Association of an estrogen-sensitive Pax1-Col11a1-Mmp3 signaling axis with adolescent idiopathic scoliosis

MMP3型 基因敲除 雌激素受体 生物 雌激素受体α 遗传学 增强子 基质金属蛋白酶 医学 生物信息学 内科学 癌症研究 基因 基因表达 癌症 乳腺癌
作者
Hao Yu,Anas M. Khanshour,Aki Ushiki,Nao Otomo,Yoshinao Koike,Elisabet Einarsdóttir,Yanhui Fan,Lilian Antunes,Yared H. Kidane,Reuel Cornelia,Rory Sheng,Yichi Zhang,Jimin Pei,Nick V. Grishin,Bret M. Evers,Jason Pui Yin Cheung,John A. Herring,Chikashi Terao,You‐Qiang Song,Christina A. Gurnett,Paul Gerdhem,Shiro Ikegawa,Jonathan J. Rios,Nadav Ahituv,Carol A. Wise
标识
DOI:10.7554/elife.89762.1
摘要

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a common and progressive spinal deformity in children that exhibits striking sexual dimorphism, with girls at more than five-fold greater risk of severe disease compared to boys. Despite its medical impact, the molecular mechanisms that drive AIS are largely unknown. We previously defined a female-specific AIS genetic risk locus in an enhancer near the PAX1 gene. Here we sought to define the roles of PAX1 and newly-identified AIS-associated genes in the developmental mechanism of AIS. In a genetic study of 9,161 individuals with AIS and 80,731 unaffected controls, significant association was identified with a variant in COL11A1 encoding collagen (α1) XI (rs3753841; NM_080629_c.4004C>T; p.(Pro1335Leu); P=7.07e−11, OR=1.118). Using CRISPR mutagenesis we generated Pax1 knockout mice (Pax1 −/−). In postnatal spines we found that Pax1 and collagen (α1) XI protein both localize within the intervertebral disc (IVD)-vertebral junction region encompassing the growth plate, with less collagen (α1) XI detected in Pax1−/− spines compared to wildtype. By genetic targeting we found that wildtype Col11a1 expression in growth plate cells (GPCs) suppresses expression of Pax1 and of Mmp3, encoding the matrix metalloproteinase 3 enzyme implicated in matrix remodeling. However, this suppression was abrogated in the presence of the AIS-associated COL11A1 P1335L mutant. Further, we found that either knockdown of the estrogen receptor gene Esr2, or tamoxifen treatment, significantly altered Col11a1 and Mmp3 expression in GPCs. These studies support a new molecular model of AIS pathogenesis wherein genetic variation and estrogen signaling increase disease susceptibility by altering a Pax1-Col11a1-Mmp3 signaling axis in the growth plate.

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