Osteoarthritis is a common and complex joint disorder that shows higher prevalence and greater disease severity in women. Here, we investigate genome-wide methylation profiles of primary chondrocytes from osteoarthritis patients.

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.

Heterotopic ossification (HO) is bone formation that occurs after trauma within tissues that do not normally have the property of ossification, resulting in pain and disability. The genetic architecture of HO remains unclear. In the first genome-wide association studies of this disease, we identify the human-only long non-coding RNA-encoding gene CASC20 as a robust, replicating susceptibility locus for HO and KIF26B as a potential severity locus. We find that both CASC20 and KIF26B are expressed in human bone. Both CASC20 and KIF26B expression is upregulated upon BMP2 induced osteogenic differentiation in primary human mesenchymal stem cells, followed by RUNX2 and OSTERIX upregulation and mineralised nodule formation. A CRISPR-Cas9 mediated knockout of Kif26b inhibits BMP2-induced Runx2, Sp7/Osterix, Col1A1, Alp, and Bglap/Osteocalcin expression in a murine myocyte model of osteogenic trans-differentiation, and prevents mineralised nodule formation. These studies provide the first insights into the heritable biology of common, complex HO.

Osteoarthritis causes debilitating pain and disability, resulting in a huge socioeconomic burden, yet no drugs are available that prevent disease onset or progression. Here, we develop, validate and use rapid-throughput imaging techniques to identify abnormal joint phenotypes in unselected mutant mice generated by the International Knockout Mouse Consortium. We identify 14 genes with functional involvement in osteoarthritis pathogenesis, including the homeobox gene Pitx1, and functionally characterize 6 candidate human osteoarthritis genes in mouse models. We demonstrate sensitivity of the methods by identifying age-related degenerative joint damage in wild-type mice. Finally, we generate mutant mice with an osteoarthritis-associated polymorphism in the Dio2 gene by Crispr/Cas9 genome editing and demonstrate a protective role in disease onset with public health implications. This expanding resource of unselected mutant mice will transform the field by accelerating functional gene discovery in osteoarthritis and offering unanticipated drug discovery opportunities for this common and incapacitating chronic disease.

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.

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.

Understanding how connective tissue cells respond to mechanical stimulation is important to human health and disease processes in musculoskeletal diseases. Injury to articular cartilage is a key risk factor in predisposition to osteoarthritis. Here we identified a ubiquitin signature that is unique to injured articular cartilage tissue (the “injury ubiquitinome”). A total of 408 ubiquitinated peptides mapped to 114 proteins were identified, with an enrichment of ubiquitinated peptides of proteins involved in protein processing in the endoplasmic reticulum(ER), also known as the ER-associated degradation(ERAD) response, including YOD1, BRCC3, ATXN3 and USP5 as well as the ER stress regulators, RAD23B, VCP/p97 and Ubiquilin 1. Enrichment of these proteins suggested an injury-induced ER stress response and, for instance, ER stress markers DDIT3/CHOP and BIP/GRP78 were upregulated following cartilage injury on the protein and gene expression levels. Similar ER stress induction was also observed in response to tail fin injury in zebrafish larvae, suggesting a generic response to tissue injury. Furthermore, a rapid increase in global DUB activity following injury and significant activity in human osteoarthritic cartilage was observed using DUB specific activity probes. Inhibition of DUBs using a broad-spectrum inhibitor caused a reduction in the injury-induced inflammatory response in a zebrafish tail fin injury model. These results implicate the involvement of ubiquitination events and activation of a set of DUBs and ER stress regulators in cellular responses to cartilage tissue injury and osteoarthritis. This link through the ERAD pathway makes this protein set attractive for further investigation in in vivo models of tissue injury and for targeting in osteoarthritis and related musculoskeletal diseases.

Purpose (the aim of the study): Chondrocalcinosis (CC) describe an opacity of the joint space compartments seen on knee radiographs, which predominantly represents the deposition of calcium pyrophosphate (CPP) crystals. Previous population studies observed that knee CC is a possible risk factor for knee osteoarthritis (OA). Therefore, investigating CC etiology might provide new insight into OA prevention. Previous evidence suggests that CPP deposition has a clear heritable component. However, no genome-wide association study (GWAS) has been done on CC to identify risk loci.

Osteoarthritis is the most common musculoskeletal disease and the leading cause of disability globally. Here, we perform the largest genome-wide association study for osteoarthritis to date (77,052 cases and 378,169 controls), analysing 4 phenotypes: knee osteoarthritis, hip osteoarthritis, knee and/or hip osteoarthritis, and any osteoarthritis. We discover 64 signals, 52 of them novel, more than doubling the number of established disease loci. Six signals fine map to a single variant. We identify putative effector genes by integrating eQTL colocalization, fine-mapping, human rare disease, animal model, and osteoarthritis tissue expression data. We find enrichment for genes underlying monogenic forms of bone development diseases, and for the collagen formation and extracellular matrix organisation biological pathways. Ten of the likely effector genes, including TGFB1, FGF18, CTSK and IL11 have therapeutics approved or in clinical trials, with mechanisms of action supportive of evaluation for efficacy in osteoarthritis.