Wirkungen von HDAC4 auf die IL-1b-induzierte Matrix-Metalloproteinase-Expression, die teilweise über den WNT3A/β-Catenin-Signalweg reguliert wird
Osteoarthritis (OA) ist eine der häufigsten degenerativen Gelenkerkrankungen, die durch den Abbau des Gelenkknorpels und den Verlust der Gelenkfunktion gekennzeichnet ist. Das Kiefergelenk (Temporomandibulargelenk, TMJ), ein Synovialgelenk, das für das kraniofaziale Wachstum und die Funktion von entscheidender Bedeutung ist, ist ebenfalls anfällig für OA. Die Aufrechterhaltung der Knorpelhomöostase ist entscheidend für dessen strukturelle Integrität, und das Gleichgewicht zwischen Matrixabbau und -reparatur wird durch die katabolen und anabolen Aktivitäten der Chondrozyten reguliert. Obwohl die spezifischen Mechanismen von OA noch unklar sind, deuten zunehmende Hinweise darauf hin, dass katabole Veränderungen und Entzündungen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung spielen. Proinflammatorische Zytokine wie Interleukin-1 beta (IL-1b) sind Schlüsselmediatoren in der Pathophysiologie von OA und führen zu Chondrozytenapoptose und dem Abbau der extrazellulären Matrix (ECM). Insbesondere induziert IL-1b die Expression von Matrix-Metalloproteinasen (MMPs), einschließlich MMP3 und MMP13, die Kollagen Typ II und Aggrecan, die Hauptbestandteile der Knorpelmatrix, abbauen. Daher könnte die Hemmung der IL-1b-induzierten katabolen Stoffwechselvorgänge und Entzündungsreaktionen das Fortschreiten von OA verzögern.
Epigenetische Veränderungen, insbesondere im Zusammenhang mit Histon-Deacetylasen (HDACs), wurden mit der Pathogenese von OA in Verbindung gebracht. HDAC4, eine Klasse-II-HDAC, spielt eine entscheidende Rolle bei der Chondrozytenhypertrophie und Knochenbildung. HDAC4-defiziente Mäuse zeigen eine abnorme Chondrozytenhypertrophie und vorzeitige Ossifikation, während die Überexpression von HDAC4 die Chondrozytenhypertrophie in vitro unterdrückt. Da hypertrophe Chondrozyten hohe Konzentrationen von MMP3 und MMP13 exprimieren, wurde die Hypothese aufgestellt, dass HDAC4 die IL-1b-induzierte MMP-Expression beeinflussen könnte. Darüber hinaus wurde der WNT/β-Catenin-Signalweg, der die Knorpelhomöostase reguliert, mit OA in Verbindung gebracht. WNT3A, ein Hauptaktivator des kanonischen WNT/β-Catenin-Signalwegs, und β-Catenin sind in OA-Modellen hochreguliert. IL-1b kann den WNT/β-Catenin-Signalweg in Chondrozyten aktivieren, aber die Beziehung zwischen WNT-Signalisierung und HDAC4 bei TMJ-OA bleibt unklar. Diese Studie zielte darauf ab, die Wirkungen von HDAC4 auf die IL-1b-induzierte ECM-Degradation und dessen Regulation über den WNT3A/β-Catenin-Signalweg zu untersuchen.
Primäre Chondrozyten (CC) wurden aus den Kondylen des TMJ von 4 Wochen alten Wistar-Ratten isoliert, und humane Chondrosarkomzellen (SW1353) wurden in vitro kultiviert. Um ein OA-Modell zu etablieren, wurden die Zellen mit IL-1b behandelt, und die HDAC4-Spiegel wurden mittels Western Blotting bestimmt. Die HDAC4-Expression in SW1353-Zellen wurde durch small interfering RNA (siRNA) ausgeschaltet, um deren Einfluss auf die MMP3- und MMP13-Spiegel zu untersuchen. HDAC4 wurde in SW1353-Zellen durch Plasmidtransfektion überexprimiert, und die MMP3- und MMP13-Spiegel wurden gemessen. Die Aktivierung des WNT3A/β-Catenin-Signalwegs wurde durch die Beobachtung der Translokation von β-Catenin in den Zellkern mittels Immunfluoreszenzfärbung bewertet. Zusätzlich wurden die Wirkungen von WNT3A und Glykogen-Synthase-Kinase 3 beta (GSK3b) auf die HDAC4-Spiegel untersucht.
Die Behandlung mit IL-1b führte zu einer Herabregulierung der HDAC4-Spiegel in primären Chondrozyten und SW1353-Zellen in einer zeit- und dosisabhängigen Weise. Entsprechend stiegen die MMP3- und MMP13-Spiegel mit der IL-1b-Behandlung an. Die HDAC4-Knockdown in SW1353-Zellen erhöhte die MMP3- und MMP13-Spiegel weiter, was darauf hindeutet, dass die HDAC4-Silencing die IL-1b-induzierte ECM-Degradation verstärkt. Im Gegensatz dazu hemmte die HDAC4-Überexpression die IL-1b-induzierte Erhöhung der MMP3- und MMP13-Spiegel, was auf eine schützende Rolle von HDAC4 in der Knorpelhomöostase hindeutet. Diese Ergebnisse zeigen, dass HDAC4 eine hemmende Wirkung auf die IL-1b-induzierte ECM-Degradation ausübt.
Der WNT3A/β-Catenin-Signalweg wurde durch IL-1b aktiviert, was durch die Hochregulierung von WNT3A und die Translokation von β-Catenin in den Zellkern belegt wurde. Die Behandlung mit WNT3A führte zu einer Herabregulierung der HDAC4-Spiegel in SW1353-Zellen in einer zeit- und dosisabhängigen Weise, während gleichzeitig die MMP3- und MMP13-Expression erhöht wurde. Die Überexpression von GSK3b, einem Inhibitor des WNT/β-Catenin-Signalwegs, hob die IL-1b-induzierte Herabregulierung von HDAC4 auf, was die Beteiligung des WNT3A/β-Catenin-Signalwegs an der Regulation der HDAC4-Expression weiter bestätigte.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass HDAC4 eine schützende Rolle bei der IL-1b-induzierten ECM-Degradation spielt, indem es die Expression von MMP3 und MMP13 hemmt. Der WNT3A/β-Catenin-Signalweg reguliert HDAC4 teilweise, da WNT3A die HDAC4-Spiegel herunterreguliert, während die Überexpression von GSK3b diese wiederherstellt. Diese Studie liefert Einblicke in die molekularen Mechanismen, die der Pathogenese von OA zugrunde liegen, und unterstreicht den potenziellen therapeutischen Wert der Zielrichtung auf HDAC4 und den WNT3A/β-Catenin-Signalweg bei der Behandlung von OA.
Zusammenfassend hemmt HDAC4 die IL-1b-induzierte ECM-Degradation durch die Herabregulierung der MMP3- und MMP13-Expression, und dieser Effekt wird teilweise durch den WNT3A/β-Catenin-Signalweg vermittelt. Zukünftige Studien sollten die Rolle von HDAC4 im Fortschreiten von OA weiter untersuchen und seine Interaktionen mit anderen Signalwegen erforschen. Tierexperimente sind notwendig, um diese Ergebnisse zu bestätigen und das therapeutische Potenzial der Modulation von HDAC4 und der WNT3A/β-Catenin-Signalisierung bei OA zu bewerten.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001470