Because osteoblasts and marrow adipocytes are derived from a common mesenchymal progenitor, increased adipogenesis may occur at the expense of osteoblasts, leading to bone loss. Our previous in vitro studies indicated that activation of the proadipogenic transcription factor peroxisome proliferator-activated receptor isoform γ 2 with rosiglitazone suppressed osteoblast differentiation. Here, we show that 5-month-old Swiss-Webster mice receiving rosiglitazone for 28 d exhibited bone loss associated with an increase in marrow adipocytes, a decrease in the ratio of osteoblasts to osteoclasts, a reduction in bone formation rate, and a reduction in wall width—an index of the amount of bone formed by each team of osteoblasts. Rosiglitazone had no effect on the number of early osteoblast or osteoclast progenitors, or on osteoblast life span, but decreased the expression of the key osteoblastogenic transcription factors Runx2 and Osterix in cultures of marrow-derived mesenchymal progenitors. These effects were associated with diversion of bipotential progenitors from the osteoblast to the adipocyte lineage, and suppression of the differentiation of monopotential osteoblast progenitors. However, rosiglitazone had no effect on osteoblastic cells at later stages of differentiation. Hence, rosiglitazone attenuates osteoblast differentiation and thereby reduces bone formation rate in vivo, leading to bone loss. These findings provide a mechanistic explanation for the recent evidence that peroxisome proliferator-activated receptor isoform γ activation is a negative regulator of bone mass and suggest that the increased production of oxidized fatty acids with age may indeed be an important mechanism for age-related osteoporosis in humans.

PPARγ is activated by diverse ligands and regulates the differentiation of many cell types. Based on evidence that activation of PPARγ2 by rosiglitazone stimulates adipogenesis and inhibits osteoblastogenesis in U-33/γ2 cells, a model mesenchymal progenitor of adipocytes and osteoblasts, we postulated that the increase in marrow fat and the decrease in osteoblast number that occur during aging are due to increased PPARγ2 activation. Here, we show that the naturally occurring PPARγ ligands 9,10-dihydroxyoctadecenoic acid, and 15-deoxy-Δ12,14-PGJ2, also stimulate adipocytes and inhibit osteoblast differentiation of U-33/γ2 cells. Strikingly, 9,10-epoxyoctadecenoic acid and the thiazolidine acetamide ligand GW0072 [(±)-(2S,5S)-4-(4-(4-carboxyphenyl)butyl)-2-heptyl-4-oxo-5-thaizolidineN,N-dibenzyl-acetamide] prevent osteoblast differentiation, but do not stimulate adipogenesis, whereas 9-hydroxyoctadecadienoic acid stimulates adipogenesis but does not affect osteoblast differentiation. The divergent effects of PPARγ2 ligands on osteoblast and adipocyte differentiation were confirmed in primary murine bone marrow cultures using rosiglitazone and GW0072. These findings indicate that the proadipogenic and antiosteoblastogenic effects of PPARγ2 are mediated by distinct regulatory pathways that can be differentially modulated depending on the nature of the ligand, and they support the idea that increased fatty acid oxidation during aging may inhibit osteoblast differentiation. Moreover, there may be selective PPARγ2 modulators that block the adverse effects of fatty acid oxidation products while retaining beneficial activities such as insulin sensitization.

Cells of the bone marrow stroma can reversibly convert among different phenotypes. Based on this and on evidence for a reciprocal relationship between osteoblastogenesis and adipogenesis, we have isolated several murine bone marrow-derived clonal cell lines with phenotypic characteristics of osteoblasts or adipocytes, or both. Consistent with a state of plasticity, cell lines with a mixed phenotype synthesized osteoblast markers like type I collagen, alkaline phosphatase, osteocalcin, as well as the adipocyte marker lipoprotein lipase, under basal conditions. In the presence of ascorbic acid and β-glycerophosphate—agents that promote osteoblast differentiation—they formed a mineralized matrix. In the presence of isobutylmethylxanthine, hydrocortisone, and indomethacin—agents that promote adipocyte differentiation—they accumulated fat droplets, but failed to express adipsin and aP2, markers of terminally differentiated adipocytes. Furthermore, they were converted back to matrix mineralizing cells when the adipogenic stimuli were replaced with the osteoblastogenic ones. A prototypic cell line with mixed phenotype (UAMS-33) expressed Osf2/Cbfa1—a transcription factor required for osteoblast differentiation, but not PPARγ2—a transcription factor required for terminal adipocyte differentiation. Stable transfection with a PPARγ2 expression construct and activation with the thiazolidinedione BRL49653 stimulated aP2 and adipsin synthesis and fat accumulation, and simultaneously suppressed Osf2/Cbfa1, α1(I) procollagen, and osteocalcin synthesis. Moreover, it rendered the cells incapable of forming a mineralized matrix. These results strongly suggest that PPARγ2 negatively regulates stromal cell plasticity by suppressing Osf2/Cbfa1 and osteoblast-like biosynthetic activity, while promoting terminal differentiation to adipocytes. J. Cell. Biochem. 74:357–371, 1999. © 1999 Wiley-Liss, Inc.

Osteocytes, former osteoblasts buried within bone, are thought to orchestrate skeletal adaptation to mechanical stimuli. However, it remains unknown whether hormones control skeletal homeostasis through actions on osteocytes. Parathyroid hormone (PTH) stimulates bone remodeling and may cause bone loss or bone gain depending on the balance between bone resorption and formation. Herein, we demonstrate that transgenic mice expressing a constitutively active PTH receptor exclusively in osteocytes exhibit increased bone mass and bone remodeling, as well as reduced expression of the osteocyte-derived Wnt antagonist sclerostin, increased Wnt signaling, increased osteoclast and osteoblast number, and decreased osteoblast apoptosis. Deletion of the Wnt co-receptor LDL related receptor 5 (LRP5) attenuates the high bone mass phenotype but not the increase in bone remodeling induced by the transgene. These findings demonstrate that PTH receptor signaling in osteocytes increases bone mass and the rate of bone remodeling through LRP5-dependent and -independent mechanisms, respectively.

Abstract We cultured MSCs on an ECM made by bone marrow cells to attempt to reconstitute the MSC niche. This ECM promoted replication of mesenchymal progenitors and retention of their multipotentiality. We conclude that the marrow ECM facilitates expansion of mesenchymal progenitors and hypothesize that it plays an important role in the maintenance of MSC stemness. Introduction: Mesenchymal colony-forming cells of the bone marrow comprise mesenchymal stem cells (MSCs) and their transit amplifying progeny, which we term mesenchymal colony-forming units (MCFUs). These progenitors undergo self-renewal and can differentiate into many different cell types including osteoblasts. However, they lose their unique properties when cultured on tissue culture plastic. This indicates that a critical feature of the marrow microenvironment that facilitates retention of stem cell properties is missing in such culture systems. In other tissues, the extracellular matrix (ECM) forms part of the specialized niche that controls stem cell behavior. Therefore, we examined whether a marrow cell–derived ECM promotes retention of the stem cell characteristics of MCFUs in vitro. Materials and Methods: A cell-free ECM was prepared from cultured murine marrow adherent cells. The replication and multipotentiality of murine MCFUs maintained on this marrow cell–derived ECM were examined in vitro and in vivo and compared with the behavior of MCFUs maintained on plastic. Results: The marrow cell–derived ECM was made up of collagen types I, III, and V, syndecan-1, perlecan, fibronectin, laminin, biglycan, and decorin, similar to the composition of the marrow ECM. This ECM preparation promoted MCFU replication, restrained their “spontaneous” differentiation toward the osteoblast lineage, and preserved their ability to differentiate into osteoblasts or adipocytes. Moreover, transplantation of MCFUs expanded on the marrow cell–derived ECM into immunocompromised mice generated five times more bone and eight times more hematopoietic marrow compared with MCFUs expanded on plastic. Conclusions: The marrow ECM facilitates expansion of MCFUs in vitro while preserving their stem cell properties. We hypothesize that the ECM made by bone marrow cells plays an important role in the maintenance of MSC function.

Estrogens attenuate osteoclastogenesis and stimulate osteoclast apoptosis, but the molecular mechanism and contribution of these effects to the overall antiosteoporotic efficacy of estrogens remain controversial. We selectively deleted the estrogen receptor (ER)alpha from the monocyte/macrophage cell lineage in mice (ERalpha(LysM)(-/-)) and found a 2-fold increase in osteoclast progenitors in the marrow and the number of osteoclasts in cancellous bone, along with a decrease in cancellous bone mass. After loss of estrogens these mice failed to exhibit the expected increase in osteoclast progenitors, the number of osteoclasts in bone, and further loss of cancellous bone. However, they lost cortical bone indistinguishably from their littermate controls. Mature osteoclasts from ERalpha(LysM)(-/-) were resistant to the proapoptotic effect of 17beta-estradiol. Nonetheless, the effects of estrogens on osteoclasts were unhindered in mice bearing an ERalpha knock-in mutation that prevented binding to DNA. Moreover, a polymeric form of estrogen that is not capable of stimulating the nuclear-initiated actions of ERalpha was as effective as 17beta-estradiol in inducing osteoclast apoptosis in cells with the wild-type ERalpha. We conclude that estrogens attenuate osteoclast generation and life span via cell autonomous effects mediated by DNA-binding-independent actions of ERalpha. Elimination of these effects is sufficient for loss of bone in the cancellous compartment in which complete perforation of trabeculae by osteoclastic resorption precludes subsequent refilling of the cavities by the bone-forming osteoblasts. However, additional effects of estrogens on osteoblasts, osteocytes, and perhaps other cell types are required for their protective effects on the cortical compartment, which constitutes 80% of the skeleton.

Besides their cell-damaging effects in the setting of oxidative stress, reactive oxygen species (ROS) play an important role in physiological intracellular signalling by triggering proliferation and survival. FoxO transcription factors counteract ROS generation by upregulating antioxidant enzymes. Here we show that intracellular H2O2 accumulation is a critical and purposeful adaptation for the differentiation and survival of osteoclasts, the bone cells responsible for the resorption of mineralized bone matrix. Using mice with conditional loss or gain of FoxO transcription factor function, or mitochondria-targeted catalase in osteoclasts, we demonstrate this is achieved, at least in part, by downregulating the H2O2-inactivating enzyme catalase. Catalase downregulation results from the repression of the transcriptional activity of FoxO1, 3 and 4 by RANKL, the indispensable signal for the generation of osteoclasts, via an Akt-mediated mechanism. Notably, mitochondria-targeted catalase prevented the loss of bone caused by loss of oestrogens, suggesting that decreasing H2O2 production in mitochondria may represent a rational pharmacotherapeutic approach to diseases with increased bone resorption. Osteoclasts are bone-resorbing cells responsible for the loss of bone mass in diseases such as osteoporosis. Here the authors show that osteoclast proliferation and survival is regulated by FoxO family transcription factors, which control levels of the signalling molecule hydrogen peroxide.

The detection of estrogen receptor-α (ERα) in osteoblasts and osteoclasts over 20 years ago suggested that direct effects of estrogens on both of these cell types are responsible for their beneficial effects on the skeleton, but the role of ERα in osteoblast lineage cells has remained elusive. In addition, estrogen activation of ERα in osteoclasts can only account for the protective effect of estrogens on the cancellous, but not the cortical, bone compartment that represents 80% of the entire skeleton. Here, we deleted ERα at different stages of differentiation in murine osteoblast lineage cells. We found that ERα in osteoblast progenitors expressing Osterix1 (Osx1) potentiates Wnt/β-catenin signaling, thereby increasing proliferation and differentiation of periosteal cells. Further, this signaling pathway was required for optimal cortical bone accrual at the periosteum in mice. Notably, this function did not require estrogens. The osteoblast progenitor ERα mediated a protective effect of estrogens against endocortical, but not cancellous, bone resorption. ERα in mature osteoblasts or osteocytes did not influence cancellous or cortical bone mass. Hence, the ERα in both osteoblast progenitors and osteoclasts functions to optimize bone mass but at distinct bone compartments and in response to different cues.

Wnt/β-catenin/TCF signaling stimulates bone formation and suppresses adipogenesis. The hallmarks of skeletal involution with age, on the other hand, are decreased bone formation and increased bone marrow adiposity. These changes are associated with increased oxidative stress and decreased growth factor production, which activate members of the FOXO family of transcription factors. FOXOs in turn attenuate Wnt/β-catenin signaling by diverting β-catenin from TCF- to FOXO-mediated transcription. We show herein that mice lacking Foxo1, -3, and -4 in bipotential progenitors of osteoblast and adipocytes (expressing Osterix1) exhibited increased osteoblast number and high bone mass that was maintained in old age as well as decreased adiposity in the aged bone marrow. The increased bone mass in the Foxo-deficient mice was accounted for by increased proliferation of osteoprogenitor cells and bone formation resulting from upregulation of Wnt/β-catenin signaling and cyclin D1 expression, but not changes in redox balance. Consistent with this mechanism, β-catenin deletion in Foxo null cells abrogated both the increased cyclin D1 expression and proliferation. The elucidation of a restraining effect of FOXOs on Wnt signaling in bipotential progenitors suggests that FOXO activation by accumulation of age-associated cellular stressors may be a seminal pathogenetic mechanism in the development of involutional osteoporosis.