The role of NF-κB signaling in cartilage development and function

NF–κB proteins are known to mediate expression of numerous genes responding to stress conditions such as inflammation, infection or injury. Studies of bone degenerative diseases have indicated the blockade of NF-κB canonical signaling as a potential strategy against arthritis. Owning to the absence of suitable animal models, the role of NF–κB signaling in normal skeletal physiology is still not completely understood. In this study, the X chromosome-localized gene encoding NF-κB essential modulator (NEMO), a key regulator of the canonical NF-κB pathway, was conditionally knocked-out using a chondrocyte-specific Col2a1cre transgene in mice. NEMOfl/YCol2a1cre mice showed the absence of the canonical NF–κB activation in chondrocytes; and exhibited moderate dwarfism postnatally characterized by shortened growth plate, mild disorganization of columnar chondrocytes and increased apoptosis/necrosis. Primary chondrocytes isolated from costal cartilage displayed reduced migration and proliferation. Pro-inflammatory cytokines induced proteoglycan depletion, monitored by the exposure of the aggrecan degradation neoepitopes and glycosaminoglycan release, was significantly less in NEMO-deficient hip explants compared with controls. Using an ex vivo hip avulsion model, microarray analysis demonstrated only a few changes in the expression of injury-induced genes compared to wild type. Assessing age-associated, spontaneous osteoarthritis of the knee joint, NEMOfl/YCol2a1cre mice displayed comparable articular cartilage destruction with controls. Taken together, the NEMO-deficient conditional mouse model demonstrated that: 1) the canonical NF-κB signaling plays an important role in postnatal skeletal growth; 2) the catabolic effects of pro-inflammatory cytokines in cartilage can be partially eased by blocking the canonical NF-κB pathway; 3) Nemo-dependent NF-κB activation has moderate role for gene induction upon injury; and 4) NEMO/canonical NF-κB signaling is dispensable for spontaneous knee arthritis. The NEMOfl/YCol2a1cre mice, thus, provide a valuable model system for better understanding the role of canonical NF-κB for the development and function of the cartilaginous skeleton.Proteine der NF–κB-Familie beeinflussen die Expression einer Vielzahl von Genen, die auf zelluläre Stresssituationen wir Inflammation, Infektion oder Verletzungen reagieren. Studien von degenerativen Knochenerkrankungen haben die Bedeutung der Blockade des kanonischen NF–κB Signalwegs als potentielles Ziel zur Behandlungen von Osteoarthrose und rheumatoide Arthritis verdeutlicht. Durch den Mangel an geeigneten Tiermodellen ist die Rolle des NF-κB Signalwegs in der normalen Skelettphysiologie noch immer nicht vollkommen verstanden. In der vorliegenden Studie wurde das X-chromosomalliegende Gen NEMO (NF-κB essential modulator), ein Schlüsselregulierer im kanonischen NF-κB Signalweg, konditional, durch die Verwendung einer knorpelspezifischen Col2a1cre transgenen Mauslinie, gelöscht. NEMOfl/YCol2a1cre Mäuse zeigten ein Ausbleiben der kanonischen NF–κB Aktivierung in Chondrozyten und entwickelten postnatal einen mäßigen Kleinwuchs, der durch eine verkürzte Wachstumsfuge, eine leichte Unordnung der säulenförmigen Chondrozyten und eine erhöhte Nekrose/Apoptose verursacht wurde. Primäre Chondrozyten, die aus Rippenknorpel isoliert wurden, zeigten eine reduzierte Migration sowie Proliferation. Pro-inflammatorische Zytokine induzierten Proteoglykanverminderung, dass durch die Freisetzung von Aggrecan-Neoepitopen und Glykosminoglykanen nachgewiesen wurde, war signifikant weniger in NEMO-deifizieren Hüftkopfexplantaten im Vergleich zu den Kontrollen. Durch die Verwendung eines Hüftkopfdistorsionmodells konnte eine Mikroarrayanalyse einige kleine Veränderungen in der Expression von verletzungsbedingten Genen im Vergleich zu Wildtypen aufgezeigt werden. Des Weiteren konnte durch die Beurteilung von altersbedingter, spontaner Osteoarthrose der Kniegelenke eine vergleichbare Zerstörung des artikulären Knorpels in NEMOfl/YCol2a1cre Mäusen und Kontrolltieren festgestellt werden. Zusammenfassend zeigte das NEMO-defizitäre konditionale Mausmodell, dass 1) der kanonische NF-κB Signalweg eine wichtige Rolle für das postnatale Skelettwachstum spielt; 2) der katabolische Effekt von pro-inflammatorische Zytokinen im Knorpel durch die Blockierung des NF-κB Signalwegs verringert werden kann; 3) die Aktivierung von NF-κB durch NEMO einen moderate Rolle in der Geninduktion nach Verletzungen hat; und 4) NEMO-vermittelte kanonische NF-κB Signaltransduktion entbehrlich für spontane Kniearthrose ist. NEMOfl/YCol2a1cre Mäuse stellen somit ein nützliches Modellsystem dar, um die Rolle von kanonischem NF-κB in der Entwicklung und Funktion des Knorpelskeletts zu verstehen