Role of histone methylation in the regulation of COX-2, iNOS, and mPGES-1 gene expression in human chondrocytes: Implication for Osteoarthritis

Abstract

L'arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative, classée comme la forme la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée par la dégénérescence du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale, et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements structurels et fonctionnels sont dues à de nombreux facteurs. Les cytokines, les prostaglandines (PG), et les espèces réactives de l'oxygène sont les principaux médiateurs impliqués dans la pathophysiologie de l'OA. L'interleukine-1β (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire majeure qui joue un rôle crucial dans l'OA. L'IL-1β induit l'expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2), la microsomale prostaglandine E synthase-1 (mPGES-1), la synthase inductible de l'oxyde nitrique (iNOS), ainsi que leurs produits la prostaglandine E2 (PGE2) et l'oxyde nitrique (NO). Ce sont des médiateurs essentiels de la réponse inflammatoire au cours de l'OA qui contribuent aux mécanismes des douleurs, de gonflement, et de destruction des tissus articulaires. Les modifications épigénétiques jouent un rôle très important dans la régulation de l’expression de ces gènes pro-inflammatoires. Parmi ces modifications, la méthylation/ déméthylation des histones joue un rôle critique dans la régulation des gènes. La méthylation/ déméthylation des histones est médiée par deux types d'enzymes: les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) qui favorisent l’activation et/ou la répression de la transcription. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression des gènes de la COX-2, la mPGES-1, et l’iNOS. L'objectif de cette étude est de déterminer si la méthylation/déméthylation des histones contribute à la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS dans des chondrocytes OA humains induits par l'IL-1β. Nous avons montré que la méthylation de la lysine K4 de l'histone H3 (H3K4) par SET-1A contribue à l’activation des gènes COX-2 et iNOS dans les chondrocytes humains OA induite par l'IL-1β. Nous avons également montré que la lysine K9 de l’histone H3 (H3K9) est déméthylée par LSD1, et que cette déméthylation contribue à l’expression de la mPGES-1 induite par IL-1β dans les chondrocytes humains OA. Nous avons aussi trouvé que les niveaux d'expression des enzymes SET-1A et LSD1 sont élevés au niveau du cartilage OA. Nos résultats montrent, pour la première fois, l'implication de la méthylation/ déméthylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS. Ces données suggèrent que ces mécanismes pourraient être une cible potentielle pour une intervention pharmacologique dans le traitement de la physiopathologie de l'OA.

Osteoarthritis (OA) is a disabling disease classified as the most common form of arthritis worldwide. It is characterized by cartilage degeneration, synovium inflammation, and subchondral bone remodeling resulting in a loss of joint function. These structural and functional changes are due to numerous factors. Cytokines, prostaglandins (PG), and reactive oxygen species are the major mediators implicated in the pathophysiology of OA. Interleukin-1 (IL-1) is a major pro-inflammatory cytokine that plays a crucial role in OA. IL-1 induces the expression of Cyclo-oxygenase-2 (COX-2), microsomal prostaglandin E synthase-1 (mPGES-1), inducible nitric oxide synthase (iNOS), as well as their products prostaglandin E2 (PGE2) and nitric oxide (NO). These are critical mediators of the inflammatory response during OA causing pain, swelling, and joint tissue destruction. The activation of these pro-inflammatory genes results from different changes at the level of chromatin known as epigenetic modifications. Epigenetic modifications such as DNA methylation and histone modifications play a crucial role in gene expression. Among these modifications, histone methylation/demethylation is the most critical one. Histone methylation/demethylation is mediated by two types of enzymes: histone methyltransferases (HMT) and histone demethylases (HDM) which can either activate or repress transcription. It is therefore necessary to understand the molecular mechanisms which underlie the regulation of COX-2, mPGES-1, and iNOS expression.

The objective of this study is to investigate whether histone methylation/demethylation can modulate COX-2, mPGES-1, and iNOS expression in IL-1 induced OA human chondrocytes.

We demonstrated that histone H3 lysine K4 (H3K4) methylation by SET-1A contributes to IL-1-induced COX-2 and iNOS expression in human OA Chondrocytes. We showed also that LSD1-mediated demethylation of histone H3 lysine 9 (H3K9) contributes to IL-1β-induced mPGES-1 expression in human OA chondrocytes. We found that levels of SET-1A and LSD1 expression are elevated in OA cartilage as compared with normal cartilage. Our data demonstrates, for the first time, the implication of histone methylation/demethylation in COX-2, mPGES-1, and iNOS regulation suggesting that these mechanisms could be a potential target for pharmacological intervention in the treatment of the pathophysiology of OA.