JP2017216882A - Method of detecting the existence of osteopathy, osteopathy therapeutic agent, and method for screening osteopathy therapeutic agent - Google Patents

Method of detecting the existence of osteopathy, osteopathy therapeutic agent, and method for screening osteopathy therapeutic agent Download PDF

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栄一 檜井
Eiichi Hii
栄一 檜井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze the mechanism of occurrence of osteopathy in detail to provide a method of detecting osteopathy, an osteopathy therapeutic agent, and a method for screening an osteopathy therapeutic agent.SOLUTION: The inventors have completed the invention by newly discovering that Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9 cascade plays an important role in controlling skeleton formation (cartilage formation).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、骨障害の存在の検出方法、骨障害治療剤及び骨障害治療剤のスクリーニング方法に関する。   The present invention relates to a method for detecting the presence of a bone disorder, a therapeutic agent for bone disorder and a screening method for a therapeutic agent for bone disorder.

(骨形成)
骨は、胚及び生後の骨格形成の間に、2つの異なるプロセスである膜内及び軟骨内骨化によって形成される{非特許文献1:Annual review of cell and evelopmental biology 25, 629-648 (2009)、非特許文献2:Cold Spring Harb Perspect Biol 5, a008334 (2013)}。頭蓋骨の扁平骨、鎖骨及び下顎骨は、骨を形成する骨芽細胞に直接分化する間葉系幹細胞を含む結合組織内骨化によって骨化される{非特許文献3:Molecular cell biology 13, 27-38 (2012)}。前肢(上腕骨、橈骨及び尺骨)、後肢(大腿骨、脛骨及び腓骨)、足及び手(中足骨、中手骨及び基節骨)における長骨等の他の骨は、軟骨内骨化により形成される{非特許文献4:Cell 90, 631 979-990 (1997)}。軟骨内骨化において、間葉系幹細胞は、軟骨のテンプレート(cartilaginous template)から軟骨細胞に分化する。軟骨細胞は、肥大軟骨細胞の領域において、痕跡器官の中心領域周辺で、休止し、増殖し、肥大化し、石灰化する段階を進行しながら、分化し、軟骨マトリックス石化(cartilage matrix mineralisation)を引き起こす。石化後、多くの肥大軟骨細胞は、新しい骨を産生するために、アポトーシスを経て、毛細血管、破骨細胞、骨髄細胞及び骨芽細胞の軟骨マトリックスへの侵入を引き起こす{非特許文献5:Nature 423, 332-336 (2003)、非特許文献6:Calcif Tissue Int 92, 307-323 (2013)}。
(Bone formation)
Bone is formed during embryonic and postnatal skeletal formation by two different processes, intramembrane and endochondral ossification {Non-Patent Document 1: Annual review of cell and evelopmental biology 25, 629-648 (2009 ), Non-Patent Document 2: Cold Spring Harb Perspect Biol 5, a008334 (2013)}. Skull flat bone, clavicle and mandible are ossified by ossification in connective tissue containing mesenchymal stem cells that directly differentiate into osteoblasts forming bone {Non-patent Document 3: Molecular cell biology 13, 27 -38 (2012)}. Other bones such as long bones in the forelimbs (humerus, radius and ulna), hindlimbs (femur, tibia and radius), legs and hands (metatarsal, metacarpal and proximal phalanx) are endochondral ossification {Non-Patent Document 4: Cell 90, 631 979-990 (1997)}. In endochondral ossification, mesenchymal stem cells differentiate from cartilage templates to chondrocytes. Chondrocytes differentiate in the area of hypertrophic chondrocytes, around the central area of the trace organ, undergoing stages of quiescence, proliferation, hypertrophy and mineralization, causing cartilage matrix mineralization . After petrification, many hypertrophic chondrocytes undergo apoptosis and invade capillaries, osteoclasts, bone marrow cells and osteoblasts into the cartilage matrix to produce new bone {Non-Patent Document 5: Nature 423, 332-336 (2003), Non-Patent Document 6: Calcif Tissue Int 92, 307-323 (2013)}.

(細胞外シグナル制御キナーゼ5)
細胞外シグナル制御キナーゼ5(Extracellular signal-regulated kinase 5;Erk5)は、Erk1/2、c-Jun アミノ末端キナーゼ及びp38を含む、分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ(MAPK)ファミリーに属する。Erk5は、MAPK/Erkキナーゼ-5(Mek5)により特異的にリン酸化されて、活性化される。Erk1及びErk2は、アイソフォーム特異的な効果(Erk1及びErk2それぞれに固有の効果)の報告はされているが、高度の類似性を示し、また、機能的に同等であると考えられている{非特許文献7:Current Opinion in Cell Biology 9, 180-186 (1997)}。
Erk5は、2つのプロリンリッチ領域及び1つの核局在化シグナルをコードする、固有のC末端伸長により、他のErk酵素よりも大きな分子量(Erk1/2の約2倍)を有する{非特許文献8:EMBO Rep 7, 782-786 (2006)、非特許文献9:The Journal of biological chemistry 280, 2659-2667 (2005)}。マウスの遺伝学研究は、「軟骨細胞分化の連続的段階の制御による骨格発達において、Erk1/2経路が、本質的な役割を果していること」を示している{非特許文献10:Molecular and cellular biology 29, 5843-5857 (2009)、非特許文献11:Journal of bone and mineral research : the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 30, 765-774 (2015)、非特許文献12:Biochem Soc Trans 42, 1584-1589 (2014)}。さらに、Erk1/2 MAPK経路におけるシグナル分子における突然変異が、ヌーナン(Noonan)症候群、コステロ(Costello)症候群及びcardio-facio-cutaneous症候群を含む、多くのヒト骨格障害(骨形成障害)を引き起こすことを明らかにした{非特許文献13:Annu Rev Genomics Hum Genet 14, 355-369 (2013)、非特許文献14:Science 311, 1287-1290 (2006)、非特許文献15:Nature medicine 12, 283-285 (2006)}。
しかし、Erk5は、Erk1/2とは異なり、骨格形成における役割に関しては、知られていない。
(Extracellular signal-regulated kinase 5)
Extracellular signal-regulated kinase 5 (Erk5) belongs to the mitogen-activated protein kinase (MAPK) family including Erk1 / 2, c-Jun amino terminal kinase and p38. Erk5 is specifically phosphorylated and activated by MAPK / Erk kinase-5 (Mek5). Erk1 and Erk2 have been reported to have isoform-specific effects (effects specific to Erk1 and Erk2, respectively), but show a high degree of similarity and are considered functionally equivalent { Non-Patent Document 7: Current Opinion in Cell Biology 9, 180-186 (1997)}.
Erk5 has a higher molecular weight (about twice that of Erk1 / 2) than other Erk enzymes due to the unique C-terminal extension encoding two proline-rich regions and one nuclear localization signal {non-patent literature 8: EMBO Rep 7, 782-786 (2006), Non-Patent Document 9: The Journal of biological chemistry 280, 2659-2667 (2005)}. Genetic studies of mice have shown that "Erk1 / 2 pathway plays an essential role in skeletal development by controlling the continuous stage of chondrocyte differentiation" {Non-Patent Document 10: Molecular and cellular biology 29, 5843-5857 (2009), Non-Patent Document 11: Journal of bone and mineral research: the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 30, 765-774 (2015), Non-Patent Document 12: Biochem Soc Trans 42, 1584-1589 (2014)}. In addition, mutations in signal molecules in the Erk1 / 2 MAPK pathway cause a number of human skeletal disorders (bone dysgenesis), including Noonan syndrome, Costello syndrome and cardio-facio-cutaneous syndrome. Clarified {Non-Patent Literature 13: Annu Rev Genomics Hum Genet 14, 355-369 (2013), Non-Patent Literature 14: Science 311, 1287-1290 (2006), Non-Patent Literature 15: Nature medicine 12, 283-285 (2006)}.
However, unlike Erk1 / 2, Erk5 is not known for its role in skeleton formation.

(先行特許文献)
本発明の先行特許文献として、以下を例示することができる。
特許文献1は、「個体の血液中のBMP−1イソ型のプロファイルを確定すること、および該プロファイルを種々の欠損および障害に関連したBMP−1イソ型の標準血液プロファイルと比較することを含む、個体の骨または軟組織における欠損または障害を診断する方法」を開示している。
特許文献2は、「骨または軟骨障害を診断し、および/または検出するための方法であって、試験試料中のポリペプチドの発現レベルが前記ポリペプチドに特異的に結合する抗体と試験試料を接触すること、および前期試験試料に対する前期抗体の結合を測定することによって測定される方法」を開示している。
特許文献3は、「女性の爪を検体とし、エストロゲン受容体発現遺伝子、LDL受容体関連タンパク5発現遺伝子、及びI型コラーゲン発現遺伝子の少なくとも1つの発現遺伝子における塩基置換を検出することを特徴とする、骨粗鬆症、骨形成不全症、又は骨密度形成不良症の発症リスクを診断する方法」を開示している。
しかしながら、特許文献1〜3は、本発明の骨障害の存在の検出方法の各工程を開示又は示唆していない。
(Prior Patent Literature)
The following can be illustrated as prior patent documents of the present invention.
US Pat. No. 6,057,031 includes "determining the profile of BMP-1 isoforms in an individual's blood and comparing the profile to a standard blood profile of BMP-1 isoforms associated with various defects and disorders. , "A method for diagnosing a defect or disorder in an individual's bone or soft tissue".
Patent Document 2 states that “a method for diagnosing and / or detecting a bone or cartilage disorder, in which an expression level of a polypeptide in a test sample specifically binds to the polypeptide and the test sample. A method determined by contacting and measuring the binding of the pre-antibody to the pre-test sample.
Patent Document 3 is characterized by detecting a base substitution in at least one expression gene of an estrogen receptor expression gene, an LDL receptor-related protein 5 expression gene, and a type I collagen expression gene using a female nail as a specimen. , A method for diagnosing the onset risk of osteoporosis, osteogenesis imperfecta, or osteogenesis imperfecta.
However, Patent Documents 1 to 3 do not disclose or suggest each step of the method for detecting the presence of a bone disorder of the present invention.

Annual review of cell and evelopmental biology 25, 629-648 (2009)Annual review of cell and evelopmental biology 25, 629-648 (2009) Cold Spring Harb Perspect Biol 5, a008334 (2013)Cold Spring Harb Perspect Biol 5, a008334 (2013) Molecular cell biology 13, 27-38 (2012)Molecular cell biology 13, 27-38 (2012) Cell 90, 631 979-990 (1997)Cell 90, 631 979-990 (1997) Nature 423, 332-336 (2003)Nature 423, 332-336 (2003) Calcif Tissue Int 92, 307-323 (2013)Calcif Tissue Int 92, 307-323 (2013) Current Opinion in Cell Biology 9, 180-186 (1997)Current Opinion in Cell Biology 9, 180-186 (1997) EMBO Rep 7, 782-786 (2006)EMBO Rep 7, 782-786 (2006) The Journal of biological chemistry 280, 2659-2667 (2005)The Journal of biological chemistry 280, 2659-2667 (2005) Molecular and cellular biology 29, 5843-5857 (2009)Molecular and cellular biology 29, 5843-5857 (2009) Journal of bone and mineral research : the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 30, 765-774 (2015)Journal of bone and mineral research: the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 30, 765-774 (2015) Biochem Soc Trans 42, 1584-1589 (2014)Biochem Soc Trans 42, 1584-1589 (2014) Annu Rev Genomics Hum Genet 14, 355-369 (2013)Annu Rev Genomics Hum Genet 14, 355-369 (2013) Science 311, 1287-1290 (2006)Science 311, 1287-1290 (2006) Nature medicine 12, 283-285 (2006)Nature medicine 12, 283-285 (2006)

特表2009−544286Special table 2009-544286 特表2012−506551Special table 2012-506551 特開2010−246424JP 2010-246424

骨障害が生じる機構が十分に解明されておらず、それにより骨障害の検出方法、骨障害の治療剤の開発が困難であることが現状である。
よって、本発明では、骨障害が生じる機構の解明により、骨障害の検出方法、骨障害の治療剤及び骨障害治療剤のスクリーニング方法を提供する。
The mechanism that causes bone disorders has not been fully elucidated, and it is difficult to develop a method for detecting bone disorders and therapeutic agents for bone disorders.
Therefore, the present invention provides a method for detecting a bone disorder, a therapeutic agent for the bone disorder, and a screening method for the therapeutic agent for the bone disorder by elucidating the mechanism by which the bone disorder occurs.

本発明者らは、上記課題を解決するために研究した結果、以下の知見を基にして
本発明を完成した。
(1)Erk5が、骨格形成(特に中足骨、中手骨及び基節骨を含む、骨区画(bone compartment))において重要な役割を有する。
(2)Erk5が、E3ユビキチンリガーゼであるSmad特異的E3ユビキチンリガーゼ2(Smad-specific E3 ubiquitin ligase 2;Smurf2)の249番目のスレオニン(Thr249)を直接リン酸化し、続いて、Smadタンパク質のプロテアソーム分解の加速により軟骨形成を制御する。
(3)Smadタンパク質が、間葉細胞における軟骨形成の主要な転写因子であるsex-determining region Y-type high-mobility group box protein 9(Sox9)の発現を転写的に活性化する。
(4)Sox9が、in vivo及びin vitroでErk5依存性の骨格形成及び軟骨形成の重要な媒介物質である。
(5)上記(1)〜(4)により、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードが骨格形成(軟骨形成)を制御するために重要な役割を有する(参照:図6)。
As a result of studies to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention based on the following findings.
(1) Erk5 has an important role in skeletal formation (especially the bone compartment, including metatarsal bone, metacarpal bone and proximal phalanx).
(2) Erk5 directly phosphorylates the 249th threonine (Thr249) of Smad-specific E3 ubiquitin ligase 2 (Smurf2), an E3 ubiquitin ligase, followed by the proteasome of the Smad protein Controls cartilage formation by accelerating degradation.
(3) Smad protein transcriptionally activates the expression of sex-determining region Y-type high-mobility group box protein 9 (Sox9), which is a major transcription factor for cartilage formation in mesenchymal cells.
(4) Sox9 is an important mediator of Erk5-dependent skeletal and cartilage formation in vivo and in vitro.
(5) From the above (1) to (4), the Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade has an important role in controlling skeletal formation (chondrogenesis) (see FIG. 6).

すなわち、本発明は以下の通りである。
1.被験者由来生体試料中の以下のいずれか1以上を検出することを特徴とする骨障害の存在の検出方法。
(1)Smurf2のリン酸化
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量
(4)Mek5のキナーゼ活性
(5)Erk5のキナーゼ活性
2.前記生体試料は、間葉細胞である前項1に記載の検出方法。
3.前記Smurf2のリン酸化の検出は、コントロールと比較して低いことを指標とする前項1又は2に記載の検出方法。
4.前記Smurf2のリン酸化の検出は、Smurf2のN末端から249番目のセリンがリン酸化されているかどうかを検出することである前項1又は2に記載の検出方法。
5.前記骨障害は、骨形成不全症、タナトフォリック骨異形成症、骨粗鬆症、骨減少症、骨軟化症、骨骨髄腫、骨形成異常、パジェット病、骨硬化症、再生不良性骨障害、体液性高カルシウム血症骨髄腫、多発性骨髄腫、クルゾン症候群、オプシスモ異形成(成熟遅延骨異形成症)、濃化異骨症、又は、大理石骨病である前項1〜4のいずれか1に記載の検出方法。
6.前記骨障害は、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全によるものである前項1〜5のいずれか1に記載の検出方法。
7.以下の(1)〜(4)いずれか1を有効成分とする骨障害治療剤。
(1)Smurf2遺伝子又はSmurf2タンパク質
(2)抗Smad1抗体、抗Smad2抗体及び/又は抗Smad3抗体
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制するsiRNA又はshRNA
(4)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制する化合物
8.以下の(1)〜(3)のいずれか1から選択される骨障害治療剤のスクリーニング方法。
(1)Smurf2のリン酸化を促進させる試験化合物を選択する
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性を促進させる試験化合物を選択する
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量を低下させる試験化合物を選択する
That is, the present invention is as follows.
1. Any one or more of the following in a subject-derived biological sample is detected: A method for detecting the presence of a bone disorder.
(1) Phosphorylation of Smurf2 (2) Ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 (3) Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression level (4) Kinase activity of Mek5 (5) Kinase activity of Erk5 2. The detection method according to item 1, wherein the biological sample is a mesenchymal cell.
3. 3. The detection method according to item 1 or 2, wherein the detection of phosphorylation of Smurf2 is lower than that of control.
4). 3. The detection method according to item 1 or 2, wherein the detection of phosphorylation of Smurf2 is to detect whether the 249th serine from the N-terminal of Smurf2 is phosphorylated.
5). The bone disorder is osteogenesis imperfecta, tanatofolic dysplasia, osteoporosis, osteopenia, osteomalacia, bone myeloma, bone dysplasia, Paget's disease, osteosclerosis, aplastic bone disorder, body fluid Any one of the preceding clauses 1 to 4 which are multiple hypercalcemic myeloma, multiple myeloma, Kurzon syndrome, opcismo dysplasia (mature delayed osteodysplasia), concentrated dysplasia, or marble bone disease The detection method described.
6). 6. The detection method according to any one of 1 to 5 above, wherein the bone disorder is caused by Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade failure.
7). An agent for treating bone disorders comprising any one of the following (1) to (4) as an active ingredient.
(1) Smurf2 gene or Smurf2 protein (2) Anti-Smad1 antibody, anti-Smad2 antibody and / or anti-Smad3 antibody (3) siRNA or shRNA that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3
(4) Compounds that suppress the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3 A screening method for a bone disorder therapeutic agent selected from any one of the following (1) to (3).
(1) Select a test compound that promotes phosphorylation of Smurf2 (2) Select a test compound that promotes ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 (3) Select a test compound that reduces the expression level of Smad1, Smad2, and / or Smad3 select

本発明では、新規な骨障害の存在の検出方法、骨障害治療剤及び骨障害治療剤のスクリーニング方法を提供することができる。   The present invention can provide a novel method for detecting the presence of a bone disorder, a therapeutic agent for bone disorder, and a screening method for a therapeutic agent for bone disorder.

Erk5は、in vivo及びin vitroで、骨格形成及び軟骨形成のために重要であることを示す結果。(A)E18.5のErk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の骨格の全体及び部分(a〜h)並びに3週齢のErk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/flオスマウスの脚のμCT 3D画像(i、j)。胚は、アリザリンレッド及びアルシアンブルーで二重染色した。バー=10 mm(a、b)及びバー=1 mm(c〜h)。(B)E18.5のErk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の中足骨の組織学的分析及びin situハイブリダイゼーション分析。中足骨は、H&E(a、b)、サフラニンO(c、d)及びvon Kossa(e、f)で染色した。中足骨中のCol2a1(g、h)、Col10a1(i、j)及びMmp13(k、l)のmRNA発現。バー=150 μm。異なる親由来の3匹以上のマウスに由来した骨格標本及び組織学的分析の代表的な画像を示した。E12.5のErk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の分離された間葉細胞の微量質量培養を行い、続いて(C)6日目にアルシアンブルー染色(a、b)、12日目にアリザリンレッド染色(c、d)(n = 5)、(D及びE)mRNA発現解析(n = 5)及び(F)タンパク質発現解析(n = 3)を行った。バー=500 μm。(G)Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚由来の初期間葉細胞は、レトロウイルスによりErk5(WT)又はErk5(DN)発現ベクターを導入し、その後、微量質量培養、続いて、6日目にアルシアンブルー染色(a〜f)、12日目にアリザリンレッド染色(g〜l)(n = 5)を行った。バー=500 μm。**P<0.01は、コントロール細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。統計的有意差は、two-tailed及びunpairedのStudent's t-test(D及びE)を使用して決定した。Results showing that Erk5 is important for skeletal and cartilage formation in vivo and in vitro. (A) Erk5 fl / fl and Prx1-Cre of E18.5; whole and part (a to h) of the skeleton of Erk5 fl / fl embryo and 3-week-old Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl ΜCT 3D image of male mouse leg (i, j). Embryos were double stained with alizarin red and alcian blue. Bar = 10 mm (a, b) and bar = 1 mm (c to h). (B) Histological analysis and in situ hybridization analysis of the metatarsal bones of Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos of E18.5. The metatarsals were stained with H & E (a, b), safranin O (c, d) and von Kossa (e, f). MRNA expression of Col2a1 (g, h), Col10a1 (i, j) and Mmp13 (k, l) in metatarsals. Bar = 150 μm. Shown are skeletal specimens from 3 or more mice from different parents and representative images of histological analysis. Micromass culture of isolated mesenchymal cells of E12.5 Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos, followed by (C) Day 6 Alcian blue staining (a, b) On day 12, alizarin red staining (c, d) (n = 5), (D and E) mRNA expression analysis (n = 5) and (F) protein expression analysis (n = 3) were performed. Bar = 500 μm. (G) Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; early mesenchymal cells derived from Erk5 fl / fl embryos were retrovirally introduced with Erk5 (WT) or Erk5 (DN) expression vector, followed by micromass culture, followed On the 6th day, Alcian blue staining (af) was performed, and on the 12th day alizarin red staining (gl) (n = 5) was performed. Bar = 500 μm. ** P <0.01 means significantly different from the value obtained in control cells. Statistical significance was determined using two-tailed and unpaired Student's t-test (D and E). Erk5は、Smadタンパク質のユビキチン依存性分解を制御することを示す結果。(A)Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚由来の初期間葉細胞は、ルシフェラーゼ活性を決定するために、様々なルシフェラーゼベクターを一過的に導入した(n = 5)。Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の分離された間葉細胞の微量質量培養を行い、(B)qPCRによるmRNA発現の決定(n = 5)及び(C及びD)イムノブロッティング及び免疫細胞化学によるタンパク質発現の決定(n = 3)を行った。バー=10 μm。(E)Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の初期間葉細胞を、2時間及び4時間で50 μg/mLのシクロヘキシミドで処理し、その後、イムノブロッティングで分析した(n = 4)。(F)HEK293細胞は、Mek5D又はErk5(WT)発現ベクターの存在下又は非存在下において、HA-Ub及びFlag-Smadを導入し、その後、抗Flag抗体で免疫沈降し、続いて抗HA抗体でイムノブロッティングした(n = 4)。**P<0.01は、コントロール細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。統計的有意差は、two-tailed及びunpairedのStudent's t-test(A及びB)を使用して決定した。Results showing that Erk5 regulates ubiquitin-dependent degradation of Smad protein. (A) Early mesenchymal cells derived from Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos transiently introduced various luciferase vectors to determine luciferase activity (n = 5). Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Micromass culture of isolated mesenchymal cells of Erk5 fl / fl embryos, (B) Determination of mRNA expression by qPCR (n = 5) and (C and D) immunoblotting And the determination of protein expression by immunocytochemistry (n = 3). Bar = 10 μm. (E) Early mesenchymal cells of Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos were treated with 50 μg / mL cycloheximide for 2 and 4 hours and then analyzed by immunoblotting (n = Four). (F) HEK293 cells are introduced with HA-Ub and Flag-Smad in the presence or absence of Mek5D or Erk5 (WT) expression vector, followed by immunoprecipitation with anti-Flag antibody, followed by anti-HA antibody And immunoblotting (n = 4). ** P <0.01 means significantly different from the value obtained in control cells. Statistical significance was determined using two-tailed and unpaired Student's t-test (A and B). Smurf2上のThr249残基は、Smadタンパク質のErk5媒介分解及び軟骨形成の制御のために必要不可欠であることを示す結果。(A)HEK293細胞は、様々な発現ベクターを一過的に導入し、続いて、抗Flag抗体で免疫沈降し、続いて、抗HA抗体でイムノブロッティングした(n = 3)。(B)初期間葉細胞を、抗Erk5抗体で免疫沈降し、続いて、抗Smurf2抗体でイムノブロッティングした(n = 3)。(C)予測リン酸化部位及び脊椎動物間の保存領域を示したSmurf2タンパク質構造の概略図。(D)in vitroのキナーゼアッセイ。リコンビナントのSmuf2タンパク質は、リコンビナントactive又はinactive Erk5と共にインキュベートし、その後、Phos-tag SDS-PAGE、続いてイムノブロッティングした(n = 4)。(E)in vitroのユビキチン化アッセイ。リコンビナントSmuf2タンパク質及びSmadタンパク質は、E1及びUbcH5c存在下でリコンビナントactive Erk5と共にインキュベートし、続いて、SDS-PAGEで分析した(n = 4)。(F)Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚由来の初期間葉細胞は、レトロウイルスによりSmurf2(WT)、Smurf2(T249A)又はSmurf2(T249E)ベクターを導入し、その後、微量質量培養、続いて、6日目にアルシアンブルー染色をおこなった(n = 5)。バー=500 μm。(G)初期間葉細胞は、一過的にBRE-lucベクター及びSmurf2(WT)、Smurf2(T249A)若しくはSmurf2(T249E)発現ベクターと共に共導入し、その後、ルシフェラーゼ活性を測定した(n = 5)。**P<0.01は、空ベクター導入細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。#P<0.05は、Smurf2(WT)ベクター導入細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。統計的有意差は、Bonferroni post-hoc testを用いた一元配置分散分析(one way analysis of variance)を使用して決定した(G)。Results showing that the Thr249 residue on Smurf2 is essential for the control of Erk5-mediated degradation of the Smad protein and chondrogenesis. (A) HEK293 cells were transiently transfected with various expression vectors, followed by immunoprecipitation with anti-Flag antibody, followed by immunoblotting with anti-HA antibody (n = 3). (B) Early mesenchymal cells were immunoprecipitated with anti-Erk5 antibody, followed by immunoblotting with anti-Smurf2 antibody (n = 3). (C) Schematic diagram of Smurf2 protein structure showing predicted phosphorylation sites and conserved regions between vertebrates. (D) In vitro kinase assay. Recombinant Smuf2 protein was incubated with recombinant active or inactive Erk5, followed by Phos-tag SDS-PAGE followed by immunoblotting (n = 4). (E) In vitro ubiquitination assay. Recombinant Smuf2 and Smad proteins were incubated with recombinant active Erk5 in the presence of E1 and UbcH5c and subsequently analyzed by SDS-PAGE (n = 4). (F) Early mesenchymal cells derived from Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos were transfected with Smurf2 (WT), Smurf2 (T249A) or Smurf2 (T249E) vector by retrovirus, Mass culture was followed by Alcian blue staining on day 6 (n = 5). Bar = 500 μm. (G) Early mesenchymal cells were transiently co-introduced with BRE-luc vector and Smurf2 (WT), Smurf2 (T249A) or Smurf2 (T249E) expression vector, and then luciferase activity was measured (n = 5 ). ** P <0.01 means that it is significantly different from the value obtained in the empty vector-introduced cells. # P <0.05 means that it is significantly different from the value obtained in the Smurf2 (WT) vector-introduced cells. Statistical significance was determined using one way analysis of variance with Bonferroni post-hoc test (G). Smadタンパク質は間葉細胞のSox9発現を直接活性化することを示す結果。WT胚由来の初期間葉細胞は、様々なSmad発現ベクターを一過的に導入し、続いて、(A)タンパク質発現の決定(n = 3)及び(B)Sox9のmRNA発現の決定(n = 5)を行った。(C)ChIPアッセイに使用されたプライマー(a〜d)に加えて、推定のBRE及びSBEを有するマウス及びヒトのSox9プロモーター領域のアラインメントの概略図。(D)WT胚由来の初期間葉細胞は、Sox9-luc及び様々なSmad発現ベクターを一過的に共導入し、続いて、ルシフェラーゼ活性を決定した(n = 5)。Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚由来の初期間葉細胞は、(C)において示した(E)BRE及び(F)SBEを含むSox9プロモーターを認識するための特異的プライマー(a〜d)に加えて、抗Smad1、抗Smad2及び抗Smad3抗体を使用したChIPアッセイにより分析した。* P<0.05及び**P<0.01は、空ベクター導入細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する(B及びD)。* P<0.05は、コントロール細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する(E及びF)。統計的有意差は、two-tailed及びunpairedのStudent's t-test(B及びD〜F)を使用して決定した。Results show that Smad protein directly activates Sox9 expression in mesenchymal cells. Early mesenchymal cells from WT embryos were transiently introduced with various Smad expression vectors, followed by (A) determination of protein expression (n = 3) and (B) determination of mRNA expression of Sox9 (n = 5) was performed. (C) Schematic representation of the alignment of mouse and human Sox9 promoter regions with putative BRE and SBE in addition to the primers (ad) used in the ChIP assay. (D) WT embryo-derived early mesenchymal cells transiently co-introduced Sox9-luc and various Smad expression vectors, and subsequently determined luciferase activity (n = 5). Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; early mesenchymal cells derived from Erk5 fl / fl embryos showed specific primers for recognizing the Sox9 promoter containing (E) BRE and (F) SBE shown in (C) ( In addition to a to d), analysis was performed by ChIP assay using anti-Smad1, anti-Smad2 and anti-Smad3 antibodies. * P <0.05 and ** P <0.01 mean significantly different from the values obtained in empty vector-introduced cells (B and D). * P <0.05 means significantly different from values obtained in control cells (E and F). Statistical significance was determined using two-tailed and unpaired Student's t-tests (B and DF). Erk5は、in vivo及びin vitroでSox9を介して骨格形成及び軟骨形成を制御することを示す結果。(A)E18.5のErk5fl/fl、Prx1-Cre;Erk5fl/fl、Prx1-Cre;Erk5fl/fl;Sox9fl/+、Prx1-Cre;Sox9fl/+胚の骨格の全体及び部分(a〜p)及び3週齢の突然変異体マウスの脚のμCT 3D画像(q〜t)。胚は、アリザリンレッド及びアルシアンブルーで二重染色した。バー=10 mm(a〜d)及びバー=1 mm(e〜p)。異なる親由来の3匹以上のマウス由来の骨格標本の代表的画像を示した。E12.5のErk5fl/fl、Prx1-Cre;Erk5fl/fl、Prx1-Cre;Erk5fl/fl;Sox9fl/+、Prx1-Cre;Sox9fl/+胚の分離された間葉細胞の微量質量培養を行い、続いて、(B及びC)6日目にアルシアンブルー染色(a〜d)、(B及びD)12日目にアリザリンレッド染色(e〜h)を行った(n = 5)。バー=500 μm。**P<0.01は、コントロール細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。##P<0.01は、Erk5欠失細胞中で得られた値と有意に異なることを意味する。統計的有意差は、Bonferroni post-hoc testを用いた一元配置分散分析(one way analysis ofvariance)を使用して決定した(C及びD)。Results showing that Erk5 regulates skeletal and cartilage formation via Sox9 in vivo and in vitro. (A) Erk5 fl / fl of E18.5, Prx1-Cre; Erk5 fl / fl , Prx1-Cre; Erk5 fl / fl ; Sox9 fl / + , Prx1-Cre; Sox9 fl / + whole and part of embryo skeleton (Ap) and μCT 3D images (q-t) of the legs of 3 week old mutant mice. Embryos were double stained with alizarin red and alcian blue. Bar = 10 mm (ad) and bar = 1 mm (ep). Representative images of skeletal specimens from 3 or more mice from different parents are shown. E12.5 Erk5 fl / fl , Prx1-Cre; Erk5 fl / fl , Prx1-Cre; Erk5 fl / fl ; Sox9 fl / + , Prx1-Cre; Sox9 fl / + isolated trace amount of mesenchymal cells Mass culture was performed, followed by (B and C) Alcian blue staining (a to d) on day 6 and (B and D) alizarin red staining (e to h) on day 12 (n = Five). Bar = 500 μm. ** P <0.01 means significantly different from the value obtained in control cells. ## P <0.01 means significantly different from the value obtained in Erk5-deficient cells. Statistical significance was determined using one way analysis ofvariance with Bonferroni post-hoc test (C and D). 本実施例から得られた骨格形成に関与するMek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードの模式図。The schematic diagram of the Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade involved in the skeleton formation obtained from this example.

(本発明の対象)
本発明の対象は、骨障害の存在の検出方法、骨障害治療剤及び骨障害治療剤のスクリーニング方法に関する。
(Subject of the present invention)
The subject of the present invention relates to a method for detecting the presence of a bone disorder, a therapeutic agent for bone disorder, and a screening method for a therapeutic agent for bone disorder.

(骨障害の存在の検出方法)
本発明の「骨障害の存在の検出方法」は、被験者由来生体試料中の以下のいずれか1以上を検出することができれば特に限定されない。
(1)Smurf2のリン酸化
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量
(4)Mek5のキナーゼ活性
(5)Erk5のキナーゼ活性
(Method for detecting the presence of bone disorders)
The “method for detecting the presence of bone disorder” of the present invention is not particularly limited as long as it can detect any one or more of the following in a subject-derived biological sample.
(1) Smurf2 phosphorylation (2) Smurf2 ubiquitin E3 ligase activity (3) Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression level (4) Mek5 kinase activity (5) Erk5 kinase activity

(骨障害)
本発明において、「骨障害」とは、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全による骨格形成に障害がある疾患を意味する。
例えば、骨形成不全症、タナトフォリック骨異形成症、骨粗鬆症、骨減少症、骨軟化症、骨骨髄腫、骨形成異常、パジェット病、骨硬化症、再生不良性骨障害、体液性高カルシウム血症骨髄腫、多発性骨髄腫、クルゾン症候群、オプシスモ異形成(成熟遅延骨異形成症)、濃化異骨症、大理石骨病等を挙げられる。
特に、骨形成不全症とは、骨の脆弱性、骨折の治癒過程で骨変形を起す症状を有し、主に骨形成不全症1型、骨形成不全症2型、骨形成不全症3型及び骨形成不全症4型に分類される。
(Bone disorders)
In the present invention, “bone disorder” means a disease in which skeletal formation is impaired due to Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade failure.
For example, osteogenesis imperfecta, tanatofolic osteodysplasia, osteoporosis, osteopenia, osteomalacia, bone myeloma, bone dysplasia, Paget's disease, osteosclerosis, aplastic bone disorder, humoral high calcium Include myeloma, multiple myeloma, Kurzon syndrome, opcismo dysplasia (mature delayed osteodysplasia), concentrated dysplasia, marble bone disease and the like.
Bone dysplasia, in particular, is a fragility of bones and has symptoms that cause bone deformation during the healing process of fractures, mainly osteogenesis dysplasia type 1, osteogenesis dysfunction type 2, and bone dysplasia type 3 And classified as osteogenesis imperfecta type 4.

(Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全)
本発明において、「Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全」とは、下記の実施例の新たな知見「Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードが骨格形成(軟骨形成)を制御するために重要な役割を有する(参照:図6)」により、該カスケードの各工程において、なんらかの理由により正常な工程を進まない(又は、正常な工程より遅い、強度が弱い・強い)ことを意味する。
Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全の場合には、以下のいずれか1以上が正常に機能しておらず、上記記載した骨障害が発症すると考えられる。
(1)Smurf2のリン酸化
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量
(4)Mek5のキナーゼ活性
(5)Erk5のキナーゼ活性
(Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade failure)
In the present invention, “Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade insufficiency” means a new finding “Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade in the following examples because skeletal formation (cartilage formation) is controlled. ”(See: FIG. 6)” means that in each step of the cascade, the normal process does not proceed for some reason (or is slower than the normal process, weak or strong). .
In the case of Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade insufficiency, one or more of the following is not functioning normally, and the above-mentioned bone disorders are considered to develop.
(1) Smurf2 phosphorylation (2) Smurf2 ubiquitin E3 ligase activity (3) Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression level (4) Mek5 kinase activity (5) Erk5 kinase activity

(Smurf2のリン酸化及びその測定方法)
本発明において、「Smurf2のリン酸化の検出」とは、コントロールと比較して低いことを指標とする。より詳しくは、Smurf2のN末端から249番目のセリンがリン酸化されていない(又は、コントロールと比較して低い)ことを指標とする。
Smurf2のリン酸化の測定方法は、自体公知の方法(市販の測定キット)を利用することができる。例えば、タンパク質のリン酸化状態の違いを分離検出するリン酸親和性電気泳動法(Phos-tag SDS-PAGE)、ELISA法、ウエスタンブロット法等を例示することができる。
(Smurf2 phosphorylation and measurement method)
In the present invention, “detection of phosphorylation of Smurf2” is an index that is lower than that of the control. More specifically, the index is that the 249th serine from the N-terminus of Smurf2 is not phosphorylated (or is lower than the control).
As a method for measuring phosphorylation of Smurf2, a method known per se (commercially available measurement kit) can be used. Examples thereof include phosphate affinity electrophoresis (Phos-tag SDS-PAGE), ELISA method, Western blot method and the like for separating and detecting differences in the phosphorylation state of proteins.

(Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性及びその測定方法)
本発明において、「Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性の検出」とは、コントロールと比較して低いことを指標とする。
Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性の測定方法は、自体公知の方法(市販の測定キット)を利用することができる。例えば、サンドイッチELISA法、蛍光法等を例示することができる。
(Ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 and its measurement method)
In the present invention, “detection of the ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2” is an index that is lower than that of the control.
As a method for measuring the ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2, a method known per se (commercially available measurement kit) can be used. For example, a sandwich ELISA method, a fluorescence method and the like can be exemplified.

(Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量及びそれらの測定方法)
本発明において、「Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量」とは、コントロールと比較して高いことを指標とする。Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量は、遺伝子発現量(特に、mRNA発現量)及びタンパク質発現量のいずれを検出しても良いが、好ましくはタンパク質発現量を検出する。
遺伝子発現量(特に、mRNA発現量)の測定方法は、自体公知の方法を利用することができる。例えば、被験者由来生体試料に存在するSmadsの遺伝子を直接検出する方法、それら遺伝子の相補配列からなる遺伝子を生成させて間接的に検出する方法等が挙げられる。
タンパク質発現量の測定方法は、自体公知の方法を利用することができる。例えば、被験者由来生体試料に存在するSmadsのタンパク質を抗体(特に、蛍光標識した抗体)で検出する方法等が挙げられる。
(Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression levels and methods for measuring them)
In the present invention, “the expression level of Smad1, Smad2 and / or Smad3” is an index higher than that of the control. The expression level of Smad1, Smad2 and / or Smad3 may be any of gene expression level (particularly mRNA expression level) and protein expression level, but preferably protein expression level is detected.
As a method for measuring the gene expression level (in particular, mRNA expression level), a method known per se can be used. For example, a method of directly detecting a Smads gene present in a biological sample derived from a subject, a method of indirectly detecting a gene composed of a complementary sequence of these genes, and the like can be mentioned.
As a method for measuring the protein expression level, a method known per se can be used. For example, a method of detecting a protein of Smads present in a subject-derived biological sample with an antibody (particularly, a fluorescently labeled antibody) and the like can be mentioned.

(Mek5のキナーゼ活性及びその測定方法)
本発明において、「Mek5のキナーゼ活性の検出」とは、コントロールと比較して低いことを指標とする。
Mek5のキナーゼ活性の測定方法は、自体公知の方法(市販の測定キット)を利用することができる。例えば、SDS-PAGE、ELISA法、ウエスタンブロット法等を例示することができる。
(Mek5 kinase activity and assay method)
In the present invention, “detection of kinase activity of Mek5” is an index that is lower than that of the control.
As a method for measuring the kinase activity of Mek5, a method known per se (a commercially available measurement kit) can be used. For example, SDS-PAGE, ELISA method, Western blot method and the like can be exemplified.

(Erk5のキナーゼ活性及びその測定方法)
本発明において、「Erk5のキナーゼ活性の検出」とは、コントロールと比較して低いことを指標とする。
Erk5のキナーゼ活性の測定方法は、自体公知の方法(市販の測定キット)を利用することができる。例えば、SDS-PAGE、ELISA法、ウエスタンブロット法等を例示することができる。
(Erk5 kinase activity and assay method)
In the present invention, “detection of kinase activity of Erk5” is an index that is lower than that of the control.
As a method for measuring the kinase activity of Erk5, a method known per se (a commercially available measurement kit) can be used. For example, SDS-PAGE, ELISA method, Western blot method and the like can be exemplified.

(被験者由来生体試料)
本発明において、被験者とは、哺乳類全般(ヒト、ネコ、イヌ、ウマを含む)を含み、さらに、健常者、骨障害の患者、該障害の疑いがある人、該障害が将来発生する人も含む。
生体試料は、Smurf2、Smad1、Smad2、Smad3、Mek5、Erk5の遺伝子及び/又はタンパク質が含まれていれば特に限定されないが、間葉細胞、幹細胞、生検試料、iPS細胞、初代培養細胞、血液、血液成分(血清、血漿、血球など)、唾液、尿、髄液、涙液、汗、毛髪、組織由来の成分を含む。
なお、間葉細胞とは、間葉系に属する細胞(骨細胞、心筋細胞、軟骨細胞、腱細胞、脂肪細胞など)へ分化しうる能力を有し、かつ自己複製能力を有する細胞として定義される。加えて、間葉細胞の取得方法は、自体公知の方法を利用することができ、被験者の骨髄、脂肪組織、胎盤組織、臍帯組織、歯髄等の組織から取得できる。
(Subject-derived biological sample)
In the present invention, the subject includes all mammals (including humans, cats, dogs, and horses), and further includes healthy persons, patients with bone disorders, persons suspected of the disorders, and persons who will develop the disorders in the future. Including.
The biological sample is not particularly limited as long as it contains the genes and / or proteins of Smurf2, Smad1, Smad2, Smad3, Mek5, Erk5, but mesenchymal cells, stem cells, biopsy samples, iPS cells, primary cultured cells, blood , Blood components (serum, plasma, blood cells, etc.), saliva, urine, spinal fluid, tears, sweat, hair, tissue-derived components.
Mesenchymal cells are defined as cells that have the ability to differentiate into cells belonging to the mesenchymal system (bone cells, cardiomyocytes, chondrocytes, tendon cells, fat cells, etc.) and have the ability to self-replicate. The In addition, as a method for obtaining mesenchymal cells, a method known per se can be used, and it can be obtained from a subject's bone marrow, adipose tissue, placenta tissue, umbilical cord tissue, dental pulp, and other tissues.

(指標)
本発明の「指標」とは、骨障害の患者と骨障害の患者ではない人(健常者)を区別するための被験者由来生体試料のSmurf2のリン酸化、Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性、Smads発現量(Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量)、Mek5のキナーゼ活性、Erk5のキナーゼ活性の値を意味する。
例えば、被験者由来生体試料において、予め設定した「Smurf2のリン酸化の値」以下の場合には、骨障害が今後発症する、現在発症している又は進行している(可能性があること)を判定できる。
例えば、被験者由来生体試料において、予め設定した「Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性の値」以下の場合には、骨障害が今後発症する、現在発症している又は進行している(可能性があること)を判定できる。
例えば、被験者由来生体試料において、予め設定した「Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量」以上の場合には、骨障害が今後発症する、現在発症している又は進行している(可能性があること)を判定できる。
例えば、被験者由来生体試料において、予め設定した「Mek5のキナーゼ活性の値」以下の場合には、骨障害が今後発症する、現在発症している又は進行している(可能性があること)を判定できる。
例えば、被験者由来生体試料において、予め設定した「Erk5のキナーゼ活性の値」以下の場合には、骨障害が今後発症する、現在発症している又は進行している(可能性があること)を判定できる。
(index)
The “indicator” of the present invention refers to phosphorylation of Smurf2 in a subject-derived biological sample for distinguishing between a bone disorder patient and a person who is not a bone disorder patient (healthy person), Smurf2 ubiquitin E3 ligase activity, Smads expression level (Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression level), Mek5 kinase activity, Erk5 kinase activity.
For example, in a subject-derived biological sample, if it is less than or equal to the preset “Smurf2 phosphorylation value”, the bone disorder will develop in the future, is currently onset or has progressed (may be) Can be judged.
For example, in a subject-derived biological sample, if it is less than or equal to the preset “value of ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2,” bone disorder will develop in the future, is currently developing or has progressed (may be ) Can be determined.
For example, in a subject-derived biological sample, when the expression level is higher than a preset “Smad1, Smad2, and / or Smad3 expression level”, bone disorders will develop in the future, may be presenting, or have progressed (may be Can be determined.
For example, in a subject-derived biological sample, if it is less than or equal to the preset “value of kinase activity of Mek5”, the bone disorder will develop in the future, is currently onset or has progressed (may be) Can be judged.
For example, in a subject-derived biological sample, if the value is equal to or less than the preset “value of kinase activity of Erk5”, the bone disorder will develop in the future, is currently onset or has progressed (may be) Can be judged.

Cut off(カットオフ)値の設定方法としては、骨障害を有さない人(健常者)由来の生体試料中のSmurf2のリン酸化の値の平均値、Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性の値の平均値、Smadsの発現量の値の平均値、Mek5のキナーゼ活性の値の平均値、Erk5のキナーゼ活性の値の平均値から算出する。通常、予め決定したcut off値の標準偏差の90%以上(又は90%以下)、好ましくは80%以上(又は80%以下)、より好ましくは70%以上(又は70%以下)、さらに好ましくは60%以上(又は60%以下)、最も好ましくは50%以上(又は50%以下)の場合には、骨障害を有すると判定できる。
また、別のcut off値の設定方法としては、骨障害歴のない被験者において、被験者由来生体試料の各数値に基づき、市販の統計解析ソフトを使用してROC(Receiver Operating Characteristic)曲線を作成し、最適な感度及び特異度を求める。例えば、一次スクリーニング等の目的では感度が高い方を優先し、精査目的では特異度が高くなるようなカットオフ値を設定することが可能である。
The method for setting the cut off value is the average value of the phosphorylation value of Smurf2 in the biological sample derived from a person who has no bone disorder (healthy person), and the average value of the ubiquitin E3 ligase activity value of Smurf2. The value is calculated from the average value of the expression level of Smads, the average value of the kinase activity of Mek5, and the average value of the kinase activity of Erk5. Usually 90% or more (or 90% or less) of the standard deviation of the predetermined cut-off value, preferably 80% or more (or 80% or less), more preferably 70% or more (or 70% or less), more preferably When it is 60% or more (or 60% or less), most preferably 50% or more (or 50% or less), it can be determined that the bone disorder is present.
Another method for setting the cut-off value is to create a ROC (Receiver Operating Characteristic) curve using commercially available statistical analysis software based on each value of the biological sample derived from the subject in subjects without a history of bone disorders. Find optimal sensitivity and specificity. For example, it is possible to set a cutoff value that gives priority to a higher sensitivity for the purpose of primary screening or the like and has a higher specificity for the purpose of detailed examination.

(骨障害治療剤)
本発明の「骨障害治療剤」は、下記の実施例の新たな知見「Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードが骨格形成(軟骨形成)を制御するために重要な役割を有する(参照:図6)」を基にした新規な機構(メカニズム)を利用した薬剤である。本発明の骨障害治療剤(特に、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードによる骨格形成に障害の治療剤)は、有効成分として、少なくとも以下のいずれか1を含む。
(1)Smurf2遺伝子又はSmurf2タンパク質(配列番号1:http://www.uniprot.org/uniprot/Q9HAU4)
(2)抗Smad1抗体、抗Smad2抗体及び/又は抗Smad3抗体
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制するsiRNA又はshRNA
(4)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制する化合物
(Bone disorder treatment)
The “bone disorder therapeutic agent” of the present invention has an important role for the new finding “Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade in the following Examples to control skeletal formation (chondrogenesis) (see: It is a drug utilizing a novel mechanism (mechanism) based on FIG. The therapeutic agent for bone disorders of the present invention (particularly, a therapeutic agent for disorder of skeleton formation by the Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade) contains at least one of the following as an active ingredient.
(1) Smurf2 gene or Smurf2 protein (SEQ ID NO: 1: http://www.uniprot.org/uniprot/Q9HAU4)
(2) Anti-Smad1 antibody, anti-Smad2 antibody and / or anti-Smad3 antibody (3) siRNA or shRNA that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3
(4) Compounds that suppress the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3

(Smurf2タンパク質)
加えて、本発明のSmurf2タンパク質は、以下の態様も含む。
(1)配列番号1に記載のアミノ酸配列の保護化誘導体、糖鎖修飾体、アシル化誘導体、又はアセチル化誘導体
(2)配列番号1に記載のアミノ酸配列と90%(又は、92%、94%、96%、98%、99%)以上の相同性を有し、かつSmurf2タンパク質と実質的同質のユビキチンE3リガーゼ活性作用を持つアミノ酸配列
(3)配列番号1に記載のアミノ酸配列において、100〜10個、50〜30個、40〜20個、10〜5個、5〜1個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつSmurf2タンパク質と実質的同質のユビキチンE3リガーゼ活性作用を持つアミノ酸配列
(Smurf2 protein)
In addition, the Smurf2 protein of the present invention includes the following embodiments.
(1) Protected derivative, sugar chain modified product, acylated derivative, or acetylated derivative of the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 (2) 90% (or 92%, 94) of the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 %, 96%, 98%, 99%) and an amino acid sequence having a ubiquitin E3 ligase activity that is substantially the same as the Smurf2 protein (3) In the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1, -10, 50-30, 40-20, 10-5, 5-1 amino acid substitutions, deletions, insertions and / or additions, and ubiquitin E3 ligase substantially homogenous with Smurf2 protein Amino acid sequence with activity

(Smurf2遺伝子)
本発明のSmurf2遺伝子は、以下の態様も含む。
(1)配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子
(2)配列番号1に記載のアミノ酸配列において、1〜20(又は、1〜15、1〜10、1〜7、1〜5、1〜3)個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号1に記載のアミノ酸配列と実質的同質のユビキチンE3リガーゼ活性作用を有するポリペプチドをコードする遺伝子
(3)配列番号1に記載のアミノ酸配列と90%(又は、92%、94%、96%、98%、99%)以上の相同性を有し、かつ配列番号1に記載のアミノ酸配列と実質的同質のユビキチンE3リガーゼ活性作用を有するポリペプチドをコードする遺伝子
(Smurf2 gene)
The Smurf2 gene of the present invention also includes the following embodiments.
(1) Gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 (2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1, 1-20 (or 1-15, 1-10, 1-7, A polypeptide having 1-5, 1-3) amino acid substitutions, deletions, insertions and / or additions and having substantially the same quality of ubiquitin E3 ligase activity as the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 (3) 90% (or 92%, 94%, 96%, 98%, 99%) homology with the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 and the amino acid described in SEQ ID NO: 1 A gene encoding a polypeptide having a ubiquitin E3 ligase activity substantially the same as the sequence

(抗Smads抗体)
本発明の抗Smad1抗体、抗Smad2抗体及び/又は抗Smad3抗体は、市販の抗体(例:abcam社製品、Santa Cruz Biotechnology社製品等)を利用することができるが、天然由来の抗体、自体公知の方法等により作製しても良い。特に、アゴニスト抗体が好ましい。
(Anti-Smads antibody)
As the anti-Smad1 antibody, anti-Smad2 antibody and / or anti-Smad3 antibody of the present invention, commercially available antibodies (eg, products from abcam, Santa Cruz Biotechnology, etc.) can be used, but naturally occurring antibodies are known per se. You may produce by the method of this. In particular, agonist antibodies are preferred.

(Smadsの発現を抑制するsiRNA又はshRNA)
Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制するsiRNAは、Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現をRNA干渉の手法により低下又は消失させる作用を有する。siRNAは標的遺伝子のmRNAを分解してその発現を抑制する短鎖二重鎖RNAである。
siRNAは、Smad1、Smad2及び/又はSmad3遺伝子の部分配列からなるRNA(センス鎖)と該RNAの塩基配列に相補的な塩基配列からなるRNA(アンチセンス鎖)とを、該遺伝子のmRNAの配列に基づいて設計し、化学合成法により合成し、得られた両RNAをアニーリングさせることで製造することができる。siRNAを構成するセンスRNA及びアンチセンスRNAは、各々15個から35個のヌクレオチドからなることが好ましい。また、各々3'末端に、オーバーハング配列と呼ばれるヌクレオチドを結合させることが好ましい。オーバーハング配列はRNAをヌクレアーゼから保護する作用を有する。
Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制するshRNAは、ヘアピン構造を有する短鎖二重鎖RNAであり、siRNAと同様、RNA干渉により遺伝子の発現を抑制する。
shRNAは、センスRNAとアンチセンスRNAとが例えばオリゴヌクレオチド等により連結され、センスRNA由来部分とアンチセンスRNA由来部分が二重鎖を形成するため、ヘアピン様構造を有する。shRNAは、センスRNAとアンチセンスRNAに加え、これら2つのRNAを連結し且つループ構造を形成するようなオリゴヌクレオチドを含むRNAを、smadsのmRNAの塩基配列に基づいて設計して製造できる。好ましくは、センスRNAの3'末端とループ構造を形成するオリゴヌクレオチドの5'末端とが結合し、更にループ構造を形成するオリゴヌクレオチドの3'末端とアンチセンスRNAの5'末端とが結合したオリゴヌクレオチドである。ループ構造を形成するオリゴヌクレオチドとは、センスRNAとアンチセンスRNAの間に存在して両RNAを連結でき、それ自体がループ構造を形成するものを意味する。ヘアピン構造を有する二重鎖は、センスRNA由来部分とアンチセンスRNA由来部分とをアニーリングすることにより形成できる。
(SiRNA or shRNA that suppresses Smads expression)
The siRNA that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3 has the effect of reducing or eliminating the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3 by means of RNA interference. siRNA is a short double-stranded RNA that degrades the target gene mRNA and suppresses its expression.
siRNA consists of RNA consisting of a partial sequence of the Smad1, Smad2 and / or Smad3 gene (sense strand) and RNA consisting of a base sequence complementary to the base sequence of the RNA (antisense strand), and the sequence of the mRNA of the gene Designed based on the above, synthesized by chemical synthesis, and can be produced by annealing both RNAs obtained. The sense RNA and antisense RNA constituting the siRNA are each preferably composed of 15 to 35 nucleotides. Moreover, it is preferable to bind a nucleotide called an overhang sequence to each 3 ′ end. The overhang sequence has the effect of protecting RNA from nucleases.
The shRNA that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3 is a short double-stranded RNA having a hairpin structure, and suppresses gene expression by RNA interference, similar to siRNA.
shRNA has a hairpin-like structure because sense RNA and antisense RNA are linked by, for example, an oligonucleotide, and the sense RNA-derived portion and the antisense RNA-derived portion form a double strand. shRNA can be produced by designing RNA containing oligonucleotides that link these two RNAs and form a loop structure in addition to sense RNA and antisense RNA based on the nucleotide sequence of smads mRNA. Preferably, the 3 ′ end of the sense RNA is linked to the 5 ′ end of the oligonucleotide forming the loop structure, and the 3 ′ end of the oligonucleotide forming the loop structure is further linked to the 5 ′ end of the antisense RNA. It is an oligonucleotide. The oligonucleotide that forms a loop structure means an oligonucleotide that exists between a sense RNA and an antisense RNA and that can link both RNAs and itself forms a loop structure. A duplex having a hairpin structure can be formed by annealing a sense RNA-derived portion and an antisense RNA-derived portion.

(Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制する化合物)
本発明の「Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制する化合物」は、Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現(DNA→mRNA→タンパク質)を抑制することができれば特に限定されないが、例えば、タンパク合成阻害剤(特に、シクロヘキシミド)等を例示することができる。
(Compound that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3)
The “compound that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3” of the present invention is not particularly limited as long as it can suppress the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3 (DNA → mRNA → protein). Examples include synthesis inhibitors (particularly cycloheximide).

本発明の骨障害治療剤の投与量または摂取量については、本発明の効果が得られるものであれば特に限定されるものではなく、含有される成分の有効性、投与形態、投与経路、疾患の種類、対象の性質(体重、年齢、病状および他の医薬の使用の有無等)、および担当医師の判断等に応じて適宜選択される。本発明の骨障害治療剤は、1日1〜数回に分けて投与または摂取することができ、数日または数週間に1回の割合で間欠的に投与または摂取してもよい。   The dose or intake of the bone disorder therapeutic agent of the present invention is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained. Type, the nature of the subject (weight, age, medical condition, presence or absence of use of other medicines, etc.), the judgment of the doctor in charge, and the like. The therapeutic agent for bone disorders of the present invention can be administered or ingested in 1 to several times a day, and may be intermittently administered or ingested once every several days or weeks.

(本発明の骨障害治療剤のスクリーニング方法)
本発明の骨障害治療剤のスクリーニング方法は、以下の3つを対象とする。
(A)Smurf2のリン酸化(特に、Smurf2のN末端から249番目のセリンがリン酸化)を促進させる試験化合物を選択する。
(B)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性を促進させる試験化合物を選択する。
(C)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量を低下させる試験化合物を選択する。
(Screening method for therapeutic agent for bone disorder of the present invention)
The screening method for the therapeutic agent for bone disorders of the present invention targets the following three.
(A) A test compound that promotes phosphorylation of Smurf2 (particularly, the 249th serine from the N-terminus of Smurf2) is selected.
(B) A test compound that promotes the ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 is selected.
(C) A test compound that reduces the expression level of Smad1, Smad2, and / or Smad3 is selected.

本発明の骨障害治療剤(A)のスクリーニング方法は、少なくも以下の工程を有する。
(1)試験化合物を、Erk5及びSmurf2を含む系に添加する工程
(2)Smurf2のリン酸化量を測定する工程
「系」とは、in vivo、in vitroのいずれの場合でも良いが、間葉細胞又は該細胞由来抽出物が好ましい。
さらに、リン酸化量は、コントロール(試験化合物を添加しない系)と比較して高ければ、試験化合物は骨障害治療剤の有効成分と判定できる。
The screening method for the bone disorder therapeutic agent (A) of the present invention comprises at least the following steps.
(1) Step of adding a test compound to a system containing Erk5 and Smurf2 (2) Step of measuring phosphorylation of Smurf2 “System” may be either in vivo or in vitro. Cells or cell-derived extracts are preferred.
Furthermore, if the amount of phosphorylation is higher than that of the control (system to which no test compound is added), the test compound can be determined as an active ingredient of the bone disorder therapeutic agent.

本発明の骨障害治療剤(B)のスクリーニング方法は、少なくも以下の工程を有する。
(1)試験化合物を、Smurf2並びにSmad1、Smad2及び/又はSmad3を含む系に添加する工程
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性量を測定する工程
ユビキチンE3リガーゼ活性量は、コントロール(試験化合物を添加しない系)と比較して高ければ、試験化合物は骨障害治療剤の有効成分と判定できる。
The screening method for the bone disorder therapeutic agent (B) of the present invention comprises at least the following steps.
(1) A step of adding a test compound to a system containing Smurf2 and Smad1, Smad2 and / or Smad3 (2) A step of measuring the amount of ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 The amount of ubiquitin E3 ligase activity is controlled (adding a test compound) The test compound can be determined as an active ingredient of a bone disorder therapeutic agent.

本発明の骨障害治療剤(C)のスクリーニング方法は、少なくも以下の工程を有する。
(1)試験化合物を、Smad1、Smad2及び/又はSmad3を含む系に添加する工程
(2)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現量を測定する工程
発現量(遺伝子量及び/又はタンパク質量)は、コントロール(試験化合物を添加しない系)と比較して低ければ、試験化合物は骨障害治療剤の有効成分と判定できる。
The screening method for the bone disorder therapeutic agent (C) of the present invention comprises at least the following steps.
(1) A step of adding a test compound to a system containing Smad1, Smad2 and / or Smad3 (2) A step of measuring the expression level of Smad1, Smad2 and / or Smad3 The expression amount (gene amount and / or protein amount) is The test compound can be determined as an active ingredient of the bone disorder therapeutic agent if it is low compared to the control (system in which no test compound is added).

加えて、上記のスクリーニング方法において、以下の測定方法を使用することができるが、特に限定されない。
1)RT-PCR法
2)免疫ブロット法
3)SAGE
4)抗体を使用した免疫沈降法
5)プルダウン法
6)ELISA
7)ウエスタンブロット
8)ハイブリダイゼーション
9)フローサイトメトリー
10)比重遠心法
11)細胞の染色標本
12)組織の染色標本
In addition, in the above screening method, the following measurement methods can be used, but are not particularly limited.
1) RT-PCR method 2) Immunoblotting method 3) SAGE
4) Immunoprecipitation method using antibody 5) Pull-down method 6) ELISA
7) Western blot 8) Hybridization 9) Flow cytometry 10) Specific gravity centrifugation 11) Stained specimen of cells 12) Stained specimen of tissue

(試験化合物)
本発明で用いる「試験化合物」としては任意の物質を使用することができる。試験化合物の種類は特に限定されず、公知の治療剤、個々の低分子合成化合物(特にsiRNA)、天然物抽出物中に存在する化合物、合成ペプチドでもよい。
あるいは、試験化合物は、化合物ライブラリー、ファージディスプレーライブラリーもしくはコンビナトリアルライブラリーでもよい。試験化合物は、好ましくは低分子化合物であり、低分子化合物の化合物ライブラリーが好ましい。化合物ライブラリーの構築は当業者に公知であり、また市販の化合物ライブラリーを使用することもできる。
(Test compound)
Any substance can be used as the “test compound” used in the present invention. The type of the test compound is not particularly limited, and may be a known therapeutic agent, an individual small molecule synthetic compound (particularly siRNA), a compound present in a natural product extract, or a synthetic peptide.
Alternatively, the test compound may be a compound library, a phage display library, or a combinatorial library. The test compound is preferably a low molecular compound, and a compound library of low molecular compounds is preferable. The construction of a compound library is known to those skilled in the art, and a commercially available compound library can also be used.

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。すべての実施例は、日本薬理学会のガイドラインを満たし、金沢大学動物実験委員会(the Committee for Ethical Use of Experimental Animals at Kanazawa University)により承認済である。   EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. All examples met the guidelines of the Japanese Pharmacological Society and were approved by the Committee for Ethical Use of Experimental Animals at Kanazawa University.

(方法と材料)
各実施例で使用した方法と材料を以下で説明する。
(Method and material)
The methods and materials used in each example are described below.

(マウス)
Erk5fl/fl及びSox9fl/flマウスは、Prx1-Cre又はCol2a1-Creのいずれかと交雑した。これらの突然変異体マウスは、C57BL/6Jと5世代以上、戻し交配した。マウスは、自由摂餌及び自由摂水、12時間の明期/暗期サイクル、23±1℃及び湿度55%の飼育環境で飼育した。遺伝子型判定は、尾のゲノムDNAを用いたPCRにより行った。サンプルサイズを予測するための統計学的手法は、使用しなかった。実験は、無作為化しなかった。本実施例では、実験中の給餌及び治療成績評価をブラインドしていない。
(mouse)
Erk5 fl / fl and Sox9 fl / fl mice were crossed with either Prx1-Cre or Col2a1-Cre. These mutant mice were backcrossed to C57BL / 6J for 5 generations or more. Mice were housed in a free feeding and free drinking, 12 hour light / dark cycle, 23 ± 1 ° C. and 55% humidity. Genotyping was performed by PCR using tail genomic DNA. Statistical methods for predicting sample size were not used. The experiment was not randomized. In this example, feeding and treatment results evaluation during the experiment are not blinded.

(骨格標本、組織学的分析及びIn situハイブリダイゼーション分析)
胚は、腸を抜き、皮膚を取り除き、その後95%エタノールで一晩固定した。その後、胚をアルシアンブルー溶液に一晩浸漬し、さらに2%KOH溶液に移し、続いてアリザリンレッド溶液で一晩染色した。最後に、骨は、1%のKOH/20%グリセロールで洗浄し、その後、50%エタノール/50%グリセロールに保存した。脚のμCT 3D画像については、VivaCT 40 mCTシステム(Scanco Medical社)を用いて、文献The Journal of experimental medicine 208, 841-851 (2011)に記載の通りに取得した。
マウス脛骨、大腿骨及び脚は、10%ホルマリン中性緩衝液で固定し、パラフィン包埋し、その後、5 μmの厚さで切片化した。切片は、ヘマトキシリン-エオジン(H&E)、サフラニンO及びvon Kossaで染色した。
In situハイブリダイゼーションは、文献British journal of pharmacology 146, 732-743 (2005)に記載の通りに行った。要約すると、低温槽中で中足骨を切断して、10 μmの厚さの凍結切片を得た。スライドガラス上にマウントした切片は、4%パラホルムアルデヒドに固定し、0.2 M塩酸と10 μg/mlプロテイナーゼKで連続的に処理した。切片は、0.25%無水酢酸含有0.1 Mトリエタノールアミン中でアセチル化した。切片は、プレハイブリダイゼーション後、65℃、16時間ジゴキシゲニン標識cRNAプローブでハイブリダイゼーションした。切片は、その後洗浄し、4 μg/ml RNase A処理した。さらに、切片は、16時間、anti-digoxigenin-ALP Fab fragmentsでインキュベートした。洗浄後、切片は、ニトロブルーテトラゾリウム塩化物/5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリルリン酸塩で異なる期間処理した。cRNAプローブを生成するためのプラスミドベクターは、大阪大学の西村博士及びコロンビア大学のDucy博士により提供して頂いた。
(Skeletal specimen, histological analysis and in situ hybridization analysis)
Embryos were withdrawn from the intestines, skin removed, and then fixed overnight with 95% ethanol. The embryos were then immersed overnight in Alcian blue solution, further transferred to 2% KOH solution, and subsequently stained overnight with alizarin red solution. Finally, the bone was washed with 1% KOH / 20% glycerol and then stored in 50% ethanol / 50% glycerol. The μCT 3D image of the leg was obtained as described in the literature The Journal of experimental medicine 208, 841-851 (2011) using a VivaCT 40 mCT system (Scanco Medical).
Mouse tibia, femur and leg were fixed with 10% formalin neutral buffer, embedded in paraffin and then sectioned at 5 μm thickness. Sections were stained with hematoxylin-eosin (H & E), safranin O and von Kossa.
In situ hybridization was performed as described in the literature British journal of pharmacology 146, 732-743 (2005). In summary, metatarsal bones were cut in a cryostat and 10 μm thick frozen sections were obtained. Sections mounted on glass slides were fixed in 4% paraformaldehyde and successively treated with 0.2 M hydrochloric acid and 10 μg / ml proteinase K. Sections were acetylated in 0.1 M triethanolamine containing 0.25% acetic anhydride. The sections were hybridized with a digoxigenin-labeled cRNA probe at 65 ° C. for 16 hours after prehybridization. Sections were then washed and treated with 4 μg / ml RNase A. In addition, the sections were incubated with anti-digoxigenin-ALP Fab fragments for 16 hours. After washing, the sections were treated with nitro blue tetrazolium chloride / 5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate for different periods of time. Plasmid vectors for generating cRNA probes were provided by Dr. Nishimura of Osaka University and Dr. Ducy of Columbia University.

(レトロウイルスベクターの作製及び感染)
Smurf2突然変異体コンストラクト(pMX-Smurf2(T249A)及びpMX-Smurf2(T249E))を作製するために、PrimeSTAR(日本登録商標)Max Mutagenesis Basal Kit(タカラバイオ株式会社)と特異的プライマー{Smurf2 T249AのForward primer:TTACATGCTCCTCCAGACCTACCAGAA(配列番号2)、Reverse primer:TGGAGGAGCATGTAAATGTGTTCTGCT(配列番号3)}を使用した部位特異的変異を行った。pMX-Erk5(WT)及びpMX-Erk5(DN)ベクターは、それぞれ、スクリプス研究所のJiing-Dwan Lee博士により提供されたpcDNA3-Erk5(WT)及びpcDNA3-Erk5AEFベクターからpMXベクターへサブクローニングすることにより作製した。これらのベクターは、その後、炭酸カルシウム法を用いて、PLAT-E細胞へ遺伝子導入した。遺伝子導入の48時間後、ウイルス上清を回収した。細胞は、その後8時間、4 μg/mlポリブレン存在下で該ウイルス上清に感染させた。
(Production and infection of retroviral vectors)
In order to construct Smurf2 mutant constructs (pMX-Smurf2 (T249A) and pMX-Smurf2 (T249E)), PrimeSTAR (Japan registered trademark) Max Mutagenesis Basal Kit (Takara Bio Inc.) and a specific primer {Smurf2 T249A Site-specific mutation was performed using Forward primer: TTACATGCTCCTCCAGACCTACCAGAA (SEQ ID NO: 2), Reverse primer: TGGAGGAGCATGTAAATGTGTTCTGCT (SEQ ID NO: 3)}. The pMX-Erk5 (WT) and pMX-Erk5 (DN) vectors are obtained by subcloning from the pcDNA3-Erk5 (WT) and pcDNA3-Erk5AEF vectors provided by Dr. Jiing-Dwan Lee, respectively, to the pMX vector. Produced. These vectors were then transfected into PLAT-E cells using the calcium carbonate method. Forty-eight hours after gene transfer, the virus supernatant was collected. Cells were then infected with the viral supernatant in the presence of 4 μg / ml polybrene for 8 hours.

(微量質量培養系)
E12.5からの肢芽の間葉細胞は、0.1%コラゲナーゼで処理し、1.5時間、37℃で0.1%のディスパーゼ、続いて1.5 x 107細胞/mlで10%FBS含有DMEM/F12培地中に懸濁した。液滴は、4ウェルプレートの各ウェルの内に設置した。細胞は、1.5時間、37℃で接着させ、骨格形成培地(10%FBS及び50 μg/mlアスコルビン酸含有DMEM/F1 2培地)を添加した。培地は、2日ごとに交換し、アルシアンブルー染色及びアリザリンレッド染色は、6日目及び12日目にそれぞれ行なった。
(Trace mass culture system)
Limb bud mesenchymal cells from E12.5 were treated with 0.1% collagenase, 1.5 hours at 37 ° C with 0.1% dispase, followed by 1.5 x 10 7 cells / ml in DMEM / F12 medium containing 10% FBS It was suspended in. Droplets were placed in each well of a 4-well plate. The cells were allowed to adhere for 1.5 hours at 37 ° C. and skeletal formation medium (DMEM / F12 medium containing 10% FBS and 50 μg / ml ascorbic acid) was added. The medium was changed every 2 days, and Alcian blue staining and Alizarin red staining were performed on the 6th and 12th days, respectively.

(リアルタイム定量PCR)
全RNAを細胞から抽出し、続いて逆転写酵素及びオリゴdTプライマーを使用して、cDNAを合成した。その後、cDNAサンプルは、テンプレートとして、MX3005P qPCRシステム(アジレント・テクノロジー株式会社)と各遺伝子に特異的なプライマーを用いたリアルタイムPCR分析に使用した(参照:下記表1)。調べられた遺伝子の発現レベルは、各サンプルについて、内部標準としてActb発現を用いて標準化した。
(Real-time quantitative PCR)
Total RNA was extracted from the cells, followed by cDNA synthesis using reverse transcriptase and oligo dT primers. Thereafter, the cDNA samples were used as templates for real-time PCR analysis using MX3005P qPCR system (Agilent Technology Co., Ltd.) and primers specific to each gene (see: Table 1 below). The expression level of the genes examined was normalized for each sample using Actb expression as an internal standard.

(イムノブロッティング分析)
細胞は、1%ノニデットP-40含有溶解緩衝液で可溶化した。サンプルは、ドデシル硫酸ナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)、続いてポリフッ化ビニリデン膜(PVDF)に転写し、そしてイムノブロッティングを行った。使用した主要な抗体は、抗-Runx2、抗-Erk5、抗-Smad1、抗-Smad2、抗-Smad3、抗-phospho-Smad1/5/8、及び抗-phospho-Smad2/3(Cell Signaling Technologies社)、抗-β-アクチン、抗-Smad5、抗-Smad8、及び抗-Smurf2(Santa Cruz Biotechnology社)、抗-Sox9(EMD Millipore社)、及び抗-Osx(Abcam社)である。
(Immunoblotting analysis)
Cells were solubilized with lysis buffer containing 1% nonidet P-40. Samples were transferred to sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) followed by polyvinylidene fluoride membrane (PVDF) and immunoblotting. The main antibodies used were anti-Runx2, anti-Erk5, anti-Smad1, anti-Smad2, anti-Smad3, anti-phospho-Smad1 / 5/8 and anti-phospho-Smad2 / 3 (Cell Signaling Technologies) ), Anti-β-actin, anti-Smad5, anti-Smad8, and anti-Smurf2 (Santa Cruz Biotechnology), anti-Sox9 (EMD Millipore), and anti-Osx (Abcam).

(ルシフェラーゼアッセイ)
プラスミドBRE-luc(#45126)及びSBE4-luc(#16495)は、Addgeneから入手し、プラスミドRunx2-luc及び6xOSE2-lucは、コロンビア大学のDucy博士から提供して頂いた。プラスミド4x48-lucは、テキサス大学のCrombrugghe博士から提供された。ルシフェラーゼアッセイについては、細胞は、文献Journal of bone and mineral research : the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 27, 938-949 (2012)に記載のリポフェクション法を使用して、レポーターベクターと共に遺伝子導入され、続いて、ルミノメーター(アトー株式会社)中で、特異的基質を使用して、luc活性を測定した。遺伝子導入効率は、LacZ活性を決定することで標準化した。
(Luciferase assay)
Plasmids BRE-luc (# 45126) and SBE4-luc (# 16495) were obtained from Addgene and plasmids Runx2-luc and 6xOSE2-luc were provided by Dr. Ducy at Columbia University. Plasmid 4x48-luc was provided by Dr. Crombrugghe at the University of Texas. For the luciferase assay, the cells are genetically engineered with the reporter vector using the lipofection method described in the literature Journal of bone and mineral research: the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 27, 938-949 (2012). The luc activity was then measured using a specific substrate in a luminometer (Ato Inc.). Gene transfer efficiency was normalized by determining LacZ activity.

(クロマチン免疫沈降(ChIP)アッセイ)
ChIP実験は、ChIP assay kit(EMD Millipore社)より提供されているプロトコールに従って行った。細胞は、架橋結合させるためにホルムアルデヒドで処理され、続いて溶解緩衝液中で超音波処理した。免疫沈降は、抗-Smad1、抗-Smad2又は抗-Smad3抗体を用いて行い、続いて特異的プライマー{Sox9 promoter BRE (a-b)のForward primer:CCAGCTCCGCTTTGACGAGC(配列番号32)、Reverse primer:CACTTTTCGATGCTGTCTCCGTGG(配列番号33)、Sox9 promoter SBE (c-d)のForward primer:ACCACGGAGACAGCATCGAAAAGT(配列番号34)、Reverse primer:TTCACACGGAGACCGTTCCAAAACTG(配列番号35)}を用いたPCRを行った。
(Chromatin immunoprecipitation (ChIP) assay)
The ChIP experiment was performed according to the protocol provided by ChIP assay kit (EMD Millipore). Cells were treated with formaldehyde to crosslink, followed by sonication in lysis buffer. Immunoprecipitation is performed using anti-Smad1, anti-Smad2 or anti-Smad3 antibody, followed by specific primer {Forward primer of Sox9 promoter BRE (ab): CCAGCTCCGCTTTGACGAGC (SEQ ID NO: 32), Reverse primer: CACTTTTCGATGCTGTCTCCGTGG (sequence) No. 33), PCR using Sox9 promoter SBE (cd) Forward primer: ACCACGGAGACAGCATCGAAAAGT (SEQ ID NO: 34), Reverse primer: TTCACACGGAGACCGTTCCAAAACTG (SEQ ID NO: 35)}.

(免疫沈降アッセイ)
プラスミドFlag-Smad1(#14044)、Flag-Smad2(#14042)、Flag-Smad3(#14052)、Flag-Smad4(#14039)、Smad5(#11744)、Flag-Smad6(#14961)、Smad7-HA(#11733)、Myc-Smad8(#11745)、Flag-Smurf1(#11752)、Flag-Smurf2(#11746)及びHA-Erk5(#31817)は、Addgeneから入手した。HEK293細胞は、リン酸カルシウムトランスフェクション法を使用して、発現ベクターと共に一過的に遺伝子導入し、さらに、細胞は、1%ノニデットP-40含有溶解緩衝液中で可溶化し、続いて、抗体と共に1時間、4℃でインキュベートし、その後、プロテインGセファロースと共に免疫沈降した。免疫沈降物は、溶解緩衝液で3回洗浄し、SDSサンプル緩衝液中でボイルした。サンプルは、SDS-PAGEにより分離され、続いて、PVDF膜に転写され、その後、文献Biochim Biophys Acta 1832, 732 1117-1128 (2013)に記載の通りにイムノブロッティングした。
(Immunoprecipitation assay)
Plasmids Flag-Smad1 (# 14044), Flag-Smad2 (# 14042), Flag-Smad3 (# 14052), Flag-Smad4 (# 14039), Smad5 (# 11744), Flag-Smad6 (# 14961), Smad7-HA (# 11733), Myc-Smad8 (# 11745), Flag-Smurf1 (# 11752), Flag-Smurf2 (# 11746) and HA-Erk5 (# 31817) were obtained from Addgene. HEK293 cells are transiently transfected with an expression vector using the calcium phosphate transfection method, and the cells are further solubilized in 1% nonidet P-40 containing lysis buffer followed by antibody. Incubated for 1 hour at 4 ° C. and then immunoprecipitated with protein G sepharose. The immunoprecipitate was washed 3 times with lysis buffer and boiled in SDS sample buffer. Samples were separated by SDS-PAGE, subsequently transferred to PVDF membrane, and then immunoblotted as described in the document Biochim Biophys Acta 1832, 732 1117-1128 (2013).

(リコンビナントタンパク質の調製)
ヒトSmurf2(WT)、Smurf2(T249A)及びSmurf2(T249E)cDNAは、N末端GSTタグを有するpCold IIベクター(タカラバイオ株式会社)に挿入した。GST-Smurf2ベクターは、24時間、15℃で50 μMイソプロピル-β-D-チオガラクトピラノシドと共に培養された大腸菌株BL21中で発現させた。大腸菌細胞は、遠心分離し、そして上清を取り除いた。大腸菌沈殿は、凍結/融解処理を3回行い、その後、1 mg/mlリゾチーム含有溶解緩衝液(50 mM Tris-HCl、500 mM NaCl、10%グリセロール、1%TritonX-100、4℃においてpH 8.0)で30分インキュベートし、続いて超音波処理した。上清画分のGST-Smurf2は、Glutathione Sepharose 4 Fast Flow(GE healthcare社)充填カラムにより精製した。GST-Smurf2タンパク質は、緩衝液(100 mM Tris-HCl、20 mMグルタチオン、4℃においてpH 8.0)で溶出した。溶出タンパク質は、繰り返し交換した透析緩衝液(10 mM Tris-HCl、pH 7.5)で、4℃で24時間透析した。
(Preparation of recombinant protein)
Human Smurf2 (WT), Smurf2 (T249A) and Smurf2 (T249E) cDNA were inserted into a pCold II vector (Takara Bio Inc.) having an N-terminal GST tag. The GST-Smurf2 vector was expressed in E. coli strain BL21 cultured with 50 μM isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside at 15 ° C. for 24 hours. E. coli cells were centrifuged and the supernatant was removed. E. coli precipitation was freeze / thawed 3 times, and then 1 mg / ml lysozyme-containing lysis buffer (50 mM Tris-HCl, 500 mM NaCl, 10% glycerol, 1% TritonX-100, pH 8.0 at 4 ° C). ) For 30 minutes followed by sonication. GST-Smurf2 of the supernatant fraction was purified by a column packed with Glutathione Sepharose 4 Fast Flow (GE healthcare). The GST-Smurf2 protein was eluted with a buffer (100 mM Tris-HCl, 20 mM glutathione, pH 8.0 at 4 ° C.). The eluted protein was dialyzed for 24 hours at 4 ° C. against dialysis buffer (10 mM Tris-HCl, pH 7.5), which was exchanged repeatedly.

(In vitroキナーゼアッセイ)
リコンビナント完全長Erk5 active(Sigma-Aldrich社)又はリコンビナントErk5 inactive(Carna Biosciences社)(0.3 μM)は、30℃で30分、30 mLキナーゼ緩衝液(2.5 mM MOPS、pH 7.2、2.5 mM MgCl2、1.25 mMグリセロール2-リン酸、0.25 mM DTT、0.05%BSA)中でGST-Smurf2又はGST-Smurf2(T249A)(1 μM)及び0.5 mM ATPと共にインキュベートした。反応は、SDSサンプルバッファーの添加により停止させた。リン酸化されたタンパク質は、Phos-tag PAGEで分析した。Smurf2のPhos-tagイムノブロッティングのために、0.05 mM Phos-tag及び0.1 mM MnCl2は、製造元のプロトコールに従って、従来のSDSポリアクリルアミドゲルに添加した。
(In vitro kinase assay)
Recombinant full-length Erk5 active (Sigma-Aldrich) or recombinant Erk5 inactive (Carna Biosciences) (0.3 μM) is 30 minutes at 30 ° C., 30 mL kinase buffer (2.5 mM MOPS, pH 7.2, 2.5 mM MgCl 2 , Incubated with GST-Smurf2 or GST-Smurf2 (T249A) (1 μM) and 0.5 mM ATP in 1.25 mM glycerol 2-phosphate, 0.25 mM DTT, 0.05% BSA). The reaction was stopped by adding SDS sample buffer. Phosphorylated protein was analyzed by Phos-tag PAGE. For Phos-tag immunoblotting of Smurf2, 0.05 mM Phos-tag and 0.1 mM MnCl 2 were added to a conventional SDS polyacrylamide gel according to the manufacturer's protocol.

(In vitroユビキチン化アッセイ)
リコンビナントGSTタグ標識ヒトSmad1、Smad2及びSmad3タンパク質は、Sigma-Aldrich社から購入した。In vitroユビキチン化アッセイは、E2-Ubiquitin Conjugation Kit(Abcam社)を用いて、製造元の推奨するプロトコールに従って行った。GST-Smad1、GST-Smad2又はGST-Smad3(1 μM)は、1時間、37℃で1 x Ubiqutinylation緩衝液(0.1 μM E1、0.5 μM UbcH5c(E2)及び5 mM Mg-ATP、1 mM DTT、2.5 μMビオチン化ユビキチン)中でGST-Smurf2(0.1 μM)及びGST-Erk5(0.05 μM)と共にインキュベートした。反応は、2x Non-reducing gel loading bufferの添加により停止させた。ユビキチン化タンパク質は、SDS-PAGE及びhorseradish peroxidase conjugated Streptavidin detection systemにより分析した。
(In vitro ubiquitination assay)
Recombinant GST tag labeled human Smad1, Smad2 and Smad3 proteins were purchased from Sigma-Aldrich. In vitro ubiquitination assay was performed using E2-Ubiquitin Conjugation Kit (Abcam) according to the manufacturer's recommended protocol. GST-Smad1, GST-Smad2 or GST-Smad3 (1 μM) can be obtained in 1 x Ubiqutinylation buffer (0.1 μM E1, 0.5 μM UbcH5c (E2) and 5 mM Mg-ATP, 1 mM DTT, Incubated with GST-Smurf2 (0.1 μM) and GST-Erk5 (0.05 μM) in 2.5 μM biotinylated ubiquitin). The reaction was stopped by the addition of 2x Non-reducing gel loading buffer. Ubiquitinated proteins were analyzed by SDS-PAGE and horseradish peroxidase conjugated Streptavidin detection system.

(免疫細胞化学分析)
免疫細胞化学分析のために、細胞は、ポリ‐L‐リジンでコートされたチェンバースライド上に設置した。培養細胞は、PBS溶解4%PFAで固定し、続いて洗浄し、その後、0.1% Triton X-100含有PBS中で、正常ヤギ血清で処理した。細胞は、その後、正常ヤギ血清及び0.3% Triton X-100含有PBSに希釈した一次抗体でインキュベートした。最後に、細胞は、対応する二次抗体と反応させ、チェンバースライドは、FluorSaveTM(EMD Millipore社)を使用してマウントした。
(Immunocytochemical analysis)
For immunocytochemical analysis, cells were mounted on chamber slides coated with poly-L-lysine. Cultured cells were fixed with PBS-lysed 4% PFA, subsequently washed, and then treated with normal goat serum in PBS containing 0.1% Triton X-100. The cells were then incubated with primary antibody diluted in normal goat serum and PBS containing 0.3% Triton X-100. Finally, the cells were reacted with the corresponding secondary antibody and the chamber slides were mounted using FluorSave (EMD Millipore).

(データ解析)
全ての結果は、平均値±平均値の標準誤差として示し、統計の有意性は、two-tailed Student's t-test、unpaired Student's t-test又はBonferroni post-hoc testによる一元配置分散分析(one-way analysis of variance)を用いて決定した。
(Data analysis)
All results are shown as mean ± standard error of the mean, and statistical significance is one-way ANOVA (two-tailed Student's t-test, unpaired Student's t-test or Bonferroni post-hoc test) analysis of variance).

(間葉系‐特異的Erk5ノックアウトマウスが示した長骨及び頭蓋骨の異常発達の確認)
Erk5ノックアウトは、複数の発生異常により、マウスにおいて胚性致死であることが明らかとなっている{非特許文献:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United 615 States of America 99, 9248-9253 (2002);BMC Dev Biol 3, 11 (2003)}。
本実施例では、骨格発達におけるErk5のin vivoの生理学的役割を確認した。
(Confirmation of abnormal development of long bones and skulls shown by mesenchymal-specific Erk5 knockout mice)
Erk5 knockout has been shown to be embryonic lethal in mice due to multiple developmental abnormalities {Non-patent literature: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United 615 States of America 99, 9248-9253 (2002 ); BMC Dev Biol 3, 11 (2003)}.
In this example, the in vivo physiological role of Erk5 in skeletal development was confirmed.

Prx1-Cre導入遺伝子を用いて間葉系‐特異的Erk5ノックアウトマウスを作製した{参照:Genesis (New York, N.Y. : 2000) 33, 77-80 (2002)}。Prx1-Cre;Erk5fl/flマウスは、予測されたメンデルの法則の頻度でリカバーできた(データ省略)。アルシアンブルー及びアリザリンレッドによる交尾後18.5日(E18.5)の胚からの骨格標本の染色は、前肢(上腕骨、橈骨及び尺骨)及び後肢(大腿骨、脛骨及び腓骨)中の長骨がPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚(図1A a〜d)において太くなり、また、より大きな空隙は、小泉門(体腔壁及び頭頂間骨の間の空隙)中で確認できた(図1Ae〜f)。さらに、特に、中足骨、中手骨及び基節骨の石化障害は、Prx1-Cre;Erk5fl/flE18.5の胚で観察でき(図1A g〜h)、また、中足骨を含む脚の骨の奇形は、3週齢の突然変異体マウスでも観察できた(図1A i〜j)。より太い長骨(図なし)及び中足骨の石化障害(図なし)は、共に、E16.5のPrx1-Cre; Erk5fl/fl胚中で観察できた。 Mesenchymal-specific Erk5 knockout mice were generated using the Prx1-Cre transgene {Reference: Genesis (New York, NY: 2000) 33, 77-80 (2002)}. Prx1-Cre; Erk5 fl / fl mice were able to recover at the predicted Mendel's law frequency (data not shown). Staining of skeletal specimens from embryos 18.5 days after mating with Alcian Blue and Alizarin Red (E18.5) shows long bones in the forelimbs (humerus, ribs and ulna) and hindlimbs (femur, tibia and ribs) Prx1-Cre; thickened in Erk5 fl / fl embryos (FIGS. 1A a-d) and larger voids could be identified in the Koizumi gate (the space between the body cavity wall and the parietal bone) (FIGS. 1Ae- f). Furthermore, in particular, metatarsal, metacarpal, and metaphyseal ossification failures can be observed in Prx1-Cre; Erk5 fl / fl E18.5 embryos (FIGS. 1A g to h). Including leg bone malformations could also be observed in 3 week old mutant mice (FIG. 1A i-j). Both thicker long bones (not shown) and metatarsal fossils (not shown) were both observed in E16.5 Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos.

最も注目される表現型が、E18.5のPrx1-Cre;Erk5fl/fl胚の中足骨において観察されたことを考慮し、さらに、これらの胚の組織学的調査を行った。Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚の中足骨中のほとんど全ての軟骨細胞は、非肥大軟骨細胞のマーカーであるコラーゲンタイプII α1(Col2a1)を発現し、一方、コントロール胚中の中足骨の中間部分は、Col2a1を欠如した(図1B g〜h)。さらに、肥大軟骨細胞マーカーであるコラーゲンタイプX α1(Col10a1)の発現は、コントロールマウス中と比較して、Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚中で著しく低下した(図1B i〜j)。
これらの中足骨中の軟骨分化における異常は、さらに、H&E染色及びサフラニンO染色によって確認された(図1B a〜d)。von Kossa染色により決定した通りに、軟骨肥大、石化及びカルシウム沈着の遅延と一致して、マトリックスメタロプロテアーゼ-13(Mmp13)発現は、Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚中で低下した(図1B e、f、k、l)。組織学的分析により、E18.5のPrx1-Cre; Erk5fl/fl胚における長骨(大腿骨と脛骨)の増加幅が明らかになった(図なし)。
Considering that the most notable phenotype was observed in the metatarsal bones of E18.5 Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos, further histological investigations of these embryos were performed. Prx1-Cre; Erk5 fl / fl Almost all chondrocytes in the metatarsals of embryos express collagen type II α1 (Col2a1), a marker of nonhypertrophic chondrocytes, while metatarsals in control embryos The middle part of was lacking Col2a1 (FIG. 1B g-h). Furthermore, the expression of collagen type X α1 (Col10a1), a marker of hypertrophic chondrocytes, was significantly reduced in Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos compared to control mice (FIG. 1B i-j).
Abnormalities in cartilage differentiation in these metatarsals were further confirmed by H & E staining and safranin O staining (FIGS. 1B a-d). Matrix metalloproteinase-13 (Mmp13) expression was reduced in Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos, consistent with delayed cartilage hypertrophy, petrification and calcification, as determined by von Kossa staining (FIG. 1B). e, f, k, l). Histological analysis revealed increased width of long bones (femur and tibia) in E18.5 Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos (not shown).

in vivoでの骨格発達におけるErk5の生理学的役割をさらに調べるために、Col2a1-Cre導入遺伝子を使用した軟骨特異的Erk5ノックアウトマウスを作出した。Col2a1-Cre;Erk5fl/flマウスは、予測されたメンデルの法則の頻度でリカバーできた(データ省略)。骨格標本及び組織学的分析は、E18.5でCol2a1-Cre;Erk5fl/fl胚が、Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚において示された、小泉門における空隙中と、中足骨、中手骨及び基節骨の石化の異常を示さなかった。しかし、それらは、前肢及び後肢におけるより太い長骨に関して、Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚の表現型を再現した(図なし)。 To further investigate the physiological role of Erk5 in skeletal development in vivo, a cartilage-specific Erk5 knockout mouse using the Col2a1-Cre transgene was created. Col2a1-Cre; Erk5 fl / fl mice were able to recover at the predicted Mendel's law frequency (data not shown). Skeletal specimens and histological analysis showed that E18.5 showed Col2a1-Cre; Erk5 fl / fl embryos in Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos There was no abnormality in petrification of the hand bones and proximal phalanx. However, they reproduced the phenotype of the Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryo for thicker long bones in the forelimbs and hindlimbs (not shown).

以上により、2つの異なるCreドライバーマウス(Prx1-Cre;Erk5fl/flマウス及びCol2a1-Cre;Erk5fl/flマウス)により作出されたErk5欠失マウスの表現型変化の中で、より太い長骨は、両方のドライバーマウスによるErk5欠失に伴う共通の表現型であり、一方、小泉門におけるより大きな空隙と、中足骨、中手骨及び基節骨の石化障害の両方に関する表現型変化は、間葉細胞におけるErk5欠失に関連した特異的表現型であった。 As described above, the thicker long bones in the phenotypic changes of Erk5-deficient mice created by two different Cre driver mice (Prx1-Cre; Erk5 fl / fl mice and Col2a1-Cre; Erk5 fl / fl mice) Is a common phenotype associated with Erk5 deletion by both driver mice, while phenotypic changes for both the larger gaps in the Koizumi-mon and the metatarsal, metacarpal, and metaphyseal calcification disorders are A specific phenotype associated with Erk5 deletion in mesenchymal cells.

(ERK5欠失による、in vitroでの分化の加速と軟骨細胞の成熟阻害の確認)
本実施例では、間葉細胞におけるErk5欠失に関連した骨格異常が、軟骨形成における異常に由来したものかについて明らかにするために、in vitroでの軟骨形成に対するErk5不活性化の影響を確認した。
(Confirmation of accelerated differentiation in vitro and inhibition of chondrocyte maturation by ERK5 deletion)
In this example, in order to clarify whether the skeletal abnormalities related to Erk5 deletion in mesenchymal cells originated from abnormalities in chondrogenesis, we confirmed the effect of Erk5 inactivation on in vitro cartilage formation did.

Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/flマウスから調製された肢芽細胞の微量質量培養を、分化のために6日間、成熟のために12日間行い、続いて、アルシアンブルー及びアリザリンレッド染色を行った。アルシアンブルー陽性領域の著しい増加は、6日目にErk5欠失細胞の中で観察され、一方、該領域中のアリザリンレッド強度は、12日目のErk5欠失細胞中で著しく減少した(図1C)。これらは、Erk5欠失による軟骨細胞における分化の増加と成熟の低下を示している。Erk5欠失細胞では、Col2a1、Aggrecan及びSox9のmRNA発現における著しい増加が観察されたが(図1D)、一方、Col10a1及びMmp13発現は、著しく減少した(図1E)。さらに、Sox9タンパク質発現は、Runx2及びOsterixの発現に変化がないにもかかわらず、Erk5欠失細胞中で著しく増加した(図1F)。 Micromass cultures of limb blasts prepared from Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl mice were performed for 6 days for differentiation and 12 days for maturation, followed by Alcian blue and alizarin Red staining was performed. A significant increase in the Alcian blue positive area was observed in Erk5-deficient cells on day 6, while alizarin red intensity in the area was significantly reduced in Erk5-deficient cells on day 12 (Fig. 1C). These show increased differentiation and decreased maturation in chondrocytes due to Erk5 deletion. In Erk5-deficient cells, a significant increase in Col2a1, Aggrecan and Sox9 mRNA expression was observed (FIG. 1D), while Col10a1 and Mmp13 expression was significantly reduced (FIG. 1E). Furthermore, Sox9 protein expression was markedly increased in Erk5-deficient cells despite no change in Runx2 and Osterix expression (FIG. 1F).

次に、Mek5/Erk5経路が、in vitroで、軟骨形成を制御するかどうかを確認した。
アルシアンブルー及びアリザリンレッド染色は、コントロール及びErk5欠失細胞中で、Erk5(WT)のレトロウイルスの導入により著しく阻害された(図1G a〜d、g〜j)。対照的に、Mek5用2つのリン酸化部位を欠き、標的遺伝子をリン酸化できない、Erk5のドミナントネガティブ型である、Erk5(DN)のレトロウイルス導入は、Erk5欠失細胞において観察されたように、コントロール細胞中で、アルシアンブルー陽性領域を著しく増加させ、該領域におけるアリザンレッド強度を著しく低減した(図1G a、e、g、k)。一方、Erk5(DN)がErk5欠失細胞中に導入された場合には、軟骨細胞の分化及び成熟における更なる変化は観察されなかった(図1Gb、f、h、l)。さらに、Mek5の実質的な活性型であるMek5Dのレトロウイルス導入では、コントロール細胞の分化及び成熟を阻害したが、Erk5欠失細胞の分化及び成熟は、阻害しなかった(図なし)。
以上により、これらの結果は、Mek5/Erk5経路が、軟骨細胞の分化及び成熟を制御し、Sox9発現を調整することを示している。
Next, it was confirmed whether the Mek5 / Erk5 pathway controls cartilage formation in vitro.
Alcian blue and alizarin red staining was markedly inhibited in control and Erk5-deficient cells by introduction of Erk5 (WT) retrovirus (FIGS. 1G a-d, g-j). In contrast, retroviral transduction of Erk5 (DN), a dominant negative form of Erk5 that lacks two phosphorylation sites for Mek5 and cannot phosphorylate the target gene, as observed in Erk5-deficient cells, In the control cells, the Alcian blue positive area was significantly increased, and the arizan red intensity in the area was significantly reduced (FIG. 1G a, e, g, k). On the other hand, when Erk5 (DN) was introduced into Erk5-deficient cells, no further changes in chondrocyte differentiation and maturation were observed (FIG. 1Gb, f, h, l). Furthermore, introduction of Mek5D, a substantial active form of Mek5, inhibited the differentiation and maturation of control cells, but did not inhibit the differentiation and maturation of Erk5-deficient cells (not shown).
Thus, these results indicate that the Mek5 / Erk5 pathway controls chondrocyte differentiation and maturation and regulates Sox9 expression.

(Mek5/Erk5経路によるSmadのユビキチン依存的分解の制御の確認)
本実施例では、Erk5欠失細胞中の軟骨形成の制御(変更)及びSox9の上方制御の原因となる物質の同定を行った。
(Confirmation of regulation of ubiquitin-dependent degradation of Smad by Mek5 / Erk5 pathway)
In this Example, the substances responsible for the control (modification) of chondrogenesis and up-regulation of Sox9 in Erk5-deficient cells were identified.

Erk5欠失細胞中のいくつかのレポーターのルシフェラーゼ活性をモニターした。試験したレポーターの中で、BRE-luc(Smad1/5/8依存)及びSBE4-luc(Smad2/3依存)のルシフェラーゼ活性は、それらのコントロール活性と比較して、Erk5欠失細胞中で著しく増加した(図2A)。Erk5欠失細胞中でのSox9発現の上方制御に一致して(図1F)、Sox9プロモーター活性(Sox9-luc)及びSox9依存性転写活性(4x48-luc)は、Erk5欠失細胞中で著しく増加したが、一方、Runx2プロモーター活性(Runx2-luc)又はRunx2依存性転写活性(6xOSE2-luc)のいずれについても、著しい変化はみられなかった(図2A)。   Several reporter luciferase activities in Erk5-deficient cells were monitored. Among the reporters tested, the luciferase activity of BRE-luc (Smad1 / 5/8 dependent) and SBE4-luc (Smad2 / 3 dependent) is significantly increased in Erk5-deficient cells compared to their control activity (Fig. 2A). Consistent with the up-regulation of Sox9 expression in Erk5-deficient cells (Figure 1F), Sox9 promoter activity (Sox9-luc) and Sox9-dependent transcriptional activity (4x48-luc) are significantly increased in Erk5-deficient cells On the other hand, no significant change was observed in either Runx2 promoter activity (Runx2-luc) or Runx2-dependent transcriptional activity (6xOSE2-luc) (FIG. 2A).

次に、Erk5欠失細胞中のSmad1/5/8-及びSmad2/3-依存性の転写活性の誘導の基礎となる機構を解明することを試みた。Smad発現は、mRNAレベルでのErk5欠失及びコントロール細胞間で、同等であった(図2B)。一方、Smad5とSmad8ではなくSmad1、Smad2及びSmad3のタンパク質発現が、Erk5欠失細胞中で著しく上方制御した(図2C)。さらに、Smad1/5/8及びSmad2/3のリン酸化は、ルシフェラーゼアッセイの結果に一致して(図2A)、Erk5欠失細胞中で上方制御した(図2C)。この確認と一致して、Smad1、Smad2及びSmad3発現が、Sox9発現上方制御と共に、Erk5欠失細胞の核において著しく増強されることを観察した(図2D)。
これらの結果は、Erk5が、mRNAレベルではなくタンパク質レベルで、特定のSmadの発現を選択的に制御することを示している。
Next, we tried to elucidate the mechanism underlying the induction of Smad1 / 5 / 8- and Smad2 / 3-dependent transcriptional activity in Erk5-deficient cells. Smad expression was comparable between Erk5 deletion at the mRNA level and control cells (FIG. 2B). On the other hand, protein expression of Smad1, Smad2 and Smad3 but not Smad5 and Smad8 was significantly up-regulated in Erk5-deficient cells (FIG. 2C). Furthermore, phosphorylation of Smad1 / 5/8 and Smad2 / 3 was upregulated in Erk5-deficient cells (FIG. 2C), consistent with the results of the luciferase assay (FIG. 2A). Consistent with this confirmation, we observed that Smad1, Smad2 and Smad3 expression, with up-regulation of Sox9 expression, was significantly enhanced in the nucleus of Erk5-deficient cells (FIG. 2D).
These results indicate that Erk5 selectively regulates the expression of specific Smads at the protein level rather than at the mRNA level.

次に、Erk5が選択的にSmad分解を制御するかについて解明することを試みた。Erk5欠失細胞は、タンパク合成阻害剤であるシクロヘキシミド(CHX)で処理し、Smad1、Smad2及びSmad3発現を評価した。コントロール細胞では、Smad1、Smad2及びSmad3タンパク質発現は、CHX処理の2時間後に急速に減少したが、一方、これらのタンパク質の発現レベルは、Erk5欠失細胞中では維持された(図2E)。   Next, we tried to elucidate whether Erk5 selectively controls Smad degradation. Erk5-deficient cells were treated with a protein synthesis inhibitor, cycloheximide (CHX), and Smad1, Smad2 and Smad3 expression was evaluated. In control cells, Smad1, Smad2 and Smad3 protein expression decreased rapidly after 2 hours of CHX treatment, while the expression levels of these proteins were maintained in Erk5-deficient cells (FIG. 2E).

次に、Mek5/Erk5経路が、ユビキチン化を促進する作用を通じて、Smad1、Smad2及びSmad3ターンオーバーを増強するかどうかについて確認した。HAタグ標識ユビキチン及びFlagタグ標識Smad1、Smad2又はSmad3は、HEK293細胞のMek5D及びErk5(WT)の存在下又は非存在下において共導入した。Mek5D及びErk5(WT)非存在下では、調べた全てのSmadについて、観察できなかった。対照的に、Mek5D及びErk5存在下で、高分子量のユビキチン共役型Smad産物が、Smad1、Smad2及びSmad3について観察できた(図2F)。
以上により、これらの結果は、Mek5/Erk5経路が、Smad1/5/8-及びSmad2/3-依存性転写活性を制御するために、ユビキチン化及びプロテアソーム媒介分解について、Smad1、Smad2及びSmad3を優先的に標的とすることを示している。
Next, it was confirmed whether the Mek5 / Erk5 pathway enhances Smad1, Smad2 and Smad3 turnover through the action of promoting ubiquitination. HA tag-labeled ubiquitin and Flag tag-labeled Smad1, Smad2 or Smad3 were co-introduced in the presence or absence of Mek5D and Erk5 (WT) in HEK293 cells. In the absence of Mek5D and Erk5 (WT), all Smads examined could not be observed. In contrast, high molecular weight ubiquitin-coupled Smad products could be observed for Smad1, Smad2 and Smad3 in the presence of Mek5D and Erk5 (FIG. 2F).
These results suggest that the Mek5 / Erk5 pathway favors Smad1, Smad2 and Smad3 for ubiquitination and proteasome-mediated degradation to control Smad1 / 5 / 8- and Smad2 / 3-dependent transcriptional activity To target.

(Erk5による、Smadユビキチン化を活性化するSmurf2の249番目のスレオニン(Thr249)の直接的リン酸化及び軟骨細胞分化の抑制の確認)
本実施例では、Mek5/Erk5シグナルが、Smadのユビキチン化及びプロテアソーム媒介性分解を促進する機構を調べた。
(Erk5 confirms the direct phosphorylation of threonine (Thr249) of Smurf2 that activates Smad ubiquitination and suppression of chondrocyte differentiation)
In this example, the mechanism by which Mek5 / Erk5 signal promotes Smad ubiquitination and proteasome-mediated degradation was investigated.

Erk5が、直接Smadsと相互作用できるかについて確認した。Erk5は、Smad8以外のSmadsと直接相互作用しなかったが(図3A)、Erk5は、HEK293(図3A)及び初期間葉細胞(図3B)において、Smadのユビキチン依存性分解の原因であるユビキチンE3リガーゼであるSmurf2と相互作用したが、Smurf1とは相互作用しなかった。
このことは、Erk5が、in vivoで、物理的にSmurf2と相互作用することを示した。
We confirmed whether Erk5 can directly interact with Smads. Erk5 did not interact directly with Smads other than Smad8 (Figure 3A), but Erk5 is the cause of ubiquitin-dependent degradation of Smad in HEK293 (Figure 3A) and early mesenchymal cells (Figure 3B). It interacted with Smurf2, an E3 ligase, but not with Smurf1.
This indicated that Erk5 physically interacts with Smurf2 in vivo.

最適なErk5基質モチーフを用いたコンピューターアラインメントにより、異なる種間に保存された4つの候補セリン/スレオニン部位の中で、マウスSmurf2のThr249において、潜在的な1つのErk5リン酸化部位を取得した(図3C)。
さらに、Erk1/2は、Smurf2をThr249でリン酸化するようにはみえなかった(図なし)。Smad分解及び軟骨細胞分化における潜在的リン酸化部位の役割を解明するために、リン酸化を妨げるために、スレオニンがアラニンに置換されたSmurf2の部位特異的突然変異コンストラクト、Smurf2(T249A)を作出した。in vitroのキナーゼアッセイにより、細菌により発現されたリコンビナントSmurf2(WT)は、Erk5(active)によりリン酸化されるが、Erk5(inactive)によりリン酸化されないこと、一方、Erk5によるSmurf2リン酸化は、Smurf2(T249A)により完全に停止したことを確認した(図3D)。これらの結果は、Erk5が、直接、Smurf2のThr249をリン酸化することを示している。
One potential Erk5 phosphorylation site was obtained in Thr249 of mouse Smurf2 among four candidate serine / threonine sites conserved between different species by computer alignment with the optimal Erk5 substrate motif (Fig. 3C).
Furthermore, Erk1 / 2 did not appear to phosphorylate Smurf2 with Thr249 (not shown). To elucidate the role of potential phosphorylation sites in Smad degradation and chondrocyte differentiation, we created a site-specific mutation construct, Smurf2 (T249A), in which threonine was replaced with alanine to prevent phosphorylation. . In vitro kinase assays show that recombinant Smurf2 (WT) expressed by bacteria is phosphorylated by Erk5 (active) but not by Erk5 (inactive), whereas Srkf2 phosphorylation by Erk5 is (T249A) confirmed complete stoppage (FIG. 3D). These results indicate that Erk5 directly phosphorylates Thr249 of Smurf2.

Smad分解におけるThr249でのSmurf2リン酸化の役割を確認するために、リコンビナントSmurf2(WT)、リコンビナントSmurf2(T249A)及び、Erk5(active)及びSmadと同様のリン酸化された状態を模倣するためにスレオニンをグルタミン酸に置換したリコンビナントSmurf2(T249E)を用いてin vitroでのユビキチン化アッセイを行った。
Smurf2(WT)とユビキチン、E1及びUbcH5cとのインキュベートは、Erk5非存在下で弱いユビキチン化シグナルを示したが、Erk5存在化ではSmadタンパク質ユビキチン化を引き起こした。Smurf2(T249A)との反応は、Erk5の存在に関係なく、Smad1、Smad2及びSmad3の存在下において、わずかなユビキチン化シグナルを作り出したが、一方、Smadが、Erk5非存在下でSmurf2(T249E)とインキュベートした場合に、強い(重大な)ユビキチン化が観察された。すなわち、Erk5の添加は、ユビキチン化を増加させなかった(図3E)。
To confirm the role of Smurf2 phosphorylation at Thr249 in Smad degradation, recombinant Smurf2 (WT), recombinant Smurf2 (T249A) and threonine to mimic the phosphorylated state similar to Erk5 (active) and Smad An in vitro ubiquitination assay was performed using recombinant Smurf2 (T249E) in which is substituted with glutamic acid.
Incubation of Smurf2 (WT) with ubiquitin, E1 and UbcH5c showed a weak ubiquitination signal in the absence of Erk5, but in the presence of Erk5 caused Smad protein ubiquitination. The reaction with Smurf2 (T249A) produced a slight ubiquitination signal in the presence of Smad1, Smad2 and Smad3, regardless of the presence of Erk5, whereas Smad, in the absence of Erk5, Smurf2 (T249E) A strong (serious) ubiquitination was observed when incubated with. That is, the addition of Erk5 did not increase ubiquitination (FIG. 3E).

最後に、Smurf2のThr249のリン酸化が、Erk5依存性軟骨形成の制御に必要かについて確認した。Smurf2(WT)及びSmurf2(T249E)のレトロウイルスの感染は、コントロール及びErk5欠失細胞における軟骨細胞分化を減少させたが(図3F a、b、d、e、f、h)、一方、Smurf2(T249A)は、コントロール細胞の分化を増加させたが、Erk5欠失細胞の分化を増加させなかった(図3F a、c、e、g)。これらの結果に従って、BRE-luc活性は、Smurf2(T249A)遺伝子導入による活性の上方制御とは対照的に、Smurf2(WT)を遺伝子導入した細胞において減少し、Smurf2(T249E)遺伝子導入により更に減少した(図3G)。
以上により、これらの結果は、Mek5/Erk5経路が、Thr249の直接のリン酸化を介してSmurf2のユビキチンE3リガーゼ活性を増強することによるSmad1、Smad2及びSmad3安定性を調節することにより軟骨形成を制御することを示している。
Finally, we confirmed whether phosphorylation of Smurf2 Thr249 is necessary for the control of Erk5-dependent cartilage formation. Smurf2 (WT) and Smurf2 (T249E) retroviral infection reduced chondrocyte differentiation in control and Erk5-deficient cells (FIG. 3F a, b, d, e, f, h), whereas Smurf2 (T249A) increased control cell differentiation but not Erk5-deficient cell differentiation (FIG. 3F a, c, e, g). According to these results, BRE-luc activity decreased in cells transfected with Smurf2 (WT), as opposed to upregulation of activity by Smurf2 (T249A) gene transfer, and further decreased by Smurf2 (T249E) gene transfer (Figure 3G).
These results suggest that the Mek5 / Erk5 pathway regulates chondrogenesis by regulating Smad1, Smad2 and Smad3 stability by enhancing Smurf2's ubiquitin E3 ligase activity through direct phosphorylation of Thr249 It shows that

(SmadはSox9発現を直接活性化することの確認)
本実施例では、Erk5欠失がSox9 mRNA発現を誘導し、Erk5がSmurf2によるSmadのプロテアソーム分解を活性化するという結果から、Smadsは間葉細胞における転写レベルで、Sox9発現を活性化できるかについて確認した。
(Confirmation that Smad directly activates Sox9 expression)
In this example, Erk5 deletion induces Sox9 mRNA expression, and Erk5 activates Smad proteasome degradation by Smurf2, suggesting that Smads can activate Sox9 expression at the transcriptional level in mesenchymal cells confirmed.

Smad1/Smad4、Smad2/Smad4及びSmad3/Smad4の誘導は、タンパク質レベル(図4A)及びmRNAレベル(図4B)で、Sox9発現を著しく上方制御した。マウスSox9及びヒトSox9の5'‐隣接領域を計算的に分析し、マウスSox9とヒトSox9の間で高度に保存されている5'‐隣接領域において、少なくとも1つの推定の骨形態形成タンパク質応答エレメント(bone morphogenic protein responsive element;BRE)及び1つの推定のSmad‐結合エレメント(Smad-binding element;SBE)を同定した(図4C)。初期の間葉細胞を使用して行なったレポーターアッセイにより、Smad1/Smad4、Smad2/Smad4及びSmad3/Smad4の導入が、Sox9プロモーター活性を著しく活性化することを明らかにした(図4D)。さらに、クロマチン免疫沈降分析により、BREを包含するSox9プロモーター領域へのSmad1の動員は、コントロール細胞における場合と比較して、Erk5欠失細胞中で著しく増強され、Smad2及びSmad3動員は著しい変化がなかったことを確認した(図4E)。対照的に、SBEを包含するSox9プロモーター領域へのSmad2及びSmad3の動員は、Smad1の動員とは異なり、Erk5欠失細胞中で著しく増強された(図4F)。
以上、これらの結果は、Smadが、間葉細胞における転写レベルで、Sox9発現を直接活性化することを示し、Erk5欠失細胞中でSox9発現の優先的な上方制御についての根拠になるものである。
Induction of Smad1 / Smad4, Smad2 / Smad4 and Smad3 / Smad4 significantly up-regulated Sox9 expression at the protein level (FIG. 4A) and mRNA level (FIG. 4B). Computational analysis of 5'-flanking regions of mouse Sox9 and human Sox9, and at least one putative bone morphogenetic protein response element in the 5'-flanking region that is highly conserved between mouse Sox9 and human Sox9 (Bone morphogenic protein responsive element; BRE) and one putative Smad-binding element (SBE) were identified (FIG. 4C). A reporter assay performed using early mesenchymal cells revealed that introduction of Smad1 / Smad4, Smad2 / Smad4 and Smad3 / Smad4 markedly activated Sox9 promoter activity (FIG. 4D). Furthermore, chromatin immunoprecipitation analysis showed that Smad1 recruitment to the Sox9 promoter region, including BRE, was significantly enhanced in Erk5-deficient cells and Smad2 and Smad3 recruitment were not significantly altered compared to control cells. (Figure 4E). In contrast, recruitment of Smad2 and Smad3 to the Sox9 promoter region encompassing SBE was significantly enhanced in Erk5-deficient cells, unlike Smad1 recruitment (FIG. 4F).
Thus, these results indicate that Smad directly activates Sox9 expression at the transcriptional level in mesenchymal cells and provides evidence for preferential up-regulation of Sox9 expression in Erk5-deficient cells. is there.

(Erk5はSox9を介して骨格形成及び軟骨形成を制御することの確認)
上記実施例の結果は、Erk5欠失が、in vivo及びin vitroで、Sox9発現の活性化を介して骨格形成及び軟骨形成に影響することを示している。本実施例では、in vivoで遺伝学的に確証するために、間葉細胞中のSox9の1つの対立遺伝子を欠失(Sox9fl/+)しているErk5-/-胚を作出した。Prx1-Cre;Erk5fl/fl;Sox9fl/+胚及びマウスは、E18.5での中足骨及び基節骨の石化障害(図5A m〜p)及び3週齢での脚における骨格形成奇形(図5A q〜t)の正常化を示した。さらに、Sox9のヘテロ欠失は、Prx1-Cre;Erk5fl/fl胚において識別されたより大きな小泉門をレスキューし(図5A i〜l)、一方、前肢と後肢における長骨の幅は、Prx1-Cre;Erk5fl/fl及びPrx1-Cre;Erk5fl/fl;Sox9fl/+胚の間で同等であったことから(図5A e〜h)、これらの硬骨中のMek5/Erk5経路におけるSox9依存性機構の存在を示している。
さらに、Erk5欠失細胞において、アルシアンブルー陽性領域により定義された分化(図5B a〜d及び5C)、及び該領域におけるアリザリンレッド強度により定義された成熟(図5B e〜h及び5D)の異常は、in vitroで間葉細胞におけるSox9のヘテロ欠失により著しくレスキューした。
以上により、これらの結果は、Erk5が、間葉細胞におけるSox9の発現及び機能を阻害する能力を通じて、骨格形成及び軟骨形成を制御するという遺伝学的証拠を示した。
(Confirmation that Erk5 regulates skeletal and cartilage formation via Sox9)
The results of the above examples show that Erk5 deletion affects skeletal and cartilage formation through activation of Sox9 expression in vivo and in vitro. In this example, Erk5 − / − embryos were generated in which one allele of Sox9 in mesenchymal cells was deleted (Sox9 fl / + ) for genetic verification in vivo. Prx1-Cre; Erk5 fl / fl ; Sox9 fl / + embryos and mice, metatarsal and proximal phalanxification failure at E18.5 (FIG. 5A m-p) and skeletal formation in the leg at 3 weeks of age Normalization of malformations (Figure 5A q-t) was shown. In addition, heterozygous deletion of Sox9 rescues the larger Koizumi gate identified in Prx1-Cre; Erk5 fl / fl embryos (FIG. 5A i-l), while the width of the long bones in the forelimbs and hindlimbs is Prx1- Sox9 dependence in the Mek5 / Erk5 pathway in these bones because it was comparable between Cre; Erk5 fl / fl and Prx1-Cre; Erk5 fl / fl ; Sox9 fl / + embryos (FIGS. 5A e-h) It indicates the existence of sex mechanism.
Furthermore, in Erk5-deficient cells, differentiation defined by the Alcian blue positive region (FIGS. 5B a-d and 5C), and maturation defined by alizarin red intensity in the region (FIGS. 5B e-h and 5D). Abnormalities were markedly rescued in vitro by heterozygous deletion of Sox9 in mesenchymal cells.
Thus, these results showed genetic evidence that Erk5 regulates skeletal and cartilage formation through the ability to inhibit Sox9 expression and function in mesenchymal cells.

(Mek5/Erk5/Smurf2/Smadカスケードの癌細胞での役割の確認)
ヒトグリオーマ(脳腫瘍)細胞にSmurf2の各変異体(Smurf2 T249AとSmurf2 T249E)を導入後、ヌードマウスに移植し、がん(脳腫瘍)の発症・進展を確認している。Smurf2 T249A又はSmurf2 T249Eの変異体が、がん(脳腫瘍)の発症・進展を抑制すれば、Mek5/Erk5/Smurf2/Smadカスケードは癌細胞の増殖に重要な役割を果していると言える。
よって、Mek5/Erk5/Smurf2/Smadカスケードの各工程の活性程度を検出することにより、癌の検出を行うことができる。
(Confirmation of the role of Mek5 / Erk5 / Smurf2 / Smad cascade in cancer cells)
Smurf2 mutants (Smurf2 T249A and Smurf2 T249E) have been introduced into human glioma (brain tumor) cells, and then transplanted into nude mice to confirm the onset and progression of cancer (brain tumor). If a mutant of Smurf2 T249A or Smurf2 T249E suppresses the onset / progress of cancer (brain tumor), it can be said that the Mek5 / Erk5 / Smurf2 / Smad cascade plays an important role in the growth of cancer cells.
Therefore, cancer can be detected by detecting the activity level of each step of the Mek5 / Erk5 / Smurf2 / Smad cascade.

(総論)
本実施例により、以下の知見を得た。
(1)Erk5は、骨格発達に生理学的役割を有する。
(2)Mek5/Erk5経路が、軟骨細胞の分化及び成熟を制御し、Sox9発現を調整すること。
(3)Mek5/Erk5経路が、Smad1/5/8-及びSmad2/3-依存性転写活性を制御するために、ユビキチン化及びプロテアソーム媒介分解について、Smad1、Smad2及びSmad3を優先的に標的とすること。
(4)Mek5/Erk5経路が、Thr249の直接のリン酸化を介してSmurf2のユビキチンE3リガーゼ活性を増強することによるSmad1、Smad2及びSmad3安定性を調節することにより軟骨形成を制御すること。
(5)Smadが、間葉細胞における転写レベルで、Sox9発現を直接活性化すること。
(6)Erk5が、間葉細胞におけるSox9の発現及び機能を阻害する能力を通じて、骨格形成及び軟骨形成を制御すること。
(7)間葉細胞におけるErk5欠失は、in vivo及びin vitroでの異常な骨格形成及び軟骨形成を示したが、Sox9のヘテロ欠失により異常な形成をレスキューできた。
(General)
The following knowledge was acquired by the present Example.
(1) Erk5 has a physiological role in skeletal development.
(2) The Mek5 / Erk5 pathway regulates chondrocyte differentiation and maturation and regulates Sox9 expression.
(3) Mek5 / Erk5 pathway preferentially targets Smad1, Smad2 and Smad3 for ubiquitination and proteasome-mediated degradation to control Smad1 / 5 / 8- and Smad2 / 3-dependent transcriptional activity about.
(4) The Mek5 / Erk5 pathway regulates cartilage formation by regulating Smad1, Smad2 and Smad3 stability by enhancing Smurf2 ubiquitin E3 ligase activity through direct phosphorylation of Thr249.
(5) Smad directly activates Sox9 expression at the transcriptional level in mesenchymal cells.
(6) Control skeletal and cartilage formation through the ability of Erk5 to inhibit Sox9 expression and function in mesenchymal cells.
(7) Erk5 deletion in mesenchymal cells showed abnormal skeletal and cartilage formation in vivo and in vitro, but abnormal formation could be rescued by heterodeletion of Sox9.

これらにより、図6の示すような間葉細胞におけるMek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケードが軟骨形成を制御すると考えられる。より詳しくは、(1)Mek/Erk5シグナルが直接Smurf2のリン酸化を行い、(2)リン酸化Smurf2がSmads (Smad1, Smad2及びSmad3)のプロテアソーム分解を促進し、続いて軟骨分化を阻害すること、(3)Smads (Smad1/Smad4, Smad2/Smad4及びSmad3/Smad4)は転写レベルでのSox9発現を調整する。
より詳しくは、Smurf2の249番目のスレオニン(Thr249)はユビキチンE3リガーゼ活性に必須であり、さらに、Smurf2は軟骨形成を制御する重要なタンパク質である。
加えて、Smads (Smad1/Smad4, Smad2/Smad4及びSmad3/Smad4)は間葉細胞でのSox9発現を転写レベルで活性化させる。これにより、Erk5依存性アップレギュレーションしたSmadは、Sox9に結合することによりプロモーターにSox9結合部位を含むCol2a1及びAggrecanを含む軟骨特異的遺伝子の発現を誘導している、及び/又は直接Sox9転写を誘導していると考えられる。
以上の知見により、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全の場合には、骨障害が発症すると考えられる。
Thus, the Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade in mesenchymal cells as shown in FIG. 6 is thought to control cartilage formation. More specifically, (1) Mek / Erk5 signal directly phosphorylates Smurf2, and (2) phosphorylated Smurf2 promotes proteasomal degradation of Smads (Smad1, Smad2 and Smad3) and subsequently inhibits cartilage differentiation. (3) Smads (Smad1 / Smad4, Smad2 / Smad4 and Smad3 / Smad4) regulate Sox9 expression at the transcriptional level.
More specifically, Smurf2's 249th threonine (Thr249) is essential for ubiquitin E3 ligase activity, and Smurf2 is an important protein that controls cartilage formation.
In addition, Smads (Smad1 / Smad4, Smad2 / Smad4 and Smad3 / Smad4) activate Sox9 expression in mesenchymal cells at the transcriptional level. Thus, Erk5-dependent up-regulated Smad induces expression of cartilage-specific genes including Col2a1 and Aggrecan containing Sox9 binding sites in the promoter by binding to Sox9 and / or directly induces Sox9 transcription it seems to do.
Based on the above findings, it is considered that bone disorder develops in the case of Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade failure.

本発明によれば、新規な骨障害の存在の検出方法、骨障害治療剤及び骨障害治療剤のスクリーニング方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel detection method of the presence of a bone disorder, the bone disorder therapeutic agent, and the screening method of a bone disorder therapeutic agent can be provided.

Claims (8)

被験者由来生体試料中の以下のいずれか1以上を検出することを特徴とする骨障害の存在の検出方法。
(1)Smurf2のリン酸化
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量
(4)Mek5のキナーゼ活性
(5)Erk5のキナーゼ活性
Any one or more of the following in a subject-derived biological sample is detected: A method for detecting the presence of a bone disorder.
(1) Phosphorylation of Smurf2 (2) Ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 (3) Smad1, Smad2 and / or Smad3 expression level (4) Kinase activity of Mek5 (5) Kinase activity of Erk5
前記生体試料は、間葉細胞である請求項1に記載の検出方法。
The detection method according to claim 1, wherein the biological sample is a mesenchymal cell.
前記Smurf2のリン酸化の検出は、コントロールと比較して低いことを指標とする請求項1又は2に記載の検出方法。
The detection method according to claim 1 or 2, wherein the detection of phosphorylation of Smurf2 is lower than that of control.
前記Smurf2のリン酸化の検出は、Smurf2のN末端から249番目のセリンがリン酸化されているかどうかを検出することである請求項1又は2に記載の検出方法。
The detection method according to claim 1 or 2, wherein the detection of phosphorylation of Smurf2 is to detect whether or not the 249th serine from the N-terminus of Smurf2 is phosphorylated.
前記骨障害は、骨形成不全症、タナトフォリック骨異形成症、骨粗鬆症、骨減少症、骨軟化症、骨骨髄腫、骨形成異常、パジェット病、骨硬化症、再生不良性骨障害、体液性高カルシウム血症骨髄腫、多発性骨髄腫、クルゾン症候群、オプシスモ異形成(成熟遅延骨異形成症)、濃化異骨症、又は、大理石骨病である請求項1〜4のいずれか1に記載の検出方法。
The bone disorder is osteogenesis imperfecta, tanatofolic dysplasia, osteoporosis, osteopenia, osteomalacia, bone myeloma, bone dysplasia, Paget's disease, osteosclerosis, aplastic bone disorder, body fluid Any one of claims 1 to 4, which is a hypercalcemic myeloma, multiple myeloma, Cruzon syndrome, opcismo dysplasia (mature delayed osteodysplasia), concentrated dysplasia, or marble bone disease. The detection method according to.
前記骨障害は、Mek/Erk5/Smurf2/Smad/Sox9カスケード不全によるものである請求項1〜5のいずれか1に記載の検出方法。
The detection method according to claim 1, wherein the bone disorder is due to Mek / Erk5 / Smurf2 / Smad / Sox9 cascade failure.
以下の(1)〜(4)いずれか1を有効成分とする骨障害治療剤。
(1)Smurf2遺伝子又はSmurf2タンパク質
(2)抗Smad1抗体、抗Smad2抗体及び/又は抗Smad3抗体
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制するsiRNA又はshRNA
(4)Smad1、Smad2及び/又はSmad3の発現を抑制する化合物
An agent for treating bone disorders comprising any one of the following (1) to (4) as an active ingredient.
(1) Smurf2 gene or Smurf2 protein (2) Anti-Smad1 antibody, anti-Smad2 antibody and / or anti-Smad3 antibody (3) siRNA or shRNA that suppresses the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3
(4) Compounds that suppress the expression of Smad1, Smad2 and / or Smad3
以下の(1)〜(3)のいずれか1から選択される骨障害治療剤のスクリーニング方法。
(1)Smurf2のリン酸化を促進させる試験化合物を選択する
(2)Smurf2のユビキチンE3リガーゼ活性を促進させる試験化合物を選択する
(3)Smad1、Smad2及び/又はSmad3発現量を低下させる試験化合物を選択する
A screening method for a bone disorder therapeutic agent selected from any one of the following (1) to (3).
(1) Select a test compound that promotes phosphorylation of Smurf2 (2) Select a test compound that promotes ubiquitin E3 ligase activity of Smurf2 (3) Select a test compound that reduces the expression level of Smad1, Smad2, and / or Smad3 select
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Meares et al. HSP105 interacts with GRP78 and GSK3 and promotes ER stress-induced caspase-3 activation
Gillingwater et al. The neuroprotective Wld S gene regulates expression of PTTG1 and erythroid differentiation regulator 1-like gene in mice and human cells
Lamba et al. Paired-like homeodomain transcription factors 1 and 2 regulate follicle-stimulating hormone β-subunit transcription through a conserved cis-element
Vignier et al. The non-muscle ADF/cofilin-1 controls sarcomeric actin filament integrity and force production in striated muscle laminopathies
Sutter et al. Mesenchyme-specific loss of Dot1L histone methyltransferase leads to skeletal dysplasia phenotype in mice
Wang et al. Identification of WNT4 alternative splicing patterns and effects on proliferation of granulosa cells in goat
Joassard et al. HuR mediates changes in the stability of AChR β-subunit mRNAs after skeletal muscle denervation