L’ostéopétrose, de la souris à l’homme Osteopetrosis, from mouse to man

Résumé

Les ostéoclastes sont des acteurs essentiels du remodelage osseux, et des anomalies de leur différenciation ou de leur activité conduisent à l’apparition de maladies osseuses, dont des défauts de résorption osseuse qui se traduisent par l’apparition d’une ostéopétrose. Différents modèles murins développant une ostéopétrose secondaire à l’apparition de mutations spontanées ou à l’invalidation de gènes ont permis de décrypter, au moins en partie, les mécanismes impliqués dans la différenciation et l’activité des ostéoclastes. Chez l’être humain, en revanche, seules des anomalies d’activité de l’ostéoclaste ont été décrites. Trois modèles murins, les souris oc/oc, gl/gl et Clcn7^-/-, présentent un phénotype proche de celui de patients atteints d’ostéopétrose maligne infantile, la forme d’ostéopétrose la plus sévère chez l’homme. Des mutations dans les gènes TCIRG1, GL et CLCN7 ont donc été recherchées chez des patients ostéopétrotiques, et retrouvées majoritairement dans l’ostéopétrose maligne infantile et dans l’ostéopétrose de type II. Une telle correspondance phénotypique et génétique fait de ces trois mutants de souris des modèles particulièrement adaptés à l’étude de l’ostéopétrose humaine.

Summary

The osteoclast is the main effector of bone resorption. Failure in osteoclast differentiation or function leads to osteopetrosis, a bone disease characterized by an impaired bone resorption. Analysis of mouse models developing osteopetrosis as a consequence of naturally occuring mutations or gene knockouts allowed to establish the osteoclast differentiation pathway. Among these models, the oc/oc, the gl/gl and the Clcn7–^/– mice present a phenotype similar to the one displayed by patients with infantile malignant osteopetrosis, the most severe form of osteopetrosis in human. Analysis of these models led to the identification of different mutations in the corresponding human genes TCIRG1, GL and CLCN7, in osteopetrotic patients. Mutations in the TCIRG1 gene seem the most frequent cause of malignant osteopetrosis and mutations in the CLCN7 gene seem the most frequent cause of type II osteopetrosis. Therefore, these three mouse models appear to be particularly well suited for the study of the osteoclast function in order to provide new insights in the therapy of osteopetrosis.

L’os est un tissu en perpétuel renouvellement, et l’homéostasie osseuse dépend de l’équilibre d’action de deux types cellulaires: les ostéoblastes, qui synthétisent la matrice osseuse, et les ostéoclastes, qui la résorbent. L’équilibre entre synthèse et résorption est très finement réglé, et tout déséquilibre conduit à des maladies osseuses. Chez l’homme, le terme d’ostéopétrose recouvre des maladies distinctes et hétérogènes, qui sont toutes des maladies rares associées à un défaut de résorption osseuse, avec augmentation ou non de l’activité des ostéoblastes (ostéosclérose).

L’ostéoclaste est, quant à lui, une cellule multinucléée, formée par la fusion de cellules dérivées de précurseurs de la lignée myélomonocytaire communs aux macrophages, aux cellules dendritiques et aux ostéoclastes. Sous l’influence de facteurs sécrétés par les ostéoblastes ou les cellules stromales du microenvironnement osseux, ces précurseurs se différencient en ostéoclastes (pour revue, voir [1]) ((→) m/s 2001, n° 12, p. 1260) (Figure 1).

Figure 1

Étapes de la différenciation ostéoclastique.

Les ostéoclastes sont issus de précurseurs de la lignée myélomonocytaire. Deux facteurs sont essentiels à l’ostéoclastogenèse, M-CSF (macrophage-colony stimulating factor) et RANK-L (receptor activator of nuclear factor κB ligand). Ces facteurs sont synthétisés par les cellules du microenvironnement osseux et se fixent sur leurs récepteurs respectifs c-FMS et RANK, à la surface des préostéoclastes. Ceux-ci fusionnent pour donner des ostéoclastes multinucléés qui se polarisent au contact de l’os en formant une membrane plissée, siège de la résorption osseuse. L’ostéoprotégérine (OPG) agit comme régulateur de l’ostéoclastogenèse en se fixant à RANK-L et en bloquant son effet sur RANK.

Modèles d’ostéopétrose chez la souris

Selon leur niveau d’intervention dans le processus de différenciation ostéoclastique, les gènes mutés dans les modèles murins d’ostéopétrose entraînent soit une absence (ou une diminution) de la formation des ostéoclastes, soit un défaut de fonction des ostéoclastes. Certains de ces gènes ont été retrouvés mutés dans différentes maladies osseuses humaines, qu’il s’agisse d’ostéopétrose ou d’autres affections.

Ostéopétrose liée à un défaut de différenciation des ostéoclastes

Les modèles murins de mutations spontanées ou d’invalidation de gènes, ainsi que les phénotypes qui en résultent, sont présentés dans le Tableau I.

Trois modèles animaux présentant un arrêt ou une diminution de la différenciation des progéniteurs myéloïdes en précurseurs myélomonocytaires ont permis de démontrer que le facteur de transcription PU.1, exprimé par les cellules hématopoïétiques [2], ainsi que le couple M-CSF (macrophage-colony stimulating factor)/c-FMS(récepteur du M-CSF, présent à la surface des précurseurs myélomonocytaires) [3, 4], sont essentiels à la première étape de l’ostéoclastogenèse. À l’issue de cette première phase de différenciation, les précurseurs myélomonocytaires peuvent s’engager dans différentes voies pour donner des macrophages, des ostéoclastes ou des cellules dendritiques. Cet engagement est contrôlé, au moins en partie, par c-Fos, facteur de transcription appartenant au complexe AP1, qui favoriserait la voie ostéoclastique par rapport aux voies macrophagique et dendritique; en effet, les souris c-Fos–^/– ont plus de macrophages que les souris témoins [5], et il a été démontré, in vitro, que c-Fos active la différenciation des ostéoclastes et inhibe celle des cellules dendritiques [6].

La fin des années 1990 a vu se dessiner le rôle primordial, dans l’ostéoclastogenèse, du ligand de RANK (RANK-L), appartenant à la superfamille du TNF (tumor necrosis factor), de son récepteur RANK (receptor activator of nuclear factor κB) et de l’ostéoprotégérine (OPG) (Figure 2). Alors que RANK-L, synthétisé par les cellules stromales, est un activateur de la différenciation par l’intermédiaire de sa fixation au récepteur RANK présent à la surface des précurseurs ostéoclastiques, l’ostéoprotégérine, facteur soluble synthétisé par les cellules du microenvironnement osseux, inhibe les interactions entre RANK-L et RANK et module donc la différenciation des précurseurs ostéoclastiques [7]. La mutation des gènes Rank-L ou Rank se traduit par un déséquilibre du métabolisme osseux et par des atteintes du système immunitaire [8, 9].

Figure 2

Voies de signalisation impliquées dans la différenciation et l’activité des ostéoclastes.

Les deux voies essentielles sont celles de RANK-L (receptor activator of nuclear factor κB ligand) et de M-CSF (macrophage-colony stimulating factor). Ces facteurs se lient sur leurs récepteurs membranaires à activité tyrosine-kinase, RANK et c-FMS, déclenchant des cascades de signalisation aboutissant à l’activation de facteurs de transcription contrôlant l’expression de gènes nécessaires à la différenciation et à l’activité de l’ostéoclaste. αvβ₃: récepteur de la vitronectine; Acp5: gène codant pour la phosphatase acide résistante au tartrate; Ctsk: gène codant pour la cathepsine K; FRA1: fos-related antigen; CAII: anhydrase carbonique de type II; MITF: microphthalmia-associated transcription factor; PU.1: (Spi-1) spleen focus forming virus proviral integration oncogene 1; RGD: motifs Arg-Gly-Asp communs aux ligands des intégrines; TRAF: tumor necrosis factor receptor-associated factor; PYK2: prolin-rich tyrosine kinase.

La liaison de RANK-L sur RANK déclenche une cascade de signalisation impliquant en particulier l’activation de NF-κB (Figure 2). Ce facteur de transcription est un dimère constitué de plusieurs combinaisons de protéines très proches structurellement, p50 (NF-κB1), p52 (NF-κB2), p65 (RelA), c-Rel (Rel) et RelB. L’invalidation de chacun des gènes correspondants conduit à des anomalies de fonctionnement du système immunitaire chez la souris [10, 11]. Cependant, et malgré l’importance de la voie de signalisation de NF-κB dans l’ostéoclastogenèse, aucune atteinte du métabolisme osseux n’a été rapportée chez ces animaux. En revanche, l’observation d’une ostéopétrose chez les doubles mutants p50^-/- p52^-/- suggère que les deux protéines p50 et p52, dont les séquences primaires sont très similaires, ont vraisemblablement une action redondante [12, 13].

Ostéopétrose liée à un défaut de la fonction des ostéoclastes

Dans cette seconde catégorie de modèles d’ostéopétrose, les ostéoclastes sont présents, mais inactifs en raison d’un défaut affectant des protéines impliquées dans différentes fonctions: adhérence et mobilité des ostéoclastes, résorption de la matrice osseuse organique et minérale.

Les TRAF (TNF receptor-associated factors) jouent un rôle essentiel dans l’activité des ostéoclastes (Figure 2 et Tableau I). Le recrutement de TRAF-6 après la liaison de RANK-L sur son récepteur aboutit ainsi à l’activation de NF-κB, ainsi que de c-Src, une protéine à activité tyrosine-kinase également impliquée dans les cascades de signalisation du M-CSF. Cette protéine intervient également dans les voies de signalisation des intégrines, qui contrôlent l’attachement de l’ostéoclaste à l’os. La principale intégrine de l’ostéoclaste est le récepteur de la vitronectine, αvβ₃. Son activation par liaison aux protéines matricielles entraîne l’activation de PYK2 (prolin-rich tyrosine kinase), une kinase qui phosphoryle c-Src. Cette association PYK2/c-Src intervient dans la régulation de l’adhérence et de la migration des ostéoclastes (pour revue, voir [14]) ((→) m/s 2001, n°12, p. 1260). Les souris chez lesquelles ces gènes ont été invalidés présentent un défaut d’attachement de l’ostéoclate à l’os [15-17]. De son côté, la protéine MITF (microphtalmia transcription factor), activée par une phosphorylation induite par le M-CSF (Figure 2), contrôle l’expression de gènes impliqués dans la survie, la fusion et l’activité des ostéoclastes [18, 19]. Le phénotype des animaux portant une mutation du gène Mitf est proche de celui des souris gl/gl qui développent à la fois une anomalie de pigmentation et une ostéopétrose sévère. Les ostéoclastes de ces souris présentent des altérations du cytosquelette et de la formation de la bordure plissée. Le gène gl muté chez ces souris code pour une protéine cytoplasmique dont le rôle n’est pas encore défini [20].

Tableau I

Modèles d’ostéopétrose décrits chez la souris et leur correspondance, quand elle existe, chez l’homme.

L’invalidation ou la mutation spontanée des gènes décrits dans ce tableau entraîne le développement d’une ostéopétrose qui peut être soit sévère, avec une absence de résorption osseuse se traduisant par une augmentation généralisée de la densité osseuse, une absence d’éruption dentaire et une létalité précoce, soit modérée, avec une diminution de la résorption osseuse se manifestant par une augmentation modérée de la densité osseuse, sans létalité.

Les voies de signalisation de RANK et du M-CSF contrôlent donc non seulement des étapes essentielles de la différenciation, mais également de l’adhérence, de la migration et de l’activité de l’ostéoclaste. Les facteurs de transcription activés par les signaux des voies de RANK-L et M-CSF contrôlent, entre autres, l’expression de gènes codant pour les enzymes de dégradation de la matrice organi-que osseuse. Parmi ces enzymes, la phosphatase acide résistante au tartrate (TRAP) participe à la déphosphorylation des protéines matricielles de l’os, et son expression est réglée par PU.1 et MITF. La cathepsine K, dont l’expression est également contrôlée par MITF, est une cystéine-protéinase participant à la dégradation de la matrice osseuse organique. L’invalidation des gènes codant pour ces deux enzymes est associée à une ostéopétrose de type modéré [21, 22].

Au contact de la surface osseuse, l’ostéoclaste se polarise et forme une membrane plissée délimitant la lacune de résorption. L’acidification de la lacune de résorption permet la dissolution de la matrice minérale et une activité optimale des enzymes protéolytiques participant à la dégradation de la matrice osseuse organique. Elle fait intervenir la pompe H⁺-ATPase vacuolaire (V-ATPase) et le canal chlore ClC7 (Figure3) (pour revue, voir [23]) ((→) m/s 2001, n°12, p. 1260). Ce système d’acidification est altéré dans deux modèles d’ostéopétrose, la souris ostéosclérotique oc/oc [24] et la souris Clcn7^-/- [25]. Nous avons montré que les souris oc/oc portent une mutation spontanée du gène Tcirg1 (T cell immune regulator 1), également appelé Atp6i, codant pour l’isoforme α3 de la sous-unité de 116 kDa de la V-ATPase [26]. L’invalidation de ce gène reproduit le phénotype des souris oc/oc [27]. Chez la levure, deux protéines homologues de la sous-unité α, Vph1p et Stv1p, contrôlent le ciblage de la V-ATPase vers différents compartiments cytoplasmiques [28]. La perte d’association entre la V-ATPase et le cytosquelette chez la souris oc/oc suggère que la sous-unité α3 participe à la relocalisation de la V-ATPase de la vacuole vers la membrane plasmique [29].

Figure 3

Mécanismes d’acidification de la lacune de résorption.

Les protons produits par l’anhydrase carbonique de type II (CAII) passent dans les compartiments intracytoplasmiques grâce à la pompe proton-ATPase vacuolaire (V-ATPase). Cette V-ATPase est associée au canal chlore ClC7 qui permet par passage d’ions Cl–, de compenser les différences de potentiel membranaire. Ces ions Cl– entrent dans la cellule grâce à l’échangeur HCO₃–/ Cl–. Lorsque l’ostéoclaste se polarise au contact de l’os, V-ATPase et ClC7, présents sur la membrane des compartiments intracytoplasmiques, sont relocalisés au niveau de la membrane plissée par fusion exocytosique, grâce à des interactions avec le cytosquelette, permettant ainsi l’acidification de la lacune de résorption.

Gènes impliqués dans l’ostéopétrose humaine

Formes d’ostéopétrose humaine

Chez l’homme, deux formes principales d’ostéopétrose sont distinguées. L’ostéopétrose maligne infantile est une maladie à transmission autosomique récessive, dont l’incidence est de 1/200000, et qui est caractérisée par des symptômes sévères liés à des anomalies du remodelage osseux (retard de croissance, malformations des os des membres et du crâne, retard à l’éruption dentaire), de l’hématopoïèse (hématopoïèse extramédullaire avec hépatosplénomégalie) et neurosensorielles (cécité et troubles du développement psychomoteur pouvant être dus à une compression osseuse ou à la maladie elle-même). En l’absence de traitement, la survie des patients est estimée à 30% à l’âge de 6 ans, avec une qualité de vie extrêmement médiocre. Infections, hémorragies et anémie rendent compte du décès pendant la première décennie. L’autre forme d’ostéopétrose, à transmission autosomique dominante, recouvre différentes maladies partageant une sémiologie osseuse commune [30], parmi lesquelles l’ostéopétrose de type II (maladie d’Albers-Schönberg) est la plus fréquente[1] (environ 1/100 000). Cette maladie reste bénigne, et de nombreux patients sont asymptomatiques: ses caractéristiques majeures sont la survenue fréquente de fractures, une ostéomyélite mandibulaire et une ostéoarthrite de la hanche.

Bases génétiques de l’ostéopétrose humaine

Les patients atteints d’ostéopétrose maligne infantile ont un phénotype équivalent à celui décrit chez la souris oc/oc(Figure 4), avec comme caractéristiques principales une densité osseuse élevée et une réduction des cavités médullaires. Des mutations du gène TCIRG1 ont donc été recherchées chez ces patients, et détectées dans environ 50 % des cas étudiés [31-34]. Si la majorité de ces mutations touche des sites donneurs ou accepteurs d’épissage, des insertions, des délétions ou des mutations non-sens ont également été observées. Des mutations ponctuelles entraînant des modifications d’acides aminés conservés dans les séquences des homologues de TCIRG1 de plusieurs espèces ont également été décrites. Ces mutations entraînent probablement la production de protéines non fonctionnelles, ou d’ARNm instables ou ne pouvant être traduits correctement [33]. Cependant, toutes ces mutations ne sont pas présentes à l’état homozygote: certains patients sont des hétérozygotes composites et, dans certains cas, des mutations ne sont détectées que sur un seul allèle du gène. Dans tous les cas étudiés, les régions promotrices et les introns du gène n’ont pas été analysés de façon extensive. L’ostéopétrose maligne infantile ayant une transmission de type autosomique récessif, la présence de mutations dans les régions régulatrices ou introniques du gène TCIRG1 ne peut être exclue.

Figure 4

Radiographies du squelette d’une souris ostéosclérotique oc/oc et d’un patient atteint d’ostéopétrose maligne infantile.

L’analyse comparative par radiographie du squelette d’une souris oc/oc et d’une souris normale âgées de 15 jours met en évidence chez la souris oc/oc un retard de croissance, une augmentation de la densité osseuse et une absence de cavité médullaire dans les os longs. Ces anomalies des os longs sont retrouvées sur la radiographie du squelette d’un enfant atteint d’ostéopétrose maligne infantile, en comparaison avec un enfant sain du même âge (2 semaines).

Des mutations du gène CLCN7 ont également été recherchées et détectées dans neuf familles de patients atteints d’ostéopétrose maligne infantile [25, 35, 36]. Elles consistent en insertions, délétions ou mutations non-sens et faux-sens présentes à l’état homozygote ou hétérozygote composite. Des mutations du gène CLCN7 ont également été décrites dans des familles de patients atteints d’ostéopétrose de type II [35, 36]. Ces mutations sont des délétions d’un ou deux nucléotides, ou des mutations faux-sens touchant, là encore, des acides aminés conservés chez tous les membres de la famille des protéines CLC. Cependant, les raisons pour lesquelles des patients porteurs de mutations du gène CLCN7 peuvent avoir un phénotype très sévère (ostéopétrose maligne infantile) ou plutôt bénin (type II), ainsi que des modes de transmission différents (récessif ou dominant), restent à élucider.

Récemment, une étude portant sur 19patients ne présentant pas de mutation dans les gènes TCIRG1 et CLCN7 a montré la présence d’une mutation du gène GL, sur un site donneur d’épissage, chez un seul de ces patients [20]. Les mutations du gène GL restent donc minoritaires dans l’ostéopétrose maligne infantile.

Les mutations des gènes TCIRG1 et CLCN7 étant respectivement les causes les plus fréquentes d’ostéopétrose maligne infantile et de type II, la recherche systématique de mutations dans ces gènes est donc nécessaire en cas de diagnostic d’ostéopétrose. Cependant, un certain nombre de patients ne présentent pas de mutation dans la séquence codante de ces gènes: ces données suggèrent la présence de mutations dans des régions régulatrices de ces gènes, ou l’intervention d’autres gènes encore non identifiés.

Conclusions

L’hétérogénéité phénotypique de l’ostéopétrose, rencontrée chez l’homme comme chez la souris, est probablement liée au grand nombre de gènes potentiellement impliqués dans le processus de différenciation des ostéoclastes, et au niveau où ces gènes interviennent. La biologie de l’ostéoclaste a donc largement profité de l’analyse des mutants ostéopétrotiques.

Chez la souris, les défauts de la différenciation ostéoclastique bloquent également d’autres voies de différenciation du système hématopoïétique. Chez l’homme, en revanche, seules des anomalies d’activité de l’ostéoclaste ont été décrites: les défauts de différenciation du système hématopoïétique sont donc probablement létaux à un stade précoce du développement humain.

Les souris oc/oc, gl/gl et Clcn7–^/– constituent des modèles prometteurs, non seulement car ils reproduisent le phénotype des patients atteints d’ostéopétrose maligne infantile, mais aussi parce que les bases génétiques de cette ostéopétrose sont les mêmes que chez les patients. L’étude de ces modèles devrait donc permettre le développement de nouveaux agents thérapeutiques de l’ostéopétrose, mais également des maladies osseuses en général.

L’ostéopétrose maligne infantile est spontanément mortelle lorsqu’elle n’est pas traitée. Le seul traitement ayant entraîné une rémission réelle et à long terme est l’allogreffe de moelle osseuse en condition allogénique, mais son efficacité reste faible [37]. Toutefois, les progrès réalisés dans le cas de maladies touchant les cellules du système hématopoïétique [38], dont est issu l’ostéoclaste, suggèrent que la thérapie cellulaire appliquée à l’ostéoclaste pourrait être envisagée dans le cas de l’ostéopétrose maligne infantile.

Note

• [1] L’ostéopétrose liée à un déficit en anhydrase carbonique de type II présente quant à elle un phénotype intermédiaire, avec une transmission autosomique récessive.Cependant, l’invalidation, chez la souris, du gène correspondant ne conduisant pas à un phénotype d’ostéopétrose, nous ne traiterons pas de cette maladie dans le cadre de cet article.