L’ostéoclaste et les mécanismes moléculaires de la résorption osseuse

Osteoclasts and bone resorption: Cellular and molecular mechanisms

Departments of Cell Biology and Orthopedics, Yale University School of Medicine, 333 Cedar Street, New Haven, CT 06510, États-Unis

Résumé

Des trois cellules assurant le remodelage osseux, l’ostéoclaste, responsable de la résorption osseuse, est celle dont la fonction et la régulation sont le mieux connues sur le plan cellulaire et moléculaire. L’ostéoclaste est d’origine hématopoïétique et la différenciation de pré-monocytes en précurseurs ostéoclastiques se déroule dans la moelle osseuse, sous le contrôle de trois facteurs clés, M-CSF, RANKL, le ligand du récepteur RANK et son antagoniste, l’ostéoprotégérine (OPG), identifiés au cours de la dernière décennie. L’ostéoclaste fonctionne de manière cyclique, alternant des phases migratoires le long de la surface osseuse et des phases de résorption active créant des lacunes osseuses. L’ostéoclaste en phase de résorption se caractérise par sa bipolarité morphologique et fonctionnelle. Le pôle apical s’attache à la matrice osseuse, possède une pompe à protons ATPasique particulière, et secrète à travers une bordure en brosse des enzymes lysosomiales et des métalloprotéases. Le pôle basolatéral, en rapport avec le micro-environnement, a pour fonction essentielle le maintien de l’équilibre électrochimique de l’ostéoclaste par la coordination de pompes à ions électrogènes, de canaux et d’échangeurs ioniques. En pathologie, une anomalie génétique ou acquise de la régulation de la résorption osseuse peut conduire à une ostéoporose, une ostéogenèse imparfaite ou une ostéopétrose selon que la résorption excède la formation osseuse ou au contraire est anormalement diminuée.

Abstract

Recent advances in the understanding of the differentiation and function of osteoclasts, which are responsible for bone resorption, have considerably improved our knowledge of bone remodeling. Thus, the cloning of stromal-derived RANK ligand and its antagonist Osteoprotegerin has been a major breakthrough in the dissection of the differentiation steps leading from pro-monocytes to maturing osteoclasts in the bone marrow. Precise analysis of the distribution of the actin skeletton, arranged in structures called podosomes, has also helped to understand the motile properties of the osteoclasts and how it can alternate adhesion and de-adhesion from its bone substrate. The succession of complex biochemical events involved in bone resorption has also been unraveled : osteoclasts are highly polarized cells, and this asymetry is essential : the apical border facing the bone surface is tightly sealed to the bone on the periphery, whereas degrading enzymes and metalloproteases are secreted through the ruffled border in the central part. Acidification is essential to the function of osteoclasts and is maintained by several pumps and ions channels, such as a unique ATPase on the apical side as well as chloride channels, and NA⁺/H⁺ pump on the basal side. Genetic models exists where some of these steps are altered, which lead to bone disorders, either by excess resorption (osteoporosis) or by decreased resorption, as in osteosclerosis. Most of these alterations target molecules (growth factors or transcription factors) controlling the differentiation process.