Bone Morphogenetic Protein 2 가 두개골 성장 및 두개봉합부의 초기형태발생에 미치는 영향

THE EFFECT OF BONE MORPHOGENETIC PROTEIN 2(BMP2) ON THE GROWTH OF CRANIAL BONE AND EARLY MORPHOGENESIS OF THE CRANIAL SUTURE

뇌와 두개골의 조화로운 성장 발육은 성장 중인 두개골과 이 뼈들을 연결하는 두개봉합부들 그리고 발육중인 뇌사이의 일련의 상호작용에 의해 이루어진다. 두개봉합부의 조기융합으로 알려진 craniosynostosis는 이러한 상호균형적인 관계가 파괴될 때 야기될 수 있다. Bone morphogenetic protein의 하나인 Bmp2는 골 각각의 형태와 골격의 상대적인 비례성을 조절하는데 관여하고 있으며, Bmp의 하부 유전자로 알려져 있는 Msx2 homeobox 유전자의 돌연변이는 Boston-type craniosynostosis를 야기한다 이와 함께 Dlx5 homozygote mutant mouse의 표현형은 두개골 골화의 지연을 포함한 다양한 두개안면의 이상을 나타낸다. 이러한 사실들은 Bmp2, Msx2, Dlx5 유전자들이 두개봉합부의 형태발생과정에 중요하게 작용할 수 있음을 시사하고 있다. Mouse 두개봉합부의 초기형태발생과정에 위 유전자들의 기능을 알아보기 위해, 태생기 동안의 시상봉합부에서의 Bmp2, Msx2, Dlx5 유전자들의 발현양상을 in situ hybridization 방법을 이용하여 분석하였다. Bmp2 mRNA는 osteogenic front에서 강하게 발현되었으며, parietal bone의 골막에서도 관찰되었다. Msx2 mRNA는 시상봉합부의 미분화 간엽조직에서 강하게 발현되었으며, osteogenie front 및 dura mater에서도 관찰되었다. Dlx5 mRNA는 osteogenic front와 parietal bone에서 강하게 발현되었다. 두개봉합부에서의 Bmp signaling의 역할을 알아보기 위해 태생 15.5일 mouse의 두개골을 이용하여 in vitro 실험을 시행하였다. Bmp2-soaked beads를 osteogenic fronts에 올려놓고 48시간 기관배양한 결과 BSA 대조군에 비해 Bmp2 beads 주위 조직의 두께와 세포수가 증가하였으며 Msx2와 Dlx5 유전자들의 발현을 유도하였다. 그러나 FGF2 beads주위로는 이들 유전자들의 발현이 관찰되지 않았다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때, Bmp2 유전자는 두개골 성장과 두개봉합부의 초기 형태발생을 조절하는데 중요한 역할을 담당하고 있으며, Bmp signaling은 Msx2, Dlx5 유전자들을 조절함으로써 두개골의 골화와 두개봉합부의 유지에 관여하고 있음을 제시해 주고 있다.

Co-ordinate growth of the brain and skull is achieved through a series of tissue interactions between the developing brain, the growing bones of the skull and the sutures that unite the bones. Craniosynostosis, the premature fusion of cranial sutures, presumably involves disturbance of these interactions. Bmp2, one of bone morphogenetic proteins (Bmps), is involved in the regulation of the shapes of individual bones and the relative proportions of the skeleton. Mutations in the homeobox gene Msx2, known as a downstream gene of Bmp, cause Boston-type human craniosynostosis. The phenotype of Dlx5 homozygote mutant mouse presents craniofacial abnormalities including a delayed ossification of calvarial bone. These facts suggest important roles of Bmp2, Msx2 and Dlx5 genes in the cranial bone growth and suture morphogenesis. To elucidate the function of these molecules in the early morphogenesis of mouse cranial sutures, we first analyzed by in situ hybridization the expression of Bmp2(E15-18), Msx2 and Dlx5 genes in the developing sagittal suture of calvaria during the embryonic stage. Bmp2 mRNA was intensely expressed in the osteogenic fronts and also at the low level in the periosteum of parietal bones during embryonic stage, Msx2 mRNA was intensely expressed in the sutural mesenchyme and mildly expressed in the dura mater during the embryonic stage. Dlx5 mRNA was intensely expressed osteogenic fronts and parietal bones. To further examine the role of Bmp signaling in cranial suture, we did in vitro experiments in E15.5 mouse calvarial explants. Interestingly, implantation of Bmp2-soaked beads onto the osteogenic fronts after 48 hours organ culture resulted in the increase of the tissue thickness and cell number around Bmp2 beads, compared to BSA control beads. In addition Bmp2 induced etopic expressions of Msx2 and Dlx5 genes. On the other hand, overexpression of FGF2 did not induce the expression of Msx2 and Dlx5. Taken together, these data indicate that Bmp2 signaling molecule has a important role in regulating the cranial bone growth and early morphogenesis of cranial suture. We also suggest that Bmp signaling is involved in all the stages of osteogenesis of cranial bones and the maintenance of cranial suture by regulating Msx2 and Dlx5 genes, and that Msx2 and Dlx5 genes are specific transcription factors of Bmp signaling pathway.