Das menschliche Knochengewebe unterliegt einem ständigen Auf- und Abbau. Der
Knochenumbau, die so genannte Knochenremodellierung, findet stetig statt und etwa 10 %
des gesamten Knochengewebes werden innerhalb eines Jahres erneuert (Lerner UH, 2006).
Während der Knochenremodellierung befindet sich die Zellaktivität der Knochenaufbauenden
Osteoblasten und der Knochen-abbauenden Osteoklasten in einem
empfindlichen Gleichgewicht (Karsenty G und Wagner EF, 2002; Teitelbaum SL, 2000).
Durch Störung des Gleichgewichts zwischen Osteoblasten und Osteoklasten kann es zu
Knochen-assoziierten Krankheiten wie Osteoporose oder Osteopetrose kommen (Helfrich
MH, 2003; Sambrook P und Cooper C, 2006).
Osteoklasten sind multinukleäre Zellen, die in der Lage sind die Knochenmatrix zu
resorbieren (Teitelbaum SL, 2000). Sie entstehen aus pluripotenten, hämatopoetischen
Stammzellen durch Differenzierung und Zellfusion von Monozyten/Makrophagen-
Vorläuferzellen (Menaa C et al., 2000, Yavropoulou MP und Yovos JG, 2008). Die
Osteoklasten-Differenzierung wird hauptsächlich durch die Zytokine M-CSF (macrophage
colony stimulating factor) und RANKL (receptor activator of nuclear factor k b ligand)
induziert. Sie initiieren ein spezifisches Expressionsmuster Osteoklasten-spezifischer Gene
und aktivieren die Zellfusion in Osteoklasten-Vorläuferzellen zur Bildung reifer Osteoklasten
(Boyle WJ et al., 2003; Asagiri M und Takayanagi H, 2007). Die RANKL-vermittelte Induktion
der Osteoklastogenese beruht auf der Initiierung eines streng regulierten Netzwerks aus
Transkriptionsfaktoren (Yang X und Karsenty G, 2002). Einige Transkriptionsfaktoren, die
während der Osteoklasten-Differenzierung induziert und exprimiert werden, sind nicht auf
Osteoklasten beschränkt. Sie erfüllen auch Aufgaben in anderen hämatopoetischen
Differenzierungsprozessen (Engel I und Murre C et al., 1999), so dass vermutlich die
Kombination der Transkriptionsfaktoren entscheidend für die Osteoklastogenese ist.
Der basic helix-loop-helix-Transkriptionsfaktor Tal1 (T-cell acute lymphocytic
leukemia 1, auch Scl1, stem cell leukemia 1) ist ein entscheidender Faktor in der primitiven
und der definitiven Hämatopoese (Bloor AJ et al., 2002; Shivdasani RA et al., 1996). Die
Expression von Tal1 konnte bisher in verschiedenen hämatopoetischen Zelllinien gezeigt
werden, u.a. in monozytischen Zellen (Elefanty AG et al., 1998; Green AR et al., 1992;
Pulford K et al., 1995; Dey S et al., 2010).
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Transkriptionsfaktors Tal1 in
Monozyten und reifen Osteoklasten, vor allem in Bezug auf genregulatorische Prozesse
während der Osteoklasten-Differenzierung, untersucht. Der Transkriptionsfaktor Tal1 wird
in vitro und in vivo in Osteoklasten-Vorläuferzellen und reifen Osteoklasten exprimiert. Die
Proteinexpression von Tal1 wird durch die Inkubation der Zellen mit RANKL induziert, jedoch
wurde dies in Bezug auf die mRNA-Expression von Tal1 nicht beobachtet, so dass
vermutlich eine posttranskriptionelle Regulation von Tal1 vorliegt.
Die Überexpression von Tal1 sorgte für eine Blockade der Differenzierung von
Osteoklasten-Vorläuferzellen in reife Osteoklasten. Der Verlust von Tal1 in primären
Monozyten/Makrophagen-Zellen führte zur veränderten Expression von über 1200 Genen,
wobei jeweils etwa 600 Gene herauf- bzw. herabreguliert waren. Dies verdeutlicht, dass Tal1
sowohl an der Aktivierung als auch an der Reprimierung der Genexpression in Osteoklasten-
Vorläuferzellen beteiligt ist. Die Liste der herabregulierten Gene beinhaltete u.a. das
Osteoklasten-spezifische Enzym Acp5 (auch TRAP, tartrate resistant acid phosphatase), die
Liste der herauf regulierten Gene beinhaltete u.a. DC-STAMP (dendritic cell specific
transmembrane protein) und ATP6V0D2 (d2 isoform of vascuolar ATPase V0 domain), beide
werden im Zusammenhang mit der Zellfusion während der Osteoklasten-Differenzierung
beschrieben (Kim K et al., 2008; Kim T et al., 2010; Yagi M et al., 2005). Der Promotor von
DC-STAMP beinhaltet mehrere potentielle Bindestellen für Tal1 und Osteoklastenspezifische
Transkriptionsfaktoren. Es konnte gezeigt werden, dass Tal1, PU.1 und MITF im
Bereich um 343 bp vor dem Transkriptionsstartpunkt des DC-STAMP-Promotors binden und
dass Tal1 mit den Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren PU.1 und MITF
interagiert. Der inhibitorische Effekt von Tal1 auf die Osteoklasten-Differenzierung kommt
durch die Reprimierung der Aktivität der Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren
PU.1 und MITF auf dem DC-STAMP-Promotor in Osteoklasten-Vorläuferzellen zustande.
Während der Osteoklastogenese kommt es zu einer verringerten Tal1-Bindung auf dem DCSTAMP-
Promotor, wodurch die Tal1-vermittelte Inhibierung der Expression aufgehoben wird.
Die Bindung von PU.1 und MITF auf dem Promotor von DC-STAMP nimmt während der
Osteoklasten-Differenzierung zu. Die Expression von DC-STAMP wird im Verlauf der
Osteoklastogenese induziert, wodurch es zur Zell-Zell-Fusion kommt.
Die Analyse des transkriptionellen Netzwerks, das die Fusion mononukleärer Zellen
in reife Osteoklasten reguliert, vertieft das molekulare Verständnis der Osteoklasten-
Differenzierung und kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen, die in
der Behandlung von Osteoporose, Riesenzelltumoren und anderen Osteoklastenassoziierten
Krankheiten verwendet werden können.