Role of Zmiz1-Gata4 interaction in aging-related osteoarthritis and the therapeutic potential of K-7174

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease that primarily affects the elderly, in which aging is a major contributing factor. However, the genetic regulators that play central roles in cartilage senescence have not yet been clearly elucidated. To identify key factors regulating the transition from normal cartilage to a senescent phenotype, gene expression profiles of chondrocytes isolated from young and aged mice were analyzed using the Ingenuity Pathway Analysis (IPA) database. As a result, Zmiz1 was identified as a transcriptional regulator significantly upregulated in senescent cartilage. In addition, Zmiz1 expression was increased together with senescence-associated secretory phenotype (SASP) markers in senescent chondrocytes and senescent cartilage tissues. Overexpression of Zmiz1 in chondrocytes induced a senescent phenotype, characterized by increased expression of cartilage-degrading factors such as Mmp3 and Cox2, along with decreased expression of cartilage anabolic markers including Col2a1, Aggrecan, and Sox9. Furthermore, in vivo experiments using cartilage-specific Zmiz1-overexpressing transgenic mice demonstrated that Zmiz1 exacerbates cartilage degeneration, whereas knockdown of Zmiz1 using shRNA significantly attenuated cartilage damage, confirming the critical role of Zmiz1 in cartilage degeneration. Zmiz1 can function as a transcriptional co-regulator by interacting with specific transcription factors, particularly Gata4. In this study, in silico modeling, protein–protein interaction analyses, and validation in senescent cartilage tissues revealed that the Zmiz1–Gata4 interaction directly contributes to cartilage senescence. Treatment with the Gata4 inhibitor K-7174 effectively disrupted the Zmiz1–Gata4 interaction, resulting in reduced expression of cartilage-degrading factors and SASP markers in chondrocytes. Moreover, oral administration or intra-articular injection of K-7174 in mice alleviated cartilage damage and significantly attenuated senescence-associated phenotypes. Collectively, these findings suggest that targeting the Zmiz1–Gata4 interaction represents a novel therapeutic strategy for osteoarthritis and highlight the potential of K-7174 as an anti-senescence therapeutic agent capable of modulating cartilage senescence.

국문 초록 (Abstract)

골 관절염(OA)은 주로 노인에게 영향을 미치는 퇴행성 관절 질환으로, 노화가 중요한 요인으로 작용한다. 그러나 연골 노화 과정에서 중심적으로 작용하는 유전적 조절자(transcription regulator)는 아직 명확히 규명되지 않았다. 정상 연골에서 노화 표현형으로의 전환을 조절하는 핵심 인자를 규명하기 위해, 본 연구에서는 젊은 쥐와 고령 쥐에서 분리한 연골세포의 유전자 발현 데이터를 Ingenuity Pathway Analysis (IPA) 데이터베이스를 이용하여 분석하였다. 그 결과, Zmiz1이 노화 연골에서 유의하게 증가하는 인자로 확인이 되었다. 또한, Zmiz1과 함께 노화 관련 분비 표현형 (senescence-associated secretory phenotype, SASP) 마커들이 노화 연골세포와 노화 연골조직에서 공통적으로 증가함을 확인하였다. 연골세포에서 Zmiz1을 과발현시킨 경우 노화 표현형이 유도되었으며, Mmp3, Cox2와 같은 연골 분해 인자의 발현이 증가하는 반면 Col2a1, Aggrecan, Sox9과 같은 연골 합성 인자의 발현은 감소하였다. 더 나아가, 연골 특이적으로 Zmiz1을 과발현시키는 유전자 변형 마우스를 이용한 in vivo 실험을 통해 Zmiz1이 연골 퇴행을 악화시킴을 입증하였다. 반대로 Zmiz1 shRNA를 통해 Zmiz1을 억제하면 연골 손상이 유의하게 감소하여, Zmiz1이 연골 퇴행 과정에서 중요한 조절 인자임을 확인하였다. Zmiz1은 특정 전사인자, 특히 Gata4와 결합하여 전사 활성을 조절하는 공동전사 인자로 작용할 수 있다. 본 연구에서는 in silico 모델링, 단백질 간의 결합 분석, 그리고 노화 연골에서의 검증을 통해 Zmiz1-Gata4 결합이 연골 노화에 직접적으로 관여함을 확인하였다. 또한 Gata4 억제제인 K-7174를 처리하면 Zmiz1-Gata4 상호작용이 효과적으로 방해되었으며, 이에 따라 연골세포에서 연골 분해 인자 및 SASP 마커의 발현이 감소하는 양상을 보였다. 더불어 K-7174를 마우스에 경구 투여하거나 관절 내 주사하면 연골 손상이 완화되고 노화 표현형이 유의하게 감소하는 결과를 얻었다. 이러한 연구 결과는 Zmiz1-Gata4 상호작용을 표적으로 하는 접근법이 골 관절염 치료를 위한 새로운 전략이 될 수 있음을 시사하며, K-7174가 연골 노화를 조절할 수 있는 항 노화 치료제로서의 개발 가능성을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 8
• Ⅲ. RESULTS 28
• Ⅳ. DISCUSSION 92
• Ⅴ. References 98
• 국문 초록 108