Osteoprotegerin (OPG) is a secreted protein that inhibits osteoclast formation. In this study the physiological role of OPG is investigated by generating OPG-deficient mice. Adolescent and adult OPG-/- mice exhibit a decrease in total bone density characterized by severe trabecular and cortical bone porosity, marked thinning of the parietal bones of the skull, and a high incidence of fractures. These findings demonstrate that OPG is a critical regulator of postnatal bone mass. Unexpectedly, OPG-deficient mice also exhibit medial calcification of the aorta and renal arteries, suggesting that regulation of OPG, its signaling pathway, or its ligand(s) may play a role in the long observed association between osteoporosis and vascular calcification.

A receptor that mediates osteoprotegerin ligand (OPGL)-induced osteoclast differentiation and activation has been identified via genomic analysis of a primary osteoclast precursor cell cDNA library and is identical to the tumor necrosis factor receptor (TNFR) family member RANK. The RANK mRNA was highly expressed by isolated bone marrow-derived osteoclast progenitors and by mature osteoclasts in vivo. Recombinant OPGL binds specifically to RANK expressed by transfected cell lines and purified osteoclast progenitors. Transgenic mice expressing a soluble RANK-Fc fusion protein have severe osteopetrosis because of a reduction in osteoclasts, similar to OPG transgenic mice. Recombinant RANK-Fc binds with high affinity to OPGL in vitro and blocks osteoclast differentiation and activation in vitro and in vivo. Furthermore, polyclonal Ab against the RANK extracellular domain promotes osteoclastogenesis in bone marrow cultures suggesting that RANK activation mediates the effects of OPGL on the osteoclast pathway. These data indicate that OPGL-induced osteoclastogenesis is directly mediated through RANK on osteoclast precursor cells.

Mark A. Lomaga, Wen-Chen Yeh, Ildiko Sarosi, Gordon S. Duncan, Caren Furlonger, Alexandra Ho, Sean Morony, Casey Capparelli, Gwyneth Van, Stephen Kaufman, Annette van der Heiden, Annick Itie, Andrew Wakeham, Wilson Khoo, Takehiko Sasaki, Zhaodan Cao, Josef M. Penninger, Christopher J. Paige, David L. Lacey, Colin R. Dunstan, William J. Boyle, David V. Goeddel, and Tak W. Mak Department of Pharmaceutical Sciences, Faculty of Pharmacy, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada M5S 2S2; Amgen Institute, Ontario Cancer Institute and University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada M5G 2C1; Amgen, Inc., Thousand Oaks, California 91320-1789 USA; Departments of Medical Biophysics and Immunology, University of Toronto and Ontario Cancer Institute, Toronto, Ontario, Canada M5G 2M9; Tularik, Inc., South San Francisco, California 94080 USA

We have generated RANK (receptor activator of NF-kappaB) nullizygous mice to determine the molecular genetic interactions between osteoprotegerin, osteoprotegerin ligand, and RANK during bone resorption and remodeling processes. RANK(-/-) mice lack osteoclasts and have a profound defect in bone resorption and remodeling and in the development of the cartilaginous growth plates of endochondral bone. The osteopetrosis observed in these mice can be reversed by transplantation of bone marrow from rag1(-/-) (recombinase activating gene 1) mice, indicating that RANK(-/-) mice have an intrinsic defect in osteoclast function. Calciotropic hormones and proresorptive cytokines that are known to induce bone resorption in mice and human were administered to RANK(-/-) mice without inducing hypercalcemia, although tumor necrosis factor alpha treatment leads to the rare appearance of osteoclast-like cells near the site of injection. Osteoclastogenesis can be initiated in RANK(-/-) mice by transfer of the RANK cDNA back into hematopoietic precursors, suggesting a means to critically evaluate RANK structural features required for bone resorption. Together these data indicate that RANK is the intrinsic cell surface determinant that mediates osteoprotegerin ligand effects on bone resorption and remodeling as well as the physiological and pathological effects of calciotropic hormones and proresorptive cytokines.

Osteoprotegerin (OPG) and OPG-ligand (OPGL) potently inhibit and stimulate, respectively, osteoclast differentiation (Simonet, W.S., D.L. Lacey, C.R. Dunstan, M. Kelley, M.-S. Chang, R. Luethy, H.Q. Nguyen, S. Wooden, L. Bennett, T. Boone, et al. 1997. Cell. 89:309-319; Lacey, D.L., E. Timms, H.-L. Tan, M.J. Kelley, C.R. Dunstan, T. Burgess, R. Elliott, A. Colombero, G. Elliott, S. Scully, et al. 1998. Cell. 93: 165-176), but their effects on mature osteoclasts are not well understood. Using primary cultures of rat osteoclasts on bone slices, we find that OPGL causes approximately sevenfold increase in total bone surface erosion. By scanning electron microscopy, OPGL-treated osteoclasts generate more clusters of lacunae on bone suggesting that multiple, spatially associated cycles of resorption have occurred. However, the size of individual resorption events are unchanged by OPGL treatment. Mechanistically, OPGL binds specifically to mature OCs and rapidly (within 30 min) induces actin ring formation; a marked cytoskeletal rearrangement that necessarily precedes bone resorption. Furthermore, we show that antibodies raised against the OPGL receptor, RANK, also induce actin ring formation. OPGL-treated mice exhibit increases in blood ionized Ca++ within 1 h after injections, consistent with immediate OC activation in vivo. Finally, we find that OPG blocks OPGL's effects on both actin ring formation and bone resorption. Together, these findings indicate that, in addition to their effects on OC precursors, OPGL and OPG have profound and direct effects on mature OCs and indicate that the OC receptor, RANK, mediates OPGL's effects.

High systemic levels of osteoprotegerin (OPG) in OPG transgenic mice cause osteopetrosis with normal tooth eruption and bone elongation and inhibit the development and activity of endosteal, but not periosteal, osteoclasts. We demonstrate that both intravenous injection of recombinant OPG protein and transgenic overexpression of OPG in OPG(-/-) mice effectively rescue the osteoporotic bone phenotype observed in OPG-deficient mice. However, intravenous injection of recombinant OPG over a 4-wk period could not reverse the arterial calcification observed in OPG(-/-) mice. In contrast, transgenic OPG delivered from mid-gestation through adulthood does prevent the formation of arterial calcification in OPG(-/-) mice. Although OPG is normally expressed in arteries, OPG ligand (OPGL) and receptor activator of NF-kappaB (RANK) are not detected in the arterial walls of wild-type adult mice. Interestingly, OPGL and RANK transcripts are detected in the calcified arteries of OPG(-/-) mice. Furthermore, RANK transcript expression coincides with the presence of multinuclear osteoclast-like cells. These findings indicate that the OPG/OPGL/RANK signaling pathway may play an important role in both pathological and physiological calcification processes. Such findings may also explain the observed high clinical incidence of vascular calcification in the osteoporotic patient population.