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

Artrose is de meest voorkomende vorm van artritis, een aandoening waarbij het gladde, beschermende kraakbeen dat de uiteinden van botten dempt, slijt, wat leidt tot pijn en stijfheid. Hoewel leeftijd en letsel bekende triggers zijn, hebben wetenschappers lang vermoed dat onze genen een enorme rol spelen in wie de ziekte ontwikkelt en hoe snel deze vordert. Onderzoekers hebben specifieke plekken in ons DNA geïdentificeerd, genaamd single-nucleotide polymorfismen, die gekoppeld zijn aan een hoger risico op artrose. De meeste van deze risicovolle plekken bevatten echter niet de werkelijke instructies voor het maken van eiwitten; in plaats daarvan liggen ze in de niet-coderende regio's van het genoom. Denk aan deze regio's als de volumeknoppen en dimmers van een radio; ze spelen zelf de muziek niet af, maar ze regelen hoe hard of zacht de muziek speelt. In het geval van artrose werken deze genetische schakelaars waarschijnlijk door de activiteit van bepaalde genen harder of zachter te zetten via een proces genaamd DNA-methylering, wat fungeert als een chemische tag die een gen kan stilleggen. Het begrijpen van precies hoe deze stille schakelaars de gezondheid van ons kraakbeen controleren, is cruciaal voor het vinden van nieuwe manieren om de ziekte te behandelen.

Een team van onderzoekers aan de Washington University School of Medicine en verschillende internationale instellingen heeft een belangrijke stap gezet naar het ontrafelen van dit mysterie door zich te richten op een specifieke genetische risicofactor bekend als rs11780978. Deze genetische variant bevindt zich nabij een gen genaamd PLEC, dat een groot eiwit genaamd plectine produceert. Plectine werkt als een structurele lijm binnen cellen, houdt het interne skelet bij elkaar en helpt cellen fysieke krachten te voelen en erop te reageren. De onderzoekers wilden weten of deze genetische risicofactor de manier waarop plectine wordt gemaakt in kraakbeencellen verandert, en of het hebben van minder plectine die cellen kwetsbaarder maakt voor de slijtage van het dagelijks leven en ontstekingen. Om dit te ontdekken, bouwden ze een geavanceerd laboratoriumsysteem waarmee ze de genetische code en de chemische tags op het DNA van menselijke kraakbeencellen konden bewerken, waardoor ze effectief een gecontroleerde omgeving creëerden om te testen hoe deze veranderingen de het vermogen van de cellen beïnvloeden om gezond weefsel op te bouwen en te onderhouden.

De wetenschappers begonnen met het bevestigen dat de genetische risicofactor die ze bestudeerden inderdaad gekoppeld was aan specifieke chemische tags op het DNA in menselijke kraakbeenmonsters genomen van patiënten. Ze identificeerden verschillende nieuwe locaties waar de genetische code deze tags beïnvloedde, waarmee ze de kaart van hoe deze risicofactor zou kunnen werken, uitbreidden. Met een nauwkeurig instrument dat werkt als een moleculaire gum, verwijderden ze de chemische tags van deze specifieke plekken in het DNA van in het laboratorium gekweekte kraakbeencellen. Ze observeerden dat wanneer ze deze tags verwijderden, de activiteit van het plectine-gen aanzienlijk daalde. Dit leverde sterk bewijs dat de genetische risicofactor werkt door de chemische omgeving van het DNA te veranderen, wat op zijn beurt de hoeveelheid plectine die de cel produceert vermindert. Nadat ze deze link hadden vastgesteld, ging het team over naar de volgende fase: het creëren van een cellijn die van nature een tekort aan plectine vertoonde om te zien wat er zou gebeuren wanneer de cellen probeerden te groeien en te functioneren zonder het.

Om de effecten van het ontbreken van plectine te bestuderen, gebruikten de onderzoekers een speciaal type menselijke stamcel die kan worden gestuurd om kraakbeencellen te worden. Ze gebruikten een techniek voor genbewerking om een klein stukje van het plectine-gen te verwijderen, waardoor ze een versie van de cellen creëerden die niet in staat was de volledige eiwit te maken. Ze verifieerden dat deze bewerkte cellen aanzienlijk lagere niveaus van plectine hadden op DNA-, RNA- en eiwitniveau, en dat dit tekort aanhield terwijl de cellen groeiden en volgroeiden tot kraakbeenachtige structuren. Wanneer deze plectine-arme cellen de kans kregen om kraakbeen te vormen in een schaal, vertoonden ze een subtiele maar belangrijke verandering in hun gedrag. Hoewel ze nog steeds in staat waren om kraakbeen op te bouwen, produceerden ze minder van de belangrijkste bouwstenen, zoals type II collageen en aggrecan, die essentieel zijn voor de sterkte en het vermogen van het weefsel om schokken op te vangen. Interessant genoeg vertoonden de cellen geen tekenen van littekenweefsel of voortijdige veroudering, wat suggereert dat het gebrek aan plectine specifiek het vermogen van het kraakbeen verzwakte om zichzelf op te bouwen, in plaats van dat het de afbraak ervan versnelde.

De onderzoekers stelden deze cellen vervolgens bloot aan de soorten stress die ze in een menselijk lichaam zouden ervaren. Ze exposeerden het kraakbeen aan ontstekingssignalen, vergelijkbaar met wat er gebeurt tijdens een opvlamming van artritis, en aan mechanische druk, wat de kracht van wandelen of rennen nabootst. Wanneer de cellen werden getroffen door ontstekingen, reageerden ze door de productie van gezond kraakbeencomponenten te verminderen, een reactie die zowel bij de normale als bij de plectine-arme cellen werd gezien. De plectine-arme cellen vertoonden echter een iets ander patroon in hun genetische respons op ontstekingen, waarbij ze minder van een specifiek ontstekingssignaal genaamd IL-6 produceerden. Dit suggereert dat hoewel de cellen nog steeds leden onder de ontsteking, de manier waarop ze deze stress communiceerden naar de rest van het lichaam veranderde.

Misschien wel het meest onthullende deel van de studie kwam toen de onderzoekers mechanische druk combineerden met ontstekingen, waardoor een "mechano-inflammatoire" omgeving ontstond die de omstandigheden in een arthritisch gewricht nauwgezet nabootst. Ze analyseerden de genetische activiteit van de cellen onder deze omstandigheden en ontdekten dat de afwezigheid van plectine de manier waarop de cellen op de fysieke belasting reageerden, veranderde. De plectine-arme cellen zetten een andere set genen aan vergeleken met de normale cellen. Sommige van deze genen waren gerelateerd aan hoe het interne skelet van de cel is georganiseerd, terwijl andere verbonden waren aan lange strengen van genetisch materiaal die reguleren hoe andere genen werken. Een van de meest opmerkelijke bevindingen was dat de plectine-arme cellen er niet in slaagden het gen H19 correct te activeren, dat bekend staat om het helpen bij het herstel van kraakbeen. Zonder dat dit gen correct werd aangezet, zouden de cellen moeite kunnen hebben met het repareren van de schade veroorzaakt door dagelijkse beweging, vooral wanneer die beweging gepaard gaat met ontstekingen.

De studie onderzocht ook of het gebrek aan plectine de fysieke stijfheid van de cellen of hun vermogen om kracht te voelen veranderde. Met behulp van een zeer gevoelige microscoopsonde drukten de onderzoekers op individuele cellen om te zien hoeveel ze vervormden en hoe ze reageerden met calciumsignalen. Verrassend genoeg waren de cellen zonder plectine net zo stijf en net zo reactief op de fysieke druk als de normale cellen. Dit geeft aan dat het probleem niet is dat de cellen de kracht niet kunnen voelen of dat ze fysiek zwakker zijn in een eenvoudige zin. In plaats daarvan ligt het probleem in de manier waarop de cellen die fysieke sensatie vertalen naar een genetische respons. Het interne skelet, dat plectine helpt bij elkaar te houden, lijkt cruciaal te zijn voor het verzenden van de juiste berichten naar de celkern om de cel opdracht te geven meer kraakbeen op te bouien wanneer deze onder druk staat.

Door een specifieke genetische risicofactor te verbinden aan een chemische verandering in het DNA, en vervolgens die chemische verandering te koppelen aan een tekort aan een structureel eiwit, hebben de onderzoekers een duidelijke lijn getrokken van een minuscule variatie in onze genetische code naar de gezondheid van onze gewrichten. Ze toonden aan dat het hebben van een genetische risicofactor voor artrose kan leiden tot lagere plectineniveaus, wat op zijn beurt ervoor zorgt dat kraakbeencellen minder effectief zijn in het opbouwen en repareren van zichzelf wanneer ze onder stress staan. Dit werk biedt geen onmiddellijk geneesmiddel, maar biedt een gedetailleerde kaart van hoe een genetische kwetsbaarheid tot ziekte kan leiden. Het benadrukt plectine als een sleutelspeler in de complexe dialoog tussen onze genen, onze omgeving en onze gewrichten, en suggereert dat toekomstige behandelingen zich misschien moeten richten op het helpen van deze cellen om hun structurele zwakheden te overwinnen om de dagelijkse eisen van het leven beter te kunnen weerstaan.