10 mM glucosamine prevents activation of proADAMTS5 (aggrecanase-2) in transfected cells by interference with post-translational modification of furin

Objective
Glucosamine has been previously shown to suppress cartilage aggrecan catabolism in explant cultures. We determined the effect of glucosamine on ADAMTS5 (a disintegrin-like and metalloprotease domain (reprolysin type) with thrombospondin type-1 motifs 5), a major aggrecanase in osteoarthritis, and investigated a potential mechanism underlying the observed effects.

Design
HEK293F and CHO-K1 cells transiently transfected with ADAMTS5 cDNA were treated with glucosamine or the related hexosamine mannosamine. Glucosamine effects on FURIN transcription were determined by quantitative RT-PCR. Effects on furin-mediated processing of ADAMTS5 zymogen, and aggrecan processing by glucosamine-treated cells, were determined by western blotting. Post-translational modification of furin and N-glycan deficient furin mutants generated by site-directed mutagenesis was analyzed by western blotting, and the mutants were evaluated for their ADAMTS5 processing ability in furin-deficient CHO-RPE.40 cells.

Results
Ten mM glucosamine and 5–10 mM mannosamine reduced excision of the ADAMTS5 propeptide, indicating interference with the propeptide excision mechanism, although mannosamine compromised cell viability at these doses. Although glucosamine had no effect on furin mRNA levels, western blot of furin from glucosamine-treated cells suggested altered post-translational modification. Glucosamine treatment led to decreased glycosylation of cellular furin, with reduced furin autoactivation as the consequence. Recombinant furin treated with peptide N-glycanase F had reduced activity against a synthetic peptide substrate. Indeed, site-directed mutagenesis of two furin N-glycosylation sites, Asn387 and Asn440, abrogated furin activation and this mutant was unable to rescue ADAMTS5 processing in furin-deficient cells.

Conclusions
Ten mM glucosamine reduces excision of the ADAMTS5 propeptide via interference with post-translational modification of furin and leads to reduced aggrecanase activity of ADAMTS5.

Current and emerging therapeutic strategies for preventing inflammation and aggrecanase-mediated cartilage destruction in arthritis

Arthritis is a multifactorial disease for which current therapeutic intervention with high efficacy remains challenging. Arthritis predominately affects articular joints, and cartilage deterioration and inflammation are key characteristics. Current therapeutics targeting inflammatory responses often cause severe side effects in patients because of the systemic inhibition of cytokines or other global immunosuppressive activities. Furthermore, a lack of primary response or failure to sustain a response to treatment through acquired drug resistance is an ongoing concern. Nevertheless, treatments such as disease-modifying anti-rheumatic drugs, biological agents, and corticosteroids have revealed promising outcomes by decreasing pain and inflammation in patients and in some cases reducing radiographic progression of the disease. Emerging and anecdotal therapeutics with anti-inflammatory activity, alongside specific inhibitors of the A Disintegrin-like And Metalloproteinase domain with Thrombospondin-1 repeats (ADAMTS) cartilage-degrading aggrecanases, provide promising additions to current arthritis treatment strategies. Thus, it is paramount that treatment strategies be optimized to increase efficacy, reduce debilitating side effects, and improve the quality of life of patients with arthritis. Here, we review the current strategies that attempt to slow or halt the progression of osteoarthritis and rheumatoid arthritis, providing an up-to-date summary of pharmaceutical treatment strategies and side effects. Importantly, we highlight their potential to indirectly regulate ADAMTS aggrecanase activity through their targeting of inflammatory mediators, thus providing insight into a mechanism by which they might inhibit cartilage destruction to slow or halt radiographic progression of the disease. We also contrast these with anecdotal or experimental administration of statins that could equally regulate ADAMTS aggrecanase activity and are available to arthritis sufferers worldwide. Finally, we review the current literature regarding the development of synthetic inhibitors directed toward the aggrecanases ADAMTS4 and ADAMTS5, a strategy that might directly inhibit cartilage destruction and restore joint function in both rheumatoid arthritis and osteoarthritis.

Le potentiel thérapeutique du GDF-5 dans l’arthrose : une étude in vitro des facteurs anaboliques et cataboliques du cartilage

Introduction: Le principal objectif de cette étude est de mesurer l’effet du GDF-5 sur l’homéostasie du cartilage. Le GDF-5 est un gène de susceptibilité de l’OA faisant partie de la famille des BMPs et qui favorise la synthèse du cartilage. Le but de notre étude a été de déterminer l’effet du GDF-5 sur le métabolisme catabolique ainsi que sur l’équilibre global des chondrocytes, principalement au niveau de l’Aggrécan. Méthode : Des chondrocytes arthrosiques canins et humains OA ont été exposés au GDF-5. L’expression des ARNm et des protéines a été analysée afin d’évaluer la production de l’Aggrécan et le ratio Col-II/Col-I au niveau des facteurs anaboliques et du phénotype. Pour le catabolisme, l’expression et l’activité des aggrécanases ADAMTS-4 et ADAMTS-5 ont été mesurées. Les épitopes NITEGE et CTX-II ont aussi été quantifiés dans le liquide synovial canin après des injections intraarticulaires de GDF-5. Résultats : Le GDF-5 provoque une augmentation de l’activité cellulaire des chondrocytes canins et humains. Pour les ARNm et l’expression protéique, le GDF-5 augmente l’expression de l’Aggrécan alors que les facteurs cataboliques le diminuent. Le phénotype reste inchangé en présence du produit, sauf à haute dose où on augmente le ColI. L’activité des aggrécanases diminue puisque l’épitope NITEGE diminue alors que le CTX-II augmente dans l’articulation. Conclusion : En somme, les facteurs anaboliques du cartilage sont favorisés, alors que les facteurs cataboliques sont diminués par le GDF-5. Cette action double permet d’illustrer l’effet du GDF-5, le classant comme un potentiel médicament modifiant la maladie de l’OA qui mérite d’être étudiée.

La Rapamycine inhibe l’expression de l’ARNm de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines dans les chondrocytes articulaires

Introduction: Durant la pathogenèse d’ostéoarthrose (OA), les cytokines pro-inflammatoires IL-1β (Interleukin-1 beta) et TNF-α (Tumor necrosis factor alpha) stimulent la dégradation des agrécanes par l’aggrécanase-1 ou ADAMTS-4 (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif). Ces cytokines peuvent stimuler plusieurs voies de signalisation conduisant ainsi à l’augmentation de l’expression des ADAMTS dans les chondrocytes humains. Les TIMPs (tissue inhibitor of metalloproteinases) présentent des inhibiteurs endogènes de l’ADAMTS. Nous avons démontré que la Rapamycine (un immunosuppresseur et un inhibiteur du mamalian target of Rapamycin (mTOR)) peut avoir des effets bénéfiques dans cette pathologie. Notre étude examine l’effet de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines, son implication dans certaines voies de signalisation, et son effet sur l’expression du TIMP-3. Méthodes: Des chondrocytes normaux sont traités avec la Rapamycine seule ou stimulés aussi avec l’IL-1β et le TNF-α. Les effets de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 et du TIMP-3 ont été étudiés par l’analyse RT-PCR et l’activité enzymatique a été étudiée par la technique d’ELISA. Les effets de la Rapamycine sur certaines voies de signalisation ont été étudiés par le Western blot. Résultats: Nous avons trouvé que la Rapamycine inhibe l’expression de l’ARNm de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines pro-inflammatoires dans les chondrocytes humains. L’activité enzymatique de l’ADAMTS-4 induit par l’IL-1β a été légèrement diminuée par la Rapamycine. En plus, cette dernière a montré de différents effets sur plusieurs voies de signalisation stimulées par l’IL-1β et le TNF-α telles que les voies des MAPKs (Mitogen activated protein kinase), de l’AKT, et de la p70 S6 kinase. La Rapamycine a inhibé partiellement l’activation de la phosphorylation de l’ERK1/2 MAPK (extracellular signal-regulated protein kinase MAPK) en présence du TNF-α seulement. En outre, la Rapamycine a inhibé la phosphorylation des protéines p38 MAPK, JNK (c-Jun N-terminal kinase), et AKT activée par l’IL-1β seulement. En plus, la phosphorylation de la protéine p70 S6K stimulée par l’IL-1β et le TNF-α a été inhibée par la Rapamycine. D’autre part, nous avons démontré que le niveau du TIMP-3 a été augmenté en présence de la Rapamycine. Conclusion: Ces résultats suggèrent que la Rapamycine peut bloquer l’action de l’ADAMTS-4 via l’inhibition de l’activation des MAPKs, de l’AKT, et de la p70 S6K. La Rapamycine pourrait ainsi être considérée pour la prévention de la perte du cartilage chez les patients ostéoarthritiques.

Adamts5, the gene encoding a proteoglycan-degrading metalloprotease, is expressed by specific cell lineages during mouse embryonic development and in adult tissues.

The secreted metalloprotease ADAMTS5 is implicated in destruction of the cartilage proteoglycan aggrecan in arthritis, but its physiological functions are unknown. Its expression profile during embryogenesis and in adult tissues is therefore of considerable interest. β-Galactosidase (β-gal) histochemistry, enabled by a LacZ cassette inserted in the Adamts5 locus, and validated by in situ hybridization with an Adamts5 cRNA probe and ADAMTS5 immunohistochemistry, was used to profile Adamts5 expression during mouse embryogenesis and in adult mouse tissues. Embryonic expression was scarce prior to 11.5 days of gestation (E11.5) and noted only in the floor plate of the developing brain at E9.5. After E11.5 there was continued expression in brain, especially in the choroid plexus, peripheral nerves, dorsal root ganglia, cranial nerve ganglia, spinal and cranial nerves, and neural plexuses of the gut. In addition to nerves, developing limbs have Adamts5 expression in skeletal muscle (from E13.5), tendons (from E16.5), and inter-digital mesenchyme of the developing autopod (E13.5–15.5). In adult tissues, there is constitutive Adamts5 expression in arterial smooth muscle cells, mesothelium lining the peritoneal, pericardial and pleural cavities, smooth muscle cells in bronchi and pancreatic ducts, glomerular mesangial cells in the kidney, dorsal root ganglia, and in Schwann cells of the peripheral and autonomic nervous system. Expression of Adamts5 during neuromuscular development and in smooth muscle cells coincides with the broadly distributed proteoglycan versican, an ADAMTS5 substrate. These observations suggest the major contexts in which developmental and physiological roles could be sought for this protease.

Characterization of proADAMTS5 processing by proprotein convertases.

ADAMTS5 (aggrecanase-2), a key metalloprotease mediating cartilage destruction in arthritis, is synthesized as a zymogen, proADAMTS5. We report a detailed characterization of the propeptide excision mechanism and demonstrate that it is a major regulatory step with unusual characteristics. Using furin-deficient cells and a furin inhibitor, we found that proADAMTS5 was processed by proprotein convertases, specifically furin and PC7, but not PC6B. Mutagenesis of three sites containing basic residues within the ADAMTS5 propeptide (RRR⁴⁶, RRR⁶⁹ and RRRRR²⁶¹) suggested that proADAMTS5 processing occurs after ^Arg261. That furin processing was essential for ADAMTS5 activity was illustrated using the known ADAMTS5 substrate aggrecan, as well as a new substrate, versican, an important regulatory proteoglycan during mammalian development. When compared to other ADAMTS proteases, proADAMTS5 processing has several distinct features. In contrast to ADAMTS1, whose furin processing products were clearly present intracellularly, cleaved ADAMTS5 propeptide and mature ADAMTS5 were found exclusively in the conditioned medium. Despite attempts to enhance detection of intracellular proADAMTS5 processing, such as by immunoprecipitation of total ADAMTS5, overexpression of furin, and secretion blockade by monensin, neither processed ADAMTS5 propeptide nor the mature enzyme were found intracellularly, which was strongly suggestive of extracellular processing. Extracellular ADAMTS5 processing was further supported by activation of proADAMTS5 added exogenously to HEK293 cells stably expressing furin. Unlike proADAMTS9, which is processed by furin at the cell-surface, to which it is bound, ADAMTS5 does not bind the cell-surface. Thus, the propeptide processing mechanism of ADAMTS5 has several points of distinction from those of other ADAMTS proteases, which may have considerable significance in the context of osteoarthritis.

Generierung und Charakterisierung von in-vitro- und in- vivo-Modellsystemen zur Untersuchung des Skelettsystems

Die Entstehung und Aufrechterhaltung von Knorpel- und Knochengewebe wird durch eine Vielzahl von hemmenden oder fördernden Faktoren hoch komplex reguliert, wobei die dabei involvierten physiologischen Prozesse bisher nur teilweise verstanden werden. Auch die Ursachen sowohl degenerativer Erkrankungen, aber auch durch Mutationen im FGFR3-Gen verursachter Chondrodysplasien sind in ihrer Ätiopathogenese noch nicht vollständig erforscht. In dieser Arbeit wurden verschiedene experimentelle Ansätze verfolgt, die zur weiteren Aufklärung der Pathophysiologie zweier unterschiedlicher Skeletterkrankungen beitragen sollten.rnEin relevantes Charakteristikum der degenerativen Gelenkserkrankung Osteoarthrose ist der Verlust an Aggrekan, hauptverantwortlich verursacht durch die Aggrekanase ADAMTS5. Es wurde ein Tiermodell generiert, bei dem gezielt mittels des Tet-ON-Systems die Aggrekanase mAdamts-5 überexprimiert werden kann. Nach Konstruktherstellung und Generierung als auch Charakterisierung des in vitro-Modells wurde das Tiermodell hergestellt, um die Folgen der Überexpression im Hinblick auf einen verstärkten Aggrekanabbau im Knorpel der Mäuse zu analysieren. Nach initialer Charakterisierung auf Induzierbarkeit zeigte eine Gründerlinie eine induzierbare transgene mAdamts5-Expression. Die Überprüfung auf Knorpelspezifität zeigte, sowohl embryonal als auch im adulten Tier, dass sich der verwendete, zusammengesetzte Kollagen-Typ II Promotor wie der endogene verhielt und somit funktional war. Nach Doxyzyklininduktion wurde bei der optimalen Dosis von 1 mg/ml im Vergleich zum induzierten Wildtyp-Tier eine 15%ige Abnahme des Gesamt-Glykosamino-glykan(GAG)-Gehaltes und eine um 120% erhöhte GAG-Abgabe ins Medium detektiert, was eine verstärkte Spaltung von Aggrekan bedeutete. Die transgene Aggrekanase wurde überexprimiert und spaltete verstärkt Aggrekan. Da aufgrund der histologischen Untersuchungen jedoch keine Knorpelerosionen feststellbar waren, konnte im Umkehrschluss gefolgert werden, dass der Knorpel einen Verlust an Glykosaminoglykanen bis zu einer gewissen Grenze tolerieren kann. Mit dem generierten und charakterisierten Tiermodell konnte mit dem Verlust an GAG eine Osteoarthrose-ähnliche Situation simuliert werden, insbesondere im Hinblick auf frühe Stadien der Erkrankung, bei denen noch keine makroskopisch eindeutig sichtbare Knorpelerosionen vorliegen. rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Zellkulturexperimente zur weiteren Aufklärung FGFR3-regulierter Prozesse durchgeführt. Nach Generierung und Verifizierung der stabilen Zelllinien, die mittels des Tet-ON-Systems das FGFR3-Gen mit jeweils einer Chondrodysplasie-assoziierten Mutation (Achondroplasie-Mutation G380R, Thanatophore Dysplasie Typ II-Mutation K650E) induzierbar überexprimieren, wurden die Auswirkungen der zwei verschiedenen Mutationen anhand bereits beschriebener Signalwege untersucht. Über die Rekrutierung des ERK-Signalweges konnte bei beiden Zelllinien die Funktionalität nachgewiesen werden, wobei die Zelllinie mit der einen schwereren Phänotyp beim Menschen verursachenden TDII-Mutation eine stärkere Aktivierung zeigte. Bei der Aktivierung von STAT1 wies nur die TDII-Zelllinie eine Phosphorylierung auf, nicht jedoch die ACH-Zelllinie; dies deckte sich mit bereits publizierten Untersuchungen. Beide Kaskaden zeigten eine unterschiedliche Signalantwort aufgrund der verschiedenen Mutationen. Des Weiteren konnte eine unterschiedliche MMP13-Zielgenexpression nachgewiesen werden, wobei lediglich die ACH-Zelllinie eine erhöhte MMP13-Expression (6-fach) zeigte. Zur Identifizierung neuer involvierter FGFR3-Zielgene wurde die differentielle Genexpression der TDII-Zelllinie im Vergleich induziert/nicht induziert mittels Microarray-Hybridisierung untersucht. Als interessantes Zielgen fiel STC1 auf, welches ebenfalls eine Rolle in der Chondrogenese spielt und bislang nicht mit FGFR3 in Verbindung gebracht wurde. Es konnte jedoch nur auf RNA-Ebene eine Regulation nachgewiesen werden. Nachfolgend durchgeführte transiente Experimente zeigten, dass die Wildtyp-Variante von FGFR3 möglicherweise eine Funktion in der Sekretion des Proteins STC1 hat und dass durch die beiden eingefügten Mutationen (ACH, TDII) diese aufgehoben ist. Der Einfluss von FGFR3 auf die Sekretion von STC1 stellt ein neues Ergebnis dar, insbesondere auch die Auswirkungen der beiden für die unterschiedlichen Krankheitsbilder stehenden Mutationen. Welche Relevanz allerdings die STC1-Sekretion im Rahmen FGFR3-assoziierter Erkrankungen hat, kann nicht eindeutig beurteilt werden. Weitere Faktoren aus dem hoch komplexen Zusammenspiel während der Knorpel/Knochenentwicklung müssen untersucht werden, um eine definitive Einordnung zu ermöglichen.

Identification of markers to characterize and sort human articular chondrocytes with enhanced in vitro chondrogenic capacity

OBJECTIVE: To identify markers associated with the chondrogenic capacity of expanded human articular chondrocytes and to use these markers for sorting of more highly chondrogenic subpopulations. METHODS: The chondrogenic capacity of chondrocyte populations derived from different donors (n = 21) or different clonal strains from the same cartilage biopsy specimen (n = 21) was defined based on the glycosaminoglycan (GAG) content of tissues generated using a pellet culture model. Selected cell populations were analyzed by microarray and flow cytometry. In some experiments, cells were sorted using antibodies against molecules found to be associated with differential chondrogenic capacity and again assessed in pellet cultures. RESULTS: Significance Analysis of Microarrays indicated that chondrocytes with low chondrogenic capacity expressed higher levels of insulin-like growth factor 1 and of catabolic genes (e.g., matrix metalloproteinase 2, aggrecanase 2), while chondrocytes with high chondrogenic capacity expressed higher levels of genes involved in cell-cell or cell-matrix interactions (e.g., CD49c, CD49f). Flow cytometry analysis showed that CD44, CD151, and CD49c were expressed at significantly higher levels in chondrocytes with higher chondrogenic capacity. Flow cytometry analysis of clonal chondrocyte strains indicated that CD44 and CD151 could also identify more chondrogenic clones. Chondrocytes sorted for brighter CD49c or CD44 signal expression produced tissues with higher levels of GAG per DNA (up to 1.4-fold) and type II collagen messenger RNA (up to 3.4-fold) than did unsorted cells. CONCLUSION: We identified markers that allow characterization of the capacity of monolayer-expanded chondrocytes to form in vitro cartilaginous tissue and enable enrichment for subpopulations with higher chondrogenic capacity. These markers might be used as a means to predict and possibly improve the outcome of cell-based cartilage repair techniques.