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.