The HIF-1α/PLOD2 axis integrates extracellular matrix organization and cell metabolism leading to aberrant musculoskeletal repair

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作者
Heeseog Kang,Amy L. Strong,Yuxiao Sun,Lei Guo,Conan Juan,Alec C. Bancroft,Lauren Choi,Chase A. Pagani,Aysel A. Fernandes,Michael D. Woodard,Juhoon Lee,Sowmya Ramesh,Aaron W. James,David M. Hudson,Kevin N. Dalby,Lin Xu,Robert J. Tower,Benjamin Lévi
出处
期刊:Bone research [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41413-024-00320-0
摘要

Abstract While hypoxic signaling has been shown to play a role in many cellular processes, its role in metabolism-linked extracellular matrix (ECM) organization and downstream processes of cell fate after musculoskeletal injury remains to be determined. Heterotopic ossification (HO) is a debilitating condition where abnormal bone formation occurs within extra-skeletal tissues. Hypoxia and hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) activation have been shown to promote HO. However, the underlying molecular mechanisms by which the HIF-1α pathway in mesenchymal progenitor cells (MPCs) contributes to pathologic bone formation remain to be elucidated. Here, we used a proven mouse injury-induced HO model to investigate the role of HIF-1α on aberrant cell fate. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and spatial transcriptomics analyses of the HO site, we found that collagen ECM organization is the most highly up-regulated biological process in MPCs. Zeugopod mesenchymal cell-specific deletion of Hif1α ( Hoxa11-CreER T2 ; Hif1a fl/fl ) significantly mitigated HO in vivo. ScRNA-seq analysis of these Hoxa11-CreER T2 ; Hif1a fl/fl mice identified the PLOD2/LOX pathway for collagen cross-linking as downstream of the HIF-1α regulation of HO. Importantly, our scRNA-seq data and mechanistic studies further uncovered that glucose metabolism in MPCs is most highly impacted by HIF-1α deletion. From a translational aspect, a pan-LOX inhibitor significantly decreased HO. A newly screened compound revealed that the inhibition of PLOD2 activity in MPCs significantly decreased osteogenic differentiation and glycolytic metabolism. This suggests that the HIF-1α/PLOD2/LOX axis linked to metabolism regulates HO-forming MPC fate. These results suggest that the HIF-1α/PLOD2/LOX pathway represents a promising strategy to mitigate HO formation.
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