Expression and distribution of cartilage matrix macromolecules in Avian tibial dyschondroplasia

Summary

Tibial dyschondroplasia (TD) is a disorder of endochondral ossification characterized by the presence of an avascular, non‐mineralized cartilage lesion extending from the growth plate into the metaphysis. Cells within the TD growth plate fail to differentiate to full hypertrophy, and instead appear to maintain a ‘pre‐hypertrophic’ or ‘transitional’ status. The synthesis and distribution of aggrecan, biglycan, decorin, and collagen types II and X in the growth plates of normal and tibial dyschondroplastic chickens have been investigated using in situ hybridization and immunolocalization. Marked reductions in the amount of aggrecan and biglycan core protein mRNAs were observed in the tibial dyschondroplastic lesion by in situ hybridization. Reduction in mRNA production seemed to be specific to the extracellular matrix components since total mRNA expression showed no significant difference between normal and dyschondroplastic cartilage. In addition, expression of collagen type II and decorin did not differ significantly between normal and TD cartilage. Distribution of aggrecan biglycan, decorin, type II and X collagens were examined using immunohisto‐chemistry. Normal hypertrophic cartilage showed a strong matrix labelling for aggrecan and biglycan. Type X collagen in the normal hypertrophic cartilage showed strong pericellular and matrix distribution, whereas in TD cartilage labelling for aggrecan, biglycan and collagen X was located intracellularly with a very low level of signal in the matrix. In contrast, collagen type II was found to be present throughout the extracellular matrix of both the normal growth plate and the TD lesion, suggesting that the differences observed in aggrecan, biglycan and type X collagen distribution are specific to these proteins and not a general disturbance of matrix macromolecular metabolism. The reduced deposition of these macromolecules may have implications in normal and pathological bone development.

Resume

La dyschondroplasie tibiale (TD) est un trouble de l'ossification endochondrale caractérisée par la persistance d'un cartilage avaseulaire non minéralisé s'étendant de la plaque de croissance vers la métaphyse. Les cellules du cartilage dyschondroplasique ne parviennent plus à atteindre le stade de l'hypertrophie complète et, à la place, s'arrêtent au stade “pré‐hyper‐trophique ou à un stade de “transition”. La synthèse et la distribution de protéoglycanes telles que l'aggrécane, le biglycane, la décorine et des collagènes type II et X dans les plaques de croissance des poulets normaux et dyschondroplasiques ont été étudiées par hybridation in situ et inmuno localisation. Des réductions importantes dans les quantités des ARNm des noyaux protéiques d'aggrecane et de biglycane, ont été observées dans les lésions de dyschon‐droplasie tibiale par hybridation in situ. La réduction de synthèse d'ARNm semble être spécifique des composants de la matrice extracellulaire puisque l'expression totale des ARNm ne montre pas de différence significative entre le cartilage normal et dyschondroplasique. De plus, l'expression du collagène type II et decorine ne diffère pas significativement entre le cartilage normal et dyschondroplasique. La distribution des aggrecane, biglycane, decorine, collagènes type II et X a été examinée par immunohistochimie. Le cartilage hypertrophique normal a montré un fort marquage de la matrice pour l'aggrecane et le biglycane. Dans le cartilage hypertrophique normal, le collagène type X est fortement marqué au niveau de la matrice et en zone péri cellulaire, tandis que dans le cas de cartilage dyschondroplasique, le marquage des aggrecane, biglycane et collagène X est très faible et observé uniquement en localisation intracellulaire. Au contraire, le collagène de type II a été localisé dans toute la matrice extracellulaire aussi bien dans la plaque de croissance normale que dyschondroplasique, suggérant que les différences observées dans la distribution des aggrecane, biglycane et collagène type X sont spécifiques de ces protéines et non dues à un trouble général du métabolisme macromoléculaire de la matrice. La réduction du dépôt de ces macromolécules dans la matrice doit avoir des implications dans le développement de l'os normal et pathologique.

Zusammenfassung

Die Tibia‐Dyschondroplasie (TD) ist eine Störung der Knorpelossifikation und ist durch das Vorhandensein einer gefäßlosen, nicht mineralisierten Knoxpelläsion charakterisiert, die sich von der Wachstumsplatte bis in die Metaphyse erstreckt. Die Zellen innerhalb der TD‐Wach‐stumsplatte verfehlen ihre Differenzierung zur vollen Hypertrophy und scheinen stattdessen einen “prähypertrophen” Zustand oder “Übergangszustand” beizubehalten. Die Synthese und Verteilung von Aggrecan, Biglykan, Dekorin und den Kollagen‐Typen II und X in den Wachstumsplatten von normalen Küken und Küken mit TD wurde mit Hilfe von in situ‐Hybridisierung und Immunolokalisation untersucht. Ausgeprägte Mengenreduzierungen der Aggrecan‐ und Biglykan‐Kernprotein‐mRNAs wurden in der TD‐Läsion mittels in situ‐Hybridisierung festgestellt. Die Verminderng der mRNA‐Produktion schien für die extrazellulären Matrixkomponenten spezifisch zu sein, da es bei der Expression der Gesamt‐mRNA keinen signifikanten Unterschied zwischen normalem und dyschondroplastischem Knorpel gab. Außerdem gab es hinsichtlich der Expression von Kollagen des Typs II und Dekorin keine signifikanten Unterschiede zwischen normalem und TD‐Knorpel. Die Verteilung von Aggrecan, Biglykan, Dekorin und den Kollagen‐Typen II und X wurde immunhistochemisch untersucht. Normaler hypertrophischer Knorpel wies eine starke Aggrecan‐ und Biklykan‐spezifische Matrixmarkierung auf. Kollagen vom Typ X zeigte im normalen hypertrophischen Knorpel eine starke perizelluläre und Matrix‐Verteilung, während sich die Markierung zum Nachweis von Aggrecan, Biglykan und Kollagen X intrazellulär befand, mit einem sehr schwachen Signal in der Matrix. Im Gegensatz dazu ließ sich Kollagen vom Typ II überall in der extrazellulären Matrix sowohl der normalen Wachstumsplatte als auch der TD‐Läsion nachweisen, was darauf schließen läßt, daß die bei der Verteilung von Aggrecan, Biglykan und dem Kollagen‐Typ X gefundenen Unterschiede spezifisch für diese Proteine sind und nicht für eine allgemeine Störung des makromolekularen Metabolismus in der Matrix. Die reduzierte Ablagerung dieser Makromoleküle könnte Auswirkungen auf die normale und pathologische Knochenentwicklung haben.

Resumen

La discondroplasia tibial (TD) es una alteración de la osificación endocondral caracterizada por la presencia de una lesión avascular y un cartílago no mineralizado que se extiende desde la placa de crecimiento hasta la metáfisis. Las células cartilaginosas en la placa de crecimiento de los animales con TD no llegaron a diferenciar al estado de hipertrofia sino que se mantuvieron en el estado de “prehipertrofia” o “transición”. Se investigó la síntesis y distribución de agrecan, biglucan, decorina y colágeno de tipo II y X en las placas de crecimiento en aves normales y con discondroplasia tibial mediante hibridación in situ e inmunolocalización. La hibridación in situ detectó una reducción marcada de la cantidad de ARN mensajeros de las proteínas de agrecan y biglucan en la discondroplasia tibial. La reducción en la producción de ARN mensajero parecía ser específica de los componentes de la matriz extracelular puesto que la expresión total de ARN fue diferente entre el cartílago normal y el discondroplástico. La expresión de colágeno de tipo II y decorina no fue significativamente distinta entre el cartílago discondroplásico y el normal. Se estudió mediante inmunohistoquímica la distribución de agrecan, biglucan, decorina, colágenos de tipo II y X. El cartílago hipertrófico normal mostró un mareaje intenso en la matriz para agrecan y biglucan. El cartílago normal tenía una intensa reacción pericelular y en la matriz para colágeno X mientras que el cartílago TD presentó una reacción intracelular para el agrecan, biglucan y colágeno X y una reacción muy débil en la matriz. Por el contrario, se encontró colágeno II por toda la matriz extracelular de ambos grupos de animales sugiriendo que las diferencias observadas en agrecan, biglucan y colágeno X eran específicas para estas proteínas y no una alteración general del metabolismo macromolecular de la matriz. El depósito reducido de estas macromoléculas puede tener implicaciones en el desarrollo normal y patológico del tejido óseo.

Notes

To whom correspondence should be addressed.