뇌사이의 일련의 상호작용에 의해 이루어진다. 두개봉합부의 조기융합으로 알려진 craniosynostosis는 이러한 상호균형적인 관계가 파괴될 때 야기될 수 있다. Bone morphogenetic protein의 하나인 Bmp2는 골 각각의 형태와 골격의 상대적인 비례성을 조절하는데 관여하고 있으며, Bmp의 하부 유전자로 알려져 있는 Msx2 homeobox 유전자의 돌연변이는 Boston-type craniosynostosis를 야기한다 이와 함께 Dlx5 homozygote mutant mouse의 표현형은 두개골 골화의 지연을 포함한 다양한 두개안면의 이상을 나타낸다. 이러한 사실들은 Bmp2, Msx2, Dlx5 유전자들이 두개봉합부의 형태발생과정에 중요하게 작용할 수 있음을 시사하고 있다. Mouse 두개봉합부의 초기형태발생과정에 위 유전자들의 기능을 알아보기 위해, 태생기 동안의 시상봉합부에서의 Bmp2, Msx2, Dlx5 유전자들의 발현양상을 in situ hybridization 방법을 이용하여 분석하였다. Bmp2 mRNA는 osteogenic front에서 강하게 발현되었으며, parietal bone의 골막에서도 관찰되었다. Msx2 mRNA는 시상봉합부의 미분화 간엽조직에서 강하게 발현되었으며, osteogenie front 및 dura mater에서도 관찰되었다. Dlx5 mRNA는 osteogenic front와 parietal bone에서 강하게 발현되었다. 두개봉합부에서의 Bmp signaling의 역할을 알아보기 위해 태생 15.5일 mouse의 두개골을 이용하여 in vitro 실험을 시행하였다. Bmp2-soaked beads를 osteogenic fronts에 올려놓고 48시간 기관배양한 결과 BSA 대조군에 비해 Bmp2 beads 주위 조직의 두께와 세포수가 증가하였으며 Msx2와 Dlx5 유전자들의 발현을 유도하였다. 그러나 FGF2 beads주위로는 이들 유전자들의 발현이 관찰되지 않았다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때, Bmp2 유전자는 두개골 성장과 두개봉합부의 초기 형태발생을 조절하는데 중요한 역할을 담당하고 있으며, Bmp signaling은 Msx2, Dlx5 유전자들을 조절함으로써 두개골의 골화와 두개봉합부의 유지에 관여하고 있음을 제시해 주고 있다. Co-ordinate growth of the brain and skull is achieved through a series of tissue interactions between the developing brain, the growing bones of the skull and the sutures that unite the bones. Craniosynostosis, the premature fusion of cranial sutures, presumably involves disturbance of these interactions. Bmp2, one of bone morphogenetic proteins (Bmps), is involved in the regulation of the shapes of individual bones and the relative proportions of the skeleton. Mutations in the homeobox gene Msx2, known as a downstream gene of Bmp, cause Boston-type human craniosynostosis. The phenotype of Dlx5 homozygote mutant mouse presents craniofacial abnormalities including a delayed ossification of calvarial bone. These facts suggest important roles of Bmp2, Msx2 and Dlx5 genes in the cranial bone growth and suture morphogenesis. To elucidate the function of these molecules in the early morphogenesis of mouse cranial sutures, we first analyzed by in situ hybridization the expression of Bmp2(E15-18), Msx2 and Dlx5 genes in the developing sagittal suture of calvaria during the embryonic stage. Bmp2 mRNA was intensely expressed in the osteogenic fronts and also at the low level in the periosteum of parietal bones during embryonic stage, Msx2 mRNA was intensely expressed in the sutural mesenchyme and mildly expressed in the dura mater during the embryonic stage. Dlx5 mRNA was intensely expressed osteogenic fronts and parietal bones. To further examine the role of Bmp signaling in cranial suture, we did in vitro experiments in E15.5 mouse calvarial explants. Interestingly, implantation of Bmp2-soaked beads onto the osteogenic fronts after 48 hours organ culture resulted in the increase of the tissue thickness and cell number around Bmp2 beads, compared to BSA control beads. In addition Bmp2 induced etopic expressions of Msx2 and Dlx5 genes. On the other hand, overexpression of FGF2 did not induce the expression of Msx2 and Dlx5. Taken together, these data indicate that Bmp2 signaling molecule has a important role in regulating the cranial bone growth and early morphogenesis of cranial suture. We also suggest that Bmp signaling is involved in all the stages of osteogenesis of cranial bones and the maintenance of cranial suture by regulating Msx2 and Dlx5 genes, and that Msx2 and Dlx5 genes are specific transcription factors of Bmp signaling pathway.

두개골 봉합부의 초기 형태발생과정에서 Msx 유전자들의 발현양상

이상엽,박미현,유현모,남순현,김영진,김현정,Lee, Sang-Youp,Park, Mi-Hyun,Ryoo, Hyun-Mo,Nam, Soon-Hyeun,Kim, Young-Jin,Kim, Hyun-Jung 대한소아치과학회 2003 大韓小兒齒科學會誌 Vol.30 No.1

두개골의 성장은 뇌의 발달과 밀접하게 연관되어 있으며, 두개봉합부 주위 여러 조직들사이의 조화로운 상호작용을 필요로 한다. 두개골의 조기융합으로 알려진 craniosynostosis는 이러한 상호작용의 불균형으로 인해 야기될 수 있으며, craniosynostosis의 원인 유전자의 하나로 Msx2가 알려져 있다. Msx1, Msx2, Msx3로 구성되어 있는 Msx 유전자는 homeobox를 포함하고 있는 전사조절인자로, 초파리의 muscle segment homeobox 유전자의 homologue이다. Msx1과 Msx2 유전자들은 척추동물의 발생과정에서 조직 상호작용하는 여러 부위에 서로 겹치는 양상으로 발현되며 기관형성동안 상피-간엽조직 상호작용과 연관되어 나타나고, BMP와 FGF signaling의 표적 유전자들이다. Mouse 두개골의 시상봉합부와 관상봉합부의 초기 형태발생과정에서의 Msx 유전자들의 기능을 알아보기위해, 태생 15일에서 태생 18일까지의 mouse의 두개골을 이용하여 in vivo 실험을, 태생 15.5일 mouse 두개골을 이용하여 in vitro 실험을 시행하였다. 시상두개봉합부에서는, Msx1은 봉합부의 간엽조직과 dura mater에 발현하였으며 Msx2는 두개봉합부와 dura mater에 강하게 발현되었다. 관상두개봉합부에서는 Msx1, Msx2 유전자 모두 강하게 발현되었으며, 골막에서도 관찰할 수 있었고, Msx1이 Msx2보다 좀더 광범위하게 발현되었다. In vitro 실험결과, BMP2 bead 주위로 Msx1 mRNA와 Msx2 mRNA 모두 발현되었으나, FGF2 bead 주위로는 Msx1만 발현되고 Msx2는 관찰되지 않았다. 이 결과들을 종합해 볼 때, Msx1, Msx2 유전자들은 태생기 두개봉합부의 형태발생 및 유지를 조절하는데 중요하며, Msx 유전자들은 거의 유사한 발현양상을 나타내고 있으나 이들 유전자들을 조절하는 상위 siganling에 의해 서로 보완적으로 혹은 독립적으로 기능을 나타내고 있음을 시사해 주고 있다. The development of calvarial bones is tighly co-ordinated with the growth of the brain and needs of harmonious interactions between different tissues within the calvarial sutures. Premature fusion of cranial sutures, known as craniosynostosis, presumably involves disturbance of these interactions. Mutations in the homeobox-containg gene Msx2 cause human craniosynostosis syndrome. Msx genes, which are consist of Msx1, Msx2 and Msx3, are homeobox-containg transcripton factors, and were originally identified as homologue of Drosophila msh(muscle segment homeobox) gene. Msx1 and Msx2 genes, expressed mostly in overlapping patterns at multiple site of tissue interactions during vertebrate development, are associated with epithelial-mesenchymal interactions during organogenesis, targets of BMP and FGF signaling. To elucidate the function of Msx genes in the early morphogenesis of mouse cranial suture, we analyzed the expression of them by in situ hybridization during embryonic(E15-E18) stage, and did vivo experiments in E15.5 mouse using rhBMP-2, rhFGF-2 protein soaked bead. In the sagittal suture, Msx1 was expressed in the mesenchyme of suture and the dura mater, Msx2 was intensely expressed in the sutural mesenchyme and the dura mater. In the coronal suture both of Msx genes were expressed intensely in the sutural mesenchyme and expressed in the periosteum also. Msx1 had a broader expression pattern than Msx2. BMP2 beads induced expression of both Msx1 and Msx2, FGF2 beads induced expression of Msx1, but not Msx2. Taken together, these data suggest that Msx1 and Msx2 genes have important role in regulating the morphogenesis and maintenance of embryonic cranial suture. Both of Msx genes are expressed similarly but because of their upstream signaling, they function dependently or cooperatively according to change of signaling molecule.

FGF signaling이 연골 형성에 미치는 영향

박충제,이상원,남순현,김영진,류현모,김현정 大韓小兒齒科學會 2003 大韓小兒齒科學會誌 Vol.30 No.4

막내골화와 연골내골화 등의 정상적인 골격 성장은 섬유아세포 성장인자 (FGF) 와 이들 수용체들 (FGFR) 에 의한 신호전달체계에 의해 조절된다. 또한 전사조절인자인 Runx2 (Cbfa1/Pebp2αA/AML3) 는 골아세포분화 뿐만 아니라 골형성에도 필수적인 유전자로 알려져 있다. FGF signaling이 mouse의 두 개관과 하악에서의 연골 형성에 어떤 영향을 미치고 있으며, 이 과정에서 Runx2의 연관성을 알아보고자 in vivo 및 in vitro 실험을 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 두 개관의 하악을 Alcian blue 염색한 결과 시상두개봉합부 연골은 태생16일부터, Meckel's 연골은 태생11일부터 형성되기 시작하였다. 이들 연골세포들의 성사을 알아보기위한 in situ hybridization 결과 시상두개봉합부 연골 및 Meckel's 연골 모두에서 type Ⅱ collagen은 발현되었으나, Type X collagen은 발현되지 않았다. Runx2 mRNA는 시상두개봉합부 연골과 Meckel's 연골 모두에서 발현되지 않았지만, 이들 연골들의 가장자리를 둘러싸고 있는 독특한 발현양상을 나타내었다. 두개 봉합부에서의 FGF2 protein의 국소적 적용은 두개봉합부 하방의 연골형성을 억제하였다. 또한 하악의 Meckel's 연골 발생부위에 FGF2 protein의 국소적 적용 역시 Meckel's 연골의 형성을 억제하였다. FGF2 protein은 시상두개봉합부상의 bead 주위로 Runx2의 발현을 유도하였다. 이 결과들을 종합해볼 때, FGF signaling은 골아세포와 연골아세포가 공존하고 있는 조직에서의 연골 형성을 억제하고 있음을 시사해 주고 있으며, 이 과정에서 FGF signaling은 부분적으로 Runx2 유전자의 발현을 조절하므로써 연골세포의 증식과 분화에 관여할 것으로 사료된다. Figroblast growth factor (FGF) / FGF receptor (FGFR) mediated signaling is required for skeletogenesis including intramembranous and endochondral ossifications. Runx2 (Cbfa1/Pebp2αA/AML3) is an essential transcription factor for osteoblast differentiation and bone formation. Murine calvaria and mandible are concurrently undergoing both intramembranous bone and cartilage formations in the early development stage. However the mechanism by which these cartilage formations are regulated remains unclear. To elucidate the effect of FGF signaling on development of cranial sutural catilage and Meckel's cartilage and to understand the role of Runx2 in these processs, we have done both in vivo and in vitro experiments. Alcian blue staining showed that cartilage formation in sagittal suture beings from embryonic state 16 (E16), Meckel's cartilage formation in mandible from E12. We analyzed by in situ hybridization the characteristics of cartilage cells that type Ⅱ collagen, not type X collagen, was expressed in sagittal sutural cartilage and Meckel's cartilage. In addition, Runx2 was not expressed in Meckel's cartialge as well as sagittal sutural cartilage, except specific expression pattern only surrounding both cartilages. FGF signaling pathway was further examined in vitro. Beads soaked in FGF2 placed on the sagittal suture and mandible inhibited both sutural and Meckel's cartilage formations. We next examined whether Runx2 gene lies in FGF siganling pathway during regulation of catilage formation. These results suggest that FGF signaling inhibits formations of sagittal sutural and Meckel's cartilages, also propose that FGF siganling is involved in the proliferation and differentiation of chondroblasts through regulating the transcription factor Runx2.

두개봉합부의 초기형태발생과정에서 BMP와 그 수용체의 발현 양상

윤양하,이상원,박미현,류현모,남순현,김영진,김현정,Yune, Yang-Ha,Lee, Sang-Won,Park, Mi-Hyun,Ryoo, Hyun-Mo,Nam, Soon-Hyeun,Kim, Young-Jin,Kim, Hyun-Jung 대한소아치과학회 2002 大韓小兒齒科學會誌 Vol.29 No.3

Bone morphogenetic proteins(BMPs)는 형태형성 및 세포 분화동안 다양한 조절 역할을 담당하는 신호전달 인자이다. 시상두개봉합부 발생시 BMPs와 그 수용체의 역할을 분석하기 위해, in situ hybridization방법을 이용하여 태생 15일에서 18일 시상두개봉합부에서 그 발현 양상을 분석하였다. BMP-2와 BMP-3은 태생 15일부터 osteogenic front와 두정골에서 발현을 보였으며 태생 16일부터 모낭에서 발현이 시작되었다. BMP-4는 osteogenic front에서 강하게 발현되었으며, 간엽조직 및 두정골에서 약하게 발현되었다. BMP-5는 모낭에서 발현되었다. 이전 연구에서 BMP-6는 비후된 연골세포에서 발현된다고 보고되었으나 본 연구에서는 발현되지 않았다. BMP-7은 태생기에 두정골에서 발현되었다. BMPR-IB는 osteogenic front의 외측 가장자리에서 발현되었으나, BMPR-IA는 발현되지 않았다. 이런 결과를 종합해 볼 때, 두개봉합부 초기 형태발생시 BMP-4는 미분화 간엽세포로부터 골아세포로 commit되는 초기단계에 중요한 역할을 하며, BMP-2와 BMP-3는 전구 골아세포에서 골아세포로의 분화과정에, BMP-7은 좀 더 분화가 진행된 골아세포 및 골의 분화 유지에 중요하며, type I 수용체 중 BMPR-IB가 BMP들의 신호전달에 중요한 역할을 함을 예측 할 수 있다. 결론적으로 BMP 신호전달은 다양한 BMP 리간드들과 그 수용체들에 의해 골아세포 분화 전반에 걸쳐 관여하고 있음을 시사한다. Bone morphogenetic proteins(BMPs) are secretory signal molecules which have a variety of regulatory functions during morphogenesis and cell differentiation. To evaluate roles of BMPs and their receptors on mouse sagittal suture development, we have examined their expression patterns in serial sections of sagittal sutures by in situ hybridization during embryonic stages(E15-E18). BMP-2 and BMP-3 were expressed in the osteogenic front and parietal bone on embryonic 15day, from E16 in hair follicle. BMP-4 was strongly expressed in the osteogenic front and weakly expressed in the mesenchyme and parietal bone. BMP-S was expressed in the hair follicles. BMP-6 was not expressed in this study. BMP-7 was expressed in parietal bone during embryonic stage. BMPR-IB was expressed in the osteogenic front, but BMPR-IA was not. From these datas, we suggest that the BMP-4 regulates the early commitment of mesenchymal cells to the osteogenic lineages, the BMP-2 and BMP-3 may be involved in regulating the differentiation of osteoblast precursor cells. BMP-7 was involved in maintenance of differentiated osteoblasts. BMPs were key signaling molecules that regulate early calvarial bone morphogenesis, mediated by BMPR-IB.