formation ostéoclastique. Les interactions entre RANKL (Receptor Activator of NK-κB Ligand)

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1 RANKL, RANK et l ostéoprotégérine : un système fondamental dans la résorption osseuse Par Sophie Roux (Service de Rhumatologie, CHU Sherbrooke, Québec) Résumé Les connaissances actuelles sur les mécanismes impliqués dans la résorption osseuse ont connus un essor considérable depuis la description d'un nouveau système d'importance majeure dans la formation ostéoclastique. Les interactions entre RANKL (Receptor Activator of NK-κB Ligand) exprimé par les cellules stromales/ostéoblastes et de son récepteur RANK exprimé par les cellules ostéoclastiques ont un rôle crucial dans la différenciation et l'activation ostéoclastique. Ce système est complété par l'ostéoprotégérine (OPG), puissant facteur inhibiteur de la résorption osseuse qui produit par les cellules stromales/ostéoblastiques. L'OPG est un facteur sécrété et a été identifié comme le récepteur soluble de RANKL, bloquant l'interaction entre RANKL et RANK. De nombreux facteurs locaux et hormonaux qui modulent la résorption osseuse pourraient utiliser cette voie effectrice finale, ce qui représente une cible thérapeutique potentielle dans les pathologies caractérisées par une hyperrésorption osseuse. Nomenclature: Compte tenu de la découverte simultanée par plusieurs équipes de ces nouveaux facteurs de la famille du TNF, plusieurs appellations ont été utilisées: RANKL (Receptor Activator of NF-κB Ligand) = OPGL (OPG ligand), ODF (osteoclast differenciation factor), TRANCE (TNF-related activation-induced cytokine), SOFA, TNFSF-11. RANK (Receptor Activator of NF-κB) = ODAR (osteoclast differentiation and activation receptor), TNFRSF-11A. OPG (ostéoprotégérine) = OCIF (osteoclastogenesis inhibitory factor), TR-1, FDCR-1, TNFRSF-11B. Afin de standardiser la nomenclature, un consensus a été rapporté sous l égide de l ASBMR (American Society for Bone and Mineral Research), et les appellations RANKL, RANK et OPG sont recommandées (1), et seront par la suite utilisées.

2 RANKL, RANK et l Ostéoprotégérine dans la résorption osseuse Une avancée capitale a été récemment réalisée par la découverte de nouveaux membres de la superfamille du TNF et de ses récepteurs ayant un rôle crucial dans la différenciation et l'activité des ostéoclastes (15). RANKL: inducteur de la résorption osseuse RANKL (Receptor Activator of NF-κB Ligand) est un facteur essentiel à la différenciation ostéoclastique et à la résorption osseuse. Sa distribution tissulaire est restreinte aux organes hématopoiétiques et au tissu osseux, et in vitro RANKL est fortement exprimé par les cellules stromales médullaires, les ostéoblastes, de même que par les lymphocytes T (12). RANKL est une protéine transmembranaire qui appartient à la famille des ligands TNF. L'association de 3 molécules de RANKL compose la molécule fonctionnelle trimérique. Une forme soluble de RANKL pourrait être générée par épissage alternatif ou clivage de la forme transmembranaire (7,14), mais son importance relative est actuellement inconnue. Le rôle indispensable de RANKL dans la différenciation ostéoclastique est actuellement bien établie et une forme recombinante soluble de RANKL a été utilisée dans un grand nombre de modèles de différenciation ostéoclastique in vitro. En association avec le M-CSF, RANKL induit la différenciation ostéoclastique par un effet direct sur les précurseurs (8). L'activité de résorption osseuse de même que la survie des ostéoclastes sont également stimulées (8,12). Enfin, les souris déficientes pour le gène de RANKL (-/-) développent une ostéopétrose caractérisée par l'absence d'ostéoclastes mais les progéniteurs ostéoclastiques sont en nombre normal et peuvent se différencier en ostéoclastes actifs quand ils sont cocultivés avec des cellules normales stromales/ostéoblastes(11).

3 RANK: récepteur membranaire de RANKL RANK (Receptor Activator of NF-κB) est le récepteur membranaire de RANKL, et appartient à la famille des récepteurs du TNF. L'expression des ARNm de RANK est ubiquitaire, toutefois l expression de la protéine RANK semble plus restreinte, et dans le tissu osseux elle est localisée aux ostéoclastes et à leurs précurseurs. Lors de contacts cellulaires, la liaison RANK/RANKL permet la transduction de signaux intracellulaires indispensables à la différenciation ostéoclastique (6). Les souris transgéniques qui surexpriment une forme soluble de RANK développent une ostéopétrose comportant une diminution du nombre d'ostéoclastes (6). Les souris transgéniques RANK (-/-) déficientes pour le gène RANK développent une ostéopétrose caractérisée par l'absence d'ostéoclastes; en outre les précurseurs ostéoclastiques de ces souris sont incapables de se différencier en ostéoclastes in vitro en présence de RANKL et de M-CSF (4). Ostéoprotégérine: inhibiteur de la résorption osseuse L ostéoprotégérine (OPG) est un facteur d'inhibition de la résorption osseuse. Sa distribution tissulaire est ubiquitaire, et in vitro l'expression d'opg a été mise en évidence dans les cellules mésenchymateuses, cellules stromales médullaires et ostéoblastes. L OPG est un membre de la famille des récepteurs solubles du TNF. C est un facteur sécrété qui correspond au récepteur soluble de RANKL. Les souris transgéniques qui surexpriment l OPG développent une ostéopétrose caractérisée par un défaut de la différenciation ostéoclastique (17), et les souris transgéniques déficientes en OPG (-/-) développent une ostéoporose sévère avec une augmentation de la différenciation et de l'activité des ostéoclastes (2). Les études in vitro ont montré que l'opg était un puissant facteur inhibiteur de la différenciation ostéoclastique et de l'activité de résorption osseuse des ostéoclastes (17,19). En plus de son effet bloquant de l activité RANKL, l inhibition de l activité de résorption osseuse induite par l OPG pourrait également être liée à un effet direct sur les ostéoclastes, par la modulation de l expression d enzymes protéolytiques. Ainsi, l OPG inhiberait l expression de la cathepsine K et de la TRAP, et stimulerait celle de la MMP-9 (22).

4 L OPG aurait également la capacité d induire l apoptose des ostéoclastes (16). In vivo, l'administration d'opg chez le rat entraîne une augmentation de la densité minérale osseuse (DMO) et du volume osseux, avec une diminution du nombre d'ostéoclastes actifs, et prévient la perte osseuse secondaire à l'ovariectomie (19). RANKL/RANK et OPG dans la différenciation et l'activité des OCs Les interactions entre RANKL, molécule membranaire exprimée par les cellules stromales/ostéoblastes, et son récepteur membranaire RANK exprimé par les ostéoclastes, ont un rôle fondamental dans la physiologie du tissu osseux. Les interactions RANKL-RANK permettent, en présence de M-CSF, d'induire la différenciation ostéoclastique, et interviennent également dans l'activation de l'ostéoclaste mature. Ce système est complété par l'opg, facteur inhibiteur de la résorption osseuse produit par les cellules stromales/ostéoblastes. L'OPG est l'équivalent d'un récepteur soluble et agit comme un récepteur "piège" qui lie RANKL et bloque ainsi les interactions entre RANKL et RANK et donc la différenciation et l'activation des ostéoclastes (Figure 1).

5 Régulation de l'expression de RANKL et OPG De très nombreux travaux ont montré l'existence d'une régulation de l'expression de RANKL et OPG par les facteurs locaux ou systémiques impliqués dans la résorption osseuse (15). Quant à l'expression de RANK, elle semble stable et peu sensible aux facteurs ostéotropes. Des données récentes suggèrent toutefois que l expression de RANK pourrait être stimulée par le M-CSF (3), et par l action synergique de RANKL et du TNFα (23). Les facteurs ostéotropes connus pour stimuler la résorption osseuse ostéoclastique tels que les hormones PTH, PTHrP, et 1,25(OH) 2 D 3, les cytokines IL1, TNFα, PGE 2, IL6, IL11, IL-15, IL-17, IGFI, et les glucocorticoïdes, stimulent l'expression de RANKL par les cellules stromales/ostéoblastes. Ces mêmes facteurs diminuent l'expression de l'opg et/ou augmentent le rapport RANKL/OPG (tableau 1). Parmi les cytokines inhibitrices de la résorption osseuse, l'il4 diminue l'expression de RANKL (13). L'IFNγ comme l'il4 bloquent par ailleurs la signalisation induite par RANKL (18,21). Le TGF-β, dont l'effet net est de diminuer la résorption osseuse, inhibe l'expression de RANKL et stimule celle de l'opg (10). Les estrogènes, connus pour leur effet protecteur osseux, ont comme principal effet sur le remodelage osseux d'inhiber la résorption osseuse, et il a été montré que

6 l'estradiol augmentait l'expression de l'opg dans des cellules ostéoblastiques humaines (5). A noter qu'un des mécanismes d action des bisphosphonates pourrait passer par une augmentation de l'expression de l'opg (20), mais cette notion reste controversée (9). Conclusion L'ensemble de ces données illustre le fait que l'effet des facteurs ostéotropes sur la résorption osseuse est parallèle à leur effet sur le ratio RANKL/OPG. Ainsi, les facteurs locaux et systémiques qui affectent la résorption osseuse pourraient agir par une voie effectrice commune impliquant RANKL/RANK et OPG. Toutefois certaines cytokines peuvent avoir un effet en partie indépendant de RANKL et/ou agir en synergie avec RANKL pour stimuler la différenciation et l'activation des ostéoclastes comme cela a été décrit pour le TNFα ou l'il1. Le système RANKL/RANK et OPG joue donc un rôle majeur dans la résorption osseuse, et a été impliqué dans les pathologies caractérisées par une résorption osseuse excessive, comme l ostéolyse maligne ou la résorption osseuse sous-chondrale de la polyarthrite rhumatoïde, avec comme ouverture un intérêt thérapeutique potentiel d'inhibiteurs de ce système. Références 1. Proposed standard nomenclature for new tumor necrosis factor family members involved in the regulation of bone resorption. The American Society for Bone and Mineral Research President's Committee on Nomenclature. J Bone Miner Res 15:2293-6; Bucay N, Sarosi I, Dunstan CR, Morony S, Tarpley J, Capparelli C, Scully S, Tan HL, Xu W, Lacey DL, Boyle WJ, and Simonet WS osteoprotegerin-deficient mice develop early onset osteoporosis and arterial calcification. Genes Dev 12:1260-8; Cappellen D, Luong-Nguyen NH, Bongiovanni S, Grenet O, Wanke C, and Susa M Transcriptional program of mouse osteoclast differentiation governed by the macrophage colony-stimulating factor and the ligand for the receptor activator of NFkappa B. J Biol Chem 277: ; Dougall WC, Glaccum M, Charrier K, Rohrbach K, Brasel K, De Smedt T, Daro E, Smith J, Tometsko ME, Maliszewski CR, Armstrong A, Shen V, Bain S, Cosman D, Anderson D, Morrissey PJ, Peschon JJ, and Schuh J RANK is essential for osteoclast and lymph node development. Genes Dev 13: ; Hofbauer LC, Khosla S, Dunstan CR, Lacey DL, Spelsberg TC, and Riggs BL Estrogen stimulates gene expression and protein production of osteoprotegerin in human osteoblastic cells. Endocrinology 140: ; Hsu H, Lacey DL, Dunstan CR, Solovyev I, Colombero A, Timms E, Tan HL, Elliott G, Kelley MJ, Sarosi I, Wang L, Xia XZ, Elliott R, Chiu L, Black T, Scully S, Capparelli C, Morony S, Shimamoto G, Bass MB, and Boyle WJ Tumor necrosis factor receptor family member RANK mediates osteoclast differentiation and activation induced by osteoprotegerin ligand. Proc Natl Acad Sci U S A 96:3540-5; Ikeda T, Kasai M, Utsuyama M, and Hirokawa K Determination of three isoforms of the receptor activator of nuclear factor-kappab ligand and their differential expression in bone and thymus. Endocrinology 142: ; 2001.

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