Metabolic Regulation of Articular Cartilage and Joint Homeostasis
关节软骨的代谢调节和关节稳态
基本信息
- 批准号:10202074
- 负责人:
- 金额:$ 60.68万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-07-08 至 2026-06-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AblationAcetyl Coenzyme AAddressAffectAgingAnabolismAttenuatedCarbonCarrier ProteinsCartilageCatabolismChondrocytesCitratesClinical TreatmentDataDegenerative polyarthritisDevelopmentDiseaseEnzymesEquilibriumGene DeletionGene ExpressionGene TargetingGenesGeneticGlucoseGlutamineGlycolysisGlycosaminoglycansGoalsHexosaminesHigh Pressure Liquid ChromatographyHomeostasisHospital CostsHyaluronic AcidIGF1 geneIGF1R geneIn VitroInjuryJointsKnowledgeLabelLeadMAP3K7 geneMass Spectrum AnalysisMediatingMedicalMedicareMedicineMetabolicMitochondriaMusPathway interactionsPatientsPharmaceutical PreparationsProductionProteoglycanRadiolabeledRegulationReplacement ArthroplastyReplacement TherapyRoleSignal TransductionSourceSymptomsTherapeuticTransforming Growth Factor alphaUnited StatesUp-RegulationWorkarticular cartilageblood glucose regulationfructose-6-phosphategain of functiongenetic approachglucose metabolismglucose uptakein vitro Modelin vivoinnovationinsightjoint injuryloss of functionmetabolomicsnoveloverexpressionpreventreceptorresponsetherapeutic targettranscriptome sequencinguptake
项目摘要
ABSTRACT
TGF is an essential regulator of articular chondrocyte/cartilage homeostasis. However, reduced/absent
TGF receptor (Tgfbr2) expression with aging, joint injury, and in osteoarthritis (OA) prevents the use of TGF1
as a clinical treatment for OA. Therefore, the goal of this proposal is to identify the key genes, pathways, and
potential therapeutic targets that are regulated by TGF1.
Our preliminary data shows that TGF1 regulates chondrocyte homeostasis and anabolic biosynthesis
through stimulation of glucose uptake, glycolysis and anabolic Hexosamine Biosynthetic Pathway (HBP).
Specifically, we show that TGF, via TAK1 signaling, induces the HBP through upregulation of 3 key
genes/targets: i) Glut1, the major enzyme involved in glucose uptake; ii) Gfpt2 (glutamine-fructose-6-phosphate
amidotransferase-2, the rate limiting enzyme of HBP), and iii) Slc25a1, the key mitochondrial citrate transport
protein that provides a source of cytoplasmic Acetyl CoA necessary for production of UDP-GlcNAc. UDP-GlcNAc
is the terminal metabolite in the HBP pathway and is required for matrix synthesis of hyaluronic acid and
glycosaminoglycans (GAGs). Our mass spectrometry (MS) data establish that TGF1 enhances the production
of UDP-GlcNAc and increases the proportion of carbons in UDP-GlcNAc derived from radiolabeled glucose.
Moreover, our RNA-seq data and additional in vitro data identify Igf1 as a critical downstream target of TGF1
since the induction of glucose metabolism, glycolytic gene expressions, glucose uptake, HBP, and proteoglycan
production is abolished in in TGF1 treated articular chondrocytes with Igf1r gene deletion. In contrast, Igf1
over-expression mimics the effect of TGF1 on glucose metabolism as well as cartilage anabolism and
homeostasis. Collectively, these novel findings indicate the existence of a TGF/IGF1 signaling axis in
chondrocytes, and that modulation of this axis may be a promising therapeutic strategy to treat OA.
Two Specific Aims are proposed. Specific Aim 1 will define the upregulation of Hexosamine Biosynthesis
Pathway (HBP) as a key mechanism involved in TGF-mediated homeostasis of articular cartilage.
Complementary in vitro and in vivo genetic approaches targeting Tgfbr2, Tak1, Glut1, Gfpt2 and Slc25a1 as well
as HPLC-MS will be used to establish regulation of the HBP as an essential anabolic pathway necessary for
articular chondrocyte homeostasis. Specific Aim 2 will utilize Igf1r loss-of-function and Igf1 gain-of-function
models in vitro and in vivo to establish Igf1 signaling as a downstream effector of TGF regulation of glucose
metabolism and articular cartilage homeostasis. In summary, the proposed studies will define TGF/IGF1 as a
novel pathway axis in regulation of glucose metabolism, HBP, and articular chondrocytes homeostasis in the
context of OA. This work will enhance our understanding of mechanisms regulating OA and provide novel targets
for innovative therapeutic approaches.
抽象的
TGF 是关节软骨细胞/软骨稳态的重要调节剂,但其含量减少/缺失。
TGF 受体 (Tgfbr2) 在衰老、关节损伤和骨关节炎 (OA) 中的表达会阻止 TGF1 的使用
因此,本提案的目标是确定关键基因、途径和途径。
TGFβ1 调节的潜在治疗靶点。
我们的初步数据表明 TGF1 调节软骨细胞稳态和合成代谢生物合成
通过刺激葡萄糖摄取、糖酵解和合成代谢己糖胺生物合成途径(HBP)。
具体来说,我们表明 TGF 通过 TAK1 信号传导,通过上调 3 个关键因子来诱导 HBP
基因/靶标:i) Glut1,参与葡萄糖摄取的主要酶;ii) Gfpt2(谷氨酰胺-果糖-6-磷酸)
酰胺转移酶-2(HBP 的限速酶)和 iii) Slc25a1(关键的线粒体柠檬酸转运)
提供生产 UDP-GlcNAc 所需的细胞质乙酰辅酶 A 来源的蛋白质。
是 HBP 途径中的终端代谢物,是透明质酸和基质合成所必需的
我们的质谱 (MS) 数据表明 TGF1 可以增强糖胺聚糖 (GAG) 的产生。
UDP-GlcNAc 并增加源自放射性标记葡萄糖的 UDP-GlcNAc 中碳的比例。
此外,我们的 RNA-seq 数据和其他体外数据将 Igf1 确定为 TGF1 的关键下游靶标
由于诱导葡萄糖代谢、糖酵解基因表达、葡萄糖摄取、HBP 和蛋白聚糖
在 TGFβ1 处理的 Igf1r 基因缺失的关节软骨细胞中,Igf1 的产生被消除。
过度表达模拟 TGFβ1 对葡萄糖代谢以及软骨合成代谢的影响
总的来说,这些新发现表明 TGFβ/IGF1 信号轴的存在。
软骨细胞,调节该轴可能是治疗 OA 的一种有前途的治疗策略。
提出了两个具体目标,具体目标 1 将定义己糖胺生物合成的上调。
通路 (HBP) 作为参与 TGFβ 介导的关节软骨稳态的关键机制。
针对 Tgfbr2、Tak1、Glut1、Gfpt2 和 Slc25a1 的补充体外和体内遗传方法
因为 HPLC-MS 将用于建立 HBP 的调节,将其作为合成代谢途径所必需的
具体目标 2 将利用 Igf1r 功能丧失和 Igf1 功能获得。
体外和体内模型建立 Igf1 信号传导作为 TGFβ 葡萄糖调节的下游效应器
总之,拟议的研究将 TGF/IGF1 定义为
调节葡萄糖代谢、HBP 和关节软骨细胞稳态的新途径轴
这项工作将增强我们对 OA 调节机制的理解并提供新的目标。
创新的治疗方法。
项目成果
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