Gli3:n rooli intramembranoottisten kallon peitinluiden kehityksessä

Väitöskirjat
9.6.2015
Väitöskirjat
väitöskirjat

Kallon litteät peitinluut kehittyvät ns. suoran luutumisen mekanismilla eli intramembranoottisesti: mesenkymaaliset solut muodostavat ensin tiivistymän, jonka jälkeen ne erilaistuvat asteittain luusoluiksi eli osteoblasteiksi. Kasvavia kallon peitinluita erottavat kallon saumat, joissa luiden aktiivinen kasvu jatkuu mahdollistaen alla olevien aivojen samanaikaisen kasvun. Kraniosynostoosi on patologinen tila, jossa yksi tai useampi kallon sauma luutuu ennenaikaisesti. Tällöin kasvu kyseisessä kallon saumassa loppuu, mikä johtaa kallon, silmäkuoppien ja kasvojen epäsymmetriseen kasvuun, sekä neurologisiin oireisiin. Toistaiseksi ainoa hoitokeino on luutuneen sauman kirurginen avaus.

Hedgehog (Hh) viestintäreitillä on merkittävä rooli sekä kraniofakiaalisen kehityksen että endokondraalisen luutumisen aikana. Kuitenkin, sen mahdollisesta tehtävästä intramembranoottisten kallon peitinluiden kehityksessä tiedetään varsin vähän. Gli3 on transkriptiotekijä, joka säätelee Hh-signalointia. Hh-viestimolekyylin puuttuessa Gli3 pilkotaan proteolyyttisesti lyhyempään repressori-muotoon, mikä estää Hh-viestintäreitin kohdegeenien ilmentymistä. Ihmisellä mutaatiot GLI3-geenissä aiheuttavat Greig kefalopolysyndaktylia -oireyhtymän, jonka harvinainen, mutta merkittävä piirre on metooppisen sauman (interfrontaalisauma hiirellä) kraniosynostoosi.

Tässä väitöskirjatyössä käytimme mallina Gli3-poistogeenistä hiirtä (Gli3Xt-J/Xt-J) tutkiessamme epänormaalin Hh-signaloinnin vaikutusta kallon peitinluiden kehitykseen. Hiirellä Gli3-geenin puutos johti sekä lambda- että interfrontaalisaumojen kraniosynostoosiin. Kraniosynostoosin taustalta paljastui kiihtynyt solujen jakautuminen sekä ektooppinen osteoblastien erilaistuminen. Pystyimme estämään saumojen ennenaikaisen luutumisen Gli3-poistogeenisessä hiiressä kahdella mekanismilla. 1) Lisäsimme fibroblastikasvutekijäperheeseen kuuluvaa Fgf2-proteiinia kudosviljelmässä paikallisesti lambdasaumaan ennen sen luutumista. Fgf2 indusoi saumassa Twist1-geenin ilmentymisen, mikä puolestaan esti ektooppisesti ilmentyvän Runx2:den toiminnan. Runx2 on välttämätön osteoblastien erilaistumiselle. 2) Vähensimme myös Runx2-geenin aktiivisuutta poistamalla Gli3-poistogeenisestä hiirestä yhden kopion Runx2-geeniä (Gli3Xt-J/Xt-J;Runx2+/-), mikä normalisoi lisääntyneen luun morfogeeninen kasvutekijä (Bmp)-viestintäreitin aktiivisuuden affektoituneissa saumoissa.

Väitöskirjassani kuvaamme mallin, jossa Hh-viestintäreitti säätelee kallon peitinluiden muodostusta kallon saumassa. Gli3:n repressori-muoto ilmentyy hyvin varhaisissa osteoblastien esiasteissa, luun sauman puoleisella reunalla, jossa se rajoittaa näiden solujen erilaistumista estämällä Runx2:den toimintaa. Toisaalta, myöhemmässä osteoblastien erilaistumisvaiheessa Runx2 aktivoi Hh-viestimolekyylin, Indian hedgehogin, ilmentymisen, mikä puolestaan edistää osteoblastien erilaistumista estämällä Gli3-repressorin muodostusta.

Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että Gli3:lla ja Hh-viestintäreitillä on merkittävä rooli kallon kehityksen aikana, sekä osteoblastien erilaistumispaikan että erilaistumisnopeuden säätelyssä. Normaalin kallon kehityksen ja patologisten tilanteiden taustalla olevien solu- ja molekyylitason mekanismien selvittäminen on välttämätön askel uusien hoitomuotojen kehityksessä kraniosynostoosipotilaille.

Lotta Veistisen väitöskirja "Role of Gli3 during intramembranous calvarial bone development" tarkastettiin 5.6. Helsingin yliopistossa.