CRISPR-based epigenome and genome editing reveal novel roles for PLEC in cartilage biology, mechanobiology, and response to inflammation

Arthrose ist die häufigste Form von Arthritis, eine Erkrankung, bei der der glatte, schützende Knorpel, der die Enden der Knochen polstert, abgenutzt wird, was zu Schmerzen und Steifheit führt. Während Alter und Verletzungen bekannte Auslöser sind, haben Wissenschaftler schon lange vermutet, dass unsere Gene eine massive Rolle dabei spielen, wer die Krankheit entwickelt und wie schnell sie fortschreitet. Forscher haben spezifische Stellen in unserer DNA identifiziert, sogenannte Einzelnukleotid-Polymorphismen, die mit einem höheren Risiko für Arthrose verknüpft sind. Die meisten dieser riskanten Stellen enthalten jedoch nicht die eigentlichen Anweisungen für die Herstellung von Proteinen; stattdessen liegen sie in den nicht-kodierenden Regionen des Genoms. Stellen Sie sich diese Regionen wie die Lautstärkeregler und Dimmer-Schalter eines Radios vor; sie spielen selbst keine Musik ab, aber sie steuern, wie laut oder leise die Musik spielt. Im Falle von Arthrose wirken diese genetischen Schalter wahrscheinlich dadurch, dass sie die Aktivität bestimmter Gene durch einen Prozess namens DNA-Methylierung hoch- oder runterregeln, der wie ein chemisches Etikett wirkt, das ein Gen zum Schweigen bringen kann. Zu verstehen, wie genau diese stillen Schalter die Gesundheit unseres Knorpels kontrollieren, ist entscheidend für die Suche nach neuen Wegen zur Behandlung der Krankheit.

Ein Team von Forschern der Washington University School of Medicine und mehreren internationalen Institutionen hat einen bedeutenden Schritt zur Entschlüsselung dieses Rätsels unternommen, indem es sich auf einen spezifischen genetischen Risikofaktor namens rs11780978 konzentrierte. Diese genetische Variante befindet sich in der Nähe eines Gens namens PLEC, das ein großes Protein namens Plectin produziert. Plectin fungiert als struktureller Kleber innerhalb der Zellen, hält das interne Skelett zusammen und hilft den Zellen, physikalische Kräfte wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Die Forscher wollten wissen, ob dieser genetische Risikofaktor die Art und Weise verändert, wie Plectin in Knorpelzellen hergestellt wird, und ob ein geringerer Plectin-Spiegel diese Zellen anfälliger für die Abnutzung des täglichen Lebens und Entzündungen macht. Um dies herauszufinden, bauten sie ein hochentwickeltes Laborsystem, das es ihnen ermöglichte, den genetischen Code und die chemischen Markierungen auf der DNA von menschlichen Knorpelzellen zu editieren, wodurch sie effektiv eine kontrollierte Umgebung schufen, um zu testen, wie diese Veränderungen die Fähigkeit der Zellen beeinflussen, gesundes Gewebe aufzubauen und zu erhalten.

Die Wissenschaftler begannen damit, zu bestätigen, dass der von ihnen untersuchte genetische Risikofaktor tatsächlich mit spezifischen chemischen Markierungen auf der DNA in menschlichen Knorpelproben von Patienten verknüpft war. Sie identifizierten mehrere neue Stellen, an denen der genetische Code diese Markierungen beeinflusste, und erweiterten so die Karte darüber, wie dieser Risikofaktor wirken könnte. Mit einem präzisen Werkzeug, das wie ein molekularer Radiergummi funktioniert, entfernten sie die chemischen Markierungen von diesen spezifischen Stellen in der DNA von im Labor gezüchteten Knorpelzellen. Sie beobachteten, dass die Aktivität des Plectin-Gens signifikant sank, wenn sie diese Markierungen entfernten. Dies lieferte den starken Beweis dafür, dass der genetische Risikofaktor dadurch wirkt, dass er das chemische Milieu der DNA verändert, was wiederum die Menge an Plectin reduziert, die die Zelle produziert. Nachdem sie diese Verbindung hergestellt hatten, ging das Team zur nächsten Phase über: die Erstellung einer Zelllinie, der es von Natur aus an Plectin mangelte, um zu sehen, was passiert, wenn die Zellen versuchen, ohne es zu wachsen und zu funktionieren.

Um die Auswirkungen eines fehlenden Plectins zu untersuchen, verwendeten die Forscher eine spezielle Art von menschlichen Stammzellen, die dazu gebracht werden können, zu Knorpelzellen zu werden. Sie nutzten eine Gen-Editing-Technik, um ein kleines Stück des Plectin-Gens zu löschen, wodurch eine Version der Zellen entstand, die nicht in der Lage war, das vollständige Protein herzustellen. Sie verifizierten, dass diese editierten Zellen signifikant niedrigere Mengen an Plectin auf DNA-, RNA- und Proteinebene aufwiesen und dass dieser Mangel auch bestehen blieb, während die Zellen zu knorpelähnlichen Strukturen heranwuchsen und reiften. Als diese plectin-defizienten Zellen in einer Kulturschale Knorpel bilden durften, zeigten sie eine subtile, aber wichtige Änderung in ihrem Verhalten. Obwohl sie immer noch in der Lage waren, Knorpel aufzubauen, produzierten sie weniger der entscheidenden Bausteine, wie Typ-II-Kollagen und Aggrecan, die essenziell für die Festigkeit und die Stoßabsorptionsfähigkeit des Gewebes sind. Interessanterweise zeigten die Zellen keine Anzeichen dafür, dass sie zu Narbengewebe wurden oder vorzeitig alterten, was darauf hindeutet, dass der Mangel an Plectin spezifisch die Fähigkeit des Knorpels schwächte, sich selbst aufzubauen, anstatt seinen Abbau zu beschleunigen.

Die Forscher unterzogen diese Zellen dann den Belastungen, denen sie im menschlichen Körper ausgesetzt wären. Sie setzten den Knorpel Entzündungssignalen aus, ähnlich wie bei einem Schub von Arthritis, sowie mechanischem Druck, der die Kraft beim Gehen oder Laufen imitiert. Wenn die Zellen mit Entzündungen konfrontiert wurden, reagierten sie mit einer Reduzierung ihrer Produktion gesunder Knorpelkomponenten – eine Reaktion, die sowohl in den normalen als auch in den plectin-defizienten Zellen zu beobachten war. Die plectin-defizienten Zellen zeigten jedoch ein etwas anderes Muster in ihrer genetischen Reaktion auf Entzündungen und produzierten weniger eines spezifischen Entzündungssignals namens IL-6. Dies deutet darauf hin, dass die Zellen zwar immer noch unter der Entzündung litten, die Art und Weise, wie sie diesen Stress an den Rest des Körpers kommunizierten, jedoch verändert war.

Der vielleicht aufschlussreichste Teil der Studie kam, als die Forscher mechanischen Druck mit Entzündungen kombinierten und so eine „mechano-inflammatorische“ Umgebung schufen, die die Bedingungen in einem arthritischen Gelenk eng nachahmt. Sie analysierten die genetische Aktivität der Zellen unter diesen Bedingungen und fanden heraus, dass das Fehlen von Plectin die Reaktion der Zellen auf die physikalische Last veränderte. Die plectin-defizienten Zellen aktivierten einen anderen Satz von Genen im Vergleich zu den normalen Zellen. Einige dieser Gene standen im Zusammenhang mit der Organisation des internen Skeletts der Zelle, während andere mit langen Strängen genetischen Materials verknüpft waren, die die Funktion anderer Gene regulieren. Eines der bemerkenswertesten Ergebnisse war, dass die plectin-defizienten Zellen es versäumten, ein Gen namens H19 korrekt zu aktivieren, das dafür bekannt ist, die Selbstheilung des Knorpels zu unterstützen. Oh ohne die korrekte Aktivierung dieses Gens könnten die Zellen Schwierigkeiten haben, die durch tägliche Bewegungen verursachten Schäden zu reparieren, insbesondere wenn diese Bewegungen von Entzündungen begleitet werden.

Die Studie untersuchte auch, ob der Mangel an Plectin die physische Steifigkeit der Zellen oder ihre Fähigkeit, Kraft wahrzunehmen, veränderte. Mithilfe einer hochsensiblen Mikroskopsonde drückten die Forscher auf einzelne Zellen, um zu sehen, wie stark sie sich verformten und wie sie mit Kalziumsignalen reagierten. Überraschenderweise waren die Zellen ohne Plectin genauso steif und ebenso reaktionsfähig auf den physischen Druck wie die normalen Zellen. Dies deutet darauf hin, dass das Problem nicht darin besteht, dass die Zellen die Kraft nicht fühlen können oder dass sie physisch einfacher gesehen schwächer sind. Stattdessen liegt das Problem darin, wie die Zellen diese physische Empfindung in eine genetische Antwort übersetzen. Das interne Skelett, das Plectin zusammenhält, scheint entscheidend dafür zu sein, die richtigen Nachrichten an den Zellkern zu senden, um der Zelle mitzuteilen, dass sie mehr Knorpel aufbauen soll, wenn sie unter Druck steht.

Indem sie einen spezifischen genetischen Risikofaktor mit einer chemischen Veränderung in der DNA und anschließend diese chemische Veränderung mit einem Mangel an einem Strukturprotein verknüpften, haben die Forscher eine klare Linie von einer winzigen Variation in unserem genetischen Code zur Gesundheit unserer Gelenke gezogen. Sie zeigten, dass ein genetischer Risikofaktor für Arthrose zu niedrigeren Plectin-Spiegeln führen kann, was wiederum die Knorpelzellen weniger effektiv darin macht, sich unter Stress selbst aufzubauen und zu reparieren. Diese Arbeit bietet keine sofortige Heilung, aber sie liefert eine detaillierte Karte darüber, wie eine genetische Anfälligkeit zu einer Krankheit führen kann. Sie hebt Plectin als einen Schlüsselakteur im komplexen Dialog zwischen unseren Genen, unserer Umwelt und unseren Gelenken hervor und legt nahe, dass zukünftige Behandlungen darauf abzielen könnten, diesen Zellen zu helfen, ihre strukturellen Schwächen zu überwinden, um den täglichen Anforderungen des Lebens besser standhalten zu können.