Rôle du récepteur LPA1 dans l’ostéogénèse au cours de la croissance du squelette

Rôle du récepteur LPA1 dans l’ostéogénèse au
cours de la croissance du squelette

 Les cellules osseuses 

Le remaniement perpétuel du tissu osseux est assuré par un ensemble de cellules progénitrices et de cellules spécialisées à savoir : les ostéoclastes, les cellules mésenchymateuses stromales (CMSs), les ostéoblastes et les ostéocytes (figure 4).

 Les ostéoclastes

 Les ostéoclastes sont les cellules responsables de la résorption osseuse. Elles sont plurinucléées avec 4 à 20 noyaux environ situés au centre de la cellule et donc volumineuses (20 à 100 μm de diamètre). Elles proviennent des cellules souches hématopoïétiques, et plus précisément de précurseurs mononucléaires circulants de la lignée monocytemacrophage comme démontré dans de nombreux modèles in vitro: moelle osseuse totale (2), macrophages péritonéaux et monocytes de sang circulant différenciés en ostéoclastes (3). Plusieurs facteurs sont nécessaires à la différenciation de ces précurseurs en ostéoclastes. Il est bien connu aujourd’hui, que les interactions avec les cellules stromales ainsi que des signaux moléculaires particuliers issus de leur microenvironnement sont déterminants dans cette différenciation. Trois acteurs moléculaires jouent un rôle majeur : le M-CSF (macrophage-colonystimulating factor) ou CSF-1, le RANKL, ligand du récepteur RANK (récepteur pour l’activation du facteur de transcription NFκB), et l’ostéoprotégérine (OPG) qui est un antagoniste soluble du RANKL produit par les ostéoblastes. La différenciation commence par l’’engagement des premiers précurseurs des macrophages /ostéoclastes grâce au facteur de transcription PU.1. Une fois, l’engagement effectif, le M-CSF stimule leur prolifération et leur survie. Il est produit de façon constitutive dans le microenvironnement osseux par plusieurs types cellulaires, les cellules stromales, les ostéoblastes et les lymphocytes T. Il peut être aussi induit dans certains contextes inflammatoires par l’action des cytokines telles que le TNF et l’IL 10, ou en réponse à l’action de la vitamine D (4). Les premières études montrant le rôle du M-CSF ont été réalisées avec des expériences de différenciation de cellules hématopoïétiques de rate de souris normales en co-cultures avec des ostéoblastes primaires provenant de souris op/op déficientes en MCSF et ostéopétrotiques (5). En absence du M-CSF, ces cellules hématopoïétiques étaient incapables de se différencier en ostéoclastes matures, et mourraient à l’état de préostéoclastes au bout de 18h (6). Les précurseurs ostéoclastiques mononucléés expriment à leur surface un facteur protéique transmembranaire appartenant à la famille des récepteurs au TNF qui est le RANK. Ce récepteur est très important pour l’ostéoclastogenèse. Les souris déficiente pour le gène RANK développent une ostéopétrose sévère due à une inhibition totale de l’ostéoclastogenèse, comme rapporté par Dougall WC et al en 1999 (7). L’activation de RANK se fait par fixation de RANKL, un récepteur de la même famille, exprimé à la surface des ostéoblastes ou des cellules stromales de la moelle, et aussi par les lymphocytes T activés dans certaines maladies inflammatoires (8,9). Cette activation aboutit à la différenciation ostéoclastique. L’interaction RANK/RANKL induit le recrutement de TRAF-6, un membre de la famille des TRAF (TNFR-associated factor). TRAF-6 se lie à un ou plusieurs des quatre sites de liaison du domaine intracellulaire du récepteur RANK puis active plusieurs cascades de signalisation, notamment celles impliquant le facteur de transcription NF-kB, les MAP kinase (ERK, Janus N-terminal kinase, et p38), et Akt-2 (10). Il a par exemple été montré que les souris déficientes pour les gènes des deux sous-unités de NF-kB présentent une ostéopétrose sévère (11) de même que les souris traf6 -/- (12). L’ensemble de ces voies, additionné à des facteurs autocrines produits par les précurseurs ostéoclastiques tels que le facteur chimiotactique des éosinophiles-L (ECFL), aboutit à la production de molécules d’adhésion telles que ICAM-1 et LFA-1 (13). Les ostéoclastes expriment également l’intégrine αvβ3, ce qui leur permet d’établir une forte interaction avec des composants de la MEC, et par conséquent une forte capacité à pouvoir migrer à la surface des travées osseuses. L’interaction de l’ensemble des molécules de surface aboutit à la fusion des précurseurs mononucléés pour former des ostéoclastes matures multinucléés. Les ostéoclastes sont dotés d’un appareil lysosomal puissant capable de résorber la matrice osseuse, et contenant notamment une phosphatase acide tartrate résistante (TRAP5b), un des principaux marqueurs ostéoclastiques. L’activité enzymatique de TRAP5b est représentative du nombre et de l’activité des ostéoclastes. Les ostéoclastes expriment aussi des récepteurs essentiels pour leur fonction, notamment le récepteur de la calcitonine (CTR) (14). Le CTR, lorsqu’il est activé par la calcitonine, induit une rétraction de la membrane ostéoclastique polarisée, et donc un blocage de l’activité de résorption. Lorsque les ostéoclastes sont activés, ils changent leur morphologie relativement étalée, sans polarité membranaire, pour se polariser verticalement avec la formation d’une membrane spécialisée qui se met au contact de l’os pour l’activité de résorption (figure 5). Elle débute par la dissolution de la partie minérale par libération de protons par l’anydrase carbonique II, qui est une pompe à proton. Les protons s’associent avec le chlore pour donner de l’acide chloridrique. L’acidification et donc la diminution du pH conduit à la dissolution des cristaux de minéraux. La matrice collagénique déminéralisée est ensuite digérée sous l’effet d’enzymes lysosomiales telles que la cathepsine K, les collagénases et d’autres métalloprotéinases matricielles libérées par exocytose (15). Les lacunes laissées après l’action des ostéoclastes sont appelées lacunes de Howship. Une fois ces lacunes creusées, les ostéoclastes meurent par apoptose et sont remplacés par des macrophages qui lissent le fond de la lacune. Figure 5: Représentation de la différenciation ostéoclastique jusqu’à l’obtention d’un ostéoclaste mature capable de résorber la matrice osseuse. Les ostéoclastes sont issus de progéniteurs de la lignée monocyte-macrophage. Deux facteurs sont essentiels à l’ostéoclastogenèse : M-CSF induisant l’apparition des préostéoclastes et RANKL permettant leur fusion pour donner des ostéoclastes multinucléés qui se polarisent au contact de l’os. L’OPG produit par les ostéoblastes joue un rôle de régulateur négatif dans la formation des ostéoclastes. L’ostéoclaste mature s’attache sur les protéines de la matrice osseuse via l’intégrine αvβ3. Il se forme une zone scellée, la lacune de Howship dans laquelle la cellule libère des protons (H+) qui acidifient le compartiment et induisent une déminéralisation de la matrice osseuse. Les ostéoclastes libèrent des enzymes spécifiques (cathepsine K, MMP9…) qui dégradent la trame collagénique de l’os. L’OPG, troisième régulateur clé de l’ostéoclastogenèse mentionné plus haut, est une glycoprotéine produite par les ostéoblastes et aussi par d’autres cellules médullaires. Elle agit en se fixant sur RANKL. Cette fixation crée une compétition d’action pour la fixation à RANK, ce qui aboutit à une inhibition de la différenciation ostéoclastique (16,17). L’OPG appartient également à la famille des récepteurs au TNF, avec la particularité de ne pas comporter de domaine transmembranaire et par conséquent de n’induire aucun signal. Le ratio RANKL/OPG a donc une importance déterminante dans la résorption osseuse. Par ailleurs, la délétion du gène de l’OPG provoque une ostéoporose sévère caractérisée par une résorption exacerbée (18), tandis qu’une sur-expression de ce gène induit une ostéopétrose, soulignant ainsi l’importance du système RANKL/OPG dans la détermination de la masse osseuse (19). 

 Les cellules mésenchymateuses stromales

 Aujourd’hui, la nature des progéniteurs mésenchymateux aux propriétés de différenciation multiples, est mieux connue. Après le développement embryonnaire, il persiste des niches de cellules souches où les progéniteurs cellulaires sont maintenus dans un état quiescent indifférencié et servent au renouvellement des tissus (20). Ces sites sont très variés, incluant notamment la moelle osseuse, ou le stroma du tissu adipeux. Les CMSs de la moelle osseuse sont capables de se différencier en adipocytes, chondrocytes, ostéoblastes, ou en myoblastes. Les deux lignages cellulaires impliqués dans l’ossification endochondrale sont la chondrogenèse ou différenciation en chondrocyte et l’ostéogenèse ou différenciation en ostéoblaste (21,22). Figure 6 : Schéma montrant les lignages cellulaires possibles à partir de la différenciation des CMSs de la moelle osseuse. Différents acteurs moléculaires sont impliqués dans la stimulation de ces lignages (Runx2, Wnt, BMPs, Sox9, MyoD, PPARγ) 

 Les ostéoblastes 

Les ostéoblastes sont des cellules spécialisées dans la formation de la matrice minéralisée. Ils sont issus de CMS soit d’origine mésodermique pour les os longs, soit provenant des crêtes neurales dans les os du crâne et de la face. Chez l’adulte, ces CMS sont principalement présentes dans le périoste et le stroma de la moelle osseuse (23). Morphologiquement, les ostéoblastes matures présentent une forme cuboïdale (24). Les différents mécanismes cellulaires et moléculaires qui aboutissent à la différentiation des CMS en ostéoblastes sont bien connus aujourd’hui. Plusieurs étapes peuvent ainsi être soulignées, notamment les phases précoces regroupant l’obtention et la prolifération des préostéoblastes, et les phases tardives pendant lesquelles les ostéoblastes deviennent matures et actifs. L’engagement vers la lignée ostéoblastique est induit par l’expression de deux facteurs de transcription majeurs qui sont Runx2/Cbfa1 et Osterix (Osx) (figure 7). Ces deux facteurs de transcription sont stimulés dans les CMS par les protéines morphogénétiques osseuses (Bone Morphogenetic Proteins ou BMPs) (25,26). Ce sont des membres de la superfamille du TGF-beta, signalisant par l’intermédiaire de récepteurs sérine-thréonine kinases, les récepteurs des BMP (BMPR) qui par phosphorylation des protéines transductrices de la famille SMAD, stimulent la formation osseuse. Tout d’abord, Runx2 est exprimé à un stade tardif dans les condensations mésenchymateuses. Il est aussi fortement exprimé au niveau des ostéoblastes en différenciation. Les souris mutantes sur le gène de Runx2 présentent une absence totale de formation osseuse en raison de l’arrêt de la maturation des ostéoblastes, avec un tissu cartilagineux immature à la place du squelette (27,28). Inversement, la surexpression de Runx2 dans d’autres types cellulaires, est capable de rediriger leur différenciation vers un phénotype ostéoblastique (25). En effet, Runx2 stimule l’activité des promoteurs d’effecteurs ostéoblastiques majeurs tels que l’ostéocalcine, l’ostéopontine et le collagène de type I suggérant son importance aussi durant la vie de l’ostéoblaste  .