Parlons Science

La phosphatase alcaline osseuse : nouvelles fonctions pour une vieille enzyme

davidmagne.jpg

par David Magne, Institut de Chimie et Biochimie Moléculaires et Supramoléculaires, UMR CNRS 5246, Lyon

Les phosphatases alcalines sont très répandues dans la nature ; elles sont exprimées des bactéries jusqu’à l’homme [1]. Chez l’homme, deux sont spécifiques d’un tissu : les formes placentaire et intestinale. La TNAP est une isoforme plus ubiquitaire, quoiqu’exprimée principalement par les ostéoblastes, dans le foie et dans les reins.
L’étude des symptômes des patients atteints d’hypophosphatasie familiale et l’analyse du phénotype des souris invalidées pour le gène Alpl codant pour la TNAP ont révélé deux fonctions majeures : formation osseuse et synthèse de neurotransmetteurs.

TNAP et formation osseuse

Chez l’homme, les formes les plus sévères d’hypophosphatasie (moins de 2% d’activité enzymatique dans le sang) entraînent la mort in utero de fétus dépourvus de minéraux osseux. Chez la souris, les défauts osseux des souris Alpl-/- se manifestent plus tardivement, vers le 9ème jour après la naissance [2]. Il est possible qu’une autre phosphatase compense chez la souris l’absence de TNAP. La fonction longtemps supposée de la TNAP était de produire du phosphate inorganique (Pi) à partir de molécules phosphorylées pour faciliter la minéralisation. Cependant, cette fonction était difficile à concilier avec le fait que l’hypophosphatasie s’accompagne souvent d’une hyperphosphatémie [1]. Dans la dernière décennie, deux équipes ont finalement démontré que la TNAP a pour principale fonction de détruire le pyrophosphate inorganique (PPi), un puissant inhibiteur de la minéralisation ([3, 4] et figure 1).

tnap1.jpg

Figure 1 : Modèle de la minéralisation osseuse [5]. Le PPi, inhibiteur de formation d’apatite, est transporté par le transporteur ANK dans le milieu extracellulaire, et il est aussi  généré à partir de l’ATP grâce à l’activité d’une ectonucleotide pyrophosphatase / phosphodiesterase (NPP1). La TNAP hydrolyse le PPi levant l’inhibition de la minéralisation.
TNAP et synthèse de neurotransmetteurs

Les patients atteints d’hypophosphatasie souffrent de crises d’épilepsie et les souris Alpl-/- meurent d’épilepsie deux semaines environ après naissance [6]. Les mécanismes en jeu sont maintenant assez bien compris. La TNAP est impliquée dans le métabolisme de la vitamine B6, et particulièrement de la forme pyridoxal phosphate (PLP). Le PLP ne peut en effet pas traverser librement les membranes et doit être déphosphorylé par la TNAP en pyridoxal (PL) pour diffuser dans les cellules. Dans les souris Alpl-/-, les niveaux sériques de PLP sont forts, ceux de PL faibles, et en conséquence les niveaux intracellulaires de PL et de PLP rephosphorylé sont réduits, en particulier dans le cerveau [6]. Il en résulte une diminution de la synthèse de sérotonine et de GABA, responsable de la survenue de crises d’épilepsie.
Le fait que l’absence de TNAP est létale très tôt chez l’homme (causée par une absence de minéralisation) ainsi que chez la souris (due à une diminution de la déphosphorylation de PLP) a peut-être contribué à masquer d’autres fonctions de la TNAP, qui se manifestent plus tardivement. De fait, plusieurs articles récents suggèrent que la TNAP joue des rôles dans au moins deux pathologies liées au vieillissement, la maladie d’Alzheimer et les calcifications vasculaires.

TNAP et maladie d’Alzheimer

La TNAP est exprimée dans les cellules neuronales et semble être nécessaire à la différenciation des neurones et oligodendrocytes [7]. Elle serait de plus impliquée dans la croissance axonale via l’hydrolyse de l’ATP [8], et dans la transmission nerveuse [9, 10]. Finalement, la TNAP est suspectée jouer un rôle dans le développement de la maladie d’Alzheimer. Elle est significativement plus active dans le cerveau et dans le sérum de patients atteints en comparaison de patients contrôles et son activité dans le sérum corrèle négativement avec les fonctions cognitives [11]. Elle pourrait agir en déphosphorylant la protéine Tau [12].

TNAP et calcifications vasculaires

Les calcifications vasculaires sont un processus lié au vieillissement dans la population générale et sont particulièrement exacerbées par l’athérosclérose, l’insuffisance rénale chronique (IRC) et le diabète [13] (Fig. 2).

tnap2.jpg
Figure 2 : Calcification de la media (flèche rouge) et de l’intima (flèches noires) d’une artère d’un patient atteint d’insuffisance rénale (d’après [13]).

Il est maintenant bien admis que ces calcifications augmentent significativement le risque de mortalité. Etant donné que les calcifications vasculaires se déroulent de façon similaire à une ossification [13] et conduisent à la formation de tissu osseux dans les artères (Fig. 3), il n’est pas surprenant que l’inhibition de la TNAP prévient la minéralisation en culture de cellules musculaires lisses [14]. La TNAP représente donc une cible thérapeutique très prometteuse, d’autant plus que le groupe du Pr Massy a montré que l’administration de PPi prévient les calcifications vasculaires dans un modèle d’IRC [15].

tnap3.jpg

Figure 3 : Exemple de structures similaires à des trabécules osseux avec des ostéocytes dans une artère humaine. P : plaque, B : tissu osseux. La flèche rouge montre la présence d’un ostéoclaste (d’après [13]).

A l’heure actuelle, il n’existe pas d’inhibiteurs de la TNAP suffisamment efficaces pour être utilisés in vivo. Notre laboratoire a donc récemment développé et breveté des inhibiteurs spécifiques, qui sont plus efficaces que le lévamisole pour réduire la minéralisation en culture cellulaire. Aujourd’hui, nous nous lançons dans l’étude de leurs effets in vivo dans des modèles de calcifications vasculaires.

Références
1 Whyte, M.P. (2010) Physiological role of alkaline phosphatase explored in hypophosphatasia. Ann N Y Acad Sci 1192, 190-200
2 Fedde, K.N., et al. (1999) Alkaline phosphatase knock-out mice recapitulate the metabolic and skeletal defects of infantile hypophosphatasia. J Bone Miner Res 14, 2015-2026
3 Hessle, L., et al. (2002) Tissue-nonspecific alkaline phosphatase and plasma cell membrane glycoprotein-1 are central antagonistic regulators of bone mineralization. Proc Natl Acad Sci U S A 99, 9445-9449
4 Murshed, M., et al. (2005) Unique coexpression in osteoblasts of broadly expressed genes accounts for the spatial restriction of ECM mineralization to bone. Genes Dev 19, 1093-1104
5 Villa-Bellosta, R., et al. (2011) Extracellular pyrophosphate metabolism and calcification in vascular smooth muscle. Am J Physiol Heart Circ Physiol 301, H61-68
6 Waymire, K.G., et al. (1995) Mice lacking tissue non-specific alkaline phosphatase die from seizures due to defective metabolism of vitamin B-6. Nat Genet 11, 45-51
7 Kermer, V., et al. (2010) Knockdown of tissue nonspecific alkaline phosphatase impairs neural stem cell proliferation and differentiation. Neurosci Lett 485, 208-211
8 Díez-Zaera, M., et al. (2011) Tissue-nonspecific alkaline phosphatase promotes axonal growth of hippocampal neurons. Mol Biol Cell 22, 1014-1024
9 Fonta, C., et al. (2004) Areal and subcellular localization of the ubiquitous alkaline phosphatase in the primate cerebral cortex: evidence for a role in neurotransmission. Cereb Cortex 14, 595-609
10 Ermonval, M., et al. (2009) The cellular prion protein interacts with the tissue non-specific alkaline phosphatase in membrane microdomains of bioaminergic neuronal cells. PLoS One 4, e6497
11 Vardy, E.R., et al. (2012) Alkaline phosphatase is increased in both brain and plasma in Alzheimer’s disease. Neurodegener Dis 9, 31-37
12 Díaz-Hernández, M., et al. (2010) Tissue-nonspecific alkaline phosphatase promotes the neurotoxicity effect of extracellular tau. J Biol Chem 285, 32539-32548
13 Doherty, T.M., et al. (2004) Molecular, endocrine, and genetic mechanisms of arterial calcification. Endocr Rev 25, 629-672
14 Narisawa, S., et al. (2007) Novel inhibitors of alkaline phosphatase suppress vascular smooth muscle cell calcification. J Bone Miner Res 22, 1700-1710
15 Riser, B.L., et al. (2011) Daily peritoneal administration of sodium pyrophosphate in a dialysis solution prevents the development of vascular calcification in a mouse model of uraemia. Nephrol Dial Transplant 26, 3349-3357.
pointscience.png
Nutrition lipidique et tissu osseux

Fabien Wauquier, Véronique Coxam et

Yohann Wittrant

  • INRA, UMR 1019, UNH, CRNH Auvergne, F-63009 CLERMONT-FERRAND

    Contexte

    image1.jpg

Tous les pays industrialisés font face à une augmentation progressive de l’espérance de vie en raison du recul de la mortalité. Par conséquent, la prévalence des maladies chroniques liées à l’âge a augmenté. Ces complications métaboliques sont associées à des dysfonctionnements de l’appareil locomoteur. Parmi ces maladies, la sarcopénie et l’ostéoporose sont particulièrement invalidantes et représentent un enjeu social et économique dans le monde entier. En ce qui concerne la qualité de vie, l’ostéoporose a des effets dévastateurs psychologiques et socio-économiques. Les fractures ostéoporotiques peuvent augmenter jusqu’à 20% le taux de mortalité dans l’année qui suit la fracture. En outre, jusqu’à 50% des patients ne récupèreront pas la totalité de leurs facultés physiques, la moitié d’entre eux nécessitant des soins de longue durée à domicile. Seulement un tiers se remettra complètement du traumatisme. L’ostéoporose est caractérisée par une fragilité osseuse excessive qui conduit à un risque accru de fractures. Les traitements d’aujourd’hui tels que le traitement hormonal substitutif (THS) ont démontré des avantages évidents sur les femmes ostéoporotiques post-ménopausées (1, 2). Toutefois, une prévalence plus élevée d’accidents thrombo-emboliques, de cancers de l’utérus et du sein a été signalée (3). Parce que la recherche en nutrition au cours des trente dernières années a conduit à soutenir l’hypothèse qu’en modulant les fonctions cibles spécifiques dans le corps, l’alimentation peut aider à atteindre une santé optimale en réduisant le risque de maladie, plusieurs études ont été consacrées à l’investigation du rôle de l’alimentation lipidique sur notre santé osseuse.

Lipides et tissu osseux

image2.jpg

Les effets de la nutrition lipidique sur le tissu osseux doivent être considérés tant sur le plan quantitatif que qualitatif. Des méta-anlyses récentes montrent que malgré la stimulation mécanique de l’os lors de l’établissement de l’obésité, les régimes hyperlipidiques ont un effet délétère sur la matrice osseuse. Sur le plan qualitatif, des études cliniques et pré-cliniques démontrent que l’effet sur le tissu osseux varie en fonction du degré de saturation et de la longueur des chaines d’acides gras. Les modalités d’action des acides gras sont plurielles. Leurs effets peuvent être médiés via un récepteur nucléaire ou membranaire, une modification de la fluidité membranaire, de la synthèse de dérivés lipidiques (éicosanoïdes, docosanoïdes, céramides), une modulation de l’expression de facteurs de l’inflammation, d’adipokines ou encore du profil adipeux de la moelle osseuse.Le paramètre le plus décrit est une modulation du contexte inflammatoire. En effet, la littérature a largement liée l’apport lipidique et le statut inflammatoire, un protagoniste clé impliqué dans la résorption osseuse (4, 5). En fait, l’inflammation favorise la dégradation osseuse en stimulant l’activité des ostéoclastes, tout en inhibant la formation osseuse ostéoblastique entraînant un déséquilibre du remodelage osseux et une perte osseuse. A ce sujet, les lipides présentent une dualité d’action, avec tantôt des effets pro-et tantôt des effets anti-inflammatoires en fonction de leurs structures et de leur métabolisme (6, 7). Dans ce contexte, un nombre croissant de publications a permis de mettre en évidence que les acides gras de la famille des ω-6 étaient associés à une perte osseuse accrue, tandis que les ω-3 sont pressentis pour protéger le capital osseux (4, 5, 8, 9). Néanmoins, ce débat reste controversé et les mécanismes d’action sont mal connus.

image3.jpg

Principaux acteurs et principales cibles

image4.jpg

Kruger et al.,2010

La prostaglandine E2 est un dérivé de l’acide arachidonique (ω-6). Produite par cyclo-oxygénation, elle est la prostaglandine la plus étudiée au niveau osseux en raison de sa contribution majeure à l’établissement d’un contexte pro-inflammatoire local qui favorise la résorption et la perte osseuse. Sa synthèse peut être ralentie lors d’un régime enrichi en ω-3 ou en certains ω-6 tels que l’acide γ-linolénique, démontrant ainsi le rôle complexe que peut avoir la nutrition lipidique au sein des mécanismes de remodelage osseux.Dans la compétition que se livrent les différentes classes d’acides gras, la notion de cible cellulaire est à prendre en compte. En effet, les acides gras impactent à la fois l’activité des ostéoblastes, des ostéoclastes ainsi que leur couplage. Plusieurs équipes ont pu mettre en évidence une corrélation inverse entre les ratios RANKL/OPG et ω-3/ ω-6 (10). Concernant les ostéoblastes, la translocation de runx2, un facteur de transcription majeur dans la différentiation ostéoblastique, est augmentée en présence de ω-3 (11). Ces données sont corrélées à la diminution de production de cytokines de l’inflammation telles que l’IL-6 et le TNFα par les ostéoblastes en présence d’acides gras de la famille des ω-3 et supportent le rôle bénéfique de cette classe sur les paramètres osseux. En parallèle, alors que la PGE2 augmente la taille, l’activité et la viabilité des ostéoclastes, l’ostéoclastogénèse est inhibée par le DHA (ω-3), notamment via une diminution de la synthèse et de l’activité du facteur de transcription NFkB (4, 5, 12) un acteur moléculaire clé dans les voies de différentiation ostéoclastique et de synthèse de cytokines pro-inflammatoires.

Nutrition lipidique et ostéoporose

Notre équipe vient de terminer une étude pré-clinique dont le but était d’analyser l’impact de la qualité des acides gras sur l’évolution de l’appareil locomoteur liée à l’âge afin de mieux comprendre quels mécanismes de vieillissement sont impliqués. La souche de souris SAMP8 a été choisie comme modèle de progeria, en comparaison de la souche témoin SAMR1. A deux mois, les souris ont été divisées en différents groupes et soumises aux régimes suivants: (1) standard de croissance” - (2) “tournesol(ratio élevé ω6/ω3) - (3) bourrache” (haute teneur en acide γ-linolénique) - (4) “poisson(riche en ω3 à longue chaîne). Les souris ont été nourries ad libitum pendant l’ensemble du protocole. A 12 mois, les souris ont été sacrifiées et les tissus ont été prélevés pour des études d’architecture osseuse, de mesures de la masse grasse et musculaire, des paramètres de l’inflammation et de l’expression des marqueurs des cellules osseuses. Après validation de l’établissement d’un tableau clinique l’ostéoporotique sénile dans notre modèle, nous avons pu démontrer un effet préventif des régimes de bourrache et de poisson sur l’évolution des paramètres de l’inflammation et des paramètres osseux. Ces données viennent supporter la pertinence d’une approche nutritionnelle pour l’établissement de stratégies de prévention des dysfonctionnements locomoteurs liés à l’âge.

Références

1. Ozgocmen S, Kaya H, Fadillioglu E, Aydogan R, Yilmaz Z. Role of antioxidant systems, lipid peroxidation, and nitric oxide in postmenopausal osteoporosis. Molecular and cellular biochemistry. 2007 Jan;295:45-52.

2. Mann V, Huber C, Kogianni G, Collins F, Noble B. The antioxidant effect of estrogen and Selective Estrogen Receptor Modulators in the inhibition of osteocyte apoptosis in vitro. Bone. 2007 Mar;40:674-84.

3. Valverde P. Pharmacotherapies to manage bone loss-associated diseases: a quest for the perfect benefit-to-risk ratio. Current medicinal chemistry. 2008;15:284-304.

4. Ono K, Kaneko H, Choudhary S, Pilbeam CC, Lorenzo JA, Akatsu T, Kugai N, Raisz LG. Biphasic effect of prostaglandin E2 on osteoclast formation in spleen cell cultures: role of the EP2 receptor. J Bone Miner Res. 2005 Jan;20:23-9.

5. Tsutsumi R, Xie C, Wei X, Zhang M, Zhang X, Flick LM, Schwarz EM, O’Keefe RJ. PGE2 signaling through the EP4 receptor on fibroblasts upregulates RANKL and stimulates osteolysis. J Bone Miner Res. 2009 Oct;24:1753-62.

6. Laneuville O, Breuer DK, Xu N, Huang ZH, Gage DA, Watson JT, Lagarde M, DeWitt DL, Smith WL. Fatty acid substrate specificities of human prostaglandin-endoperoxide H synthase-1 and -2. Formation of 12-hydroxy-(9Z, 13E/Z, 15Z)- octadecatrienoic acids from alpha-linolenic acid. The Journal of biological chemistry. 1995 Aug 18;270:19330-6.

7. Raisz LG, Alander CB, Simmons HA. Effects of prostaglandin E3 and eicosapentaenoic acid on rat bone in organ culture. Prostaglandins. 1989 May;37:615-25.

8. Corwin RL. Effects of dietary fats on bone health in advanced age. Prostaglandins, leukotrienes, and essential fatty acids. 2003 Jun;68:379-86.

9. Calder PC. n-3 polyunsaturated fatty acids, inflammation, and inflammatory diseases. The American journal of clinical nutrition. 2006 Jun;83:1505S-19S.

10. Poulsen RC, Wolber FM, Moughan PJ, Kruger MC. Long chain polyunsaturated fatty acids alter membrane-bound RANK-L expression and osteoprotegerin secretion by MC3T3-E1 osteoblast-like cells. Prostaglandins & other lipid mediators. 2008 Feb;85:42-8.

11. Shen CL, Yeh JK, Rasty J, Li Y, Watkins BA. Protective effect of dietary long-chain n-3 polyunsaturated fatty acids on bone loss in gonad-intact middle-aged male rats.

12. Rahman MM, Bhattacharya A, Fernandes G. Docosahexaenoic acid is more potent inhibitor of osteoclast differentiation in RAW 264.7 cells than eicosapentaenoic acid. Journal of cellular physiology. 2008 Jan;214:201-9.

pointscience.png

RESTRICTION ALIMENTAIRE et TISSU OSSEUX

chauveauchristophe.jpg

par Christophe CHAUVEAU
EA4490, PMOI ULCO-Lille2, Boulogne/mer
Contexte

Ces dernières années l’Anorexie Mentale (AM) est devenue un problème de santé publique dans les pays industrialisés où sa prévalence est de 2,2% chez les jeunes femmes. L’AM est caractérisée par une restriction sévère et sélective de la prise alimentaire. Son l’étiologie est complexe et les complications physiques durables qui affectent les 20 à 50% de patientes correspondant aux cas les plus sévères sont les conséquences de la malnutrition, de la maigreur extrême et de perturbations hormonales profondes. Selon les critères permettant de diagnostiquer l’AM, les patientes ont notamment un indice de masse corporelle (IMC) < 17,5 et sont aménorrhéiques. L’AM inclue également des comportements hyperactifs, anxieux, ainsi qu’une hyperadiponectinémie, une hypoleptinémie, une hyperinsulinémie, une hypercortisolémie et une résistance hépatique à la GH accompagnée de taux faibles d’IGF-1.

Parmi les complications persistant après une récupération d’IMC adéquat, l’ostéopénie et l’ostéoporose, fréquentes, entraînent une augmentation du risque fracturaire atteignant 44% des patientes. Paradoxalement, le nombre et la taille des adipocytes présents dans la moelle osseuse sont élevés chez ces patientes (Abella et al. 2002).

Par rapport aux autres contextes de perte osseuse comme l’ostéoporose liée au vieillissement ou à la ménopause, l’AM se distingue par des perturbations centrales et par l’absence d’inflammation chronique avérée, qui laissent supposer l’implication de mécanismes différents. L’AM constituerait donc un modèle d’ostéoporose particulier qui pourrait permettre de mettre en évidence des mécanismes spécifiques de régulation de la masse osseuse et de reconsidérer les relations os / tissus adipeux / cerveau (Rosen et al. 2009). Mais cela implique la sélection voire le développement de modèles animaux pertinents. Dans ce but plusieurs options ont été utilisées. Aucune n’a permis de reproduire réellement la privation volontaire de nourriture, mais le maintien des animaux en restriction alimentaire pendant de longues périodes et dans différents contextes permet d’étudier les mécanismes adaptatifs nécessaires à la survie, leurs conséquences sur l’organisme ainsi que les capacités de récupération, notamment au niveau osseux.

Modèles animaux de restriction alimentaire chronique
- Restriction calorique simple

Tout d’abord la notion même de restriction alimentaire doit être précisée. Chez la souris, la restriction calorique de 25 à 40% par rapport à la prise alimentaire des animaux nourris ad libitum entraînerait en fait un retour à un état métabolique normal, l’animal ad libitum se suralimentant (Austad, 2001). Cette restriction entraînerait cependant une croissance plus lente (Devlin et al. 2010; Tatsumi et al. 2008). Plusieurs études ont d’ailleurs montré qu’une restriction modérée, par rapport à des animaux nourris à volonté et non par rapport aux besoins réels, augmente l’espérance de vie et retarde le vieillissement (Turturo et al. 1991).

En 2008, l’équipe de Tatsumi a montré qu’une restriction calorique de 40% durant jusqu’à 6 mois entraîne une « perte d’os trabéculaire » (y compris si l’alimentation comprend une complémentation en calcium), due à une augmentation de la résorption et une diminution de la formation, et détectable dès 1 mois de protocole. Cette restriction calorique modérée limiterait aussi la perte osseuse liée au vieillissement en réduisant le remodelage. Devlin a depuis montré que comme dans le cas de l’AM, la restriction calorique modérée entraîne une augmentation de l’adiposité médullaire (Devlin et al. 2010).

chauveau11.jpg
Devlin et al. 2010

La restriction alimentaire constitue probablement, en soi, une source de stress, mais afin de compléter ces modèles certaines études l’ont associée à d’autres facteurs décrits chez les patientes, tels que l’hyperactivité ou le stress chronique.

- Modèles fondés sur la restriction et l’activité

Ce type de modèle a permis de nombreuses études comportementales, du système nerveux, et du métabolisme énergétique principalement chez le rat. Mais ces études, très souvent limitées à 2 semaines de protocole, ne permettent pas d’aborder les adaptations physiologiques probablement mises en place dans l’AM, ni bien sûr leurs conséquences. A ce jour il n’y a pas d’étude décrivant l’impact osseux de ce type de protocole dans lequel la stimulation mécanique liée à l’activité pourrait aller à l’encontre de la perte osseuse induite par la restriction alimentaire. Nous développons en collaboration avec l’INSERM U837 de Lille un modèle à long terme sur des souris femelles, basé sur la restriction alimentaire et l’activité, afin d’étudier les perturbations neuroendocrines, osseuses et du métabolisme énergétique, ainsi que leur réversibilité lors d’une période longue de « récupération ».

- Modèles fondés sur le stress chronique

Afin d’étudier les conséquences du stress chronique sur l’adaptation à l’insuffisance d’apport énergétique, nous développons sur des souris femelles un modèle qui n’a fait l’objet jusque-là que de très peu de publications. Il associe la limitation de la durée d’alimentation à l’isolement des animaux. Cet isolement a deux conséquences principales aboutissant notamment à une consommation énergétique accrue, d’une part un stress chronique et d’autre part une thermogenèse élevée nécessaire pour compenser l’isolement. Après 2 semaines de protocole, les souris ont perdu plus de 20% de leur poids corporel. Après 10 semaines, elles présentent un bone mineral content corps entier inférieur à celui des contrôles. Cette altération est retrouvée aussi bien dans l’os cortical diaphysaire que dans l’os trabéculaire proximal du tibia. Ce protocole induit également une augmentation du nombre d’adipocytes/mm2 dans ce même site. Ces souris sont hypoleptinémiques, hyperadiponectinémiques et présentent notamment des perturbations importantes de leur cycle oestral.

Quels mécanismes possibles pour cette perte osseuse ?

La dénutrition parait à priori une réponse évidente à cette question. Mais d’une part il a été démontré qu’un éventuel déficit en apport calcique n’était pas impliqué chez la souris en restriction simple et d’autre part, les souris du modèle de séparation, qui subissent une restriction de la durée d’accès à l’alimentation et non de la quantité, consomment finalement environ 90% de ce que consomment les souris nourries ad libitum. Ce qui ne peut expliquer les altérations osseuses observées.

Les cytokines inflammatoires sont impliquées dans l’ostéoporose liée au vieillissement (« inflammaging ») ou dans l’ostéoporose post-ménopausique au cours de laquelle la chute en estrogènes entraîne une augmentation du taux de TNFa circulant qui va contribuer à la diminution de la masse osseuse. Certaines de ces cytokines sont également utilisées chez l’animal pour induire des comportements alimentaires et des altérations mimant certains aspects de l’AM. Mais chez les patientes les résultats très contradictoires des dosages ne permettent pas de les considérer comme des facteurs potentiellement impliqués dans les mécanismes induisant une perte osseuse (Corcos et al. 2003). Par ailleurs, le fait que l’adiponectine dont le taux circulant est élevé chez les patientes, soit une adipocytokine anti-inflammatoire, laisse supposer que l’AM présente globalement un contexte de nature non-inflammatoire, même s’il peut en être autrement localement.

Il est également intéressant de noter qu’un traitement de substitution de 2 ans par des estrogènes n’a pas permis de corriger la perte osseuse chez les patientes (Legroux-Gérot et al. 2008), alors que l’association d’estrogènes et d’IGF-1 permettrait aux patientes en guérison de corriger au moins partiellement leur densité minérale osseuse (Grinspoon et al. 2002). Cela pourrait placer la résistance hépatique à la GH et les faibles taux d’IGF-1 circulant au centre des réflexions mécanistiques, d’autant que l’IGF-1 est un des facteurs de croissance les plus abondants dans l’os. L’IGF-1 circulant (à 75% d’origine hépatique) et l’IGF-1 produit par les ostéoblastes régulent la croissance, la formation et la résorption osseuses (Bouxsein et al. 2002 ; Yakar et al. 2010).
Les souris déficientes en récepteur de la leptine (db/db) sont protégées contre la perte osseuse induite par la restriction calorique. Ce qui permet de supposer que les voies de signalisation de la leptine seraient impliquées, malgré l’hypoleptinémie avérée. Mais cela a été obtenu chez des souris KO, et peut donc également être une conséquence indirecte de ce défaut de signalisation (Tatsumi et al. 2008).

Le traitement des souris en restriction calorique par des bêta-bloquants protège également les souris de la perte osseuse, mais le large spectre d’effets de ces molécules ne permet pas de conclure définitivement quant à l’implication du système nerveux sympathique (Tatsumi et al. 2008).
Si l’augmentation de l’adiposité médullaire est commune à de nombreuses pathologies osseuses incluant une ostéoporose, elle est paradoxale dans le cas de l’AM et peut constituer un point de départ pour émettre des hypothèses mécanistiques et notamment concernant l’implication de ces adipocytes dans la diminution de masse osseuse. Mais les spécificités de ses adipocytes, les régulations conduisant à leur apparition dans la moelle, ainsi que leurs capacités à influer sur leur environnement immédiat - comme les cellules souches mésenchymateuses, les ostéoblastes, les ostéoclastes, les réseaux vasculaires et nerveux - restent largement à déterminer.

Références
o Abella E, Feliu E, Granada I, Millá F, Oriol A, Ribera JM, Sánchez-Planell L, Berga LI, Reverter JC, Rozman C. Bone marrow changes in anorexia nervosa are correlated with the amount of weight loss and not with other clinical findings. Am J Clin Pathol. 2002, 118(4):582-8.
o Austad SN. Does caloric restriction in the laboratory simply prevent overfeeding and return house mice to their natural level of food intake? Sci Aging Knowledge Environ. 2001, (6):pe3.
o Bouxsein ML, Rosen CJ, Turner CH, Ackert CL, Shultz KL, Donahue LR, Churchill G, Adamo ML, Powell DR, Turner RT, Müller R, Beamer WG. Generation of a new congenic mouse strain to test the relationships among serum Insulin?like Growth Factor I, bone mineral density, and skeletal morphology In Vivo. J Bone Miner Res 2002, 17:570-79.
o Corcos M, Guilbaud O, Paterniti S, Moussa M, Chambry J, Chaouat G, Consoli SM, Jeammet P. Involvement of cytokines in eating disorders: a critical review of the human literature. Psychoneuroendocrinology. 2003, 28(3):229-49.
o Devlin MJ, Cloutier AM, Thomas NA, Panus DA, Lotinun S, Pinz I, Baron R, Rosen CJ, Bouxsein ML. Caloric restriction leads to high marrow adiposity and low bone mass in growing mice. J Bone Miner Res 2010, 25:2078–2088.
o Grinspoon S, Thomas L, Miller K, Herzog D, Klibanski A. Effects of recombinant human IGF-I and oral contraceptive administration on bone density in anorexia nervosa. J Clin Endocrinol Metab 2002, 87(6):2883-91.
o Legroux-Gerot I, Vignau J, Collier F, Cortet B. Factors influencing changes in bone mineral density in patients with anorexia nervosa-related osteoporosis: the effect of hormone replacement therapy. Calcif Tissue Int. 2008, 83(5):315-23.
o Rosen CJ, Klibanski A. Bone, fat, and body composition: evolving concepts in the pathogenesis of osteoporosis. Am J Med. 2009, 122(5):409-14.
o Tatsumi S, Ito M, Asaba Y, Tsutsumi K, Ikeda K. Life-long caloric restriction reveals biphasic and dimorphic effects on bone metabolism in rodents. Endocrinology 2008, 149:634–641.
o Turturro A, Hart RW: Longevity-assurance mechanisms and caloric restriction. Ann N Y Acad Sci 1991, 621:363-372.
o Tavassoli M. Marrow adipose cells and hemopoiesis: an interpretative review. Exp Hematol. 1984, 12(2):139-46.
o Yakar S, Courtland HW, Clemmons D. IGF-1 and bone: New discoveries from mouse models. J Bone Miner Res 2010, 25(12):2543-52.
pointscience.png 

La famille GLA s’agrandit!

par Martine DUTERQUE

UMR8161 CNRS, Institut de Biologie de Lille

Les protéines Gla sont des protéines dépendantes de la vitamine K (VKD), elles possèdent un domaine riche en résidus Glu capables d’être g-carboxylés. Au niveau du squelette, deux protéines Gla sont connues, il s’agit de l’Ostéocalcine (Oc) et de la Protéine Gla de

la Matrice (MGP) respectivement isolées à partir de la phase minérale de l’os chez le poulet et le bœuf (Hauschka et al. 1975; Price et al. 1976) et à partir de la matrice osseuse bovine (Price et al. 1983). Récemment, une troisième protéine Gla a été identifiée à partir de cartilage calcifié d’esturgeon (Viegas et al. 2008). Cette protéine, appelée GRP (Gla rich-protein), présente le plus grand nombre de résidus Gla (16 à 19 en fonction des espèces) parmi toutes les protéines Gla connues (Figure 1).

glaprot.jpg

Figure 1 : Représentation schématique de la structure de l’OC humaine (Ostéocalcine), de la MGP humaine, et de la protéine Ucma/GRP (Laize et al., 2005, Le Jeune et al., 2010). Les protéines possèdent un peptide signal, un site de reconnaissance de la g-glutamyl carboxylase (GGCX), des sites de clivage protéolytique (AnxF, RxxR et RR), des ponts disulfure (C-C), des résidus Gla (en vert). Cliquez sur la figure pour une meilleure résolution

Le gène correspondant à cette protéine a été mis en évidence de manière concomitante par quatre approches distinctes. D’une part, par la recherche de nouveaux gènes spécifiques des chondrocytes murins (Tagariello et al. 2008), puis par recherche de gènes dont l’expression est modifiée suite au traitement des chondrocytes murins par l’acide rétinoïque (Surmann-Schmitt et al. 2008), ces deux équipes ont appelé ce gène Ucma (Unique Cartilage Matrix-Associated gene ou Upper zone of growth plate and Cartilage Matrix Associated gene). D’autre part, la recherche de nouvelles protéines Gla au niveau du cartilage calcifié d’esturgeon (Viegas et al. 2008) a conduit à l’identification de la protéine GRP (Gla rich-protein) issue du même gène. Enfin, la recherche de gènes régulés dans le cartilage embryonnaire, par les facteurs de transcription Erg, membres de la famille Ets, nous a permis d’identifier ce gène chez la souris, nous l’avons alors appelé Ucma/GRP afin de réconcilier les deux appellations précédentes (Le Jeune et al., 2010).

L’expression du gène Ucma/GRP est principalement détectée dans le cartilage. Chez la souris, elle est présente au niveau du squelette en développement, dans la partie distale des vertèbres, des côtes, dans la zone de réserve de chondrocytes dans l’épiphyse (Surmann-Schmitt et al. 2008). Puis chez la souris adulte, une très faible expression est détectée à la surface du cartilage articulaire. Cependant, le gène Ucma/GRP n’est pas uniquement exprimé dans le cartilage mais aussi au niveau de l’os trabéculaire dans les ostéoblastes et ostéocytes chez le rat adulte (Viegas et al. 2008). Plus récemment, l’expression de ce gène a aussi été détectée dans la peau et le système vasculaire chez le rat et l’homme (Viegas et al. 2009).

Enfin, chez la souris, le gène Ucma/GRP donne naissance à quatre transcrits par un mécanisme d’épissage alternatif des exons 2 et 4 (Figure 2) (Le Jeune et al., 2010).

fig2.jpg

Figure 2 : Le gène Ucma/GRP comporte cinq exons dont deux sont alternatifs (exon 2 et exon 4) ce qui conduit à la synthèse de 4 protéines isoformes, F1, F2, F3 et F4. Ce mécanisme d’épissage alternatif affecte soit le peptide signal, soit le domaine le plus riche en résidus Gla (en vert), soit les deux. Le site de reconnaissance de la g-glutamyl carboxylase (GGCX) et les sites de clivage protéolytique (AnxF et RxxR) ne sont pas affectés par ce mécanisme (Le Jeune et al., 2010). Cliquez sur la figure pour une meilleure résolution

Les quatre protéines isoformes qui en résultent possèdent des propriétés différentes, deux d’entre elles ne sont plus sécrétées (F2 et F4), deux d’entre elles ne possèdent plus leur domaine riche en résidus Gla (F3 et F4). Les fonctions respectives des protéines Ucma/GRP ne sont pas encore connues mais la co-expression de quatre isoformes aux propriétés différentes laissent penser qu’un équilibre subtil d’expression est nécessaire à la fonction physiologique des produits de ce gène.

Les derniers éléments publiés au sujet des produits du gène Ucma/GRP montrent que ces protéines sont circulantes et capables de s’accumuler au niveau des dépôts minéraux dans la peau et les vaisseaux atteints de calcifications pathologiques (Viegas et al. 2009). L’ensemble des résultats concernant l’expression et les propriétés des produits de ce nouveau gène Ucma/GRP ouvrent de nombreuses perspectives dans l’étude et la compréhension des mécanismes de calcification physiologiques ou pathologiques.

Martine Duterque-Coquillaud, martine.duterque@ibl.fr

  • Hauschka PV, Lian JB, Gallop PM (1975) Direct identification of the calcium-binding amino acid, gamma-carboxyglutamate, in mineralized tissue. Proc Natl Acad Sci U S A 72(10): 3925-3929.
  • Laizé V, Martel P, Viegas CSB et al., (2005) Evolution of Matrix and Bone (gamma)- Carboxyglutamic acid proteins in vertebrates. J. Biol. Chem. 280:26659-26668.
  • Le Jeune M, Tomavo N, Tian TV, Flourens A, Marchand N et al. Identification of four alternatively spliced transcripts of the Ucma/GRP gene, encoding a new Gla-containing protein. Exp Cell Res 316(2): 203-215.
  • Price PA, Poser JW, Raman N (1976) Primary structure of the gamma-carboxyglutamic acid-containing protein from bovine bone. Proc Natl Acad Sci U S A 73(10): 3374-3375.
  • Price PA, Urist MR, Otawara Y (1983) Matrix Gla protein, a new gamma-carboxyglutamic acid-containing protein which is associated with the organic matrix of bone. Biochem Biophys Res Commun 117(3): 765-771.
  • Surmann-Schmitt C, Dietz U, Kireva T, Adam N, Park J et al. (2008) Ucma, a Novel Secreted Cartilage-specific Protein with Implications in Osteogenesis. J Biol Chem 283(11): 7082-7093.
  • Tagariello A, Luther J, Streiter M, Didt-Koziel L, Wuelling M et al. (2008) Ucma–A novel secreted factor represents a highly specific marker for distal chondrocytes. Matrix Biol 27(1): 3-11.
  • Viegas CS, Cavaco S, Neves PL, Ferreira A, Joao A et al. (2009) Gla-rich protein is a novel vitamin K-dependent protein present in serum that accumulates at sites of pathological calcifications. Am J Pathol 175(6): 2288-2298.
  • Viegas CSB, Simes DC, Laize V, Williamson MK, Price PA et al. (2008) Gla-rich Protein (GRP), A New Vitamin K-dependent Protein Identified from Sturgeon Cartilage and Highly Conserved in Vertebrates. J Biol Chem 283(52): 36655-36664.