Role of coactosin-like F-actin binding protein 1 (Cotl1) in bone remodeling

Abstract

골 재형성(bone remodeling)은 조골세포(osteoblast)의 골형성(bone formation)과 파골세포(osteoclast)의 골흡수(bone resorption)의 상호작용에 의해 조절되고 있으며, 이러한 골 재형성의 이상은 골밀도가 감소하는 골다공증(osteoporosis)과 골밀도가 증가하는 골경화증(osteopetrosis)의 발병 원인이 된다. 골 재형성에 관여하는 많은 인자들이 발견되었으며, 최근 액틴 세포골격(actin cytoskeleton)에 관여하는 여러가지 단백질이 골 재형성에 중요한 역할을 한다는 보고가 있다. 본 연구에서는 Coactosin-유사 F-액틴 결합단백질(Cotl1)이 골 재형성에 어떤 역할을 하는지 밝히는 것을 목표로 하였으며, Cotl1 유전자 제거 생쥐(Cotl1 knockout mouse; Cotl1-/-)를 핵심 실험재료로 사용하였다. 먼저, Cotl1-/-와 야생형(wild type, WT) 마우스의 골수세포(bone marrow cell) 간에 차등 발현되는 유전자(differential expressed gene; DEG)를 발굴하는 실험을 시행하였다. 차세대염기서열분석장치(next-generation sequencer)를 이용한 RNA 시퀀싱(RNA sequencing)을 통해 발굴된 DEG를 in-silico IPA pathway 분석으로 네트워크 맵(network map)을 작성한 결과, 골경화증 활성화, 포도좀 형성 및 파골세포 분화 억제 등의 골대사(bone metabolism)와 관련된 유전자가 동정되었다. 발굴된 DEG에 대한 유전자 특이적 시발체(primer) 를 사용하여 마우스 유래의 파골세포-계통의 단핵구(monocyte)에서 정량적 실시간 역전사 PCR(quantitative real-time reverse transcription PCR)을 통해 mRNA 발현량을 분석한 결과, 총15종의 DEG가 WT에 비해 Cotl1-/-에서 발현이 유의하게 감소된 것을 확인하였다. 이러한 결과는 Cotl1이 골대사와 관련된 기능을 한다는 것을 시사한다. 다음 실험으로, Cotl1-/- 마우스의 혈장(plasma)에서 파골세포 생성 관련 마커인 osteoprotegerin(OPG)와 receptor activator of NF-κB ligand(RANKL)의 단백질 량을 측정한 결과 OPG는 증가하고 RANKL는 감소하였다. 또한, 대표적인 파골세포 분화 마커인 타르타르산 저항성 산성 인산분해효소(tartrate-resistant acid phosphate; TRAP) 활성이 저해되어 있으며, 액틴 고리 (actin ring) 형성에 이상이 있음이 관찰되었다. 대조적으로, 조골세포 분화 마커인 알칼리성 인산분해효소(alkaline phosphatase; ALP) 활성은 Cotl1-/-와 WT마우스 간에 차이가 없었다. 이러한 결과는 Cotl1 소실이 파골세포 분화에 영향을 미친다는 사실을 증명한다. 끝으로, Cotl1-/- 마우스에 나타나는 뼈 관련 표현형의 변화에 대해 자세하게 조사하였다. 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro computed tomography) 결과에서, Cotl1-/- 마우스는 골밀도, 골 부피 및 섬유주 두께가 유의하게 증가하였고, 골간 간격이 유의하게 감소하였다. 또한, 소주골의 조직학적 분석에서TRAP 양성 세포가 현저하게 감소되어 있었다. 뼈의 물리적 특성을 조사하기 위한 3점 굽힘 테스트에서 Cotl1-/- 마우스 대퇴골에서 WT마우스에 비해 골절 취약성이 증가된 것으로 나타났다. 결론적으로, 본 연구에서 Cotl1 유전자 제거 마우스가 골경화증의 표현형을 나타난다는 사실을 처음 밝혔으며, Cotl1이 골 재형성에 관여하는 새로운 후보 인자일 가능성이 있음을 시사한다.