Summary

 Calcium signaling controls multiple cellular functions and is regulated by the release from internal stores and entry from extracellular fluid. In bone, osteoclast differentiation is induced by RANKL (receptor activator of NF-κB ligand)-evoked intracellular Ca²⁺ oscillations, which trigger nuclear factor-activated T cells (NFAT) c1-responsive gene transcription. However, the Ca²⁺ channels involved remain largely unidentified. Here we show that genetic ablation in mice of Trpv4, a Ca²⁺-permeable channel of the transient receptor potential (TRP) family, increases bone mass by impairing bone resorption. TRPV4 mediates basolateral Ca²⁺ influx specifically in large osteoclasts when Ca²⁺ oscillations decline. TRPV4-mediated Ca²⁺ influx hereby secures intracellular Ca²⁺ concentrations, ensures NFATc1-regulated gene transcription, and regulates the terminal differentiation and activity of osteoclasts. In conclusion, our data indicate that Ca²⁺ oscillations and TRPV4-mediated Ca²⁺ influx are sequentially required to sustain NFATc1-dependent gene expression throughout osteoclast differentiation, and we propose TRPV4 as a therapeutic target for bone diseases.

Serum calcium levels are tightly controlled by an integrated hormone-controlled system that involves active vitamin D [1,25(OH)(2)D], which can elicit calcium mobilization from bone when intestinal calcium absorption is decreased. The skeletal adaptations, however, are still poorly characterized. To gain insight into these issues, we analyzed the consequences of specific vitamin D receptor (Vdr) inactivation in the intestine and in mature osteoblasts on calcium and bone homeostasis. We report here that decreased intestinal calcium absorption in intestine-specific Vdr knockout mice resulted in severely reduced skeletal calcium levels so as to ensure normal levels of calcium in the serum. Furthermore, increased 1,25(OH)(2)D levels not only stimulated bone turnover, leading to osteopenia, but also suppressed bone matrix mineralization. This resulted in extensive hyperosteoidosis, also surrounding the osteocytes, and hypomineralization of the entire bone cortex, which may have contributed to the increase in bone fractures. Mechanistically, osteoblastic VDR signaling suppressed calcium incorporation in bone by directly stimulating the transcription of genes encoding mineralization inhibitors. Ablation of skeletal Vdr signaling precluded this calcium transfer from bone to serum, leading to better preservation of bone mass and mineralization. These findings indicate that in mice, maintaining normocalcemia has priority over skeletal integrity, and that to minimize skeletal calcium storage, 1,25(OH)(2)D not only increases calcium release from bone, but also inhibits calcium incorporation in bone.

Genomic actions induced by 1alpha25-dihydroxyvitamin D(3) [1,25(OH)(2)D(3)] are crucial for normal bone metabolism, mainly because they regulate active intestinal calcium transport. To evaluate whether the vitamin D receptor (VDR) has a specific role in growth-plate development and endochondral bone formation, we investigated mice with conditional inactivation of VDR in chondrocytes. Growth-plate chondrocyte development was not affected by the lack of VDR. Yet vascular invasion was impaired, and osteoclast number was reduced in juvenile mice, resulting in increased trabecular bone mass. In vitro experiments confirmed that VDR signaling in chondrocytes directly regulated osteoclastogenesis by inducing receptor activator of NF-kappaB ligand (RANKL) expression. Remarkably, mineral homeostasis was also affected in chondrocyte-specific VDR-null mice, as serum phosphate and 1,25(OH)(2)D levels were increased in young mice, in whom growth-plate activity is important. Both in vivo and in vitro analysis indicated that VDR inactivation in chondrocytes reduced the expression of FGF23 by osteoblasts and consequently led to increased renal expression of 1alpha-hydroxylase and of sodium phosphate cotransporter type IIa. Taken together, our findings provide evidence that VDR signaling in chondrocytes is required for timely osteoclast formation during bone development and for the endocrine action of bone in phosphate homeostasis.