The transcription factor Sox9 is necessary for early chondrogenesis, but its subsequent roles in the cartilage growth plate, a highly specialized structure that drives skeletal growth and endochondral ossification, remain unclear. Using a doxycycline-inducible Cre transgene and Sox9 conditional null alleles in the mouse, we show that Sox9 is required to maintain chondrocyte columnar proliferation and generate cell hypertrophy, two key features of functional growth plates. Sox9 keeps Runx2 expression and β-catenin signaling in check and thereby inhibits not only progression from proliferation to prehypertrophy, but also subsequent acquisition of an osteoblastic phenotype. Sox9 protein outlives Sox9 RNA in upper hypertrophic chondrocytes, where it contributes with Mef2c to directly activate the major marker of these cells, Col10a1. These findings thus reveal that Sox9 remains a central determinant of the lineage fate and multistep differentiation program of growth plate chondrocytes and thereby illuminate our understanding of key molecular mechanisms underlying skeletogenesis.

ABSTRACT Fibroblast-like synoviocytes (FLS) play a critical role in the pathogenesis of rheumatoid arthritis (RA). Chronic inflammation induces transcriptomic and epigenetic modifications that imparts a persistent catabolic phenotype to the FLS, despite their dissociation from the inflammatory environment. We analyzed high throughput gene expression and chromatin accessibility data from human and mouse FLS from our and other studies available on public repositories, with the goal of identifying the persistently reprogrammed signaling pathways driven by chronic inflammation. We found that the gene expression changes induced by short-term tumor necrosis factor-alpha (TNF) treatment were largely sustained in the FLS exposed to chronic inflammation. These changes that included both activation and repression of gene expression, were accompanied by the remodeling of chromatin accessibility. The sustained activated genes (SAGs) included established pro-inflammatory signaling components known to act at multiple levels of NF-kappaB, STAT and AP-1 signaling cascades. Interestingly, the sustained repressed genes (SRGs) included critical mediators and targets of the BMP signaling pathway. We thus identified sustained repression of BMP signaling as a unique constituent of the long-term inflammatory memory induced by chronic inflammation. We postulate that simultaneous targeting of these activated and repressed signaling pathways may be necessary to combat RA persistence.

Abstract Craniofacial bone loss is a complex clinical problem with limited regenerative solutions. Currently, BMP2 is used as a bone-regenerative therapy in adults, but in pediatric cases of bone loss, it is not FDA-approved due to concerns of life-threatening inflammation and cancer. Development of a bone-regenerative therapy for children will transform our ability to reduce the morbidity associated with current autologous bone grafting techniques. We discovered that JAGGED1 (JAG1) induces cranial neural crest (CNC) cell osteoblast commitment during craniofacial intramembranous ossification, suggesting that exogenous JAG1 delivery is a potential craniofacial bone-regenerative approach. In this study, we found that JAG1 delivery using synthetic hydrogels containing O9-1 cells, a CNC cell line, into critical-sized calvarial defects in C57BL/6 mice provided robust bone-regeneration. Since JAG1 signals through canonical ( Hes1/Hey1 ) and non-canonical (JAK2) NOTCH pathways in CNC cells, we used RNAseq to analyze transcriptional pathways activated in CNC cells treated with JAG1±DAPT, a NOTCH-canonical pathway inhibitor. JAG1 upregulated expression of multiple NOTCH canonical pathway genes ( Hes1 ), which were downregulated in the presence of DAPT. JAG1 also induced bone chemokines ( Cxcl1 ), regulators of cytoskeletal organization and cell migration ( Rhou ), signaling targets (STAT5), promoters of early osteoblast cell proliferation ( Prl2c2, Smurf1 and Esrra ), and, inhibitors of osteoclasts ( Id1 ). In the presence of DAPT, expression levels of Hes1 and Cxcl1 were decreased, whereas, Prl2c2, Smurf1, Esrra, Rhou and Id1 remain elevated, suggesting that JAG1 induces osteoblast proliferation through these non-canonical genes. Pathway analysis of JAG1+DAPT-treated CNC cells revealed significant upregulation of multiple non-canonical pathways, including the cell cycle, tubulin pathway, regulators of Runx2 initiation and phosphorylation of STAT5 pathway. In total, our data show that JAG1 upregulates multiple pathways involved in osteogenesis, independent of the NOTCH canonical pathway. Moreover, our findings suggest that JAG1 delivery using a synthetic hydrogel, is a bone-regenerative approach with powerful translational potential.

Syntaxin 3 (Stx3), a SNARE protein located and functioning at the apical plasma membrane of epithelial cells, is required for epithelial polarity. A fraction of Stx3 is localized to late endosomes/lysosomes though how it traffics there and its function in these organelles is unknown. Here we report that Stx3 undergoes mono-ubiquitination in a conserved polybasic domain. Stx3 present at the basolateral, but not the apical, plasma membrane is rapidly endocytosed, targeted to endosomes, internalized into intraluminal vesicles (ILVs) and excreted in exosomes. A non-ubiquitinatable mutant of Stx3 (Stx3-5R) fails to enter this pathway and leads to the inability of the apical exosomal cargo protein GPRC5B to enter the ILV/exosomal pathway. This suggests that ubiquitination of Stx3 leads to removal from the basolateral membrane to achieve apical polarity, that Stx3 plays a role in the recruitment of cargo to exosomes, and that the Stx3-5R mutant acts as a dominant-negative inhibitor. Human cytomegalovirus (HCMV) acquires its membrane in an intracellular compartment and we show that Stx3-5R strongly reduces the number of excreted infectious viral particles. Altogether these results suggest that Stx3 functions in the transport of specific proteins to apical exosomes and that HCMV exploit this pathway for virion excretion.

ABSTRACT Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are potential cell sources for regenerative medicine. The iPSCs exhibit a preference for lineage differentiation to the donor cell type indicating the existence of memory of origin. Although the intrinsic effect of the donor cell type on differentiation of iPSCs is well recognized, whether disease-specific factors of donor cells influence the differentiation capacity of iPSC remains unknown. Using viral based reprogramming, we demonstrated the generation of iPSCs from chondrocytes isolated from healthy (AC-iPSCs) and osteoarthritis cartilage (OA-iPSCs). These reprogrammed cells acquired markers of pluripotency and differentiated into uncommitted-mesenchymal progenitors. Interestingly, AC-iPSCs exhibited enhanced chondrogenic potential as compared OA-iPSCs and showed increased expression of chondrogenic genes. Pan-transcriptome analysis showed that chondrocytes derived from AC-iPSCs were enriched in molecular pathways related to energy metabolism and epigenetic regulation, together with distinct expression signature that distinguishes them from OA-iPSCs. The molecular tracing data demonstrated that epigenetic and metabolic marks were imprint of original cell sources from healthy and OA-chondrocytes. Our results suggest that the epigenetic and metabolic memory of disease may predispose OA-iPSCs for their reduced chondrogenic differentiation and thus regulation at epigenetic and metabolic level may be an effective strategy for controlling the chondrogenic potential of iPSCs.

Syntaxins - a conserved family of SNARE proteins - contain C-terminal transmembrane anchors required for their membrane fusion activity. Here we show that syntaxin 3 (Stx3) unexpectedly also functions as a nuclear regulator of gene expression. Alternative splicing leads to a soluble isoform, termed Stx3S, lacking the transmembrane anchor. Soluble Stx3S binds to the nuclear import factor RanBP5, targets to the nucleus and interacts physically and functionally with several transcription factors, including ETV4 and ATF2. Stx3S is differentially expressed in normal human tissues, during epithelial cell polarization, and in breast cancer vs. normal breast tissue. Inhibition of endogenous Stx3S expression leads to changes in the expression of cancer-associated genes and promotes cell proliferation. Similar nuclear-targeted, soluble forms of other syntaxins were identified suggesting that nuclear signaling is a conserved, novel function common among these membrane trafficking proteins.

Syntaxins are a family of membrane-anchored SNARE proteins that are essential components required for membrane fusion in all eukaryotic intracellular membrane trafficking pathways. Syntaxins contain an N-terminal regulatory domain, termed the Habc domain, that is not highly conserved at the primary sequence level but folds into a three-helix bundle that is structurally conserved among family members. The syntaxin Habc domain has previously been found to be structurally very similar to the GAT domain present in GGA family members and related proteins that are otherwise completely unrelated to syntaxins. Because the GAT domain has been found to be a ubiquitin binding domain we hypothesized that the Habc domain of syntaxins may also bind to ubiquitin. Here, we report that the Habc domain of syntaxin 3 (Stx3) indeed binds to monomeric ubiquitin with low affinity. This domain binds efficiently to K63-linked poly-ubiquitin chains within a narrow range of chain lengths but not to K48-linked poly-ubiquitin chains. Other syntaxin family members also bind to K63-linked poly-ubiquitin chains but with different chain length specificities. Molecular modeling suggests that residues of the GGA3-GAT domain known to be important for ionic and hydrophobic interactions with ubiquitin have equivalent, conserved residues within the Habc domain of Stx3. We conclude that the syntaxin Habc domain and the GAT domain are both structurally and functionally related, and likely share a common ancestry despite sequence divergence. Binding of K63-linked poly-ubiquitin chains to the Habc domain may regulate the function of syntaxins in membrane fusion or may suggest additional functions of this protein family.

Treatments for congenital and acquired craniofacial (CF) bone abnormalities are limited and expensive. Current reconstructive methods include surgical correction of injuries, short-term bone stabilization, and long-term use of bone grafting solutions, including implantation of (i) allografts which are prone to implant failure or infection, (ii) autografts which are limited in supply. Current bone regenerative approaches have consistently relied on BMP-2 implementation with or without addition of stem cells. BMP2 treatment can lead to severe bony overgrowth or uncontrolled inflammation, which can accelerate further bone loss. Bone marrow-derived mesenchymal stem cell-based treatments, which do not have the side effects of BMP2, are not currently FDA approved, and are time and resource intensive. There is a critical need for novel bone regenerative therapies to treat CF bone loss that have minimal side effects, are easily available, and are affordable. In this study we investigated novel bone regenerative therapies downstream of JAGGED1 (JAG1). We previously demonstrated that JAG1 induces murine cranial neural crest (CNC) cells towards osteoblast commitment via a NOTCH non-canonical pathway involving JAK2-STAT5 (1) and that JAG1 delivery with CNC cells elicits bone regeneration in vivo. In this study, we hypothesized that delivery of JAG1 and induction of its downstream NOTCH non-canonical signaling in pediatric human osteoblasts constitute an effective bone regenerative treatment in an in vivo murine bone loss model of a critically-sized cranial defect. Using this CF defect model in vivo, we delivered JAG1 with pediatric human bone-derived osteoblast-like (HBO) cells to demonstrate the osteo-inductive properties of JAG1 in human cells and in vitro we utilized the HBO cells to identify the downstream non-canonical JAG1 signaling intermediates as effective bone regenerative treatments. In vitro, we identified an important mechanism by which JAG1 induces pediatric osteoblast commitment and bone formation involving the phosphorylation of p70 S6K. This discovery enables potential new treatment avenues involving the delivery of tethered JAG1 but also the downstream activators of p70 S6K as powerful bone regenerative therapies in pediatric CF bone loss.