Studies on chondrocyte integrins and mechanical signaling

Abstract

Integrins are a family of cell surface receptors known to bind matrix proteins and to mediate signals such as mechanical signals between the cell and the surrounding matrix. We have studied integrins that are expressed by chondrocytes, with specific focus on the integrins that interact with the cartilage matrix protein collagen type II. It was found that chondrocytes isolated from articular cartilage express the collagen-binding integrins alpha1beta1, alpha10beta1 and small amounts of alpha2beta1. By investigating the expression of integrins in cultured chondrocytes, we could demonstrate that expression of alpha10beta1 is correlated with chondrocyte phenotype. To further understand the role of the collagen-binding integrin alpha10beta1 during the formation of cartilage, its distribution during cartilage development was investigated. Expression of alpha10 was found in the early stages of chondrogenesis and strong expression was observed throughout the development and maturation of the cartilage. These results indicate that alpha10beta1 is a major collagen-binding integrin in articular cartilage and it is likely to play an important role as a link between the chondrocyte and the surrounding matrix. We have also studied the effect of mechanical stimulation on the expression of matrix molecules and integrins. Cyclic mechanical stimulation of cultured chondrocytes upregulated expression of the cartilage matrix components collagen II and aggrecan. In addition we found that extracellular signal-regulated kinase (ERK) was activated in response to mechanical load. A specific inhibitor of ERK prevented the mechanically induced collagen synthesis indicating that this signaling molecule has an important role in the signaling cascade resulting in collagen production in response to mechanical load. Cyclic stimulation also increased the expression of integrin subunits in chondrosarcoma cells. Interestingly, the integrin subunit alpha2 was mainly upregulated when the cells were cultured on collagen II, which indicates that matrix molecules can modulate the expression of integrins during mechanical load. It is possible that this upregulation/modulation of integrins in response to mechanical load changes the adhesive and/or signaling properties of the chondrocyte which could be of functional importance in the remodeling of the tissue.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Brosk är en typ av vävnad som finns på många olika ställen i vår kropp. Karakteristiskt för brosk är att det är mycket hållfast samtidigt som det medger en hög grad av flexibilitet. Ledbrosket är det tunna brosklager som klär kortändarna på benen i skelettet. Dess uppgift i leden är att fungera som stötdämpare för att skydda det underliggande benet samt att utgöra den glatta ledyta som gör att friktionen blir låg vid rörelse. Det är även brosk som utgör den mjuka men hållfasta delen av bl. a. ytterörat, näsan och de stadgande ringarna i luftstrupen. Ledbrosket består av ett fåtal celler, kondrocyter, som ligger glest inbäddade i ett nätverk av proteiner, polysackarider och proteoglykaner. Dessa komponenter utgör tillsammans den s.k. extracellulära matrixen (ECM). Det är ECM som ger brosket dess fysiskaliska egenskaper. Polysackarider är långa sockerkedjor och proteoglykaner är korta sockerkedjor kopplade till en proteinstomme. Sockerkedjorna på proteoglykanerna är kraftigt negativt laddade och drar därmed till sig vatten. Detta s.k. osmotiska tryck motverkas av nätverket av proteiner, bestående i huvudsak av kollagenfibrer, som förhindrar att brosket drar till sig allt vatten det har kapacitet till. Resultatet blir en vävnad med ett inre tryck likt en ballong som är utmärkt konstruerad för att absorbera och fördela det tryck som uppstår i leden när vi rör oss. Kondrocyterna utgör förvisso endast en liten del av brosket men eftersom de är den enda levande komponenten i vävnaden är de mycket viktiga för broskets funktion. Kondrocyterna står för det allmänna underhållet av vävnaden genom att bryta ner gamla icke-fungerande komponenter i ECM samt producera nya välfungerande komponenter. De balanserar uppbyggnad och nedbrytning på ett lämpligt sätt. Det är även kondrocyterna som känner av förändringar i den omkringliggande miljön och anpassar sig till dessa efter förmåga. Det har länge varit känt att en normal mekanisk belastning av en led är nödvändig för att brosket ska fungera. För hög belastning resulterar i att kondrocyterna inte klarar av att bygga upp ny ECM tillräckligt snabbt vilket leder till att brosket bryts ned. Det är detta som händer vid förslitningsskador som artros. Vid för låg belastning eller vid frånvaro av belastning blir kondrocyterna på något sätt understimulerade och brosket bryts ner. Kondrocyten kan alltså känna av sin omgivning och det är troligt att denna kontakt delvis sker via s.k. integriner. Integriner är en familj av cellyteproteiner som förmedlar adhesion (vidhäftning) och de sitter insprängda i cellens membran där en del sticker ut på cellens utsida och en på insidan. Integriner fick sitt namn eftersom de integrerar (sammankopplar) omgivningen utanför cellen med cellens inre. På utsidan binder de nämligen specifikt till olika ECM komponenter som t.ex. kollagen och på insidan interagerar integrinerna med olika strukturella komponenter och även med molekyler som kan förmedla signaler till cellens kärna. Jag har i denna avhandling undersökt uttrycket av integriner hos kondrocyter, dels med avseende på vilka som finns och även i hur stora mängder de är närvarande. I den första delen av avhandlingen studerade jag effekten av mekanisk belastning på nybildning av integriner och ECM-komponenter. Betydelsen av signaleringsmolekylen ERK i signalförmedlingen som uppstår vid mekanisk belastning studerades också. Mekanisk belastning visade sig påverkar både integrinuttryck och nybildning av ECM komponenterna kollagen och en proteoglykan som kallas aggrecan. Resultaten tyder även på att ERK är en del av signalkedjan som leder till nybildning av ECM. Produktion av ECM som resultat av mekanisk belasting sker möjligen för att omfördela matrixen i omgivningen för att anpassa brosket till belastningssituationen. Den kan även vara viktig för att kompensera för slitage av vävnaden. Ändrat uttryck av integriner kan vara funktionellt viktigt för kondrocyten genom att ändra dess adhesiva och/eller kommunikativa egenskaper vid mekanisk belastning. Ett nytt integrin som finns i brosk upptäcktes nyligen i vårt laboratorium och döptes till alfa10beta1. Vi vet att det binder kollagen men dess funktion är till stor del ännu okänd. Som ett led i att förstå funktionen av alfa10beta1 i brosk har jag i denna avhandling även studerat när och i hur stora mängder det nya integrinet finns närvarande under broskutvecklingen. Integrinet alfa10beta1 visar sig vara uttryckt mycket tidigt i utvecklingen och finns sedan i stora mängder under broskets mognad. Andra resultat i avhandlingen visar att uttryck av alfa10beta1 är kopplat till kondrocytens unika egenskaper och när kondrocyten förlorar dessa egenskaper minskar även mängden av detta integrin. Dessa resultat tillsammans med det tidiga och starka uttrycket under broskutvecklingen tyder på att alfa10beta1 är viktigt för broskets funktion.

• author: Holmvall, Karin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Borg, Thomas, University of Carolina, U.S.A.
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: teratology, Development biology, collagen, mechnaical stimulation, cartilage, development, chondrocyte, integrin, ontogeny, embryology (human), Utvecklingsbiologi, teratologi, embryologi (människa)
• pages: 137 pages
• defense location: Kemicentrum, hörsal A, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2000-05-13 10:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--00/1046--SE
• ISBN: 91-628-4140-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Cell and Matrix Biology (LUR000002)
• id: b786567f-6b53-411e-b6e8-334956bfade1 (old id 40445)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:27:45
• date last changed: 2018-11-21 21:14:08