MicroRNAs as novel regulators of skeletal homeostasis

Abstract

The human skeleton is composed of bone and cartilage. The differentiation of bone and cartilage cells from their bone marrow progenitors is regulated by an intrinsic network of intracellular and extracellular signaling molecules. In addition, cells coordinate their differentiation and function through reciprocal cell‐to‐cell interactions. MicroRNAs (miRNAs) are small, single‐stranded RNA molecules that inhibit protein translation by binding to messenger RNAs (mRNAs). Recent evidence demonstrates the involvement of miRNAs in multiple biological processes. However, their role in skeletal development and bone remodeling is still poorly understood.

The aim of this thesis was to elucidate miRNA‐mediated gene regulation in bone and cartilage cells, namely in osteoblasts, osteoclasts, chondrocytes and bone marrow adipocytes. Comparison of miRNA expression during osteogenic and chondrogenic differentiation of bone marrow‐derived mesenchymal stem cells (MSCs) revealed several miRNAs with substantial difference between bone and cartilage cells. These miRNAs were predicted to target genes essentially involved in MSC differentiation. Three miRNAs, miR‐96, miR‐124 and miR‐199a, showed marked upregulation upon osteogenic, chondrogenic or adipogenic differentiation. Based on functional studies, these miRNAs regulate gene expression in MSCs and may thereby play a role in the commitment and/or differentiation of MSCs. Characterization of miRNA expression during osteoclastogenesis of mouse bone marrow cells revealed a unique expression pattern for several miRNAs. Potential targets of the differentially expressed miRNAs included many molecules essentially involved in osteoclast differentiation.

These results provide novel insights into the expression and function of miRNAs during the differentiation of bone and cartilage cells. This information may be useful for the development of novel stem cell‐based treatments for skeletal defects and diseases.

MikroRNAt luuston säätelijöinä

Ihmisen tukiranka koostuu luusta ja rustosta. Se muodostuu sikiöaikana tapahtumasarjassa, jossa mesenkyymisolut erilaistuvat rusto‐ tai luusoluiksi ja alkavat tuottaa ympäröivään kudokseen soluväliainetta. Luu‐ ja rustosolut erilaistuvat luuytimen mesenkymaalisista ja hematopoieettisista kantasoluista tarkasti säädeltyjen solunulkoisten ja ‐sisäisten sekä solujenvälisten viestinvälitysreittien ohjaamina. mikroRNA(miRNA)‐molekyylit ovat pieniä yksijuosteisia RNA‐molekyylejä, jotka estävät proteiinien tuottoa sitoutumalla lähetti‐RNA:n sekvenssiin. Viimeaikaisten tutkimusten perusteella miRNAmolekyylit säätelevät monia elimistön prosesseja, mutta niiden merkitys luuston kehityksessä ja uudismuodostuksessa tunnetaan puutteellisesti.

Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää miRNA‐molekyylien roolia luuytimen mesenkymaalisten kantasolujen erilaistumisessa luu‐, rusto‐ tai rasvasoluiksi. Pyrimme myös selvittämään miRNA‐molekyylien merkitystä luun hajotuksessa tutkimalla niiden ilmentymistä osteoklasteissa. Kun kymmenien miRNA‐molekyylien ilmentymistä verrattiin luu‐ ja rustosoluissa, havaittiin että joidenkin miRNA‐molekyylien ilmentymisessä on moninkertainen ero luu‐ ja rustosolujen välillä. Näiden miRNA‐molekyylien kohdegeenien joukosta löytyi useita luun ja ruston muodostumiselle tärkeitä geenejä. Ihmisen kantasoluilla tehdyssä tutkimuksessa erottui kolme miRNA‐molekyyliä, joiden ilmentyminen lisääntyi luu‐, rasva‐ tai rustosolujen erilaistumisen aikana. Näiden miRNAmolekyylien osoitettiin säätelevän mesenkymaalisten kantasolujen erilaistumiseen vaikuttavien geenien ilmentymistä. Myös osteoklasteilla havaittiin omaleimainen miRNA‐profiili, mikä luo pohjaa uusien miRNA‐säätelyreittien tunnistamiseen osteoklasteissa.

Tutkimuksen tulokset antavat uutta tietoa miRNA‐välitteisestä geenisäätelystä luu‐ ja rustosolujen erilaistumisen aikana. Näiden mekanismien parempi tuntemus on edellytyksenä uusien kantasoluihin perustuvien hoitomuotojen kehittämiselle luuston sairauksiin ja vaurioihin.