Regulation of microsomal prostaglandin E2 synthase-1 and 5-lipoxygenase-activating protein/5-lipoxygenase by 4-hydroxynonenal in human osteoarthritic chondrocytes

Abstract

L’arthrose (OA) est une maladie dégénérative et multifactorielle caractérisée par une destruction de cartilage, une formation d’ostéophytes et une inflammation au niveau de la membrane synoviale. Le 4-hydroxynonénal (HNE), un produit final de la peroxydation lipidique, a été identifié récemment comme un facteur catabolique et un médiateur inflammatoire dans le cartilage arthrosique humain. Notre projet vise à étudier l’effet du HNE sur la régulation de la prostaglandine E2 synthase-1 microsomale (mPGES-1) et de la protéine activante 5-lipoxygénase (FLAP)/5-lipoxygénase (5-LOX) dans les chondrocytes arthrosiques humains. Lorsque les cellules sont traitées une seule fois avec 10 µM HNE, les résultats de Western blot et de PCR en temps réel montrent que l’expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2) et de la mPGES-1 augmente de manière significative et atteint respectivement le maximum après 8 et 16 heures d’incubation puis diminue graduellement. Cependant, lorsque les cellules sont traitées plusieurs fois avec 10 µM HNE à 2 heures d’intervalle, l’expression de la COX-2 et de la mPGES-1 augmente en fonction du temps sans subir une baisse après 24 heures d’incubation. Le HNE induit l’activité du promoteur de la mPGES-1 via l’activation du facteur de transcription Egr-1. L’investigation de la 2ème voie du métabolisme de l’acide arachidonique, à savoir 5-LOX/FLAP, montre que le HNE induit l’expression de FLAP après 24 heures de stimulation et celle de 5-LOX seulement après 48 heures. Ceci semble survenir à l’étape de transcription au cours de laquelle HNE induit l’expression de l’ARNm et l’activité du promoteur du gène 5-LOX. Nous avons démontré aussi que le niveau de leukotriène B4 (LTB4) augmente et suit le même profil que celui de la 5-LOX. L’étude des mécanismes moléculaires susceptibles d’être impliqués dans la régulation de la 5-LOX/FLAP par le HNE montre que ce dernier stimule leur expression via l’action de prostaglandine E2 (PGE2) et du facteur de croissance transformant-beta 1 (TGF-β1).

En conclusion, notre étude démontre que le HNE induit à court-terme d’incubation la voie de COX-2/mPGES-1 puis par la suite stimule celle de FLAP/5-LOX à long-terme d’incubation dans les chondrocytes arthrosiques humains. Ces résultats suggèrent que la mPGES-1 et 5-LOX/FLAP sont des potentielles cibles thérapeutiques intéressantes pour contrôler la production de PGE2 et LTB4 dans OA.

4-hydroxynonenal (HNE), a lipid peroxidation end-product, is produced abundantly in osteoarthritic (OA) articular tissues. Recently, we reported that HNE-induced cyclooxygenase-2 (COX-2) decreased gradually in human OA chondrocytes after 8 h of incubation. This study aimed to investigate whether COX-2 down-regulation is attributed to HNE depletion and is responsible for the switch from COX-2 to 5-lipoxygenase-activating protein (FLAP)/5-lipoxygenase (5-LOX). Treatment of chondrocytes with 10 µM HNE induced prostaglandin E2 (PGE2) release as well as COX-2 and microsomal prostaglandin E2 synthase-1 (mPGES-1) expression at the protein and mRNA levels, with a plateau reached at 8-16 h of incubation, followed by a subsequent decline. However, 8 repeated treatments with 10 µM HNE prevented the reduction of COX-2 and mPGES-1 expression. We demonstrated that HNE induced mPGES-1 promoter activity mainly through transcription factor Egr-1 activation. On the other hand, when COX-2 expression decreased, leukotriene B4 (LTB4) level rose after a long period of stimulation (48 and 72 h). At the mRNA level, HNE induced FLAP and 5-LOX expression after 24 and 48 h of stimulation, respectively. The addition of a nonspecific COX-2 inhibitor (naproxen) to cultured chondrocytes revealed that FLAP and 5-LOX regulation by HNE required PGE2 production. Furthermore, our data showed that 10 µM HNE significantly induced transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1) production. The addition of anti-TGF-β antibody to culture medium reduced HNE-induced 5-LOX/FLAP expression by 40%, indicating the involvement of a TGF-β1-dependent mechanism. Our data demonstrate that the shunt to the FLAP/5-LOX pathway in HNE-induced human OA chondrocytes is attributed to COX-2 inhibition, probably due to HNE depletion. PGE2 and TGF-β1 are suggested to be involved in this regulation. Further experiments are in progress to determine other molecular mechanisms underlying this switch in OA chondrocytes.