The CB1 receptor: unraveling its dysregulation by endocrine disruptions in human osteoblasts and its physiological role in sperm cells

The endocannabinoid system (ECS) is a conserved regulatory network involved in the maintenance of cellular homeostasis, including that of bone and male reproductive system. Although its role in skeletal biology remains not completely defined, increasing evidence suggests that ECS components, particularly the endocannabinoid receptor (CB1) receptor, contribute to osteoblast differentiation, extracellular matrix (ECM) remodeling and bone metabolism. On the other hand, endocrine disrupting chemicals (EDCs) such as bisphenol A (BPA) and perfluorooctanoic acid (PFOA) interfere with osteogenic and oxidative pathways and have been shown to affect ECS signaling, though the mechanisms remain unclear. In the first part of the PhD thesis, we examined how acute and chronic exposure to PFOA and BPA, alone or combined, affect osteoblast homeostasis with a focus on CB1 regulation. Using 2D and 3D hFOB1.19 models, the studies demonstrated that these contaminants alter spheroids morphology, ECM deposition and mineralization, and modulate antioxidant and osteogenic markers. Specifically, acute exposure to PFOA induced a transient CB1-related response linked to collagen remodeling, whereas chronic exposure disrupted ECM deposition and mineralization, independently of CB1 regulation, both after single and combined exposure to PFOA and BPA. Regarding the reproductive system, CB1 localization and function were explored in spermatozoa. High-resolution imaging revealed previously unrecognized intracellular CB1 localization extending to the sperm nuclei, which is conserved across mammalian species and persists after the acrosome reaction. Functionally, CB1 activation through selective agonist restored histone H4K12 acetylation in asthenozoospermic samples, demonstrating its involvement in human sperm chromatin remodeling. The nuclear localization of CB1 in sperm was also confirmed in somatic cells, such as osteoblast and astrocytes, further suggesting potential transcriptional and /or epigenetic functions in these cells as well. Overall, the results here obtained uncover novel mechanistic roles of CB1 in bone and sperm biology and also demonstrate its susceptibility to environmental contaminants such as BPA and PFOA.

Il sistema endocannabinoide (ECS) è una rete regolatoria conservata coinvolta nel mantenimento dell'omeostasi cellulare, compresa quella delle ossa e del sistema riproduttivo maschile. Sebbene il suo ruolo nella biologia scheletrica non sia ancora stato completamente definito, prove sempre più numerose suggeriscono che i componenti dell'ECS, in particolare il recettore endocannabinoide CB1, contribuiscano alla differenziazione degli osteoblasti, al rimodellamento della matrice extracellulare (ECM) e al metabolismo osseo. D'altra parte, le sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino (EDC), come il bisfenolo A (BPA) e l'acido perfluoroottanoico (PFOA), interferiscono con le vie osteogeniche e ossidative e hanno dimostrato di influenzare la segnalazione dell'ECS, sebbene i meccanismi rimangano poco chiari. Nella prima parte della tesi di dottorato, abbiamo esaminato in che modo l'esposizione acuta e cronica al PFOA e al BPA, da soli o in combinazione, influisca sull'omeostasi degli osteoblasti, concentrandoci sulla regolazione del CB1. Utilizzando modelli 2D e 3D di hFOB1.19, gli studi hanno dimostrato che questi contaminanti alterano la morfologia degli sferoidi, la deposizione della matrice extracellulare (ECM) e la mineralizzazione, e modulano i marcatori antiossidanti e osteogenici. Nello specifico, l’esposizione acuta al PFOA ha indotto una risposta transitoria correlata al CB1 legata al rimodellamento del collagene, mentre l’esposizione cronica ha compromesso la deposizione della ECM e la mineralizzazione, indipendentemente dalla regolazione del CB1, sia dopo esposizione singola che combinata a PFOA e BPA. Per quanto riguarda il sistema riproduttivo, la localizzazione e la funzione del CB1 sono state esplorate negli spermatozoi. L'imaging ad alta risoluzione ha rivelato una localizzazione intracellulare del CB1, precedentemente non riconosciuta, che si estende ai nuclei degli spermatozoi, conservata in tutte le specie di mammiferi e che persiste dopo la reazione acrosomiale. Dal punto di vista funzionale, l'attivazione del CB1 tramite un agonista selettivo ha ripristinato l'acetilazione dell'istone H4K12 in campioni di astenozoospermia, dimostrando il suo coinvolgimento nel rimodellamento della cromatina dello sperma umano. La localizzazione nucleare del CB1 nello sperma è stata confermata anche nelle cellule somatiche, come gli osteoblasti e gli astrociti, suggerendo ulteriormente potenziali funzioni trascrizionali e/o epigenetiche anche in queste cellule. Nel complesso, i risultati qui ottenuti rivelano nuovi ruoli meccanicistici del CB1 nella biologia delle ossa e dello sperma e dimostrano anche la sua suscettibilità ai contaminanti ambientali come il BPA e il PFOA.