Osteoclast-specific Tsc2 deletion in mice increases bone mass: a model for the study of sclerotic bone lesions in Tuberous Sclerosis

The majority of TSC patients have sclerotic bone lesions, the pathogenesis of which is unknown. Sclerotic lesions may represent focal accumulation of excess bone. Normal bone is continuously remodeled by the actions of bone forming osteoblasts and bone resorbing osteoclasts (OC). A growing body of evidence suggests that loss of TSC1 or TSC2 in osteoblasts impacts normal skeletal growth, but the function of the TSC protein complex in OC is unknown. To examine the impact of the TSC2 protein in OC, we crossed the Cathepsin K-Cre (Ctsk-Cre) mice, where Cre is expressed in OC, with Tsc2fl/fl mice to generate CtskCre; Tsc2fl/fl mice, subsequently denoted as Tsc2ΔOC. Tsc2ΔOC male mice have strikingly elevated trabecular bone mass at 9 months of age (~3-fold increase, p<0.01) as well as increased cortical thickness (1.5-fold, p<0.05). Similar characteristics were observed at 3 months of age. As expected, OCs from Tsc2ΔOC mice had increased mTORC1 activity, consistent with the loss of TSC2, however they show normal maturation and secretory function in vitro. To assess OC function in vivo, we measured serum levels of the degradation products of C-terminal telopeptide of type I collagen (CTX-I), an established bone resorption marker. CTX-I was found normal in male and females at 3 months of age and in 9 months old female; slightly elevated in male at 9 month of age meaning OCs are not responsible for the phenotype. The serum concentration of procollagen type I N propeptide (P1NP), a marker of osteoblast activity, was elevated in Tsc2ΔOCmice in both sex at 3 and 9 months of age. OCs increase osteoblast activity through the secretion of Clastokines, a mechanism called coupling. CTHRC1 (a clastokine) mRNA was found increased (11 fold, p< 0.001) in the femurs of 3 months old Tsc2ΔOC mice, as well as at 9 months old. Our model suggests that loss of Tsc2 in OCs may stimulate osteoblastic bone formation through the mTORC1 dependent secretion of CTHRC1.

La maggior parte dei pazienti affetti da Sclerosi Tuberosa mostra lesioni ossee di tipo sclerotico, la cui patogenesi e’ sconosciuta. Le lesioni sclerotiche potrebbero rappresentare un eccessivo e focale accumulo di osso. Lo scheletro e’ continuamente rimodellato dall’azione di osteoblasti, le cellule che producono tessuto osseo e osteoclasti (OC), che lo degradano. Evidenze dimostrano che la perdita di TSC1 o TSC2 negli osteoblasti ha effetto negativo nella maturazione dello scheletro, ma la funzione del complesso TSC1-TSC2 negli OC non e’ noto. Per identificare il ruolo di TSC2 negli OC abbiamo incrociato un topo CtskCRE, in cui Cre e’ espresso negli OC, con un topo Tsc2fl/fl per generare un topo CtskCre; Tsc2fl/fl ora in avanti chiamato Tsc2ΔOC. I topi Tsc2ΔOC maschi presentano un incremento di 3 volte della quantita’ di osso trabecolare a 9 mesi di eta’ (p< 0.01), cosi’ come dello spessore della corticale ossea (1.5 volte, p<0.05). Caratteristiche simili sono osservate a 3 mesi di eta’. Come pronosticato, gli OC derivati da topi Tsc2ΔOC hanno elevazione di mTORC1 ma presentano una normale maturazione ed una normale attivita’ secretoria in vitro. Per studiare la funzione degli OC in vivo, abbiamo misurato i livelli sierici di CTX1, un marker della loro attivita’, trovandolo normale sia nei topi maschi che nelle femmine a 3 mesi di eta’, normale nelle femmine a 9 mesi di eta’ ed aumentato nei maschi a 9 mesi di eta’. La concentrazione sierica di P1NP, un marker di attivita’ degli osteoblasti e’ stata trovata elevata in tutti i gruppi considerati. Gli OC aumentano l’attivita’ degli osteoblasti mediante la secrezione di clastochine, un meccanismo chiamato coupling. L’ RNA messaggero di CTHRC1 (una clastochina) e’ aumentato di 11 volte (p<0.001) nei femori di topi Tsc2ΔOC a 3 mesi cosi come a 9 mesi di eta’. Il nostro modello suggerisce che la perdita di TSC2 negli OC possa stimolare gli osteoblasti a produrre osso tramite la mTORC1 dipendente secrezione di CTHRC1.