Abstract Osteoarthritis causes pain and functional disability for a quarter of a billion people worldwide, with no disease-stratifying tools nor modifying therapy. Here, we use primary cartilage and synovium from osteoarthritis patients to construct a molecular quantitative trait locus map of gene expression and protein abundance. By integrating data across omics levels, we identify likely effector genes for osteoarthritis-associated genetic signals. We detect pronounced molecular differences between macroscopically intact and highly degenerated cartilage. We identify molecularly-defined patient subgroups that correlate with clinical characteristics, stratifying patients on the basis of their molecular profile. We construct and validate a 7-gene classifier that reproducibly distinguishes between these disease subtypes, and identify potentially actionable compounds for disease modification and drug repurposing.

Abstract Breast cancer metastasis to bone is a major contributor to morbidity and mortality in patients and remains an unmet clinical need. Purinergic signalling via the P2X7 receptor (P2RX7) in the primary tumour microenvironment is associated with progression of several cancers. It has also now become evident that intra-tumoural hypoxia facilitates cancer metastasis and reduces patient survival. In this study, we present data suggesting that hypoxia regulates the expression of P2RX7 in the primary tumour microenvironment; and importantly, inhibition with a selective antagonist (10mg/kg A740003) increased cancer cell death via apoptosis in a E0771/C57BL-6J syngeneic murine model. Furthermore, micro-computed tomography demonstrated reduced number of osteolytic lesions and lesion area following P2RX7 inhibition in absence of overt metastases by decreasing osteoclast numbers. We also demonstrate that activation of P2RX7 plays a role in the secretion of extracellular vesicles (EVs) from breast cancer cells. Mass-spectrometric analyses showed a distinct protein signature for EVs derived from hypoxic compared with normoxic cancer cells which elicit specific responses in bone cells that are associated with pre-metastatic niche formation. Thus, inhibiting P2RX7 provides a novel opportunity to preferentially target the hypoxic breast cancer cells preventing tumour progression and subsequent metastasis to bone

Background: Osteoarthritis (OA) is a common disease characterized by cartilage degeneration and joint remodeling. The underlying molecular changes underpinning disease progression are incompletely understood, but can be characterized using recent advances in genomics technologies, as the relevant tissue is readily accessible at joint replacement surgery. Here we investigate genes and pathways that mark OA progression, combining genome-wide DNA methylation, RNA sequencing and quantitative proteomics in isolated primary chondrocytes from matched intact and degraded articular cartilage samples across twelve patients with OA undergoing knee replacement surgery. Results: We identify 49 genes differentially regulated between intact and degraded cartilage at multiple omics levels, 16 of which have not previously been implicated in OA progression. Using independent replication datasets, we replicate statistically significant signals and show that the direction of change is consistent for over 90% of differentially expressed genes and differentially methylated CpG probes. Three genes are differentially regulated across all 3 omics levels: AQP1, COL1A1 and CLEC3B, and all three have evidence implicating them in OA through animal or cellular model studies. Integrated pathway analysis implicates the involvement of extracellular matrix degradation, collagen catabolism and angiogenesis in disease progression. All data from these experiments are freely available as a resource for the scientific community. Conclusions: This work provides a first integrated view of the molecular landscape of human primary chondrocytes and identifies key molecular players in OA progression that replicate across independent datasets, with evidence for translational potential.

Background: Developmental dysplasia of the hip (DDH) is a common, heritable condition characterised by abnormal formation of the hip joint, but has a poorly understood genetic architecture due to small sample sizes. We apply a novel case-ascertainment approach using national clinical audit (NCA) data to conduct the largest DDH genome-wide association study (GWAS) to date, and replicate our findings in independent cohorts. Methods: We used the English National Joint Registry (NJR) dataset to collect DNA and conducted a GWAS in 770 DDH cases and 3364 controls. We tested the variant most strongly associated with DDH in independent replication cohorts comprising 1129 patients and 4652 controls. Results: The heritable component of DDH attributable to common variants was 55% and distributed similarly across autosomal and the X-chromosomes. Variation within the GDF5 gene promoter was strongly and reproducibly associated with DDH (rs143384, OR 1.44 [95% CI 1.34-1.56], p=3.55x1022). Two further replicating loci showed suggestive association with DDH near NFIB (rs4740554, OR 1.30 [95% CI 1.16-1.45], p=4.44x10-6) and LOXL4 (rs4919218, 1.19 [1.10-1.28] p=4.38x10-6). Through gene-based enrichment we identify GDF5, UQCC1, MMP24, RETSAT and PDRG1 association with DDH (p<1.2x10-7). Using the UK Biobank and arcOGEN cohorts to generate polygenic risk scores we find that risk alleles for hip osteoarthritis explain <0.5% of the variance in DDH susceptibility. Conclusion: Using the NJR as a proof-of-principle, we describe the genetic architecture of DDH and identify several candidate intervention loci and demonstrate a scalable recruitment strategy for genetic studies that is transferrable to other complex diseases.

Abstract Osteosarcoma (OS) is the most common type of primary bone cancer affecting children and adolescents. OS has a high propensity to spread, meaning the disease is often incurable and fatal. There have been no improvements in survival rates for decades. This highlights an urgent need for development of novel therapeutic strategies. In this study, we have produced in vitro and in vivo data that demonstrates the role of purinergic signalling, specifically, the B isoform of the purinergic receptor P2RX7 (herein termed “ P2RX7B”), in OS progression and metastasis. Our data shows that P2RX7B expression confers a survival advantage in TE85+P2RX7B and MNNG-HOS+ P2RX7B human OS cell lines in vitro that is minimised following treatment with A740003, a specific P2RX7 antagonist. P2RX7B expression reduced cell adhesion and P2RX7B activation promoted invasion and migration in vitro , suggesting a probable metastatic phenotype. Using an in vivo OS xenograft model, MNNG-HOS+P2RX7B tumours exhibited ectopic bone formation that was abrogated with A740003 treatment. An increased metastatic phenotype was further demonstrated in vivo as expression of P2RX7B in primary tumour cells increased the propensity of the tumour to metastasise to the lungs. RNA-seq identified a novel gene axis, FN1 / LOX / PDGFB / IGFBP3 / BMP4 , downregulated in response to A740003 treatment. In conclusion, our data indicates for the first time a role for P2RX7B in OS tumour growth, progression and metastasis. We show that P2RX7B is a potential therapeutic target in human OS. Novelty and Impact We provide evidence for the pro-tumorigenic role of the B isoform of the P2RX7 purinergic receptor in osteosarcoma (OS). In addition to increasing proliferation, P2RX7B increases the cancerous properties of OS cells, reducing adhesion and increasing migration and invasion. In vivo , P2RX7B does not affect primary tumour growth, but does lead to an increased propensity to metastasize. RNA-seq revealed a new axis of oncogenic genes inhibited by the P2RX7 antagonist and this data could potentially lead to new targets for OS treatment.