Summary

Скелетный фенотип анализ условной модели удаления Stat3 мыши

Published: July 03, 2020
doi:

Summary

Этот протокол описывает канонический метод для понимания критических генов, контролирующих активность остеокласта in vivo. Этот метод использует трансгенную модель мыши и некоторые канонические методы для анализа скелетного фенотипа.

Abstract

Трансгенные модели мыши являются мощными для понимания критических генов, контролирующих дифференциацию и активность остеокласта, а также для изучения механизмов и фармацевтических методов лечения остеопороза. Катепсин K (Ctsk)-Cre мышей были широко использованы для функциональных исследований остеокластов. Препонент сигнала и активатор транскрипции 3 (STAT3) актуален в гомеостазе костей, но его роль в остеокластах in vivo остается плохо определенной. Чтобы обеспечить in vivo доказательства того, что STAT3 участвует в дифференциации остеокласта и метаболизма костей, мы создали остеокласт конкретных Stat3 удаления мыши модели (Stat3 fl/fl; Ctsk-Cre) и проанализировал его скелетный фенотип. Микро-КТ сканирование и 3D реконструкция подразумевает увеличение костной массы у условного нокаут мышей. Для обнаружения метаболизма костей были выполнены окрашивание, кальциин и ализарин красного двойного окрашивания, а также тартратостойкий кислотный фосфатаза (TRAP). Короче говоря, этот протокол описывает некоторые канонические методы и методы для анализа скелетного фенотипа и изучения критических генов, контролирующих активность остеокласта in vivo.

Introduction

Скелетная кость является основным несущим органом человеческого тела и находится под давлением как внутренней, так и внешней среды во время ходьбы и физическихупражнений 1. На протяжении всей своей жизни, кости постоянно проходят через самообувека, которая уравновешивается остеобластов и остеокластов. Процесс очистки остеокластов старых костей и остеобластов, образующих новую кость, поддерживает гомеостаз и механическую функцию скелетнойсистемы 2. Нарушение баланса может вызвать заболевания костного обмена веществ, такие как остеопороз. Остеопороз, вызванный избыточной остеокластической активностью, широко распространен во всем мире и наносит существенныеэкономические потери обществу 2,3,4. В соответствии с ограниченным числом препаратов, доступных для леченияостеопороза и их риск побочных эффектов 4, важно раскрыть детали формирования остеокласта и деятельности.

Остеокласты, полученные из моноцитов / макрофаг гематопоэтической линии имеют несколько ядер (может иметь от 2 до 50 ядер) и большие (обычно больше, чем 100 мкм в диаметре)2. Хотя изучение механизмов и скрининг препаратов на остеокластические расстройства были широко улучшены с помощью культуры остеокласта in vitro, сложные органические реакции делают in vivo необходимым доказательством для целенаправленной терапии. Из-за генетического и патофизиологического сходства между мышами и людьми, генетически модифицированные модели мыши обычно используются для изучения механизмов и фармацевтических методов лечения заболеваний человека in vivo6. Система Cre-loxP является широко используемой технологией для редактирования генов мыши и позволила исследователям исследовать генные функции в тканевой/клеточной манере5. Катепсин K (CSTK) является протеазы цистеина выделяется остеокластов, которые могут ухудшить костного коллагена8. Хорошо известно, что CTSK избирательно выражается в зрелых остеокластов; таким образом, Ctsk-Cre мышей считаются полезным инструментом для функциональных исследований остеокластов и был использован6.

Сигнал превудактор и активатор транскрипции (STAT) семьи является классическим и весьма значительным в иммунитете и прогрессиирака и развития 7,8. Среди семи STATs, STAT3, как сообщается, наиболее актуальным для кости гомеостаза9,10. Несколько исследований in vivo сообщили, что специфическая инактивация STAT3 при остеобластах уменьшаетформирование костей 9,10. Тем не менее, веские данные об участии STAT3 в формировании остеокласта и метаболизме костей в виво по-прежнему ограничены. Недавно мы предоставили доказательства in vivo с остеокластом конкретных Stat3 удаления мыши модели (Stat3fl/fl; Ctsk-Cre, далее называется Stat3Ctsk), что STAT3 участвует в дифференциации остеокласта и метаболизма костей11. В настоящем исследовании мы описываем методы и протоколы, которые мы использовали для анализа изменений в костной массе, костной гистоморфологии, костной анаболии и катаболизма мышей Stat3Ctsk для изучения влияния остеокласт-специфического удаления STAT3 на гомеостаз костей.

Protocol

Все методы, касающиеся животных, описанных здесь, были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и использованию (IACUC) Школы медицины Шанхайского университета Цзяотонг. 1. Разведение остеокластных специфических мышей удаления Stat3 ПРИМ…

Representative Results

Используя настоящий протокол, остеокласт конкретных Stat3 удаления мышей были созданы для изучения влияния удаления STAT3 на остеокласт дифференциации. Stat3Ctsk мышей и их wildtype (WT) littermates были выведены и хранятся после генотипирования. Макрофаги костного мозга были изолиро…

Discussion

Генетически модифицированные модели мыши обычно используются для изучения механизма и фармацевтического лечения болезни человека13. Мышей Ctsk-Cre широко используются для функциональных исследований остеокластов6. В настоящем исследовании описаны протоко…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим профессора Вайгуо Цзоу и С. Като за реагенты и мышей, а также сотрудников лаборатории Цзоу за полезные дискуссии. Мы также благодарим Лабораторию оцифровке стоматологии и научно-исследовательский центр краниофациальных аномалий Шанхайской девятой народной больницы за помощь. Эта работа была частично поддержана грантами Национального фонда естественных наук Китая (NSFC) (81570950,81870740,81800949), Шанхайская встреча на высшем уровне – Плато Дисциплины, ФОНД SHIPM-mu от Шанхайского института точной медицины, Шанхайская девятая населения больница, Шанхайская школа медицины Университета Цзяо Тонга (JC201809), проект стимулирования команды высокого уровня инноваций для Школы медицины Шанхайского университета Цзяо Тонг , Междисциплинарный исследовательский фонд Шанхайской девятой народной больницы, Шанхайская школа медицины университета ЦзяоТанг (JYJC201902). И Л.Д. является ученым выдающихся молодых медицинских талантов, Шанхай “Восходящие звезды медицинского таланта” Программа развития молодежи и “Чэнь Син” проекта из Шанхайского университета Цзяотун.

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

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).

Play Video

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).

View Video