AP-1 function in bone development and disease

Abstract

Genetic analyses have proven the key roles played by the various members of the heterodimeric transcription factor AP-1 in bone homeostasis. More specifically, it was shown that transgenic (tg) mice over-expressing c-Fos developed osteochondrosarcomas caused by transformation of the mesenchymal osteoprogenitor cells. Mice over-expressing Fos family member Fra-1 developed osteosclerosis, a bone phenotype characterised by increased bone formation by the osteoblasts. The role of Jun family members, which are required to form functional AP-1 transcription factor, in bone development is less known. By analysing junD-/- mice, I could identify JunD as a novel player in bone maintenance which negatively regulates bone mass in the aging process. The analysis of c-Jun in bone development was hampered by inefficient deletion of conditional c-jun mice. Nevertheless by means of viral Cre infection of tumor cells derived from c-fos tg/c-junfl/fl double mutant mice, I could show that c-Jun is crucial for proliferation and survival of these cells. To determine the role of JunD in c-Fos induced osteosarma and Fra-1 induced osteosclerosis, I generated double mutants by crossing junD-/- mice with c-fos tg and fra-1 tg mice respectively. fra-1 tg/junD-/- double mutants died in utero or shortly after birth and could therefore not be analysed. However analysis of c-fos tg/junD-/- mice revealed a drastic decrease in tumor size. Further investigation demonstrated that tumor initiation was not affected by the lack of JunD but tumor progression was dependant on JunD in vivo and in vitro. Moreover JunD lacking tumors displayed an increased number of the bone resorbing cells (osteoclasts). Therefore, in addition to modulate tumorigenic properties, JunD also affects tumor size by altering the bone remodeling of the tumors. In summary this work established JunD as a novel player in bone homeostasis. Moreover this work revealed essential and unexpected functions for JunD in c-Fos induced osteosarcoma.

Anhand genetischer Studien konnte nachgewiesen werden, dass der heterodimerische Transkriptionsfaktor AP-1 eine Schlüsselfunktion in der Regulation der Knochenhomeostase einnimmt. Es wurde gezeigt, dass c-Fos überexprimierende Mäuse, bedingt durch die Transformation mesenchymaler Knochenvorläuferzellen, Osteochondrosarkomen entwickeln. Durch die Überexpression eines weiteren Proteins der Fos-Familie, Fra-1 wird die Knochenbildungsrate durch erhöhte Aktivität von Osteoblasten gesteigert und infolgedessen Osteosklerose hervorgerufen. Der Einfluß von Jun Proteinen, die notwendig für Bildung eines funktionalen AP-1 Transkriptionsfaktors sind, wurde bezüglich der Knochenenhomeostase noch nicht hinreichend untersucht. Anhand von junD-/- Mäusen konnte ich zeigen, dass JunD die Knochenentwicklung im Alter negativ beeinflusst. Die Rolle von c-Jun hinsichtlich der Knochenenhomeostase konnte ich aufgrund ineffizienter Deletion in konditionalen c-jun Mäusen nicht untersuchen. Mittels viraler Cre Infektion von Tumorzellen, die von c-fos tg/c-junfl/fl doppelmutanten Mäusen stammen, konnte ich zeigen, dass c-Jun notwendig für die Proliferation und für das Überleben dieser Zellen ist. Um den Einfluß von JunD hinsichtlich der c-Fos induzierten Osteosarkom- und der Fra-1 induzierten Osteosklerose-Entwicklung zu bestimmen, kreuzte ich junD-/-- mit c-fos tg- bzw. fra-1 tg Mäusen. fra-1 tg/junD-/- Doppelmutanten starben bereits in utero oder kurz nach der Geburt und konnten daher nicht untersucht werden. c-fos tg/junD-/- Mäuse entwickelten deutlich kleinere Tumore. Ferner konnte gezeigt werden, dass durch die Abwesenheit von JunD die Tumor-Induktion nicht beeinflusst wurde. Im Gegensatz hierzu war jedoch das Wachstum des Tumor in vivo und in vitro abhängig von JunD. Des weiteren wiesen Tumore, denen JunD fehlte eine erhöhte Anzahl an Knochen resorbierenden Zellen (Osteoklasten) auf. Neben der Fähigkeit tumorigene Eigenschaften zu modulieren, beeinflusst JunD die Größe des Tumors demnach auch durch einen veränderten Knochenumbau. Durch die vorliegende Arbeit wurde gezeigt, dass JunD ein wichtiger Faktor für die Knochenhomeostase ist. Zusätzlich wurde mit dieser Arbeit gezeigt, dass c-Jun und überraschender Weise JunD wichtige Funktionen für die c-Fos induzierte Osteosarkom- Entwicklung übernehmen.