ABSTRACT Pharmacological and genetic studies over the past decade have established FSH as an actionable target for diseases affecting millions, notably osteoporosis, obesity and Alzheimer’s disease (AD). Blocking FSH action prevents bone loss, fat gain and AD–like features in mice. We recently developed a first–in–class, humanized, epitope–specific FSH blocking antibody, MS-Hu6, with a K D of 7.52 nM. Using a GLP–compliant platform, we now report the efficacy of MS-Hu6 in preventing obesity and osteoporosis in mice, and parameters of acute safety in monkeys. Biodistribution studies using 89 Zr–labelled, biotinylated or unconjugated MS-Hu6 in mice and monkeys showed localization to bone, bone marrow and fat depots. MS-Hu6 displayed a β phase t ½ of 13 days (316 hours) in humanized Tg32 mice, and bound endogenous FSH. We tested 215 variations of excipients using the protein thermal shift assay to generate a final formulation that rendered MS-Hu6 stable in solution upon freeze–thaw and at different temperatures, with minimal aggregation, and without self–, cross–, or hydrophobic interactions or appreciable binding to relevant human antigens. MS-Hu6 showed the same level of “humanness” as human IgG1 in silico , and was non–immunogenic in ELISPOT assays for IL-2 and IFNγ in human peripheral blood mononuclear cell cultures. We conclude that MS-Hu6 is efficacious, durable and manufacturable, and is therefore poised for future human testing as a multipurpose therapeutic.

There is clear evidence that the sympathetic nervous system (SNS) mediates bone metabolism. Histological studies show abundant SNS innervation of the periosteum and bone marrow–these nerves consist of noradrenergic fibers that immunostain for tyrosine hydroxylase, dopamine beta-hydroxylase, or neuropeptide Y. Nonetheless, the brain sites that send efferent SNS outflow to the bone have not yet been characterized. Using pseudorabies (PRV) viral transneuronal tracing, we report, for the first time, the identification of central SNS outflow sites that innervate bone. We find that the central SNS outflow to bone originates from 87 brain nuclei, sub-nuclei, and regions of six brain divisions, namely the midbrain and pons, hypothalamus, hindbrain medulla, forebrain, cerebral cortex, and thalamus. We also find that certain sites, such as the raphe magnus (RMg) of the medulla and periaqueductal gray (PAG) of the midbrain, display greater degrees of PRV152 infection, suggesting that there is considerable site-specific variation in the levels of central SNS outflow to the bone. This comprehensive compendium illustrating the central coding and control of SNS efferent signals to bone should allow for a greater understanding of the neural regulation of bone metabolism, and importantly and of clinical relevance, mechanisms for central bone pain.

ABSTRACT There is clear evidence that the sympathetic nervous system (SNS) mediates bone metabolism. Histological studies show abundant SNS innervation of the periosteum and bone marrow––these nerves consist of noradrenergic fibers that immunostain for tyrosine hydroxylase, dopamine beta hydroxylase, or neuropeptide Y. Nonetheless, the brain sites that send efferent SNS outflow to bone have not yet been characterized. Using pseudorabies (PRV) viral transneuronal tracing, we report, for the first time, the identification of central SNS outflow sites that innervate bone. We find that the central SNS outflow to bone originates from 87 brain nuclei, sub–nuclei and regions of six brain divisions, namely the midbrain and pons, hypothalamus, hindbrain medulla, forebrain, cerebral cortex, and thalamus. We also find that certain sites, such as the raphe magnus (RMg) of the medulla and periaqueductal gray (PAG) of the midbrain, display greater degrees of PRV152 infection, suggesting that there is considerable site–specific variation in the levels of central SNS outflow to bone. This comprehensive compendium illustrating the central coding and control of SNS efferent signals to bone should allow for a greater understanding of the neural regulation of bone metabolism, and importantly and of clinical relevance, mechanisms for central bone pain.

ABSTRACT Oxytocin (OXT), a primitive nonapeptide known to regulate reproduction and social behaviors, is synthesized primarily in the hypothalamus and is secreted via hypophyseal-portal system of the posterior pituitary gland. Given that pituitary hormones, traditionally thought of as regulators of single targets, display an array of central and peripheral actions, OXT also directly affects bone and body composition. Its effects on bone remodeling are physiologically relevant, as elevated OXT levels during pregnancy and lactation could cause calcium mobilization from the maternal skeleton for intergenerational calcium transfer towards fetal bone growth. There is an equally large body of evidence that has established the presence of OXT receptors (OXTRs) in the brain through which central functions, such as social bonding, and peripheral functions, such as the regulation of body composition, can be exerted. To purposefully address the effects of OXT on the brain, we used RNAscope to map OXT and OXTR expression, at the single transcript level, in the whole mouse brain. Identification of brain nuclei with the highest OXT and OXTR transcript density will shed further light on functional OXT nodes that could be further interrogated experimentally to define new physiologic circuitry.

ABSTRACT There is increasing evidence that anterior pituitary hormones, traditionally thought to have unitary functions in regulating single endocrine targets, act on multiple somatic tissues, such as bone, fat, and liver. There is also emerging evidence for anterior pituitary hormone action on brain receptors in mediating central neural and peripheral somatic functions. Here, we have created the most comprehensive neuroanatomical atlas on the expression of TSHRs, LHCGRs and FSHRs. We have used RNAscope, a technology that allows the detection of mRNA at single-transcript level, together with protein level validation, to document Tshr expression in 173 and Fshr expression in 353 brain regions, nuclei and sub–nuclei identified using the Atlas for the Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates . We also identified Lhcgr transcripts in 401 brain regions, nuclei and sub–nuclei. Complementarily, we used ViewRNA, another single-transcript detection technology, to establish the expression of FSHRs in human brain samples, where transcripts were co–localized in MALAT1–positive neurons. In addition, we show high expression for all three receptors in the ventricular region—with yet unknown functions. Intriguingly, Tshr and Fshr expression in the ependymal layer of the third ventricle was similar to that of the thyroid follicular cells and testicular Sertoli cells, respectively. TSHRs were expressed specifically in tanycytes. In contrast, Fshrs were localized to NeuN–positive neurons in the granular layer of the dentate gyrus in murine and human brain—both are Alzheimer’s disease vulnerable regions. Our atlas thus provides a vital resource for scientists to explore the link between the stimulation or inactivation of brain glycoprotein hormone receptors on somatic function. New actionable pathways for human disease may be unmasked through further studies.

ABSTRACT Erythroblast erythroferrone (ERFE) secretion inhibits hepcidin expression by sequestering several bone morphogenetic protein (BMP) family members to increase iron availability for erythropoiesis. We report that ERFE expression in osteoblasts is higher compared with erythroblasts, is independent of erythropoietin, and functional in suppressing hepatocyte hepcidin expression. Erfe -/- mice display low–bone–mass arising from increased bone resorption despite a concomitant increase in bone formation. Consistently, Erfe -/- osteoblasts exhibit enhanced mineralization, Sost and Rankl expression, and BMP–mediated signaling ex vivo . The ERFE effect on osteoclasts is mediated through increased osteoblastic RANKL and sclerostin expression, increasing osteoclastogenesis in Erfe -/- mice. Importantly, Erfe loss in β–thalassemic ( Hbb th3 /+ ) mice, a disease model with increased ERFE expression, triggers profound osteoclastic bone resorption and bone loss. Together, ERFE exerts an osteoprotective effect by modulating BMP signaling in osteoblasts, decreasing RANKL production to limit osteoclastogenesis, and prevents excessive bone loss during expanded erythropoiesis in β–thalassemia.

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) is a major progressive neurodegenerative disorder of the aging population. High post–menopausal levels of the pituitary gonadotropin follicle–stimulating hormone (FSH) are strongly associated with the onset of AD, and we have shown recently that FSH directly activates the hippocampal Fshr to drive AD–like pathology and memory loss in mice. To establish a role for FSH in memory loss, we used female 3xTg;Fshr +/+ , 3xTg;Fshr +/– and 3xTg;Fshr -/- mice that were either left unoperated or underwent sham surgery or ovariectomy at 8 weeks of age. Unoperated and sham–operated 3xTg;Fshr -/- mice were implanted with 17β-estradiol pellets to normalize estradiol levels. Morris Water Maze and Novel Object Recognition behavioral tests were performed to study deficits in spatial and recognition memory, respectively, and to examine the effects of Fshr depletion. 3xTg;Fshr +/+ mice displayed impaired spatial memory at 5 months of age; both the acquisition and retrieval of the memory were ameliorated in 3xTg;Fshr -/- mice and, to a lesser extent, in 3xTg;Fshr +/- mice–– thus documenting a clear gene–dose–dependent prevention of hippocampal–dependent spatial memory impairment. At 5 and 10 months, sham–operated 3xTg;Fshr -/- mice showed better memory performance during the acquisition and/or retrieval phases, suggesting that Fshr deletion prevented the progression of spatial memory deficits with age. However, this prevention was not seen when mice were ovariectomized, except in the 10–month–old 3xTg;Fshr -/- mice. In the Novel Object Recognition test performed at 10 months, all groups of mice, except ovariectomized 3xTg;Fshr -/- mice showed a loss of recognition memory. Consistent with the neurobehavioral data, there was a gene–dose–dependent reduction mainly in the amyloid β40 isoform in whole brain extracts. Finally, serum FSH levels <8 ng/mL in 16–month–old APP / PS1 mice were associated with better retrieval of spatial memory. Collectively, the data provide compelling genetic evidence for a protective effect of inhibiting FSH signaling on the progression of spatial and recognition memory deficits in mice, and lay a firm foundation for the use of an FSH–blocking agent for the early prevention of cognitive decline in postmenopausal women.