Role of Connexin43 in Cell Plasticity and Tissue Degeneration in Osteoarthritis

Abstract

[Resumen] La artrosis (OA) es una enfermedad crónica caracterizada por la degradación progresiva del cartílago articular que supone una de las mayores causa de discapacidad y dolor en el mundo. Los condrocitos en el cartílago de pacientes con OA (OAc) sufren cambios en el fenotipo celular que interfieren con la regeneración del cartílago y favorecen el progreso de la enfermedad. De manera similar a lo que se ha descrito en alteraciones en el proceso reparación en otros tejidos, los OAc presentan niveles elevados de una proteína transmembrana denominada conexina43 (Cx43), que participa en la comunicación intercelular y en la regulación de diferentes vías de señalización a través del reclutamiento/liberación de factores de señalización. Los resultados de este trabajo demuestran que la Cx43 activa el proceso de desdiferenciación de los condrocitos adultos a un estado más inmaduro. La sobreactividad de la Cx43 mantiene este fenotipo inmaduro mediante el incremento de la translocación nuclear de Twist-1. La activación de Twist-1 activa rutas implicadas en desdiferenciación celular lo que aumenta los índices de proliferación de las células inmaduras, síntesis de factores de remodelado de la matriz extracelular y agentes proinflamatorios como MMPs e IL-1ß, respectivamente. Esta activación desencadena en un aumento en los niveles de senescencia celular mediada por p53/p16INK4a y activación de NF-kß, lo que contribuye al fenotipo secretor asociado a senescencia (SASP). La Cx43 modifica el contenido y función de las vesículas extracelulares (VEs), vía anclaje de componentes como proteínas y moléculas de ARN o ADN a sus dominios citoplasmáticos y extracelulares. Las VEs positivas para Cx43 activan la desdiferenciación celular en las células vecinas, amplificando la función de la Cx43 en plasticidad celular a células cercanas y distantes. La disminución en los niveles de Cx43 y de sus canales mediante CRISPR-Cas9, así como el uso de pequeñas moléculas como la oleuropeína o péptidos miméticos, desencadenaron en la rediferenciación de los OAc a un estado adulto diferenciado asociado con una menor producción de MMPs y expresión de factores proinflamatorios como IL-1ß, disminuyendo senescencia celular. Los resultados demuestran que la Cx43 controla la plasticidad celular de condrocitos articulares identificando una vía de control de desdiferenciación/rediferenciación y senescencia, eventos críticos durante el proceso de reparación o regeneración tisular. Estos hallazgos indican que la Cx43 sería una diana terapéutica apropiada para evitar el desarrollo o progresión de la artrosis. La modulación de la actividad de esta proteína podría ayudar a diseñar terapias celulares más eficientes con el objetivo de promover la regeneración del cartílago articular.

[Resumo] A artrose é unha enfermidade caracterizada pola dexeneración da cartilaxe articular que supón unha das maiores causas de discapacidade e dor no mundo. Os condrócitos artrósicos (OAc) sofren cambios de fenotipo celular que impiden a rexeneración da cartilaxe e favorecen a progresión da enfermidade. De maneira similar ao descrito en alteracións no proceso de reparación noutros tecidos, os OAc presentan niveles elevados dunha proteína transmembrana denominada conexina43 (Cx43), que participa na comunicación intercelular e na regulación de diferentes vías de sinalización a través do recrutramento/liberación de factores de sinalización. Os resultados deste estudo demostraron que a Cx43 activa o proceso de desdiferenciación dos condrócitos adultos a un estado máis inmaduro. A sobreactivación da Cx43 mantén este fenotipo inmaduro mediante o incremento da tranlocación nuclear de Twist-1. A activación de Twist-1 activa rutas implicadas en desdiferenciación celular, o que aumenta os índices de proliferación das células inmaduras, síntese de factores remodeladores da matriz extracelular e axentes proinflamatorios, como MMPs e IL-1ß, respectivamente. Esta activación desencadena nun aumento nos niveles de senescencia celular mediada por p53/p16INK4a e activación de NF-kß, o que contribúe ao fenotipo secretor asociado a senescencia (SASP). A Cx43 pode modificar o contido e función das vesículas extracelulares (VEs), a través da ancoraxe de componentes coma proteínas e moléculas de ARN ou ADN aos seus dominios citoplasmáticos e extracelulares. As VEs, positivas para Cx43, activan a desdiferenciación celular en células veciñas, amplificando a función da Cx43 en plasticidade celular a células cercanas e distantes. A disminución nos niveis de Cx43 e das súas canles mediante CRISPR-Cas9 ou o uso de pequenas moléculas como a oleuropeína ou péptidos miméticos, desencadenaron na rediferenciación dos OAc a un estado adulto diferenciado asociado cunha menor producción de MMPs e expresión de factores proinflamatorios, como IL-1ß, disminuindo a senescencia celular. Os resultados demostran que a Cx43 controla a plasticidade celular en condrócitos articulares, identificando unha vía de control de desdiferenciación/rediferenciación e senescencia, eventos críticos durante o proceso de reparación ou rexeneración tisular. Estos achados indican que a Cx43 sería una diana terapéutica apropiada para evitar o desenvolvemento ou progresión da artrose. A modulación da actividade desta proteína podería axudar a deseñar terapias celulares máis eficientes co obxectivo de promover a rexeneración da cartilaxe articular.

[Abstract] Osteoarthritis (OA) is a chronic disease and a leading cause of disability and pain worldwide, characterized by articular cartilage degradation and joint degeneration. OA chondrocytes (OAc) undergo phenotypic changes and senescence, restricting cartilage regeneration and favouring disease progression. Similar to other wound-healing disorders, OAc show a chronic increase in the transmembrane channel protein connexin43 (Cx43), which regulates signal transduction through the exchange of elements or recruitment/release of signalling factors. The results of this study demonstrated that Cx43 acts as a positive regulator of human chondrocyte reversion to a less differentiated state. Overactive Cx43 maintains this immature phenotype by increasing the nuclear translocation of Twist-1 and increasing the expression of tissue remodelling and proinflammatory agents, such as MMPs and IL-1β, which finally results in cellular senescence through upregulation of p53/p16INK4a and NF-κB, contributing to the senescence-associated secretory phenotype (SASP). In addition, Cx43 can modify the content of the extracellular vesicles probably by facilitating the binding of proteins and molecules of RNA and DNA involved in different signalling routes. The results indicate that the deliver of this content seems to control cellular plasticity in nearby and distant cells. However, downregulation of Cx43 (in chondrocytes and EVs), using the small molecule oleuropein or a mimetic peptide, led to rediferentiation of OAc into a more differentiated state, associated with decreased production of MMPs and expression of proinflammatory factors, such as IL-1ß. This effect results in a reduction in cellular senescence. Collectively, these results identify a causal Cx43-sensitive circuit in chondrocytes that regulates dedifferentiation/redifferentiation and senescence, events critical to wound healing and tissue regeneration. Targeting Cx43 allows immature chondrocytes to revert to a chondrocyte-specific phenotype and its subsequent recovery in a predictable manner. These findings support the use of Cx43 as an appropriate therapeutic target to halt OA progression and to promote cartilage regeneration.