Abstract Growth of long bones and vertebrae is maintained postnatally by a long-lasting pool of progenitor cells. Little is known about the molecular mechanisms that regulate the output and maintenance of the cells that give rise to mature cartilage. Here we demonstrate that postnatal chondrocyte-specific deletion of a transcription factor Stat3 results in severely reduced proliferation coupled with increased hypertrophy, growth plate fusion, stunting and signs of progressive dysfunction of the articular cartilage. This effect is dimorphic, with females more strongly affected than males. Chondrocyte-specific deletion of the IL-6 family cytokine receptor gp130, which activates Stat3, phenocopied Stat3 - deletion; deletion of Lifr, one of many co-receptors that signals through gp130, resulted in a milder phenotype. These data define a new molecular circuit that regulates chondrogenic cell maintenance and output and reveals a novel, hitherto unrecognized function of IL-6 cytokines in the skeletal system with direct implications for skeletal development and regeneration.

Abstract Interleukin-6 (IL-6) is a major pro-inflammatory cytokine for which the levels in plasma demonstrate a robust correlation with age and body mass index (BMI) as part of the senescence-associated secretory phenotype. IL-6 cytokines also play a crucial role in metabolic homeostasis and regenerative processes, primarily via the canonical STAT3 pathway. Thus, selective modulation of IL-6 signaling may offer a unique opportunity for therapeutic interventions. Recently, we discovered that a non-canonical signaling pathway downstream of tyrosine (Y) 814 within the intracellular domain of gp130, the IL-6 co-receptor, is responsible for the recruitment and activation of SRC family of kinases (SFK). Mice with constitutive genetic inactivation of gp130 Y814 (F814 mice) show accelerated resolution of inflammatory response and superior regenerative outcomes in skin wound healing and posttraumatic models of osteoarthritis. The current study was designed to explore if selective genetic or pharmacological inhibition of the non-canonical gp130-Y814/SFK signaling reduces systemic chronic inflammation and multimorbidity in a high-fat diet (HFD)-induced model of accelerated aging. F814 mice showed significantly reduced inflammatory response to HFD in adipose and liver tissue, with significantly reduced levels of systemic inflammation compared to wild type mice. F814 mice were also protected from HFD-induced bone loss and cartilage degeneration. Pharmacological inhibition of gp130-Y814/SFK in mice on HFD mirrored the effects observed in F814 mice on HFD; furthermore, this pharmacological treatment also demonstrated a marked increase in physical activity levels and protective effects against inflammation-associated suppression of neurogenesis in the brain tissue compared to the control group. These findings suggest that selective inhibition of SFK signaling downstream of gp130 receptor represents a promising strategy to alleviate systemic chronic inflammation. Increased degenerative changes and tissue senescence are inevitable in obese and aged organisms, but we demonstrated that the systemic response and inflammation-associated multi-morbidity can be therapeutically mitigated.

Abstract Complex injury and open reconstructive surgeries of the knee often lead to joint dysfunction that may alter the normal biomechanics of the joint. Two major complications that often arise are excessive deposition of fibrotic tissue and acquired heterotopic endochondral ossification. Knee arthrofibrosis is a fibrotic joint disorder where aberrant buildup of scar tissue and adhesions develop around the joint. Heterotopic ossification is ectopic bone formation around the periarticular tissues. Even though arthrofibrosis and heterotopic ossification pose an immense clinical problem, limited studies focus on their cellular and molecular mechanisms. Effective cell-targeted therapeutics are needed, but the cellular origin of both knee disorders remains elusive. Moreover, all the current animal models of knee arthrofibrosis and stiffness are developed in rats and rabbits, limiting genetic experiments that would allow us to explore the contribution of specific cellular targets to these knee pathologies. Here, we present a novel mouse model of post-traumatic joint injury where surgically induced injury and hyperextension of the knee lead to excessive deposition of disorganized collagen in the meniscus, synovium, and joint capsule in addition to formation of extra-skeletal bone in muscle and soft tissues within the joint capsule. As a functional outcome, arthrofibrosis and heterotopic endochondral ossification coupled with a significant increase in total joint stiffness were observed. By employing this model and genetic lineage tracing, we also demonstrate that Gli1 + mesenchymal progenitors proliferate after joint injury and contribute to fibrotic cells in the synovium and ectopic osteoblasts within the joint capsule. These findings demonstrate that Gli1 + cells are a major cellular contributor to knee arthrofibrosis and heterotopic ossification that manifests after knee injury. Our data collectively shows that genetic manipulation of Gli1 + cells in mice may offer a platform for identification of novel therapeutic targets to prevent chronic knee joint dysfunction after chronic injury.

Abstract Articular chondrocytes undergo functional changes and their regenerative potential declines with age. Although the molecular mechanisms guiding articular cartilage aging is poorly understood, DNA methylation is known to play a mechanistic role in aging. However, our understanding of DNA methylation in chondrocyte development across human ontogeny is limited. To better understand DNA methylome changes, methylation profiling was performed in human chondrocytes. This study reveals association between methylation of specific CpG sites and chondrocyte age. We also determined the putative binding targets of STAT3, a key age-patterned transcription factor in fetal chondrocytes and genetic ablation of STAT3 induced a global genomic hypermethylation. Moreover, an epigenetic clock built for adult human chondrocytes revealed that exposure of aged adult human chondrocytes to STAT3 agonist, decreased epigenetic age. Taken together, this work will serve as a foundation to understand development and aging of chondrocytes with a new perspective for development of rejuvenation agents for synovial joints.