Au cours des 24 dernières années, la communauté de recherche sur le métabolisme des os et des minéraux (et les National Institutes of Health et de nombreux autres organismes de financement nationaux et internationaux qui la soutiennent) a consacré beaucoup d’énergie et de ressources intellectuelles à certaines idées provocantes, parfois controversées, sur l’ostéocalcine (OCN). L’OCN est une protéine de 46 acides aminés produite et sécrétée presque exclusivement par des ostéoblastes, des cellules différenciées en phase terminale responsables de la synthèse et de la minéralisation de la matrice osseuse lors du développement du squelette et de sa régénération périodique tout au long de la vie. Les ostéoblastes proviennent de progéniteurs mésenchymateux et sont des cellules à courte durée de vie qui sont constamment remplacées, en fonction de la demande de formation osseuse à un endroit et à un moment particuliers. L’OCN sécrétée par les ostéoblastes contient trois résidus d’acide γ-carboxyglutamique qui confèrent une affinité élevée à la matrice d’hydroxyapatite osseuse. Cependant, lorsque l’os est résorbé par des ostéoclastes, un type cellulaire dérivé des macrophages, le pH acide dans le compartiment de résorption provoque l’élimination des groupes carboxyles sur OCN et l’OCN décarboxylé est libéré dans la circulation. Les niveaux circulants d’OCN décarboxylés dépendent donc du taux de renouvellement osseux, également appelé remodelage.

Initialement pensé pour fonctionner exclusivement dans les os, une vision plus large de l’OCN décarboxylée en tant qu’hormone endocrinienne a évolué, en grande partie grâce aux travaux de Gerard Karsenty et de ses collègues et à partir de la description d’une souris ko OCN il y a 24 ans. En tant qu’hormone, il a été proposé que l’OCN agisse sur plusieurs organes et tissus terminaux, notamment le pancréas, le foie, les cellules graisseuses, les muscles, les gonades mâles et le cerveau, pour réguler des fonctions allant de l’accumulation de masse osseuse au poids corporel, à l’adiposité, au métabolisme du glucose et de l’énergie, à la fertilité masculine, au développement du cerveau et à la cognition. Cette idée – que l’OCN est une hormone endocrinienne aux effets pléiotropes – est largement citée dans les manuels et les articles de revue et a fourni la justification de nombreuses études humaines sur la relation entre l’OCN et le diabète ou l’obésité.

Il y a cependant eu plusieurs lacunes apparentes dans l’idée « L’OCN est une hormone endocrinienne ». Le nombre d’ostéoblastes (et donc les taux circulants d’OCN décarboxylée) changent inexorablement tout au long de la vie à la suite de modifications physiologiques, adaptatives ou pathologiques de l’os lui-même qui peuvent être aiguës ou chroniques, systémiques ou localisées, réversibles ou irréversibles, sans modification des cibles extraskélétales présumées de l’OCN décarboxylée. Examples are skeletal development, growth, adaptation of the skeleton to mechanical forces, fracture healing, changing calcium needs, stress, menstrual cycle, pregnancy, lactation, menopause, aging, hyperparathyroidism or hypoparathyroidism, hyperthyroidism, hypercortisolemia, Paget’s disease, bone tumors, etc. De même, les médicaments — approuvés après des essais approfondis avec des milliers de sujets et ensuite utilisés par des millions de personnes pour le traitement de l’ostéoporose — diminuent ou augmentent considérablement les taux sériques d’OCN sans aucun effet sur l’homéostasie du glucose, la production de testostérone, les muscles ou le comportement. De plus, des études de ciblage des gènes de souris du GPRC6A, proposé comme un récepteur OCN qui module la prolifération des cellules β pancréatiques, ont donné des résultats contradictoires en ce qui concerne le métabolisme du glucose et de l’énergie. Une explication possible des différences entre les résultats chez la souris et ceux chez l’homme est que la génétique et la fonction OCN diffèrent entre l’homme et la souris; les humains ont un seul gène OCN, alors que chez la souris, il existe deux gènes OCN adjacents, Bglap et Bglap2. Cependant, les rats ont un seul gène OCN, et les rats porteurs d’une mutation nulle OCN introduite par modification génétique ne présentent pas d’obésité, de résistance à l’insuline ou d’intolérance au glucose. Le tri de ces divergences apparentes a été difficile car la souris knockout de Karsenty n’a pas été largement disponible pour les études de confirmation.

Le numéro actuel de PLOS Genetics présente deux études de modèles de ko de souris OCN indépendants. Dans l’article de Moriishi et de ses collègues, les auteurs ont remplacé l’ADN codant pour Bglap et Bglap2 par une cassette neo dans les cellules souches embryonnaires. En utilisant ce modèle, ils ont étudié le rôle de l’OCN sur la formation et la minéralisation osseuses, ainsi que le métabolisme du glucose, la production de testostérone et la masse musculaire. Ils montrent que, contrairement aux résultats rapportés par Karsenty et ses collègues (qui ont utilisé une stratégie de ciblage génétique similaire), l’OCN ne joue aucun rôle dans la formation osseuse (ou la résorption) et la masse osseuse à l’état suffisant ou déficient en œstrogènes. Au lieu de cela, l’OCN est indispensable pour l’alignement des cristallites biologiques d’apatite parallèlement aux fibres de collagène (Figure 1). La perte de la fonction OCN n’a eu aucun effet sur l’orientation du collagène, qui est restée normale. La résistance osseuse, cependant, a été diminuée chez les souris déficientes en OCN, ce qui indique que l’alignement des cristallites avec les fibres de collagène est l’un des déterminants insaisissables de la qualité osseuse qui, avec la masse osseuse, détermine la capacité de l’os à résister aux fractures. De plus, l’étude détaillée et réfléchie de Moriishi et de ses collègues montre que l’OCN ne joue aucun rôle dans la formation osseuse induite par l’exercice, le métabolisme du glucose, l’amélioration du métabolisme du glucose causée par l’exercice, la synthèse de la testostérone, la spermatogenèse ou la masse musculaire.

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Fig 1. Une mise à jour de 2020 du rôle biologique de l’ostéocalcine.

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008714.g001

Dans l’article de Diegel et ses collègues, les auteurs ont utilisé l’édition génique médiée par CRISPR/Cas9 pour supprimer la plupart des régions codantes des protéines Bglap et Bglap2. Ils rapportent que les souris homozygotes modifiées par des gènes n’ont pas d’OCN circulant mais une masse osseuse normale ainsi qu’une glycémie normale et une fertilité masculine normale. De plus, l’ARN-seq des échantillons d’os corticaux des souris déficientes en OCN montre des différences minimes par rapport aux souris témoins non mutantes. Les souris mutantes présentent néanmoins une augmentation de la taille des cristaux osseux et de la maturation de l’hydroxyapatite, conformément au rapport susmentionné de Moriishi et de ses collègues, à des preuves antérieures de nombreux autres groupes et au consensus général selon lequel l’OCN joue un rôle dans la minéralisation.

Que devons-nous faire des divergences apparentes entre les articles du numéro actuel de PLOS Genetics, les travaux sur le rat knockout et les travaux précédents de Karsenty et de ses collègues? Au cours des dernières années, l’irréproductibilité des résultats de la recherche, en particulier des études avec des modèles animaux précliniques qui pourraient être pertinents pour la biologie et les maladies humaines, est devenue une préoccupation majeure pour toutes les parties prenantes de l’entreprise de recherche, y compris la communauté de la recherche sur les os et les minéraux. Les études abordées dans cette perspective sont un excellent exemple du problème. Le contexte génétique, les gènes modificateurs et les différences dans la génétique moléculaire des allèles knockout restent des explications possibles des divergences, mais ni Moriishi et ses collègues ni Diegel et ses collègues ne peuvent expliquer l’incongruité frappante entre leurs résultats et ceux du groupe de Karsenty. Il est important, cependant, que les deux groupes déclarent explicitement que les animaux qu’ils ont construits seront donnés aux centres de distribution et mis à la disposition du public afin que leurs conclusions puissent être confirmées et étendues par d’autres enquêteurs intéressés. En effet, l’importance du partage des ressources est l’un des messages les plus précieux à retenir. Je crois que la science s’auto-corrige inexorablement, et le travail dans le numéro actuel de PLOS Genetics représente une correction importante avec des implications pour les travaux passés et futurs sur les connexions, ou leur absence, entre l’os et le reste du corps.