Osteoclasts, the multinucleated cells that resorb bone, develop from hematopoietic cells of monocyte/macrophage lineage. Osteoclast-like cells (OCLs) are formed by coculturing spleen cells with osteoblasts or bone marrow stromal cells in the presence of bone-resorbing factors. The cell-to-cell interaction between osteoblasts/stromal cells and osteoclast progenitors is essential for OCL formation. Recently, we purified and molecularly cloned osteoclastogenesis-inhibitory factor (OCIF), which was identical to osteoprotegerin (OPG). OPG/OCIF is a secreted member of the tumor necrosis factor receptor family and inhibits osteoclastogenesis by interrupting the cell-to-cell interaction. Here we report the expression cloning of a ligand for OPG/OCIF from a complementary DNA library of mouse stromal cells. The protein was found to be a member of the membrane-associated tumor necrosis factor ligand family and induced OCL formation from osteoclast progenitors. A genetically engineered soluble form containing the extracellular domain of the protein induced OCL formation from spleen cells in the absence of osteoblasts/stromal cells. OPG/OCIF abolished the OCL formation induced by the protein. Expression of its gene in osteoblasts/stromal cells was up-regulated by bone-resorbing factors. We conclude that the membrane-bound protein is osteoclast differentiation factor (ODF), a long-sought ligand mediating an essential signal to osteoclast progenitors for their differentiation into osteoclasts. ODF was found to be identical to TRANCE/RANKL, which enhances T-cell growth and dendritic-cell function. ODF seems to be an important regulator in not only osteoclastogenesis but also immune system.

Osteoclast differentiation factor (ODF, also called RANKL/TRANCE/OPGL) stimulates the differentiation of osteoclast progenitors of the monocyte/macrophage lineage into osteoclasts in the presence of macrophage colony-stimulating factor (M-CSF, also called CSF-1). When mouse bone marrow cells were cultured with M-CSF, M-CSF–dependent bone marrow macrophages (M-BMMφ) appeared within 3 d. Tartrate-resistant acid phosphatase–positive osteoclasts were also formed when M-BMMφ were further cultured for 3 d with mouse tumor necrosis factor α (TNF-α) in the presence of M-CSF. Osteoclast formation induced by TNF-α was inhibited by the addition of respective antibodies against TNF receptor 1 (TNFR1) or TNFR2, but not by osteoclastogenesis inhibitory factor (OCIF, also called OPG, a decoy receptor of ODF/RANKL), nor the Fab fragment of anti–RANK (ODF/RANKL receptor) antibody. Experiments using M-BMMφ prepared from TNFR1- or TNFR2-deficient mice showed that both TNFR1- and TNFR2-induced signals were important for osteoclast formation induced by TNF-α. Osteoclasts induced by TNF-α formed resorption pits on dentine slices only in the presence of IL-1α. These results demonstrate that TNF-α stimulates osteoclast differentiation in the presence of M-CSF through a mechanism independent of the ODF/RANKL–RANK system. TNF-α together with IL-1α may play an important role in bone resorption of inflammatory bone diseases.

The morphogenesis and remodeling of bone depends on the integrated activity of osteoblasts that form bone and osteoclasts that resorb bone. We previously reported the isolation of a new cytokine termed osteoclastogenesis inhibitory factor, OCIF, which specifically inhibits osteoclast development. Here we report the cloning of a complementary DNA of human OCIF. OCIF is identical to osteoprotegerin (OPG), a soluble member of the tumor-necrosis factor receptor family that inhibits osteoclastogenesis. Recombinant human OPG/OCIF specifically acts on bone tissues and increases bone mineral density and bone volume associated with a decrease of active osteoclast number in normal rats. Osteoblasts or bone marrow-derived stromal cells support osteoclastogenesis through cell-to-cell interactions. A single class of high affinity binding sites for OPG/OCIF appears on a mouse stromal cell line, ST2, in response to 1,25-dihydroxyvitamin D3. An anti-OPG/OCIF antibody that blocks the binding abolishes the biological activity of OPG/OCIF. When the sites are blocked with OPG/OCIF, ST2 cells fail to support osteoclastogenesis. These results suggest that the sites are involved in cell-to-cell signaling between stromal cells and osteoclast progenitors and that OPG/OCIF inhibits osteoclastogenesis by interrupting the signaling through the sites.

A factor which inhibits osteoclast-like cell formation was found in the conditioned medium of human embryonic lung fibroblasts, IMR-90. The factor, termed osteoclastogenesis inhibitory factor, OCIF, was purified to homogeneity. OCIF is a heparin-binding basic glycoprotein and has been isolated as a monomer with an apparent molecular weight (Mr) of 60,000 and a homodimer with a Mr of 120,000. The N-terminus of OCIF is blocked and the determination of internal amino acid sequences revealed that OCIF has no homology to known proteins. OCIF inhibited in a dose-dependent manner osteoclastogenesis elicited through three distinct signaling pathways stimulated by 1 alpha,25-dihydroxy vitamin D3, parathyroid hormone, and interleukin-11, respectively, in a dose range of 1 to 40 ng/ml (IC50 = 4 to 6 ng/ml). OCIF neither inhibits bone resorption by mature osteoclasts nor exerts any other biological activities. These data strongly suggest that OCIF is a novel cytokine which specifically inhibits osteoclastogenesis.

Osteoclasts are multinucleated cells that resorb bone. Osteoclastogenesis inhibitory factor (OCIF), also called osteoprotegerin (OPG), acts as a naturally occurring decoy receptor for osteoclast differentiation factor, which mediates an essential signal to osteoclast progenitors for their differentiation into osteoclasts. Here we show that the OCIF/OPG knockout mice exhibited severe osteoporosis due to enhanced osteoclastogenesis when they grew to be adults. These mice were viable and fertile. They exhibited marked bone loss accompanied by destruction of growth plate and lack of trabecular bone in their femurs. The strength of their bones dramatically decreased. These results demonstrate that OCIF/OPG is a key factor acting as a negative regulator against osteoclastogenesis. The OCIF/OPG knockout mice provide the first animal model for osteoporosis without other obvious abnormalities.

Osteoclast differentiation factor (ODF) is a ligand for osteoclastogenesis-inhibitory factor/osteoprotegerin (OCIF/OPG), and mediates an essential signal for osteoclastogenesis. Soluble-form ODF binds directly to osteoclast progenitors, suggesting the presence of a membrane-bound receptor for ODF (ODFR) on the cells. To understand the ODF-mediated signal transduction mechanism in osteoclastogenesis, we molecularly cloned ODFR from a mouse macrophage-like osteoclast progenitor cell line, C7. Nucleotide sequence analysis revealed that ODFR is identical to RANK, a recently identified member of the tumor necrosis factor receptor (TNFR) family, which is involved in the regulation of dendritic cell function. A polyclonal antibody against the extracellular domain of RANK induced osteoclastogenesis in the presence of macrophage colony-stimulating factor (M-CSF). In contrast, both a genetically engineered soluble RANK and Fab fragment of the antibody blocked the binding of ODF to RANK and ODF-mediated osteoclastogenesis. These results indicate that RANK is the signaling receptor essential for ODF-mediated osteoclastogenesis.