The role of transcription factor Pitx1 and its regulation by hypoxia in Adolescent Idiopathic Scoliosis

Abstract

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est définie comme une courbure de la colonne vertébrale supérieure à 10 degrés, qui est de cause inconnue et qui affecte de façon prépondérante les adolescents. Des études précédentes sur des modèles murins ont démontré une inactivation partielle du gène Pitx1. Cette inactivation partielle provoque une déformation spinale sévère lors du développement des souris Pitx1+/-, ce qui est grandement similaire au phénotype de la SIA. En se basant sur ces observations, nous postulons que la perte de fonction de Pitx1 pourrait avoir un rôle dans la SIA et pourrait être régulée par des mécanismes moléculaires spécifiques. En effet, des études faites sur l’expression de Pitx1 révèlent une perte de son expression dans les ostéoblastes dérivés de patients SIA au niveau de l’ARNm. Nous émettons l’hypothèse que la perte de Pitx1 dans la SIA pourrait être déclenchée par des facteurs hypoxiques puisqu’il est connu que Pitx1 est réprimé par l’hypoxie et que HIF-2 alpha est surexprimés dans les ostéoblastes des patients SIA même dans des conditions normoxiques. De plus, nous avons découvert une mutation dans le domaine ODD des HIF-1 alpha chez certains patients SIA (3,1%). Une fonction connue de ce domaine est de stabiliser et d’augmenter l’activité transcriptionnelle de HIF-1 alpha dans des conditions normoxiques. Nous avons confirmé, par la technique EMSA, l’existence d’un élément de réponse fonctionnel à l’hypoxie au niveau du promoteur de Pitx1. Cependant, des co-transfections avec des vecteurs d’expression pour HIF-1 alpha et HIF-2 alpha, en présence de leur sous-unité beta ARNT, ont conduit à une activation du promoteur de Pitx1 dans la lignée cellulaire MG-63 ainsi que dans les ostéoblastes des sujets contrôles. Il est intéressant de constater qu’aucune activité du promoteur de Pitx1 dans les ostéoblastes SIA n’a été observée, même après la co-expression de HIF-2 alpha et ARNT, confirmant le fait que l’expression de Pitx1 est abrogée dans la SIA. Dans l’ensemble, nos résultats démontrent un rôle important de Pitx1 dans la SIA et une possible régulation par des facteurs hypoxiques.

Adolescent Idiopathic Scoliosis is a lateral curvature of the spine greater than 10 degrees, with an unknown cause, affecting primarily adolescents. Previous mouse model studies showed that partial inactivation of Pitx1 gene resulted in the development of severe spinal deformities in Pitx1 +/- mice, which is strikingly similar to the AIS phenotype. Based on this observation, we postulated that loss of Pitx1 function might have a role in AIS and could be regulated through specific molecular mechanisms. Indeed, expression studies revealed a loss of Pitx1 expression in osteoblasts derived from AIS patients, at the mRNA level. We hypothesized that the loss of Pitx1 in AIS could be triggered by hypoxic factors, since Pitx1 is known to be repressed by hypoxia and that HIF-2 alpha was up regulated in AIS osteoblasts even under normoxic conditions. Also, we found a mutation in the ODD domain of HIF-1 alpha in some AIS patients (3.1%), which is known to stabilize and enhance HIF-1 alpha transcriptional activity in normoxic conditions. We confirmed through EMSA the existence of a functional hypoxia response element on Pitx1 promoter. However, co-transfection assays with HIF-1 alpha and HIF-2 alpha expression vectors in the presence of their beta subunit ARNT led to the activation of Pitx1 promoter in human osteoblast cell line MG-63 cells and osteoblasts from control subjects. Interestingly, no Pitx1 promoter activity was observed in AIS osteoblasts, even after the co expression of HIF2 alpha and ARNT, consolidating the fact that Pitx1 expression is abrogated in AIS. Taken together, our findings show an important role for Pitx1 in AIS and hypoxic factors could be one of its regulators.