Function of Fra1 in mesenchymal stromal cell differentiation & the potential immune modulatory role of Fra1

Abstract

Aktivator Protein-1 (AP-1) ist ein kollektiver Terminus für dimerische Transkriptionsfaktoren, die sich aus Fos- und Jun- Proteinen zusammensetzen. Diese Untereinheiten binden an eine gemeinsame, spezifische DNA-Sequenz, die AP-1 Bindungsstelle. Zusätzlich zu der gut dokumentierten Rolle des c-Fos Proteins in der Tumorgenese, wo dieses Gen als ein Aktivator beschrieben ist, übt AP-1 einen Einfluss auf mesenchymale Stromazellen und Immunzellen aus. Mesenchymale Knochenmarkszellen sind die Vorläuferzellen für Adipozyten, Osteoblasten, Chondrozyten, Myozyten und Fibroblasten. Die molekularen Mechanismen, welche die Differenzierungen regeln, sind noch weitgehend unerforscht. Der heterodimere Transkriptionsfaktor AP-1 übt eine wichtige Rolle in der Kontrolle der Zelldifferenzierung aus. Verschieden genetisch veränderte Mausmodelle untermauerten dies. Mäuse, welche das Fos-related antigen-1 (Fra1) oder eine kürzere Protein-Isoform von FosB (deltaFosB) überexpremieren, entwickelten, durch eine beschleunigte Differenzierung der Osteoblasten, eine Osteosklerose. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass die transgenen deltaFosB Mäuse weniger Fett haben. Die Stabilität und Aktivität von Fos Proteinen kann durch post-transkriptionale Modifizierungen geregelt werden. Basierend auf knockout Mausmodellen, wurde eine tragende Rolle für das wachstumsregulierende Enzym Rsk2 postuliert. Rsk2 spielt eine mögliche Rolle bei der Ausdifferenzierung von mesenchymalen Vorläuferzellen zu Osteoblasten und Adipozyten. Das Ziel dieser Arbeit war es molekulare Mechanismen zu finden, welche die unterschiedlichen Phänotypen (wild typ, fra1-tg, rsk2-defizient und fra1-tg/rsk2-defizient) charakterisieren. Die Knochenuntersuchungen der verschiedenen Genotypen zeigten, dass Fra1 und Rsk2, unabhängig voneinander, tragende Rollen im Knochenmetabolismus spielen. Quantitative Analysen von Adipozytenmarker, wie PPARgamma und C/EBPalpha zeigten, dass das Protein Fra1 die Adipozytenreifung in vivo und in vitro reguliert. Zusätzlich entwickelten die „doppel-mutierten“ fra1-tg/rsk2-/y Mäuse einen Lipodystrophy. Ein milderer Phänotyp wurde in den fra1-tg Tieren beobachtet, jedoch nicht in den Rsk2-knockout Mäusen. Zusätzlich wurde beobachtet, dass mesenchymale Zellen, welche Fra1 überexprimieren, gegen Glucocorticoid-induzierte Wachstumshemmung resistent waren. Diese Wirkung kann am wahrscheinlichsten durch die Fra1-vermittelte Suppression des Glucocorticoidrezeptors erklärt werden. Außerdem beeinflusste die Überexpression von Fra1 die Milzentwicklung. Leber und Herzanalysen zeigten, dass Fra1 kollagenhaltiges Gewebe induziert. Krankheiten wie Cholangitis und Fibrosen waren die Folge.

AP-1 transcription factor is a general name for multiple dimers formed by the association of Fos (or ATF) and Jun proteins. AP-1 acts as a sensor of changes in the cellular environment and thus, it is implicated in the modulation of cell proliferation, differentiation, transformation and cell death. Besides the well-documented role of c-Fos protein in oncogenesis, where this gene can function as a tumor promoter, AP-1 proteins are being recognized as regulators for mesenchymal stromal cell development and as regulators of immune cells. The mesenchymal stromal cells are the common progenitors for various mesenchymal lineages such as adipocytes, osteoblasts, chondrocytes, myocytes and fibroblasts. AP-1 seems to play a key role in the control of mesenchymal cell fate decision and differentiation. This is suggested by phenotypes of mice with a genetic modifications in either the Jun or the Fos component of AP-1. In particular, mice overexpressing the Fos-related antigen-1 (Fra1) or the short isoform of FosB (deltaFosB) have been found to develop osteosclerosis due to an accelerated differentiation of osteoblasts. Interestingly, mice overexpressing deltaFosB also developed less fat tissue. The activity of Fos proteins can be regulated by post-transcriptional modification. Based on knockout mouse model, a role for the growth factor regulated kinase Rsk2 was proposed in the differentiation of mesenchymal stromal cells to osteoblasts as well as in fat tissue development. Goal in this study was to identify the molecular mechanisms explaining the differences between the wild type, fra1-tg, rsk2-deficient and fra1-tg/rsk2-deficient phenotypes. The comparison of the bones of the different mice genotypes revealed, that Fra1 and Rsk2 were independently regulating bone metabolism. Quantitative analysis of adipocyte markers expressions, like PPARgamma and C/EBPalpha revealed, that Fra1 overexpression was blocking adipocyte maturation in vivo and in vitro. Moreover, the in vivo results show that the fra1-tg/rsk2-/y mice develop a severe lipodystrophy. A milder phenotype was observed in the parental fra1-tg strain but not in the Rsk2 knockout strain. Additionally, it was been observed, that mesenchymal cells overexpressing Fra1 were resistant to glucocorticoid-induced growth inhibition. This effect can most likely be explained by Fra1-mediated downregulation of the glucocorticoid receptor. Furthermore, Fra1 overexpression influenced spleen development. Liver and heart analyses showed that Fra1 overexpression induced collagen tissue. Diseases like cholangitis and fibrosis were the outcome.