Cardiofaciocutaneous (CFC) syndrome is a rare genetic disorder caused by mutations in the extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling pathway. However, little is known about how aberrant ERK signaling is associated with the defective bone development manifested in most CFC syndrome patients. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) were generated from dermal fibroblasts of a CFC syndrome patient having BRAF gain-of-function mutation. CFC-iPSCs were differentiated into mesenchymal stem cells (CFC-MSCs) and further induced to osteoblasts in vitro. CFC-MSCs progressed normally through chondrogenesis and adipogenesis, but osteogenesis was attenuated compared to wild-type (WT)-cells. Breifly, CFC-MSCs exhibited aberrant expression of osteogenic markers, reduced ALP activity, and low mineralization capacity during osteogenesis compared to WT-cells. In addition to activated ERK signaling due to BRAF mutation, increased p-SMAD2 and decreased p-SMAD1 were observed in CFC-MSCs during osteogenesis. The defective osteogenesis of CFC-MSCs was rescued by inhibition of ERK signaling and SMAD2 signaling or activation of SMAD1 signaling. Importantly, activation of ERK signaling and SMAD2 signaling or inhibition of SMAD1 signaling recapitulated the impaired osteogenesis in WT-MSCs. These findings indicate that SMAD2 signaling and SMAD1 signaling as well as ERK signaling are responsible for defective early bone development in CFC syndrome, providing a novel insight on the pathological mechanism and therapeutic targets.
CFC 증후군은 ERK 신호전달체계의 돌연변이에 의해 발생하는 희귀 유전 질환이다. 비정상적인 뼈 발달은 대부분의 CFC 증후군 환자에서 나타나지만 ERK 신호전달체계의 이상과 골격계 관련 세포 분화의 연관성에 대해서는 알려진 바가 없다. 본 연구에서는. 증가한 SMAD2 신호전달체계와 감소한 SMAD1 신호전달체계가 CFC 증후군 환자의 초기 뼈 발달 과정에서의 비정상적인 조골세포 분화를 일으킬 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구를 위해 확립한 CFC-유도만능줄기세포 (CFC-iPSC) 로부터, CFC-중간엽줄기세포(MSC) 단계 까지는 정상적으로 분화하는 것을 확인하였으나, CFC-MSC로부터 CFC-조골세포로의 분화 및 성숙이 지연되는 것을 발견하였다. 구체적으로, CFC-MSC를 CFC-조골세포로 분화하는 과정에서, 정상 대조군에 비해 조골세포 관련 유전자 발현 이상, 알칼리 포스파타아제 활성 감소, 무기질 침착 저하가 나타나는 것을 관찰하였다. 또한 BRAF 유전자 돌연변이에 의한 ERK 신호전달체계의 증가 뿐만 아니라, SMAD2 신호전달체계가 과활성화되고 SMAD1 신호전달체계가 억제되는 것을 CFC-조골세포 분화 과정에서 확인하였다. 흥미롭게도, CFC-조골세포 분화과정에서 ERK와 SMAD2 신호전달체계를 억제하고 SMAD1 신호전달체계를 활성화 하도록 유도함으로써, 그 이상이 회복되는 것을 확인하였다. 그 반대로, 정상 대조군-MSC를 조골세포로 분화하는 과정에서 ERK와 SMAD2 신호전달체계를 증가시키고 SMAD1 신호전달체계를 각각 감소시켰을 때, CFC-조골세포와 유사한 분화 지연 및 이상현상을 나타냄을 관찰하였다. 이러한 결과를 바탕으로, ERK 신호전달체계 뿐만 아니라, 이와 관련된 SMAD2와 SMAD1 신호전달체계의 이상이 CFC 증후군 환자의 비정상적인 골 발달과 연관되어 있다는 가설을 확인하였다.
