GENETIC REGULATION OF OSTEOCLAST DEVELOPMENT AND FUNCTION
Steven L. Teitelbaum & F. Patrick Ross Nature Reviews Genetics4, No 8, 638 -649 (2003); doi:10.1038/nrg1122
Osteoclasts are the principal, if not exclusive, bone-resorbing cells, and their activity has a profound impact on skeletal health. So, disorders of skeletal insufficiency, such as osteoporosis, typically represent enhanced osteoclastic bone resorption relative to bone formation. Prevention of pathological bone loss therefore depends on an appreciation of the mechanisms by which osteoclasts differentiate from their precursors and degrade the skeleton. The past five years have witnessed important insights into osteoclast formation and function. Many of these discoveries have been made through genetic experiments that involved the rare hereditary disorder osteopetrosis.
Масса кости контролируется относительными активностями остеобластов, которые являются кость формирующими клетками, и остеокластами, которые деградируют ткань.
Остеокласты - это клетки гематопоэтического происхождения и являются членами ростка моноцит/макрофагов. Для развития остеокластов необходимо сочетанное действие ряда цитокинов, стероидов и липидов, которые действуют непосредственно на предшественников сами и косвенно путём направления комбинации мезенхимных поддерживающих клеток и клеток лимфоидного клона.
Способность зрелых остеокластов резорбировать кость управляется цитокинами и зависит от из способности распознавать матрикс, поляризовать и секретировать протоны и каллогенолитические энзимы.
Т.о., большинство генетических мутаций, которые регулируют костную массу, или естественных или генерируемых с помощью цленаправленных делеций, ассоциируют с остеокластами.
Мутации м.б. наследуемы остеокластами и предшественниками или обнаруживаются в белках, которые продуцируются лимфоидной или мезенхимной тканью, которые регулируют выживаемость, дифференцировку и/или функцию зрелых кость-резорбирующих клеток.
Использование данных, полученных в генетических исследованиях, привели к разработке некоторых лекарств, которые селектинво супрессиурют функцию остеокластов, помогая тем самым поддерживать массу кости.
Рис.1. | Regulation of osteoclast formation and function.
Рис.2. | Regulation of the resorptive activity of osteoclasts.
Рис.3. | Mutations that lead to osteoclast gain of function.
Рис.4. | Role of T cells and IL-7 in oestrogen-mediated bone loss in vivo.
Рис.5. | RANK ligand might induce osteoblast and osteoclast differentiation.
Eun-Ju Chang, H.J.Kum, J.Ha et al. Hyaluronan inhibits osteoclast differentiation via Toll-like receptor 4 J.Cell.Sci. - 2007. - V.120, No 1. P. 166-176
Дифференцировка остеокластов управляется двумя ключевыми факторами macrophage colony stimulating factor (M-CSF) и receptor activator of nuclear factor kB ligand (RANKL). Внеклеточный матрикс (ВКМ) влияет на судьбы клеток. Выявлен мощный анти-остеокаластогенный эффект hyaluronan (HA) на компонентя ВКМ в костном мозге и соединительной ткани. Анти-остеокаластогеннаz функция НА зависит от Toll-like receptor 4 (TLR4), но не от CD44. НА ингибирует M-CSF-зависимый сигнальный путь, используя Rac, реактивные виды кислорода и митогеном активируемые протеин киназы, приводя к супрессии транскрипционных факторов АР-1 и MITF, которые контролируют экспрессию RANK. Более того, на мышиных моделях резорбции кости НА редуцирует RANKL-индуцируемую эрозию кости и остеокластогенез. Полученные результаты показывают, что НА ингибирует дифференцировку остеокластов посредством TLR4 благодаря взаимодействию с передачей сигналов M-CSF и подчеркивают, что взаимодействие между компонентами ВКМ и рецепторами врожденного иммунитете может играть важную роль в регуляции метаболизма кости.
Тесный контакт между остеокластом и костным матриксом образуется в специализированной части плазменной мембраны остеокласта, в прозрачной (clear) зоне, а резорбция кости осуществляется промежуточным фестончатым (ruffled) краем, где поддерживается кислая внеклеточная среда.
Остеокласты образуют кружки тесного контакта с поверхностью кости, что связано с появлением колец F-актина (actin ring) (Chambers, 2000) .
Присоединение остеокластов или остеокласт-подобных гигантских клеток осуществляется с помощью рецепторов семейства интегринов. Интегрины трансмембранные гетеродимерные гликопротеины с нековалентно связанными α и β субъединицами. В костях человека остеокласты несут α2, αv, β1, β3 и αvβ3 интегрины. Последний является рецептром витронектина и встречается на высоком уровне в прозрачной зоне остеокластов крыс.
БвшмЮВ связывании участвует и остеопонтин, который является неколагенозным матричным белком, содержащим связываемые клетками последовательности RGD. Этот кислый фосфорилированный гликопротеин тесно связывается с гидроксипатитом in vitro. Предполагается, что остеокласты связываются с RDG последовательностями остеопонтина с помощью αvβ3 интегринов, концентрирующихся в области присоединения. Остеопонтин синтезируется остеобластами, возможно также и остеокластами.
Резорбция кости происходит благодаря секреции протонов и кислых гидролаз в область, окруженную этими кольцами. Для этого пузырьки проникают в апикальную мембрану остеокластов, которая собрана в складки в месте резорбции (ruffled border). Растворенные продукты транспортируются в пузырьках из резорбтивных полувакуолей и высвобождаются на базальной мембране, которая обычно находится в контакте с кровеносным сосудом. Cathepsin К, фермент с уникальной способностью деградировать тройную спираль нативного коллагена при кислой рН, является основной кислой гидролазой, отвечающей за дегарадацию матрикса. Этот фермент высоко и селективно экспрессируется в остеокластах, тогда как другие катепсины отсутствуют или практически отсутствуют.
Предшественники остеокластов
Предшественниками остеокластов являются, по-видимому, моноядерные фагоциты. Подобно остеокластам эти клетки специализированы устранять дебрис и сливаются, образуя многоядерные клетки (foreign body giant cells) вокруг чужеродного материала. Слияние макрофагов - это нормальная реакция хозяина в ответ на инвазию слишком больших объектов, чтобы быть переваренными. Резорбция происходит тогда, когда остеобласты так модифицируют кость, что она распознается локально как чужеродное тело. Оказалось, что остеокласты обладают общими маркерами клеточной поврехности с макрофагами, но отличаются от известных моноядерных фагоцитов. Остеокласты лишены многих антигенов, которые характерны макрофагам и воспалительным поликарионам, в частности Fc и С3 рецепторов, и экспрессируют на очень высоком уровне tartrate-resistent acid phosphatase (TRAP) и витонектиновые рецепторы (VNR,αvβ3); они экспрессируют также кальцитониновые рецепторы (CTRs), которые отсутствуют в макрофагах.
Оказалось, что клетки остеобластного ростка после различных стимулов начинают обнаруживать octeoclast-resorption-stimulating activity (ORSA). Но это происходило только если остеобласты были в контакте с остеокластами. Остеобластные и стромальные клетки костного мозга также необходимы для дифференцировки остеокластов из гематопоэтических предшественников. Одним из факторов, продуцируемых остеобластами/ стромальными клетками костного мозга, является M-CSF.
Тем не менее M-CSF не обязателен для формирования остеокластов. Основаная роль M-CSF заключается, по-видимому, в усилении пролиферации и выживаемости предшественников и выживаемости зрелых клеток. Итак, остеокласты происходят все-таки из системы моноядерных фагоцитов.
Остеобласты/стромальные клетки костного мозга специфически индуцируют образование остеокластов (stromal osteoclast-forming activity,SOFA); osteoclast differentiation factor,ODF). Резорбционные гормоны, такие как РТН и 1.25(ОН)2, витамин Д3, индуцируют формирование остеокластов после взаимодействия с остеобластными/стромальными клетками.
Идентификация остеокласт-индуктивного лиганда и его рецептора
Выделенные разными группами исследователей фактор ODF и osteoprotegrin лиганд (OPGL) оказались идентичными лиганду (TNF-related activation-induced cytokine, TRANCE; или receptor activator for NF-kB ligand, RANKL), который экспрессируется активированными Т-клетками и действует как фактор выживания для дендритных клеток. TRANCE, RANK и OPG (osteoprotegrin) представляют собой систему лиганд/рецептор/растворимый (decoy)рецептор для регуляции остеокластов с помощью остеобластов(Рис).
1. | Молекулярные основы регуляции образования остеокластов и резорбции ими кости с помощью TRANCE/OPG
OPG (syn. OCIF, TNFRSFIIB)
OPG является секретируемым белком, который строго ингибирует формирование остеокластов, индуцируемое с помощью 1,25(ОН)2 vitmin D3/РТН или простагландина (PG) e2 в культуре костного мозга и супрессирует РТН-обусловленную активацию остеокластов в остеобласт-остеокласт совместных культурах. Он продуцируется многими тканями, особенно кожей, костями, крупными артериями и ЖКТ.
OPG супрессирует также гиперкальцемию и/или потерю кости, индуцируемую интерлейкином (IL)-1α, TNF-α, РТН. PTHrP, 1,25(ОН)2 витамином Д3 и оварийэктомией. Он индуцирует гипокальцемию у нормальных мышей и у мышей с опухолями, вызывающими гиперкальцемию.
Он супрессирует деструкцию кости при adjuvant артрите. Он оказывает антирезорбционный эффект у женщин в пост-менопаузе.
Установлено, что OPG обладает сравнимым сродством к TRAIL. Однако TRANCE является предпочтительным лигандом для OPG.
TRANCE (syn. RANKL, ODF, OPGL, TNFSFII)
TRANCE - это сигнал, с помощью которого остеобластные/стромальные клетки стимулируют формирование остеокластов и резорбцию. Он экспрессируется остеоблаcтами и сторомальными клетками костного мозга и активруется с помощью резорптивных агентов РТН, 1,12(ОН)2 витамина Д3, PGE2,IL-1α и TNF-α. Антитела к TRANCE супрессируют индуцируемую гормонами резорбцию в органной культуре. Он связывается с гемопоэтичекими предшественниками, которые после клеточной сортировки содержат популяцию, которая генерирует остеокласты. TRANCE экспрессируется в областях, где остеокласты активны in vivo. Он идентифицирован также в Т-клетках и выполняет важную функцию в иммунной системе. Белок и мРНК TRANCE встречаются не только в костях и лимфоидной ткани, но и в мегакариоцитах и в головном мозге, сердце, почках, скелетных мышцах и коже (кератиноцитах, фибробластах, капилярах) и даже в самих остеокластах.
TRANCE - это трансмембранный белок типа I. Он может высвобождаться с клеточной поверхности с помощью металлопротеиназ и sTRANCE обнаруживается в супернатантах лимфоцитов.
RANK (syn. TRANCER, TNFRSFIIA)
RANK является рецептором в остеокластах и их предшественниках, которые взаимодействуют с TRANCE. Подобно OPG, растворимый рекомбинантный RANK супрессрует формирование остеокластов и активность, а антитела к RANK стимулируют формирование остеокластов. Предшественники и зрелые остеокласты экспрессируют RANK, экспрессия индуцируется с помощью M-CSF. Рецептор экспрессируется не только в костях, но в частности в скелетных мышцах, тимусе, печени, толстой кишке и надпочечниках, а также в легких, головном мозге и почках.
RANK связывает TNF recrptor-associated factors (TRAFs)1,2,3,5 и 6 - отражая необычно длинный цитоплазматический домен (383 аминокислоты) среди сверхсемейства TNF рецепторов. TRAF2, TRAF5 и TRAF6 ответственны за активацию NF-kB с помощью TNF рецепторов, они также участвуют в активации c-jun N-terminal kinase(JNK), которая активирует АР-1 комплекс. RANK активирует не только NF-kB и JNK, но и экспрессию c-fos.
Клеточное происхождение остеокластов
Остеокласты могут быть получены не только из незрелых неадхерентных M-CSF-зависимых клеток костного мозга, но и из моноцитов,резидентных перитонеальных или альвеолярных макрофагов и ассоциированных с опухолями макрофагов. Однако ни одна из этих популяций не является гомогенной, а значит остеокласты могут происходить из минорной субпопуляции. Предполагается сущестование в незрелых неадхерентных M-CSF-зависимых клетках костного мозга субпопуляций предшественников для макрофагов и остокластов или субоптимальной остеокластогенных условий, при которых макрофаги имеют преимущества перед остеокластами, как это происходит у c-fos-/- мышей. Макрофаги и остеокласты имеют общего предшественника. Показано, что остеокласты не происходят из остеокласт-предетерминированной субпопуляции моноядерных фагоцитов. Пропорция образования остекластов больше чем макрофагов происходит при увеличении концентрации sTRANCE.
Образование и выживание остеокластов зависит также от TGF-β, который встречается в большом количестве в костном матриксе. Оказалось, что не только TRANCE, но и TGF-α может индуцировать формирование остеокластов in vitro из моноядерных фагоцитов костного мозга особенно в присутствии TGF-β. Высказыватся предположение, что влияние TGF-β на предшественники остеокластов вряд ли является специфическим для дифференцировки остеокластов. Возможно, что предшественники экспозируют высокие количества TGF-β в костях, и где бы то ни было. Или TGF-β может играть более общую роль в физиологии системы моноядерных фагоцитов, для поддержания чувствительности предшественников, для обеспечения миграции для деактивации воспалительных сигналов и для приготовления предшественников к сигналам, индуцирующим дифференцировку.
TNF-α подобно TRANCE может индуцировать формирование остеокластов in vitro непосредствено из stroma-depleted макрофагов костного мозга, с потенциалом, сходным с TRANCE. Но TNF-α не замещает TRANCE в физиологических условиях, но если предшественники остеокластов имеют TNF-α рецепторы, то воспаление может непосредственно индуцировать или усиливать резорбцию. Это не так. Подтверждено, что TNF-α действует in vivo индуцируя TRANCE в остеобластных клетках.
Sphingosine-1-phosphate mobilizes osteoclast precursors and regulates bone homeostasis Masaru Ishii, Jackson G. Egen, Frederick Klauschen, Martin Meier-Schellersheim, Yukihiko Saeki, Jean Vacher, Richard L. Proia & Ronald N. Germain (rgermain@niaid.nih.gov) Nature 458,n7237, 524-528 (26 March 2009) | doi:10.1038/nature07713
Рисунки к статье Остеокласты являются единственными соматическими клетками со способностью резорбировать кость и поэтому они играют критическую роль не только нормальном гомеостазе кости (наз. 'bone remodelling'), но и также в патогенезе деструктивных нарушений кости, таких как ревматоидные артриты и остеопетроз1. Основное внимание исследователей было обращено на генную регуляцию с помощью остеокластогенных цитокинов, таких как receptor activator of NF-kappaB-ligand (RANKL, также известный как TNFSF11) и TNF-alpha, оба они, как хорошо известно, вносят вклад в терминальную дифференцировку остеокластов2, 3. Критический процесс, который был менее изучен, это доставка предшественников остеокластов на и с костной поверхности, где они подвергаются слиянию и формируют полностью дифференцированные многоядерные клетки, которые и обеспечивают резорбцию кости. Установлено, что sphingosine-1-phosphate (S1P), липидный медиатор, обогащенный в крови4, 5, индуцирует хемотаксис и регулирует миграцию предшественников остеокластов не только в культуре, но и in vivo, внося свой вклад в динамический контроль минерального гомеостаза кости. Клетки со свойствами предшественников остеокластов экспрессируют функциональные S1P1 рецепторы и обладают позитивным хемотаксисом вдоль градиента S1P in vitro. Прижизненное two-photon наблюдение костной ткани показало, что мощный S1P1 агонист, SEW2871, стимулирует подвижность monocytoid популяций, содержащих предшественников остеокластов in vivo. Osteoclast/monocyte (CD11b, также известен как ITGAM) клон-специфичные увловные S1P1 нокаутные мыши обнаруживают остеопорозные изменения из-за повышенного прикрепления остеокластов к костной поверхности. Более того, воздействие S1P1 агониста FTY720 уменьшает индуцируемый удалением яичников остеопороз у мышей вследствие уменьшения количества зрелых остеокластов, прикрепленных к костной поверхности. Итак, полученные данные предоставляют доказательства, что S1P контролирует миграторное поведение предшественников остеокластов, динамически регулируемый минеральный гомеостаз кости и выявляют критическую контрольную точку в остеокластогенезе, которая может стать потенциальной терапевтической мишенью.
1.
| Молекулярные основы регуляции образования остеокластов и резорбции ими кости с помощью TRANCE/OPG 
