Strontium ranelate is a newly developed drug that has been shown to significantly reduce the risk of vertebral and non-vertebral fractures, including those of the hip, in postmenopausal women with osteoporosis. In contrast to other available treatments for osteoporosis, strontium ranelate increases bone formation and decreases resorption. In this study, the dual mode of action of strontium ranelate in bone was tested in vitro, on primary murine osteoblasts and osteoclasts derived from calvaria and spleen cells, respectively. We show that strontium ranelate treatment, either continuously or during proliferation or differentiation phases of mouse calvaria cells, stimulates osteoblast formation. Indeed after 22 days of continuous treatment with strontium ranelate, the expression of the osteoblast markers ALP, BSP and OCN was increased, and was combined with an increase in bone nodule numbers. On the other hand, the number of mature osteoclasts strongly decreased after strontium ranelate treatment. Similarly to previous studies, we confirm that osteoclasts resorbing activity was also reduced but we found that strontium ranelate treatment was associated with a disruption of the osteoclast actin-containing sealing zone. Therefore, our in vitro assays performed on primary murine bone cells confirmed the dual action of strontium ranelate in vivo as an anabolic agent on bone remodeling. It stimulates bone formation through its positive action on osteoblast differentiation and function, and decreases osteoclast differentiation as well as function by disrupting actin cytoskeleton organization.

Autoimmunity is complicated by bone loss. In human rheumatoid arthritis (RA), the most severe inflammatory joint disease, autoantibodies against citrullinated proteins are among the strongest risk factors for bone destruction. We therefore hypothesized that these autoantibodies directly influence bone metabolism. Here, we found a strong and specific association between autoantibodies against citrullinated proteins and serum markers for osteoclast-mediated bone resorption in RA patients. Moreover, human osteoclasts expressed enzymes eliciting protein citrullination, and specific N-terminal citrullination of vimentin was induced during osteoclast differentiation. Affinity-purified human autoantibodies against mutated citrullinated vimentin (MCV) not only bound to osteoclast surfaces, but also led to robust induction of osteoclastogenesis and bone-resorptive activity. Adoptive transfer of purified human MCV autoantibodies into mice induced osteopenia and increased osteoclastogenesis. This effect was based on the inducible release of TNF-α from osteoclast precursors and the subsequent increase of osteoclast precursor cell numbers with enhanced expression of activation and growth factor receptors. Our data thus suggest that autoantibody formation in response to citrullinated vimentin directly induces bone loss, providing a link between the adaptive immune system and bone.

The mouse inbred line C57BL/6J is widely used in mouse genetics and its genome has been incorporated into many genetic reference populations. More recently large initiatives such as the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) are using the C57BL/6N mouse strain to generate null alleles for all mouse genes. Hence both strains are now widely used in mouse genetics studies. Here we perform a comprehensive genomic and phenotypic analysis of the two strains to identify differences that may influence their underlying genetic mechanisms.We undertake genome sequence comparisons of C57BL/6J and C57BL/6N to identify SNPs, indels and structural variants, with a focus on identifying all coding variants. We annotate 34 SNPs and 2 indels that distinguish C57BL/6J and C57BL/6N coding sequences, as well as 15 structural variants that overlap a gene. In parallel we assess the comparative phenotypes of the two inbred lines utilizing the EMPReSSslim phenotyping pipeline, a broad based assessment encompassing diverse biological systems. We perform additional secondary phenotyping assessments to explore other phenotype domains and to elaborate phenotype differences identified in the primary assessment. We uncover significant phenotypic differences between the two lines, replicated across multiple centers, in a number of physiological, biochemical and behavioral systems.Comparison of C57BL/6J and C57BL/6N demonstrates a range of phenotypic differences that have the potential to impact upon penetrance and expressivity of mutational effects in these strains. Moreover, the sequence variants we identify provide a set of candidate genes for the phenotypic differences observed between the two strains.

Podosomes, small actin-based adhesion structures, differ from focal adhesions in two aspects: their core structure and their ability to organize into large patterns in osteoclasts. To address the mechanisms underlying these features, we imaged live preosteoclasts expressing green fluorescent protein-actin during their differentiation. We observe that podosomes always form inside or close to podosome groups, which are surrounded by an actin cloud. Fluorescence recovery after photobleaching shows that actin turns over in individual podosomes in contrast to cortactin, suggesting a continuous actin polymerization in the podosome core. The observation of podosome assemblies during osteoclast differentiation reveals that they evolve from simple clusters into rings that expand by the continuous formation of new podosomes at their outer ridge and inhibition of podosome formation inside the rings. This self-organization of podosomes into dynamic rings is the mechanism that drives podosomes at the periphery of the cell in large circular patterns. We also show that an additional step of differentiation, requiring microtubule integrity, stabilizes the podosome circles at the cell periphery to form the characteristic podosome belt pattern of mature osteoclasts. These results therefore provide a mechanism for the patterning of podosomes in osteoclasts and reveal a turnover of actin inside the podosome.

Bone remodeling is a tightly controlled mechanism in which osteoblasts (OB), the cells responsible for bone formation, osteoclasts (OC), the cells specialized for bone resorption, and osteocytes, the multifunctional mechanosensing cells embedded in the bone matrix, are the main actors. Increased oxidative stress in OB, the cells producing and mineralizing bone matrix, has been associated with osteoporosis development but the role of autophagy in OB has not yet been addressed. This is the goal of the present study. We first show that the autophagic process is induced in OB during mineralization. Then, using knockdown of autophagy-essential genes and OB-specific autophagy-deficient mice, we demonstrate that autophagy deficiency reduces mineralization capacity. Moreover, our data suggest that autophagic vacuoles could be used as vehicles in OB to secrete apatite crystals. In addition, autophagy-deficient OB exhibit increased oxidative stress and secretion of the receptor activator of NFKB1 (TNFSF11/RANKL), favoring generation of OC, the cells specialized in bone resorption. In vivo, we observed a 50% reduction in trabecular bone mass in OB-specific autophagy-deficient mice. Taken together, our results show for the first time that autophagy in OB is involved both in the mineralization process and in bone homeostasis. These findings are of importance for mineralized tissues which extend from corals to vertebrates and uncover new therapeutic targets for calcified tissue-related metabolic pathologies.

Osteoclasts are the main cells responsible for the resorption of mineralized extracellular matrices. They are the major targets for anti-resorptive therapies to manage osteoporosis, a major public health problem. Osteoclasts are giant multinucleated cells that can organize their a unique adhesion structure based on a belt of podosomes, which is the keystone of the bone resorption apparatus. We combined differential transcriptomics and siRNA screening approaches to get a broader view of cytoskeletal regulators that participate in the control of osteoclast cytoskeleton and identify novel regulators of bone resorption by osteoclasts. We identified 20 new candidate regulators of osteoclasts cytoskeleton including Fkbp15, Spire1, Tacc2 and RalA, for which we confirmed they are necessary for proper organization of the podosome belt. We also showed that Anillin, well known for its role during cytokinesis, is essential in osteoclasts for correct podosome patterning and efficient bone resorption. In particular, Anillin controls the levels of the GTPase RhoA, a known regulator of osteoclast cytoskeleton and resorption activity. Finally, we set up and validated an automated imaging strategy based on open-source software for automatic and objective measurement of actin cytoskeleton organization in osteoclasts. We provide these pipelines that are useful to automatically assess the effect of collections of siRNAs or chemical compounds on osteoclast cytoskeleton or differentiation.