Funktionelle Rolle des EGFR/ErbB-Systems für Knochenentwicklung und -homöostase

Die EGFR (ErbB1) Familie besteht aus 4 Tyrosinkinase Rezeptoren (ErbB1 bis ErbB4) sowie sieben EGFR Liganden. Die Aktivierung des EGFR ist in erster Linie durch die Verfügbarkeit von Liganden bedingt, welche gleichzeitig spezifische und überlappende Funktionen besitzen. ErbB2 ist einzigartig, indem es keinen bekannten Liganden besitzt, durch die Bildung von Heterodimeren mit dem EGFR jedoch starke intrazelluläre Signale auslösen kann. Obwohl die meisten Mitglieder der EGFR Familie im Knochen exprimiert werden und in der Lage sind, das postnatale Wachstum zu beeinflussen, ist die Funktion dieser Proteine in der Knochenhomöostase bislang nur unzureichend untersucht worden. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Funktion der EGFR Familie in der Physiologie und Pathologie der Knochen zu charakterisieren. Folgende spezifische Fragestellungen werden dabei untersucht: 1) Unpublizierte Daten aus unseren Laboratorien zeigen, dass die osteoblastenspezifische Überexpression des EGFR-Liganden Amphiregulin im transgenen Mausmodell die trabekuläre und kortikale Knochenmasse signifikant erhöht. Im Rahmen dieses Projektes soll nun der Skelettphänotyp dieser Mäuse und die beteiligten Mechanismen umfassend charakterisiert werden. 2) Die genetische Ablation von ErbB2 im Mausmodell ist embryonal letal; EGFR knockout Mäuse sterben ebenfalls, entweder vor oder spätestens einige Tage nach der Geburt in Abhängigkeit vom genetischen Hintergrund. Um die postnatale Funktion dieser beiden in Osteoblasten stark exprimierten Rezeptoren zu klären, beabsichtigen wir, die Egfr- und Erbb2-Gene mittels bereits verfügbarer "gefloxter" Mauslinien spezifisch in Osteoblasten zu inaktivieren. 3) In einem vor kurzem abgeschlossenen Projekt konnten wir zeigen, dass der EGFR für die anabole Wirkung von intermittierendem PTH auf trabekulären und endokortikalen Knochen nicht notwendig ist. In Abwesenheit von EGFR Aktivität war jedoch die PTH-induzierte periostale Knochenexpansion vollständig unterdrückt. Wir schlagen eine Reihe an Experimenten vor, um die Mechanismen dieses spezifischen Effektes des EGFR aufzuklären.

In diesem Projekt haben wir die Rolle der Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptoren EGFR und ErbB2 in der Biologie des Knochens weiter charakterisiert. Der epidermale Wachstums- faktor-Rezeptor (EGFR) ist essentiell für das Wachstum von vielen Geweben unter physiologischen Bedingungen, aber auch für das Wachstum von vielen Tumorzellen. Der EGFR und der strukturell ähnliche Rezeptor ErbB2 werden in der Zellmembran von Zielzellen exprimiert, und vermitteln die Wirkung von sieben verschiedenen Wachstumsfaktoren, den sogenannten EGFR-Liganden. Der Rezeptor ErbB2 hat dabei keinen bekannten Liganden, bildet aber Komplexe mit dem EGFR in der Zellmembran. Obwohl es bekannt ist, dass in Knochenzellen EGFR, EGFR-Liganden und auch ErbB2 exprimiert werden, ist ihre Funktion im Knochen nur bruchstückhaft charakterisiert worden. Nachdem der EGFR und seine Liganden in praktisch allen Geweben im Körper exprimiert werden, ist es notwendig, eine Überexpression oder einen Mangel auf bestimmte Gewebe zu beschränken, in diesem Fall Knochen. Im vorliegenden Projekt haben wir transgene Mauslinien erzeugt, die durch eine Überexpression von EGFR-Liganden oder einen Mangel von EGFR und ErbB2 in knochenbildenden Zellen, sogenannten Osteoblasten, charakterisiert sind.Wir haben herausgefunden, dass eine Überexpression des EGFR-Liganden Amphiregulin in knochenbildenden Zellen zu einer Zunahme der Knochenmasse in schnell wachsenden Knochen führt, die durch eine leichte Erniedrigung der Knochenresorption und damit durch eine Verschiebung des Knochengleichgewichts in Richtung Knochenformation bedingt ist. Die Amphiregulin-induzierte Zunahme der Knochenmasse war jedoch nur in jungen Mäusen zu beobachten und blieb in älteren Tieren nicht erhalten. Umgekehrt führte ein Mangel an EGFR in knochenbildenden Osteoblasten zu einer leichten Abnahme der Knochenmasse in der Wirbelsäule. Das EGFR-System ist auch in Zusammenhang damit gebracht worden, dass es eine Rolle in der Vermittlung der Wirkung einer der wenigen knochenanabolen Therapien gegen Osteoporose spielen könnte, nämlich der Therapie mit intermittierendem Parathormon (PTH). Wir testeten deshalb die Hypothese, ob die bekannte PTH-induzierte Stimulation der Amphiregulin-Expression eine Rolle in der durch intermittierendes PTH ausgelösten Erhöhung der Knochenformation spielt. Allerdings ergab sich, dass die knochenanabole Wirkung einer intermittierenden PTH-Wirkung unabhängig von Amphiregulin ist.Dieses Projekt hat unser Wissen über die Funktion des EGFR-Systems im Knochen erhöht. Ein verbessertes Verständnis der Rolle von Wachstumsfaktoren wie zum Beispiel des EGFR-Systems in der Knochenbiologie könnte letztendlich zu einer verbesserten Prävention und Therapie von Knochenerkrankungen wie der Osteoporose führen.