Die Entdeckung der RNA-Splicing-Regulation bietet Einblicke in Knochenerkrankungen

In der heutigen alternden Gesellschaft treten Knochen- und Gelenkerkrankungen immer häufiger auf. Allein in Japan leiden beispielsweise über 12 Millionen Menschen an Osteoporose, einer Erkrankung, die die Knochen stark schwächt und brüchig macht. Wenn wir wirksame Behandlungen für solche Erkrankungen finden wollen, ist das Verständnis der zellulären Prozesse, die an der Erhaltung von Knochen- und Gelenkgewebe beteiligt sind, ein wesentlicher erster Schritt.

Osteoklasten sind ein besonders wichtiger Zelltyp, der am Knochenerhalt beteiligt ist. Diese Zellen absorbieren alten oder beschädigten Knochen und verdauen ihn, sodass der Körper notwendige Materialien wie Kalzium wiederverwenden und neuen Knochen Platz machen kann. Erwartungsgemäß entstehen verschiedene Knochenerkrankungen, wenn Osteoklasten ihre Aufgabe nicht richtig erfüllen. Wissenschaftler haben die Mechanismen untersucht, die die Proliferation und Differenzierung von Vorläuferzellen zu Osteoklasten regulieren.

Interessant, in einer im Jahr 2020 veröffentlichten StudieForscher der Tokyo University of Science (TUS) unter der Leitung von Professor Tadayoshi Hayata haben herausgefunden, dass das zytoplasmatische Polyadenylierungselement-bindende Protein 4 (Cpeb4) für die Osteoklastendifferenzierung essentiell ist.

Sie entdeckten außerdem, dass dieses Protein, das die Stabilität und Translation von Boten-RNA-Molekülen (mRNA) reguliert, in bestimmte Strukturen im Zellkern transportiert wurde, als die Differenzierung der Osteoklasten induziert wurde. Allerdings bleibt es immer noch ein Rätsel, wie diese Verlagerung erfolgt und was Cpeb4 genau innerhalb dieser Kernstrukturen bewirkt.

Jetzt in einer aktuellen Studie veröffentlicht in der Zeitschrift für Zellphysiologie Am 29. Januar 2024 haben Prof. Hayata und Herr Yasuhiro Arasaki von TUS diese Wissenslücken in Angriff genommen. Motiviert durch den komplizierten und komplexen Prozess der Osteoklastendifferenzierung wollten sie besser verstehen, wie der „Lebenszyklus“ der mRNA, also der mRNA-Metabolismus, involviert ist.

Zunächst führten die Forscher strategische Modifikationen an Cpeb4-Proteinen ein und führten eine Reihe von Experimenten in Zellkulturen durch. Sie fanden heraus, dass die Lokalisierung von Cpbe4 in den oben genannten Kernkörpern auf seiner Fähigkeit beruht, an RNA-Moleküle zu binden.

Anschließend versuchten die Forscher, die Rolle von Cpeb4 im Zellkern zu verstehen, und zeigten, dass Cpeb4 zusammen mit bestimmten mRNA-Spleißfaktoren lokalisiert ist. Diese Proteine ​​sind am Prozess des mRNA-Spleißens beteiligt, einem Schlüsselschritt im mRNA-Metabolismus. Vereinfacht ausgedrückt ermöglicht es einer Zelle, aus einem einzigen Gen verschiedene reife mRNA-Moleküle (und schließlich Proteine) zu produzieren.

Durch RNA-Sequenzierung und Genanalyse in Cpeb4-depletierten Zellen fanden sie heraus, dass Cpeb4 die Expression mehrerer Gene verändert, die mit Spleißereignissen in frisch differenzierten Osteoklasten verbunden sind. Schließlich zeigten weitere Experimente, dass Cpeb4 nur die Spleißmuster von Id2-mRNA veränderte, einem essentiellen Protein, von dem bekannt ist, dass es die Differenzierung und Entwicklung von Osteoklasten reguliert.

Insgesamt wirft diese Studie wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen, die die Osteoklastendifferenzierung regulieren.

„Durch diese Forschung konnten wir wichtige Faktoren identifizieren, die an der Regulierung des mRNA-Spleißens während des Osteoklasten-Differenzierungsprozesses beteiligt sind, und neue Erkenntnisse über die Kontrolle des mRNA-Spleißens während der Osteoklasten-Differenzierung gewinnen“, kommentiert Prof. Hayata.

Während der Beitrag von Cpeb4 geringer ist als der von RANKL, einem Signalfaktor, der die Differenzierung von Osteoklasten induziert, könnte die gezielte Behandlung von Cpeb4 den Vorteil haben, die Nebenwirkungen bestehender Medikamente zu reduzieren, da eine zu starke Hemmung der Differenzierung von Osteoklasten durch RANKL-inhibitorische Antikörper den Knochenumbau stoppen würde.

Wichtig ist, dass die Ergebnisse zu einem detaillierteren Verständnis darüber beitragen, wie Knochen erhalten bleiben. „Obwohl wir in unserer Studie kultivierte Mauszellen verwendet haben, gibt es auch Forschungsberichte, die einen Zusammenhang zwischen Variationen im CPEB4-Gen und der Knochendichte beim Menschen zeigen“, sagt Prof. Hayata. „Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse in naher Zukunft dazu beitragen werden, die Beziehung zwischen diesen beiden zu klären.“

Am wichtigsten ist, dass sich die Ergebnisse der vorliegenden Studie als entscheidender Meilenstein für die Weiterentwicklung von Diagnosetechniken und Behandlungen für Knochen- und Gelenkerkrankungen erweisen könnten. Die GWAS-Analyse hat eine Korrelation zwischen Einzelnukleotidpolymorphismen in Introns der CPEB4-Genregion und der geschätzten Knochendichte ergeben. Daher ist es möglich, dass CPEB4-Expression und -Aktivität als diagnostische Kriterien verwendet werden können.

Die Forscher stellen jedoch fest, dass unklar ist, ob Cpeb4 tatsächlich den Knochenstoffwechsel in vivo reguliert. Daher würde die Aufklärung der molekularen Grundlagen von Cpeb4 im Knochenstoffwechsel bei Mäusen dazu beitragen, einen therapeutischen Ansatz zu etablieren. Darüber hinaus haben aktuelle Studien gezeigt, dass Cpeb4 in verschiedenen Krebszellen exprimiert wird und zum Überleben von Krebszellen beiträgt. Bei Krebs trägt Cpeb4 zur mRNA-Stabilität bei, obwohl möglicherweise eine Spleißregulierung vorliegt.

„Die Entdeckung eines Teils der Mechanismen, durch die Cpeb4 die Differenzierung von Osteoklasten steuert, könnte zur Aufklärung von Pathologien, einschließlich Osteoporose und rheumatoider Arthritis, führen und letztendlich die Grundlage für die Entwicklung neuer therapeutischer Medikamente bilden“, schließt Prof. Hayata.