Inhibition of osteoclast differentiation and bone resorption by cholesterol sulfate

Abstract

Cholesterol sulfate (CS) is an endogenous steroid known as an activator of retinoic acid-related orphan receptor alpha (RORα). It was recently reported that CS treatment or RORα overexpression attenuates osteoclastogenesis in a collagen-induced arthritis mouse model. However, it is largely unknown how CS and RORα regulates osteoclast differentiation. Thus, we here investigate the inhibitory role of CS and RORα in osteoclastogenesis and the underlying mechanism. CS inhibited osteoclast differentiation and expression of nuclear factor of activated T cells, cytoplasmic 1 (NFATc1), a key regulator of osteoclstogenesis. However, RORα deficiency or its synthetic agonist and antagonist had little effect on osteoclast differentiation and NFATc1 expression. In addition, CS effectively inhibited osteoclastogenesis in RORα deficient cells as well as in wild-type cells. CS inhibited NF-κB activity as revealed in the reporter assay and quantification of NF-κB target gene expression. CS enhanced the phosphorylation of AMP-activated protein kinase (AMPK) and sirtuin1 (SIRT1) activity, and led to a decrease in acetylation at Lys 310 of p65. Collectively, these results suggested that CS inhibits osteoclastogenesis by attenuating NF-κB via the activation of AMPK-SIRT1 axis in a RORα-independent manner. CS also attenuated osteoclast maturation and bone resorption when it was added to differentiated osteoclasts. Moreover, CS protected bone erosion in lipopolysaccharide- and ovariectomy-mediated bone loss mouse models, suggesting its therapeutic potential for treating inflammation-induced bone diseases and postmenopausal osteoporosis.;Cholesterol sulfate (CS)는 RORα의 활성제로 알려진 내생성 스테로이드이다. 최근 연구에 따르면, 콜라겐 유도 관절염 마우스 모델에서의 RORα 과발현과 CS 처리는 파골세포 분화를 억제한다. 그러나, CS와 RORα가 파골세포 분화를 어떻게 조절하는가에 대해 많은 부분이 밝혀지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 CS와 RORα의 파골세포 분화 조절 효과와 그 기저 매커니즘을 조사하였다. CS는 파골세포 분화와 분화의 핵심 조절자인 NFATc1의 발현을 억제했다. 그러나 RORα의 결핍은 파골세포 분화와 NFATc1 발현에 영향을 미치지 않았으며, RORα 활성 촉진제 혹은 억제제들은 상관 관계없이 파골세포 분화와 NFATc1 발현을 조절했다. 게다가, 정상세포 뿐 아니라 RORα가 결핍된 세포에서도 CS는 파골세포의 분화를 억제했다. NF-κB reporter 분석과 NF-κB의 표적 유전자의 발현양 분석 결과에 나타난 바와 같이, CS는 NF-κB의 전사인자로서의 활성을 억제한다. CS는 AMPK의 인산화와 SIRT1의 활성을 증가시키며, 이는 p65 K310 잔기의 아세틸화를 감소시킨다. 종합적으로, 이러한 결과는 CS가 RORα에 독립적으로 AMPK-SIRT1의 활성을 통해 NF-κB 활성을 억제함으로써 파골 세포의 분화를 억제함을 보여준다. 또한, CS를 분화된 파골세포에 처리하여도 파골세포의 성숙과 골 흡수를 억제한다. 더하여, CS는 LPS 또는 난소 절제술로 유도된 골 손상 mouse 모델에서 골 침식을 억제하는 효과를 보였으며, 이것은 염증에 의한 골 질환과 폐경기 후 골다공증을 치료할 수 있는 치료물로서의 가능성을 보여준다.