Cartilage and bone development in higher vertebrates follows two main principles. Only few bones, mostly those of the skull, undergo intramembranous bone formation. All other bones of the skeleton undergo endochondral ossification, a process where chondrocytes form cartilage anlagen which are then transformed into bone. Understanding these complex changes can bring insight into pathological situations like growth retardations, dysplasias or Osteoarthritis. During cartilage and bone development many genes show strict spacial and time dependent expression. The correct regulation of gene expression especially during the transition from resting to hypertrophic chondrocytes and later on during bone formation is essential to correct skeletal development. One of these highly regulated genes is Ucma (Upper zone of growth plate cartilage matrix associated protein) from which little is known so far. It’s cartilage-specific and highly conserved within vertebrates. Ucma protein is detectable only extracellularly and its C-terminus is Tyrosin-sulphated and gamma -carboxylated. These findings suggest a possible interaction with extracellular matrix proteins like collagens. Using a biochemical approach we were able to detect specific binding of Ucma to collagen types II, V and XI and a disruption of collagen I in vitro fibrillogenesis. To further investigate the role of Ucma in vivo we created a Ucma-deficient mouse strain which expressed the LacZ gene under the endogenous Ucma promoter. Ucma-ko-mice were normal in appearance, fertile and showed no abnormal behavior. X-Gal staining revealed continuous expression of Ucma in adult rib and tracheal cartilage. Histological analyses showed no alteration in the morphology of cartilage or bone. An ultrastructural comparison between wildtype and knockout collagen fibrils revealed a slightly altered collagen II-fibril diameter in ko-mice. Collagen I-fibril diameters were not changed. There was no alteration in matrix mineralisation in Ucma-deficient mice detectable, but we found an age-dependent reduction in osteoclast number. A related reduction of osteoblast activity is probable but has to be further elucidated. Although these findings were unexpected, these data implicate that the physiological role of Ucma may not be focused on development, but rather on post-natal events, and that the importance of Ucma may become apparent under challenging or pathologic conditions.

Die Knorpel- und Knochenentwicklung in höheren Wirbeltieren läuft nach zwei unterschiedlichen Prinzipien ab. Die desmale Ossifizierung findet in nur wenigen Knochen, hauptsächlich des Schädels, statt. Der größte Teil des Skeletts folgt dem Schema der enchondralen Ossifizierung: auf die Bildung einer Matrize aus Knorpelzellen folgt ein Umbau entlang der Längsachse in Knochen. Das Verständnis dieses komplexen Vorgangs kann auch Einsichten in pathologische Vorgänge, wie Wachstumsstörungen, Skelettdysplasien oder Osteoarthrose bringen. Viele Gene werden während der Entwicklung des Knorpels differentiell exprimiert und sind zeitlich und räumlich streng reguliert. Gerade während der Reifung der Knorpelzellen – von Ruhezonen- zu hypertrophen Chondrozyten – und beim späteren Aufbau der Knochensubstanz ist die exakte Expressionsregulierung essentiell. Eines dieser strikt regulierten Gene ist Ucma (Upper zone of growth plate cartilage matrix associated protein), über dessen Funktion bisher nur wenig bekannt ist. Seine Expression ist knorpelspezifisch und es ist in Vertebraten hoch konserviert. Die extrazelluläre Lokalisation des Ucma-Proteins, seine Sulfatierung von C-terminalen Tyrosinresten und die mögliche gamma-Carboxylierung des C-Terminus deuten auf mögliche Interaktionen mit Matrixproteinen wie Kollagen hin. Daher wurden biochemische Analysen zur Interaktion von Ucma mit Kollagenen durchgeführt, die zeigten, dass Ucma spezifisch an Kollagen II, V und XI bindet und die in vitro Fibrillogenese von Kollagen I zu stören scheint. Zur in vivo-Aufklärung der Funktion von Ucma mit anderen Matrixproteinen und für genauere Expressionsstudien wurde eine Ucma-defiziente Mauslinie generiert und charakterisiert, die LacZ unter dem Ucma-Promotor exprimiert. Die erzeugten ko-Mäuse waren von normaler Gestalt, verhaltensunauffällig und fertil. Durch X-Gal-Färbung von Mausskeletten konnte eine bis ins Erwachsenenalter anhaltende Expression von Ucma in Rippen- und Tracheaknorpel nachgewiesen werden. Histologische Färbungen zeigten keine Unterschiede in der Morphologie des Knorpels oder Knochens zwischen wt- und ko-Mäusen. Ultrastrukturell konnten minimale Abweichungen im Durchmesser der Kollagen II-Fibrillen im Vergleich zu wt-Mäusen festgestellt werden. Die Kollagen I-Fibrillenbildung und Matrixmineralisierung scheinen in vivo nicht beeinflusst zu sein. Die Analyse von Ucma-ko-Mäusen unterschiedlicher Altersstufen ergab eine Reduzierung der Osteoklastenaktivität um bis zu 30 %. Möglicherweise ist auch die Osteoblastenaktivität beeinträchtigt, was jedoch durch weitere Untersuchungen zu bestätigen ist. Insgesamt deuten diese Daten auf eine Rolle von Ucma jenseits der Embryonalentwicklung hin. Der unauffällige knockout-Phänotyp während der Skelettentwicklung schließt nicht aus, dass Ucma eine kritische Funktion unter Belastungsbedingungen haben könnte.