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.