JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biology

条件付き Stat3 欠損マウスモデルの骨格表現型解析

Published: July 03, 2020
doi:
10.3791/61390
, , , , , , ,
1Center of Craniofacial Orthodontics, Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science, Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai Key Laboratory of Stomatology & Shanghai Research Institute of Stomatology,National Clinical Research center of Stomatology, 2Department of Stomatology,Dalian Medical University, 3The 2nd Dental Center, Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai Key Laboratory of Stomatology & Shanghai Research Institute of Stomatology,National Clinical Research center of Stomatology

Summary

このプロトコルは、生体内の破骨細胞活性を制御する重要な遺伝子を理解するための正規的方法を記述する。この方法は、トランスジェニックマウスモデルといくつかの正規の手法を用いて骨格表現型を分析する。

Abstract

トランスジェニックマウスモデルは、破骨細胞の分化と活性を制御する重要な遺伝子を理解し、骨粗鬆症のメカニズムと薬学的治療法を研究するのに強力です。カテプシンK(Ctsk)-クレマウスは、破骨細胞の機能研究に広く使用されています。転写3(STAT3)のシグナルトランスデューサおよび活性化剤は骨恒常性に関連しているが、生体内の破骨細胞におけるその役割は未定のままである。STAT3が破骨細胞分化と骨代謝に関与しているというインビボの証拠を提供するために、我々は、破骨細胞特異的Stat3欠失マウスモデル(Stat3 fl/fl;Ctsk-Cre)を、骨格表現型を分析した。マイクロCTスキャンと3D再構成は、条件付きノックアウトマウスにおける骨量の増加を暗示した。H&E染色、カルセインおよびアリザリンレッド二重染色、および酒石酸抵抗性酸ホスファターゼ(TRAP)染色を行い、骨代謝を検出した。つまり、このプロトコルは、骨格表現型を分析し、生体内の破骨細胞活性を制御する重要な遺伝子を研究するためのいくつかの正規の方法と技術を記述する。

Introduction

骨格骨は人体の主な荷重を受ける器官であり、歩行と運動1の間に内部環境と外部環境の両方から圧力を受けている。骨は骨芽細胞と破骨細胞のバランスが取れた自己再生を通り抜け続ける。破骨細胞が古い骨を除去し、骨芽細胞が新しい骨を形成する過程は、骨格系2の恒常性および機械的機能を維持する。バランスの乱れは骨粗鬆症などの骨代謝性疾患を誘発しうる。骨粗鬆症は、過剰な破骨活性によって引き起こされ、世界的に流行しており、社会2、3、4に大きな経済的損失を引き起こす。骨粗鬆症治療に利用できる限られた数の薬物と副作用のリスク4によると、骨細胞形成および活動の詳細を明らかにすることが重要である。

単球/マクロファージ造血系統に由来する破骨細胞は、複数の核(2〜50核を有し得る)を有し、大きい(通常、直径100μmを超える)2である。骨破骨疾患のメカニズムの探索と薬剤のスクリーニングは、体外骨細胞内培養を通じて広く改善されているが、複雑な有機反応は、標的療法に不可欠なインビボの証拠を作る。マウスとヒトの間の遺伝的および病的生理学的類似性のために、遺伝子組み換えマウスモデルは、生体内でのヒト疾患のメカニズムおよび医薬的治療法を研究するために一般的に使用される。Cre-loxPシステムは、マウス遺伝子編集に広く使用されている技術であり、研究者は組織/細胞特異的な方法で遺伝子機能を調査することを可能にしました 5.カテプシンK(CSTK)は、骨コラーゲン8を分解し得る破骨細胞によって分泌されるシステインプロテアーゼである。CTSKは成熟した破骨細胞で選択的に発現することは十分に受け入れられています。従って、Ctsk-Creマウスは破骨細胞の機能研究に有用なツールであると考えられ、6.

転写(STAT)ファミリーのシグナルトランスデューサおよびアクチベーターは、免疫と癌の進行と発達において古典的かつ非常に重要です7,8.7つのSTAの中で、STAT3は骨恒常性9,10に最も関連していると報告されている。いくつかのインビボ研究は、骨芽細胞におけるSTAT3の特異的不活性化が骨形成9、10を減少させることを報告している。それにもかかわらず、骨細胞形成および生体内の骨代謝におけるSTAT3の関与に関する確かな証拠は依然として限られている。最近、我々は、骨細胞特異的Stat3欠失マウスモデル(Stat3fl /fl;Ctsk-Creは、STAT3と呼ばれるSTAT3)は、STAT3が破骨細胞分化および骨代謝に関与することを11.本研究では、骨骨格特異的STAT3欠失が骨恒常症に及ぼす影響を研究するために、Stat3Ctskマウスの骨量、骨組織形態、骨代謝および異化の変化を分析するために用いた方法とプロトコルについて説明する。

Protocol

ここに記載されている動物に関するすべての方法は、上海交通大学医学部の施設動物のケアと使用委員会(IACUC)によって承認されました。 1. 破骨細胞特異的 Stat3 欠失マウスの繁殖 注 :Stat3fl/fl マウスは商業的に得られた。 Ctsk-Cre マウスは、加藤(東京大学、東京12)によって提供された。マウスは、標?…

Representative Results

本プロトコルを用いて、破骨細胞特異的Stat3欠失マウスを生成し、破骨細胞分化に対するSTAT3欠失の影響を検討した。Stat3Ctskマウスとその野生型(WT)リターメイトは、ジェノタイピング後に飼育され、保管された。骨髄マクロファージを単離し、破骨細胞に培養し、Stat3CtskマウスにおけるSTAT3欠失が実証された(図1)。 <p …

Discussion

遺伝子組み換えマウスモデルは、ヒト疾患13のメカニズムおよび医薬的治療の研究に一般的に使用される。 Ctsk-Cre マウスは、破骨細胞6の機能研究に広く使用されている。本研究では、骨格表現型を分析し、生体内の破骨細胞活性を制御する重要な遺伝子を研究する方法のプロトコルについて説明した。

組織学的分析は骨代謝を?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

試薬とマウスのWeiguo Zou教授と加藤先生、そしてZou研究室のメンバーに有益な議論を感謝します。また、上海第9人民病院頭蓋顔面異常研究センターのデジタル化された病頭学研究センターに対する支援に感謝します。この研究は、中国国立自然科学財団(NSFC)からの助成金によって部分的に支えられました[81570950、81870740、81800949]、 上海サミット・高原分野、上海精密医学研究所、上海九人民病院、上海交通大学医学部(JC201809)、上海交通大学医学部の高レベルイノベーションチームインセンティブプロジェクト上海交通大学医学部上海交通大学附属病院(JYJC201902)の学際研究基金L.J.は、優れた青少年医療人材、上海「医療人材の新星」青少年育成プログラム、上海交通大学の「陳興」プロジェクトの学者です。

Materials

4% Paraformaldehyde solution Sangon biotech Co., Ltd. E672002
Acetone Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd. 80000360
Alizarin Sigma-Aldrich A5533
Ammonia solution Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd.
Calcein Sigma-Aldrich C0875
Ctsk-Cre mice a gift from S. Kato, University of Tokyo, Tokyo, Japan
DDSA Electron Microscopy Sciences 13710
DeCa RapidlyDecalcifier Pro-Cure DX1100
DMP-30 Electron Microscopy Sciences 13600
EDTA Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd. 60-00-4
EMBED 812 RESIN Electron Microscopy Sciences 14900
fluorescence microscope Olympus IX73
Hematoxylin solution Beyotime Biotechanology C0107
Micro-CT Scanco Medical AG μCT 80
NaHCO3 Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd. 10018918
Neutral balsam Sangon biotech Co., Ltd. E675007
NMA Electron Microscopy Sciences 19000
Paraffin Sangon biotech Co., Ltd. A601889
rotary microtome Leica RM2265
Stat3fl/fl mice GemPharmatech Co., Ltd D000527
TRAP staining kit Sigma-Aldrich 387A
xylene Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd. 1330-20-7
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zaidi, M. Skeletal remodeling in health and disease. Nature Medicine. 13 (7), 791-801 (2007).
  2. Boyle, W. J., Simonet, W. S., Lacey, D. L. Osteoclast differentiation and activation. Nature. 423 (6937), 337-342 (2003).
  3. Cummings, S. R., Melton, L. J. Epidemiology and outcomes of osteoporotic fractures. Lancet. 359 (9319), 1761-1767 (2002).
  4. Black, D. M., Rosen, C. J. Clinical Practice. Postmenopausal Osteoporosis. New England Journal of Medicine. 374 (3), 254-262 (2016).
  5. Kos, C. H. Cre/loxP system for generating tissue-specific knockout mouse models. Nutrition reviews. 62 (6), 243-246 (2004).
  6. Elefteriou, F., Yang, X. Genetic mouse models for bone studies-Strengths and limitations. Bone. 49 (6), 1242-1254 (2011).
  7. Hirano, T., Ishihara, K., Hibi, M. Roles of STAT3 in mediating the cell growth, differentiation and survival signals relayed through the IL-6 family of cytokine receptors. Oncogene. 19 (21), 2548-2556 (2000).
  8. Yu, H., Lee, H., Herrmann, A., Buettner, R., Jove, R. Revisiting STAT3 signalling in cancer: new and unexpected biological functions. Nature Reviews Cancer. 14 (11), 736-746 (2014).
  9. Itoh, S., et al. A critical role for interleukin-6 family-mediated Stat3 activation in osteoblast differentiation and bone formation. Bone. 39 (3), 505-512 (2006).
  10. Zhou, H., et al. Osteoblast/osteocyte-specific inactivation of Stat3 decreases load-driven bone formation and accumulates reactive oxygen species. Bone. 49 (3), 404-411 (2011).
  11. Yang, Y., et al. STAT3 controls osteoclast differentiation and bone homeostasis by regulating NFATc1 transcription. Journal of Biological Chemistry. 294 (42), 15395-15407 (2019).
  12. Nakamura, T., et al. Estrogen prevents bone loss via estrogen receptor alpha and induction of Fas ligand in osteoclasts. Cell. 130 (5), 811-823 (2007).
  13. Kim, H., Kim, M., Im, S. K., Fang, S. Mouse Cre-LoxP system: general principles to determine tissue-specific roles of target genes. Laboratory animal research. 34 (4), 147-159 (2018).
  14. Minkin, C. Bone acid phosphatase: tartrate-resistant acid phosphatase as a marker of osteoclast function. Calcified Tissue International. 34 (3), 285-290 (1982).
  15. Vaaraniemi, J., et al. Intracellular machinery for matrix degradation in bone-resorbing osteoclasts. Journal of Bone and Mineral Research. 19 (9), 1432-1440 (2004).
  16. Ljusberg, J., et al. Proteolytic excision of a repressive loop domain in tartrate-resistant acid phosphatase by cathepsin K in osteoclasts. The Journal of Biological Chemistry. 280 (31), 28370-28381 (2005).
  17. Janckila, A. J., Takahashi, K., Sun, S. Z., Yam, L. T. Naphthol-ASBI phosphate as a preferred substrate for tartrate-resistant acid phosphatase isoform 5b. Journal of Bone and Mineral Research. 16 (4), 788-793 (2001).
  18. Janckila, A. J., Li, C. Y., Lam, K. W., Yam, L. T. The cytochemistry of tartrate-resistant acid phosphatase. Technical considerations. American Journal of Clinical Pathology. 70 (1), 45-55 (1978).
  19. Janckila, A. J., Simons, R. M., Yam, L. T. Alternative immunoassay for tartrate-resistant acid phosphatase isoform 5b using the fluorogenic substrate naphthol ASBI-phosphate and heparin. Clinica Chimica Acta: International Journal of Clinical Chemistry. 347 (1-2), 157-167 (2004).
  20. Janckila, A. J., Yam, L. T., Li, C. Y. Immunoalkaline phosphatase cytochemistry. Technical considerations of endogenous phosphatase activity. American Journal of Clinical Pathology. 84 (4), 476-480 (1985).
  21. Solberg, L. B., et al. Increased tartrate-resistant Acid phosphatase expression in osteoblasts and osteocytes in experimental osteoporosis in rats. Calcified Tissue International. 94 (5), 510-521 (2014).
  22. Tambutté, E., et al. Calcein labelling and electrophysiology: insights on coral tissue permeability and calcification. Proceedings. Biological Sciences. 279 (1726), 19-27 (2012).
  23. Han, Y., et al. Lkb1 deletion in periosteal mesenchymal progenitors induces osteogenic tumors through mTORC1 activation. Journal of Clinical Investigation. 130 (5), 1895-1909 (2019).
  24. Dai, Q., et al. mTOR/Raptor signaling is critical for skeletogenesis in mice through the regulation of Runx2 expression. Cell Death and Differentiation. 24 (11), 1886-1899 (2017).
  25. Sun, J., et al. Histone demethylase LSD1 regulates bone mass by controlling WNT7B and BMP2 signaling in osteoblasts. Bone Research. 6, 14 (2018).

Tags

Skeletal Phenotype AnalysisGenetically Engineered Mouse ModelHind LimbParaffin SectioningMicro-CT ScanningCalcein And Alizarin Red Double LabelingDecalcificationParaffin Embedding

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Yang, Y., Chen, Q., Zhou, S., Gong, X., Xu, H., Hong, Y., Dai, Q., Jiang, L. Skeletal Phenotype Analysis of a Conditional Stat3 Deletion Mouse Model. J. Vis. Exp. (161), e61390, doi:10.3791/61390 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image