THE ROLE OF TRANSCRIPTION FACTOR MSX2 AND DLX5 IN CALVARIAL BONE AND SUTURE DEVELOPMENT

두개골 및 두개봉합부 초기발육과정에서의 전사조절인자인 Msx2와 Dlx5의 역할

Craniosynostosis, known as a premature fusion of cranial sutures, is a developmental disorder characterized by precocious differentiation and mineralization of osteoblasts in the calvarial sutures. Recent genetic studies have demonstrated that mutation in the homeobox gene Msx2 causes Boston-type human craniosynostosis. Additionally, the phenotype of Dlx5 homozygote mutant mouse presents craniofacial abnormalities including a delayed ossification of calvarial bone. Furthermore transcription of osteocalcin, a mature osteoblast marker, is reciprocally regulated by the homeodomain proteins Msx2 and Dlx5. These facts suggest important roles of osteocalcin, Msx2 and Dlx5 genes in the calvarial bone growth and suture morphogenesis. To elucidate the function of these molecules in the early morphogenesis of mouse cranial sutures, we have first analyzed by in situ hybridization the expression of osteocalcin, Msx2 and Dlx5 genes in the developing parietal bone and sagittal suture of mouse calvaria during the embryonic (E15-E18) stage. Osteocalcin mRNA was found in the periosteum of parietal bones from E15, and gradually more highly expressed with aging. Msx2 mRNA was intensely expressed in the sutural mesenchyme, osteogenic fronts and mildly expressed in the dura mater during the embryonic stage. Dlx5 mRNA was intensely expressed osteogenic fronts and the periostem of parietal bones. To further examine the upstream signaling molecules of transcription factor Msx2 and Dlx5, we have done in vitro experiments in E15.5 mouse calvarial explants. Interestingly, implantation of BMP2-, BMP4-soaked beads onto the osteogenic fronts after 48 hours organ culture induced etopic expressions of Msx2 and Dlx5 genes. On the other hand, overexpression of $TGF{\beta}1$, GDF-6, -7, FGF-2, -4 and Shh did not induce the expression of Msx2 and Dlx5. Taken together. these data indicate that transcription factor Msx2 and Dlx5 play critical roles in the calvarial bone and suture development, and that BMP siganling is involved in the osteogenesis of calvarial bones and the maintenance of cranial sutures through regulating these two transcriotpn factors. Furthermore, different expression patterns between Msx2 and Dlx5 suggest their specific functions in the osteoblast differentiation.

두개봉합부의 조기융합으로 일컬어지는 craniosynostosis는 두개봉합부에서의 골아세포의 조기분화 및 석회화의 결과로 나타나는 선천성 발육이상이다. 최근 유전학적 연구에 의하면 homeobox gene인 Msx2의 변이에 의해 Boston-type craniosynostosis가 야기되며, 또한 Dlx5 homozygote mutant mouse의 표현형에서 두개골의 골화지연을 포함한 다양한 두개안면부위의 이상을 발견하였다는 보고가 있었다. 게다가 Msx2와 Dlx5 homeodomain protein의 상호작용에 의해 성숙골아세포의 표지자인 osteocalcin의 전사를 조절할 수 있다는 사실이 알려져 있다. 이러한 일련의 결과들은 Msx2 Dlx5 및 osteocalcin 유전자들이 두개골의 골화과정과 두개봉합부의 형태발생에 중요한 역할을 담당하고 있음을 제시해주고 있다. 두개골의 성장과 두개봉합부의 형태발생시 이러한 유전자들의 기능을 알아보기위해 mouse의 태생기 (E15-E18) 동안 osteocalcin, Msx2, 및 Dlx5 유전자들의 발현양상을 조사하였다. Osteocalcin은 E15부터 두정골의 골막에서 관찰되었으며, 발생시기가 후기일수록 강한 발현양상을 나타내었다. Msx2는 시상봉합부의 미분화간엽조직과 osteogenic front에서 강하게 발현되었으며 경막과 hair follicle에서도 관찰되었다. Dlx5는 osteogenic front를 포함한 두정골의 골막에서 강하게 발현되었으나 시상봉합부의 미분화간엽조직 에서는 발현되지 않아, Msx2와는 발현양상의 차이를 나타내었다. 두개골과 두개봉합부의 발육과정에서의 Msx2와 Dlx5의 기능을 좀더 심도깊게 분석하기위해, 여러 가지 signaling molecule들의 protein을 사용하여 in vitro 실험을 시행하였다. BMP-2, -4 protein의 overexpression은 bead 주위로 Msx2 유전자의 발현을 유도하였으나, 다른 $TGF{\beta}$ superfamily인 $TGF{\beta}1$, GDF-6, -7 bead들 주위로는 Msx2를 관찰할 수 없었다. 또한 FGF, Shh protein 역시 bead주위로 Msx2의 발현을 유도하지않았다. 흥미롭게도 BMP-2, -4 protein의 overexpression은 bead 주위로 Dlx5 유전자의 발현을 유도하였으나, 다른 $TGF{\beta}$ superfamily, FGF, Shh bead주위로는 Dlx5를 관찰할 수 없어, Msx2와 동일한 결과를 나타내었다 이 결과들을 종합해볼 때, Msx2와 Dlx5 유전자는 두개골과 두개봉합부의 성장발육과정에 중요한 역할을 담당하고 있으며, BMP signaling은 이 두 전사조절인자들을 조절하므로써 두개골의 골화과정과 두개봉합부의 형태발생 및 유지에 관여하고 있음을 제시해주고 있다. 특히 BMP signaling에 specific downstream gene인 Msx2 및 Dlx5의 발현양상의 차이는 골아세포의 분화시 이들 유전자가 각각의 독특한 기능을 가지고 있음을 시사해주고 있다.