Dysregulated TGF-β signaling and oxidative stress as the cause for osteoporosis in the progeroid disorder Gerodermia Osteodysplastica

Abstract

Gerodermia Osteodysplastica (GO) is a premature ageing disorder characterized by wrinkled, lax skin and premature osteoporosis. GO is caused by loss-of- function mutations in GORAB, a novel Golgin with poorly understood function. This study is focused on in vitro and in vivo studies in order to get insight into the molecular pathomechanism of GO. A conditional Gorab mouse model was created and crossed with Runx2cre to inactivate Gorab in osteoblast and chondrocyte lineage. The GorabRunx2cre mutants displayed growth retardation, a reduction of trabecular and cortical bone volume, mineralization defects, and spontaneous fractures mostly in the long bones. Further analysis revealed a significant increase of osteoblasts with a delay in osteocyte differentiation. To identify the reason for the impaired osteoblast differentiation, expression analyses on primary osteoblast isolated from the calvaria of GorabRunx2cre mice, were conducted. An increase of early osteoblasts markers together with a delayed osteocyte maturation was found. In addition, an incrased expression of the cell cycle inhibitor p21 and TGF-β were observed. In vitro, GorabRunx2cre mutant bone cells and GORAB-deficient fibroblasts exhibited increased levels of reactive oxygen species (ROS) leading to an accumulation of oxidative DNA damage and subsequently to increased cellular senescence markers. The increase of ROS in Gorab-deficient cells and bone tissue is correlated with excessive TGF-β - Nox4 signaling. These enhanced TGF-β levels in Gorab-deficient tissues were correlated with a striking decrease in decorin glycanation known to modulate the activity of TGF-β. The organization of collagen fibers in the cortical bone of GorabRunx2cre mice was highly altered, showing thin and fragmented fibers. Taken together, these results demonstrate that oxidative DNA damage and cellular senescence are triggered by elevated TGF-β signaling which is caused by abnormal glycanation of extracellular matrix components. This pathomechanism is suggested to play a dominant role in the development of GO.

Gerodermia osteodysplastica (GO) ist eine autosomal rezessiv vererbte segmental progeroide Erkrankung, die durch frühzeitige Osteoporose und Faltenbildung der Haut gekennzeichnet ist. Die molekulare Ursache sind Mutationen im Gen GORAB. Die hier beschriebene Studie befasste sich mit in vitro und in vivo Untersuchungen zur molekulare Pathophysiologie von GO. Ein konditionelles Gorab Mausmodell wurde etabliert und durch die Kreuzung mit der Runx2cre Linie führt dies zu einer Inaktivierung des Gens in Osteoblasten und Chondrozyten. GorabRunx2cre Mutanten zeigten Wachstumsverzögerung, eine Reduktion des trabekulären und kortikalen Knochenvolumens, verzögerte Mineralisierung und spontane Frakturen vor allem in den langen Röhrenknochen. Zudem wurde eine deutliche Veränderung der Osteozytenmorphologie festgestellt. In 4 Wochen alten Tieren konnte zudem eine starke Zunahme von unreifen Osteoblasten beobachtet werden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Differenzierung von Osteozyten aus Osteoblasten beeinträchtigt ist. Zur näheren Untersuchung dieser Osteoblastenfehlfunktion wurde die Genexpression, von aus der Schädeldecke der GorabRunx2cre Maus gewonnenen primären Osteoblasten, untersucht. Dies zeigte zuerst eine Erhöhung der frühen Osteoblastenmarker und später eine verlangsamte Osteozytenreifung. Zusätzlich konnten eine verstärkte Expression des Zellzyklus-Inhibitors p21 und von TGF-β beobachtet werden. Die erhöhte Aktivität des TGF-β Signalweges konnte auch in GO Hautfibroblasten bestätigt werden. Außerdem zeigten GorabRunx2cre und GORAB defiziente humane Fibroblasten eine vermehrte Produktion von Reaktiven Sauerstoff Spezies (ROS) welche zu vermehrten DNA Schäden führte und in weiterer Folge zu erhöhter zellulärer Seneszenz. Die Erhöhung von ROS in den verschiedenen Geweben war verursacht durch den gesteigerten TGF-β - Nox4 Signalweg. Die erhöhten TGF-β Werte im Gorab defizienten Gewebe korrelierte stark mit einer verminderten Glykanierung von Decorin, welches die Aktivität von TGF-β moduliert. Die Kollagenstruktur im kortikalen Knochen wies starke Veränderungen auf, mit dünnen und fragmentierten Fasern. Zusammengefasst zeigen die Experimente eine erhöhte Anzahl von DNA Schäden und in weiterer Folge zelluläre Seneszenz in GO. Dies wird verursacht durch eine Verstärkung des TGF-β Signalweges auf Grund einer veränderten Glykanierung des Proteoglykans Decorin verursacht wird.