조골세포(osteoblast)의 분화를 조절하는 세포 내 신호 전달 과정
2019-10-09
org.kosen.entty.User@1db80e7d
장현준(hjang)
1. 개요
골의 형성과 유지는 골을 만들어 내는 조골세포 (osteoblast)와 골을 제거하는 파골세포(osteoclast)의 상호작용에 의해 이루어진다. 조골세포와 파골세포는 서로 다른 기원을 가지는데 조골세포는 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell)에서 분화되면 파골세포는 조혈세포(hematopoietic)에 기인하여 단핵백혈구(monocyte)에서부터 분화하게 된다. 골절 및 질병 등에 의해 골 결손이 발생하게 되면 뼈의 이식과 보철기구(prosthetic material) 등을 통해 치료를 하게 되지만 거부반응(rejection)의 문제를 가지고 있다. 때문에 이러한 문제를 해결하고자 자가조직을 이용하거나 줄기세포를 이용하여 골의 손실을 치료하려는 재생의학 관점의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 뿐만 아니라 골다공증과 같은 질병을 치료하는 방법으로써 조골세포의 분화 촉진과 활성화 등이 연구되고 있다. 이에 본 보고서에서는 조골세포의 분화를 조절하는 신호전달 과정에 대한 조사를 통해 조골세포에 대한 이해를 증가시키고 이를 활용하는데 필요한 정보를 제공하고자 한다.
2. 주요 내용
발달과정에서 조골세포의 분화는 여러 전사조절인자 (transcriptional factor)와 세포 외부로부터의 신호전달 (extracellular signaling) 활성화를 통한 복잡한 네트워크에 의해서 조절이 된다. 주요한 조골세포 분화 조절인자로서 DNA의 발현을 조절하는 Rnut-related family 2 (RUNX2, Cbfa1 라고도 알려짐)와 분화 후기에 주로 작용하는 전사인자인 osterix (OSX)가 잘 알려져 있다. 세포 외부에서 전달 되는 신호전달 과정들은 주로 이들 전사인자에 영향을 주어 조골세포의 분화를 조절하게 된다. 세포 외부에서 줄기세포에 영향을 주는 신호로는 bone morphogenic protein (BMP), wingless-related integration site protein (Wnt), Notch, Hedgehog, fibroblast growth factor (VEGF), extracellular regulated-signal kinase (ERK) 등이 있다. 이들 신호들은 발달과정뿐만 아니라 성체의 줄기세포에 조골세포로 분화하는 과정에도 영향을 주며 골 형성에 참여하는 alkaline phosphatase (ALP), type 1 collagen, osteopontin (OPN), osteocalcin (OCN) 등의 발현을 조절하게 되며 세포외 기질의 무기질화 (mineralization)에 참여하게 된다.
2.1. Bone Morphogenic Protein
BMP는 가장 잘 알려진 골 형성을 촉진하는 사이토카인으로 많은 골 형성, 골 재생 연구가 BMP의 신호전달 과정과 연결되어 있다. BMP 신호는 signaling mothers against decapentaplegic (Smad) 1의 인산화를 통해 진행이 된다. Smad 단백질의 인산화는 Smad4에 의한 복합체 형성을 촉진하면서 조골세포의 분화를 촉진하게 된다. BMP 신호는 또한 RUNX2의 발현을 증가시키게 된다. BMP2와 BMP4가 특히 중요한 역할을 가지고 있으며 특히 OSX를 발현하는 전구세포로 분화하는데 중요함이 밝혀졌다. 이에 실제 BMP2가 골 재생에 활용 될 수 있음이 제시 되었다. BMP2 유전자를 주입하거나(transfection) 구조체에 BMP2를 입힌 경우 줄기세포의 조골세포 분화 능력이 향상됨이 확인 되었다. 이와는 대조적으로 BMP3는 조골세포의 분화를 억제하는 역할을 가지는 것으로 생각되고 있다. BMP3는 BMP 수용체 type II와 상호작용하여 BMP2와 BMP4 신호를 억제한다.
한편, Noggin은 조골세포 분화를 억제하는 역할을 가지고 있으며 쥐의 중간엽 줄기세포에서 Noggin의 발현을 줄이면 아래턱의 재생이 현저히 촉진되는 것이 확인되었다. 특히 이러한 효과는 BMP2가 함께 처리 되었을 때 보다 강화되었다. 더욱이 뼈의 골절 시 증가하는 주요한 염증인자인 tumor necrosis factor(TNF)-α가 사람의 조골세포에서 BMP2의 발현을 촉진하며 Noggin과 상호작용하는 경우에는 조골세포의 분화를 억제하는 것을 밝혀졌다. BMP2가 siRNA에 의해 감소 되었을 경우에도 TNF-α는 세포분열과 세포이동을 촉진하며 줄시세포의 조골세포 분화를 촉진하고 BMP2의 발현도 증가시킴이 제시되었다.
2.2. Wingless-Related integration Site Protein
Wnt 패밀리는 세포 밖으로 분비되는 많은 수의 당-단백질로 구성이 된다. 이들은 배아의 발달과 조직 형성 축의 양극성 (axis polarity) 형성 등에 작용하고 있다. Wnt 리간드는 세포 표면의 frizzled 수용체와 LRP5와 LRP6의 공수용체(co-receptor)에 결합하게 된다. LRP5의 기능획득 (gain of function) 골의 양적 증가를 가져오며 이 유전자의 돌연변이는 골다공증-가신경종(pseudoglioma) 신드롬을 일으키게 된다.
고전적인(canonical) Wnt 신호는 β-catenin을 안정화 시키고 핵으로 이동을 시킴으로써 β-catenin이 T-cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/Lef) 전사인자와 결합하여 유전자 발현을 조절하게 한다. β-catenin-TCF/Lef 복합체는 여러 Wnt에 반응하는 유전자들의 전사를 활성화 시키는데 이들은 세포의 분열과 조골세포의 분화, 골형 성 등의 과정에 관여하고 있다.
비고전적인(noncanonical) Wnt 10b는 성인의 뼈에 존재하는 중간엽 간세포(progenitor)를 유지하는데 필요한 인자로 확인이 되었으며 사람과 생쥐에서 중간엽 간세포의 기능과 관련된 유일한 Wnt 리간드이다. 일부 연구들에서 비고전적인 Wnt 신호가 기계적인 자극에 의한 골형성 촉진에 관련되어 있음이 제시되었다. 특히 Ror2와 RhoA와 작용하는 Wnt5a와 N-cadherin에 의해 매개되는 β-catenin 신호가 이러한 기계적 자극에 의한 골 형성을 촉진에 중요하다. 더욱이 Wnt4는 특히 두개골(craniofacial bone)의 손상 치료와 골 재생을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 또 다른 비 고전적 신호인 Wnt3a와 Wnt7b에 의한 신호전달은 G-단백질(G-protein)에 의해 매개되며 phosphatidylinositol 신호전달 과정과 PKCδ를 활성화시키고 조골세포의 분화에 중요한 역할을 하게 된다.
2.3. Notch
Notch 신호전달 네트워크는 진화적으로 잘 보존된 신호전달 경로로서 줄기세포의 분화와 분열의 균형을 조절하는 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있다. Notch 신호는 Jagged Delta protein이 수용체에 결합하고 γ-secretase에 의해 Notch의 세포 내부 도메인(domain)이 분리 되면서 시작이 된다.
태아의 팔(limb)에서 Notch가 억제되면 뼈의 양적 증가와 골수(bone marrow)의 중간엽 전구체의 상호적인 감소를 가져오는데 이를 통해 Notch가 조골세포의 분화를 억제하고 상당한 크기의 전구체 풀을 유지하는 것을 알 수 있다. Notch의 이러한 작용은 RUNX2와 물리적으로 상호작용하는 전사인자인 HEY1과 HEY2의 발현을 증가시킴으로써 RUNX2의 전사조절 작용을 억제함으로써 이루어진다.
miR-34a는 NOTCH1/CYCLIN D1의 상호조절 네트워크를 통해 retinoblastoma binding protein(RBBP) 2를 억제함으로써 RUNX2를 증가시킴이 밝혀졌다. 한편 다른 보고에서는 Notch-1의 과발현이 고전적인 Wnt 신호전달 과정을 방해함으로써 조골세포의 분화를 억제하는 것으로 밝혀졌다. 하지만 과발현된 Notch-1이 BMP 신호를 방해하지는 않았다.
2.4. Hedgehog
뼈 조직에서 형태의 구성은 Hedgehog 신호의 영향을 많이 받고 있다. 특히 Indian Hedgehog (IHH)는 연골내(endochondral) 뼈의 발달에서 중요한 역할을 하고 있다. IHH가 제거된 마우스 (IHH-/-)에서는 연골내 골화 조직에서 조골세포가 결핍되어 있음이 제시되었다. 하지만 막내(intramembranous)골화 조직에서는 차이가 없었다. IHH가 없으면 연골의 원기 (cartilaginous anlagen)의 연골막 (perichondrium)에 존재하는 중감엽 전구세포에서 Runx2가 발현되지 않고 조골세포의 분화가 이루어지지 않는다. IHH의 수용체인 Smoothened (Smo) 또한 지주골 (trabecular bone) 형성에 필요하다.
IHH와 달리 Sonic Hedgehog (Shh)는 ALP의 발현을 유도하며 중간엽 줄기세포의 분화가 조골세포 분화 경로로 진행되도록 작용하게 된다.
2.5. Fibroblast Growth Factor
FGF2, FGF9, FGF18와 이들의 수용체인 FGFR1, FGFR2, FGFR3 모두가 두개골과 여러 다른 뼈의 발달과정 기여하고 있다. FGF18이 결여된 (FGF18-/-) 태아에서는 Runx2의 발현이 정상적으로 일어남에도 불구하고 조골세포의 성숙에 결함을 가지게 된다. 대조적으로 FGFR1의 활성은 골의 발달 초기에서 작용하여 조골세포의 분화를 시작하는 경향을 가지며 성숙한 조골세포에서는 무기질화 능력을 억제하게 된다. FGFR1과 FGFR2, FGFR3의 기능획득 돌연변이는 두개골유합(craniosynostosis)을 일으키며 FGF2와 FGF4를 함유한 구슬을 봉합선에 이식하면 조골세포 분화를 일으키며 봉합선의 폐쇄를 가져온다.
FGF2는 FGF가 어떻게 뼈 형성과 연결되는지 모여주는 좋은 예가 된다. 줄기세포 이식을 통해 in vivo에서 골 재생이 촉진된 연구 보고에서 FGF2는 retinoic acid에 의한 BMP 수용체 type IB의 활성을 억제(antagonize) 함으로써 최종단계의 조골세포 분화를 억제하였다. 이러한 FGF2의 역설적인 작용은 FGF2가 가지는 주요한 작용 중 하나인 세포분열 촉진을 고려하면 설명을 할 수 있다. FGF2는 미래의 조골세포 분화를 위하여 조골세포를 형성할 수 있는 전구세포의 양을 최대화 하기 위해 조골세포의 전구세포의 세포분열을 촉진하고 확대시키게 된다. 또한 FGF2는 ERK, PI3K, PKC와 같은 다른 신호전달 과정을 활성화 시키게 되는데 이들은 세포 분열을 촉진하는 작용을 나타낸다. 세포분열과 세포 분화는 서로 경쟁적인 입장에 있지 때문에 FGF2는 복잡한 영향을 미치게 되는 것이다. 이러한 FGF 신호의 복잡성 때문에 줄기세포와 FGF를 이용한 골 형성 치료에서 분화를 유도하는 연구가 보다 많이 필요한 것이다.
2.6. Vascular Endothelial Growth Factor and Hypoxia-inducible factor 1-α
신경혈관형성(neurovascularization)과 신생혈관 형성(angiogenesis)이 뼈를 제대로 형성하는데 매우 중요한 과정이다. 줄기세포를 이용한 두개골 재생에서 VEGFA가 조골세포 분화 촉진과 혈관형성 촉진을 통하여 BMP2나 FGF2 보다 더 좋은 효과를 나타냄이 확인 되었다.
HIF-1α 또한 혈관형성과 조골세포 분화를 촉진함으로써 골 형성을 돕는 역할을 하고 있다. HIF-1α는 estrogen에 의해 활성화 되며 Wnt/β-catenin를 활성화 시킴으로써 조골세포의 분화를 촉진하게 된다. Prolyl-4-hydroxylase의 억제제인 dimethyloxalylglycine은 HIF-1α을 증가시키며 VEGF의 증가와 함께 RUNX2, OCN, ALP의 발현도 증가시킴으로써 골 형성을 촉진함이 제시되었다. 특히 폐경기 모델인 ovariectomy 모델에서 dimethyloxalylglycine은 뼈의 손실을 억제하는 작용을 나타내었다.
2.7. Mitogen-activated protein kinases
또 다른 조골세포의 분화를 조절하는 신호전달 경로는 MAPK에 의한 신호전달이다. ERK와 p38은 RUNX2를 인산화 시킨다. ERK는 또한 RSK2를 인산화 시키는데 이는 조골세포의 분화 후기에 작용하는 ATF4를 인산화 시킴으로써 분화를 촉진하게 된다. MAP3K와 MAP2K는 MAPK 신호의 상위 단계에 존재하며 조골세포의 분화에 참여하게 된다. Mek1과 Mek2가 결핍된 경우 골연화증(osteopenia )이 나타나며 쇄골두개골 형성이상이 나타나게 된다.
2.7. 조골세포 분화에 관여하는 여러 신호 경로들
Erythropoietin은 PPARγ를 억제함으로써 조골세포의 분화를 촉진하며, IGF1은 TAZ를 통하여 PPARγ를 억제하고 조골세포 분화를 촉진하게 된다. 이들이 함께 작용하는 경우 그 효과는 상승하여 Runx2, OPN, OCN, ALP의 발현을 더욱 증가시키며 기질의 무기질화를 촉진하게 된다. 세포사멸 억제인자인 Bcl2 또한 ALP, Runx2 등의 양을 증가시키며 무기질화를 향상시킨다. mir-135는 Hoxa2/Runx2 경로를 통하여 조골세포의 분화를 촉진시킨다. 전사조절인자인 δFosB는 과발현시 지방세포의 분화를 억제하며 뼈의 양을 늘리는 것으로 확인 되었다. Differentiation factor 5는 BMP2 보다 효과적으로 조골세포의 분화를 촉진하며 VEGF를 통하여 혈관형성을 촉진하는 효과도 가지고 있다.
3. 맺음말
줄기세포에서 조골세포가 형성이 되는 과정에 대한 연구는 많은 신호전달 물질이 이 과정에 참여하고 있음을 제시해 주고 있다. 특히 많은 연구에서 BMP 신호전달 과정의 중요성을 제시하고 있으며 Wnt, Notch, Hedgehog, FGF 등 여러 신호전달 과정이 조골세포의 분화에 관여하는 과정이 밝혀지고 있다. 한편, 분화 시기에 따라 동일한 신호전달 과정이 조골세포의 분화를 촉진하기도 억제하기도 한다는 것이 밝혀지면서 그 복잡성이 제시되고 있다. 때문에 실제 재생의학에서 골 형성과 재생을 위해서 이들 신호전달 과정을 활용하기 위해서는 보다 깊은 이해와 연구가 필요할 것이다.
골의 형성과 유지는 골을 만들어 내는 조골세포 (osteoblast)와 골을 제거하는 파골세포(osteoclast)의 상호작용에 의해 이루어진다. 조골세포와 파골세포는 서로 다른 기원을 가지는데 조골세포는 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell)에서 분화되면 파골세포는 조혈세포(hematopoietic)에 기인하여 단핵백혈구(monocyte)에서부터 분화하게 된다. 골절 및 질병 등에 의해 골 결손이 발생하게 되면 뼈의 이식과 보철기구(prosthetic material) 등을 통해 치료를 하게 되지만 거부반응(rejection)의 문제를 가지고 있다. 때문에 이러한 문제를 해결하고자 자가조직을 이용하거나 줄기세포를 이용하여 골의 손실을 치료하려는 재생의학 관점의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 뿐만 아니라 골다공증과 같은 질병을 치료하는 방법으로써 조골세포의 분화 촉진과 활성화 등이 연구되고 있다. 이에 본 보고서에서는 조골세포의 분화를 조절하는 신호전달 과정에 대한 조사를 통해 조골세포에 대한 이해를 증가시키고 이를 활용하는데 필요한 정보를 제공하고자 한다.
2. 주요 내용
발달과정에서 조골세포의 분화는 여러 전사조절인자 (transcriptional factor)와 세포 외부로부터의 신호전달 (extracellular signaling) 활성화를 통한 복잡한 네트워크에 의해서 조절이 된다. 주요한 조골세포 분화 조절인자로서 DNA의 발현을 조절하는 Rnut-related family 2 (RUNX2, Cbfa1 라고도 알려짐)와 분화 후기에 주로 작용하는 전사인자인 osterix (OSX)가 잘 알려져 있다. 세포 외부에서 전달 되는 신호전달 과정들은 주로 이들 전사인자에 영향을 주어 조골세포의 분화를 조절하게 된다. 세포 외부에서 줄기세포에 영향을 주는 신호로는 bone morphogenic protein (BMP), wingless-related integration site protein (Wnt), Notch, Hedgehog, fibroblast growth factor (VEGF), extracellular regulated-signal kinase (ERK) 등이 있다. 이들 신호들은 발달과정뿐만 아니라 성체의 줄기세포에 조골세포로 분화하는 과정에도 영향을 주며 골 형성에 참여하는 alkaline phosphatase (ALP), type 1 collagen, osteopontin (OPN), osteocalcin (OCN) 등의 발현을 조절하게 되며 세포외 기질의 무기질화 (mineralization)에 참여하게 된다.
2.1. Bone Morphogenic Protein
BMP는 가장 잘 알려진 골 형성을 촉진하는 사이토카인으로 많은 골 형성, 골 재생 연구가 BMP의 신호전달 과정과 연결되어 있다. BMP 신호는 signaling mothers against decapentaplegic (Smad) 1의 인산화를 통해 진행이 된다. Smad 단백질의 인산화는 Smad4에 의한 복합체 형성을 촉진하면서 조골세포의 분화를 촉진하게 된다. BMP 신호는 또한 RUNX2의 발현을 증가시키게 된다. BMP2와 BMP4가 특히 중요한 역할을 가지고 있으며 특히 OSX를 발현하는 전구세포로 분화하는데 중요함이 밝혀졌다. 이에 실제 BMP2가 골 재생에 활용 될 수 있음이 제시 되었다. BMP2 유전자를 주입하거나(transfection) 구조체에 BMP2를 입힌 경우 줄기세포의 조골세포 분화 능력이 향상됨이 확인 되었다. 이와는 대조적으로 BMP3는 조골세포의 분화를 억제하는 역할을 가지는 것으로 생각되고 있다. BMP3는 BMP 수용체 type II와 상호작용하여 BMP2와 BMP4 신호를 억제한다.
한편, Noggin은 조골세포 분화를 억제하는 역할을 가지고 있으며 쥐의 중간엽 줄기세포에서 Noggin의 발현을 줄이면 아래턱의 재생이 현저히 촉진되는 것이 확인되었다. 특히 이러한 효과는 BMP2가 함께 처리 되었을 때 보다 강화되었다. 더욱이 뼈의 골절 시 증가하는 주요한 염증인자인 tumor necrosis factor(TNF)-α가 사람의 조골세포에서 BMP2의 발현을 촉진하며 Noggin과 상호작용하는 경우에는 조골세포의 분화를 억제하는 것을 밝혀졌다. BMP2가 siRNA에 의해 감소 되었을 경우에도 TNF-α는 세포분열과 세포이동을 촉진하며 줄시세포의 조골세포 분화를 촉진하고 BMP2의 발현도 증가시킴이 제시되었다.
2.2. Wingless-Related integration Site Protein
Wnt 패밀리는 세포 밖으로 분비되는 많은 수의 당-단백질로 구성이 된다. 이들은 배아의 발달과 조직 형성 축의 양극성 (axis polarity) 형성 등에 작용하고 있다. Wnt 리간드는 세포 표면의 frizzled 수용체와 LRP5와 LRP6의 공수용체(co-receptor)에 결합하게 된다. LRP5의 기능획득 (gain of function) 골의 양적 증가를 가져오며 이 유전자의 돌연변이는 골다공증-가신경종(pseudoglioma) 신드롬을 일으키게 된다.
고전적인(canonical) Wnt 신호는 β-catenin을 안정화 시키고 핵으로 이동을 시킴으로써 β-catenin이 T-cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/Lef) 전사인자와 결합하여 유전자 발현을 조절하게 한다. β-catenin-TCF/Lef 복합체는 여러 Wnt에 반응하는 유전자들의 전사를 활성화 시키는데 이들은 세포의 분열과 조골세포의 분화, 골형 성 등의 과정에 관여하고 있다.
비고전적인(noncanonical) Wnt 10b는 성인의 뼈에 존재하는 중간엽 간세포(progenitor)를 유지하는데 필요한 인자로 확인이 되었으며 사람과 생쥐에서 중간엽 간세포의 기능과 관련된 유일한 Wnt 리간드이다. 일부 연구들에서 비고전적인 Wnt 신호가 기계적인 자극에 의한 골형성 촉진에 관련되어 있음이 제시되었다. 특히 Ror2와 RhoA와 작용하는 Wnt5a와 N-cadherin에 의해 매개되는 β-catenin 신호가 이러한 기계적 자극에 의한 골 형성을 촉진에 중요하다. 더욱이 Wnt4는 특히 두개골(craniofacial bone)의 손상 치료와 골 재생을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 또 다른 비 고전적 신호인 Wnt3a와 Wnt7b에 의한 신호전달은 G-단백질(G-protein)에 의해 매개되며 phosphatidylinositol 신호전달 과정과 PKCδ를 활성화시키고 조골세포의 분화에 중요한 역할을 하게 된다.
2.3. Notch
Notch 신호전달 네트워크는 진화적으로 잘 보존된 신호전달 경로로서 줄기세포의 분화와 분열의 균형을 조절하는 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있다. Notch 신호는 Jagged Delta protein이 수용체에 결합하고 γ-secretase에 의해 Notch의 세포 내부 도메인(domain)이 분리 되면서 시작이 된다.
태아의 팔(limb)에서 Notch가 억제되면 뼈의 양적 증가와 골수(bone marrow)의 중간엽 전구체의 상호적인 감소를 가져오는데 이를 통해 Notch가 조골세포의 분화를 억제하고 상당한 크기의 전구체 풀을 유지하는 것을 알 수 있다. Notch의 이러한 작용은 RUNX2와 물리적으로 상호작용하는 전사인자인 HEY1과 HEY2의 발현을 증가시킴으로써 RUNX2의 전사조절 작용을 억제함으로써 이루어진다.
miR-34a는 NOTCH1/CYCLIN D1의 상호조절 네트워크를 통해 retinoblastoma binding protein(RBBP) 2를 억제함으로써 RUNX2를 증가시킴이 밝혀졌다. 한편 다른 보고에서는 Notch-1의 과발현이 고전적인 Wnt 신호전달 과정을 방해함으로써 조골세포의 분화를 억제하는 것으로 밝혀졌다. 하지만 과발현된 Notch-1이 BMP 신호를 방해하지는 않았다.
2.4. Hedgehog
뼈 조직에서 형태의 구성은 Hedgehog 신호의 영향을 많이 받고 있다. 특히 Indian Hedgehog (IHH)는 연골내(endochondral) 뼈의 발달에서 중요한 역할을 하고 있다. IHH가 제거된 마우스 (IHH-/-)에서는 연골내 골화 조직에서 조골세포가 결핍되어 있음이 제시되었다. 하지만 막내(intramembranous)골화 조직에서는 차이가 없었다. IHH가 없으면 연골의 원기 (cartilaginous anlagen)의 연골막 (perichondrium)에 존재하는 중감엽 전구세포에서 Runx2가 발현되지 않고 조골세포의 분화가 이루어지지 않는다. IHH의 수용체인 Smoothened (Smo) 또한 지주골 (trabecular bone) 형성에 필요하다.
IHH와 달리 Sonic Hedgehog (Shh)는 ALP의 발현을 유도하며 중간엽 줄기세포의 분화가 조골세포 분화 경로로 진행되도록 작용하게 된다.
2.5. Fibroblast Growth Factor
FGF2, FGF9, FGF18와 이들의 수용체인 FGFR1, FGFR2, FGFR3 모두가 두개골과 여러 다른 뼈의 발달과정 기여하고 있다. FGF18이 결여된 (FGF18-/-) 태아에서는 Runx2의 발현이 정상적으로 일어남에도 불구하고 조골세포의 성숙에 결함을 가지게 된다. 대조적으로 FGFR1의 활성은 골의 발달 초기에서 작용하여 조골세포의 분화를 시작하는 경향을 가지며 성숙한 조골세포에서는 무기질화 능력을 억제하게 된다. FGFR1과 FGFR2, FGFR3의 기능획득 돌연변이는 두개골유합(craniosynostosis)을 일으키며 FGF2와 FGF4를 함유한 구슬을 봉합선에 이식하면 조골세포 분화를 일으키며 봉합선의 폐쇄를 가져온다.
FGF2는 FGF가 어떻게 뼈 형성과 연결되는지 모여주는 좋은 예가 된다. 줄기세포 이식을 통해 in vivo에서 골 재생이 촉진된 연구 보고에서 FGF2는 retinoic acid에 의한 BMP 수용체 type IB의 활성을 억제(antagonize) 함으로써 최종단계의 조골세포 분화를 억제하였다. 이러한 FGF2의 역설적인 작용은 FGF2가 가지는 주요한 작용 중 하나인 세포분열 촉진을 고려하면 설명을 할 수 있다. FGF2는 미래의 조골세포 분화를 위하여 조골세포를 형성할 수 있는 전구세포의 양을 최대화 하기 위해 조골세포의 전구세포의 세포분열을 촉진하고 확대시키게 된다. 또한 FGF2는 ERK, PI3K, PKC와 같은 다른 신호전달 과정을 활성화 시키게 되는데 이들은 세포 분열을 촉진하는 작용을 나타낸다. 세포분열과 세포 분화는 서로 경쟁적인 입장에 있지 때문에 FGF2는 복잡한 영향을 미치게 되는 것이다. 이러한 FGF 신호의 복잡성 때문에 줄기세포와 FGF를 이용한 골 형성 치료에서 분화를 유도하는 연구가 보다 많이 필요한 것이다.
2.6. Vascular Endothelial Growth Factor and Hypoxia-inducible factor 1-α
신경혈관형성(neurovascularization)과 신생혈관 형성(angiogenesis)이 뼈를 제대로 형성하는데 매우 중요한 과정이다. 줄기세포를 이용한 두개골 재생에서 VEGFA가 조골세포 분화 촉진과 혈관형성 촉진을 통하여 BMP2나 FGF2 보다 더 좋은 효과를 나타냄이 확인 되었다.
HIF-1α 또한 혈관형성과 조골세포 분화를 촉진함으로써 골 형성을 돕는 역할을 하고 있다. HIF-1α는 estrogen에 의해 활성화 되며 Wnt/β-catenin를 활성화 시킴으로써 조골세포의 분화를 촉진하게 된다. Prolyl-4-hydroxylase의 억제제인 dimethyloxalylglycine은 HIF-1α을 증가시키며 VEGF의 증가와 함께 RUNX2, OCN, ALP의 발현도 증가시킴으로써 골 형성을 촉진함이 제시되었다. 특히 폐경기 모델인 ovariectomy 모델에서 dimethyloxalylglycine은 뼈의 손실을 억제하는 작용을 나타내었다.
2.7. Mitogen-activated protein kinases
또 다른 조골세포의 분화를 조절하는 신호전달 경로는 MAPK에 의한 신호전달이다. ERK와 p38은 RUNX2를 인산화 시킨다. ERK는 또한 RSK2를 인산화 시키는데 이는 조골세포의 분화 후기에 작용하는 ATF4를 인산화 시킴으로써 분화를 촉진하게 된다. MAP3K와 MAP2K는 MAPK 신호의 상위 단계에 존재하며 조골세포의 분화에 참여하게 된다. Mek1과 Mek2가 결핍된 경우 골연화증(osteopenia )이 나타나며 쇄골두개골 형성이상이 나타나게 된다.
2.7. 조골세포 분화에 관여하는 여러 신호 경로들
Erythropoietin은 PPARγ를 억제함으로써 조골세포의 분화를 촉진하며, IGF1은 TAZ를 통하여 PPARγ를 억제하고 조골세포 분화를 촉진하게 된다. 이들이 함께 작용하는 경우 그 효과는 상승하여 Runx2, OPN, OCN, ALP의 발현을 더욱 증가시키며 기질의 무기질화를 촉진하게 된다. 세포사멸 억제인자인 Bcl2 또한 ALP, Runx2 등의 양을 증가시키며 무기질화를 향상시킨다. mir-135는 Hoxa2/Runx2 경로를 통하여 조골세포의 분화를 촉진시킨다. 전사조절인자인 δFosB는 과발현시 지방세포의 분화를 억제하며 뼈의 양을 늘리는 것으로 확인 되었다. Differentiation factor 5는 BMP2 보다 효과적으로 조골세포의 분화를 촉진하며 VEGF를 통하여 혈관형성을 촉진하는 효과도 가지고 있다.
3. 맺음말
줄기세포에서 조골세포가 형성이 되는 과정에 대한 연구는 많은 신호전달 물질이 이 과정에 참여하고 있음을 제시해 주고 있다. 특히 많은 연구에서 BMP 신호전달 과정의 중요성을 제시하고 있으며 Wnt, Notch, Hedgehog, FGF 등 여러 신호전달 과정이 조골세포의 분화에 관여하는 과정이 밝혀지고 있다. 한편, 분화 시기에 따라 동일한 신호전달 과정이 조골세포의 분화를 촉진하기도 억제하기도 한다는 것이 밝혀지면서 그 복잡성이 제시되고 있다. 때문에 실제 재생의학에서 골 형성과 재생을 위해서 이들 신호전달 과정을 활용하기 위해서는 보다 깊은 이해와 연구가 필요할 것이다.