Apolipoprotein E im Knochengewebe : Bedeutung für den Knochen- und Energiestoffwechsel

Abstract

Apolipoprotein E (ApoE) ist ein wichtiger Bestandteil von Lipoproteinen und vermittelt als Ligand von Mitgliedern der LDL-Rezeptor-Familie die Endozytose dieser Lipoproteine. Im Mausmodell verursacht eine Apoe-Defizienz eine Akkumulation von Remnant-Lipoproteinen und führt im Knochen zu einer erhöhten Knochenmasse, die aus einer gesteigerten Knochenbildung bei unveränderter Knochenresorption resultiert. Bisher ist nicht bekannt, aus welchen Zelltypen das ApoE stammt, das maßgeblich für den Knochenmetabolismus von Bedeutung ist. In dieser Arbeit wurde erstmalig gezeigt, dass ApoE im Knochengewebe selbst, insbesondere in den knochenbildenden Osteoblasten und den knochenabbauenden Osteoklasten, exprimiert wird und in vitro eine hemmende Wirkung auf die Osteoblastendifferenzierung ausübt. Des Weiteren wurde mit Hilfe von verschiedenen konditionellen Apoe-Knockout-Mausmodellen spezifisch die Bedeutung von Osteoblasten- und Osteoklasten-ApoE für die Knochenstruktur und den systemischen Energiestoffwechsel untersucht. Osteoblasten-ApoE hat unter normalen diätetischen Bedingungen keinen Einfluss auf die postprandiale Lipoprotein-Clearance und die Glukosetoleranz männlicher Mäuse. Eine interessante Beobachtung ergab sich aber aus der Knochenanalyse der Knockout-Mausmodelle: die Deletion von Apoe in der frühen Phase der Osteoblastendifferenzierung führt zu einem alters- und geschlechtsabhängigen Knochenphänotyp, der den Phänotyp des globalen Apoe-Knockouts nicht wiederspiegelt. So zeigen sechs Monate, nicht aber drei Monate alte Weibchen eine Reduktion der trabekulären Knochenmasse, die durch eine erhöhte Osteoklastenanzahl und Knochenresorption bei unveränderter Knochenbildungsrate verursacht wird. Außerdem weisen diese Tiere eine gesteigerte Osteocalcin-Konzentration im Serum auf. In fünf Monate alten Männchen sind die Knochenresorption und Serum-Osteocalcin-Konzentration hingegen nicht verändert. ApoE vollständig differenzierter Osteoblasten und Osteozyten spielt hingegen nach den Ergebnissen dieser Arbeit hinsichtlich der untersuchten Endpunkte keine bedeutende Rolle; genetisch bedingte Apoe-Defizienz in diesen Zelltypen hat im Mausmodell keinen Einfluss auf die gemessenen Knochenparameter. Der osteoklastenspezifische Apoe-Knockout wirkt sich ebenfalls nicht auf die Knochenstruktur von sechs Monate alten weiblichen Mäusen aus. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass ApoE vor allem in den frühen Stadien der Osteoblastendifferenzierung eine wichtige regulatorische Funktion im Knochenstoffwechsel, insbesondere bei Knochen-Remodeling-Prozessen, einnimmt. In reifen Osteoblasten und Osteozyten sowie in Osteoklasten scheint das von diesen Zelltypen selbst synthetisierte ApoE keine bedeutende Rolle zu spielen. In den frühen Stadien der Osteoblastendifferenzierung hingegen führt eine Apoe-Defizienz über alterierte Zell-Zell-Kommunikation mit Osteoklasten zu einer gesteigerten Osteoklastenaktivität und einem konsekutivem Knochenmasseverlust. Osteoblasten-ApoE stellt somit wahrscheinlich einen physiologischen Modulator alters- und geschlechtsabhängiger Veränderungen der Knochenarchitektur des erwachsenen Skeletts dar.

Apolipoprotein E (apoE) is an important component of lipoproteins. As a ligand for members of the LDL receptor family, it mediates the endocytosis of these lipoproteins. Genetic Apoe deficiency in mice causes an accumulation of remnant lipoproteins but also results in a high-bone mass phenotype with increased bone formation while bone resorption is unaffected. Up to now it is unknown from which cell type the apoE that regulates the bone metabolism is derived from. In this thesis it was shown for the first time that apoE is expressed in the bone tissue itself, particularly in bone forming osteoblasts and bone resorbing osteoclasts, and has an inhibitory effect on osteoblast differentiation in vitro. Furthermore, the specific impact of osteoblast- and osteoclast-apoE on bone structure and systemic energy metabolism was examined by making use of various conditional cell-type specific Apoe knockout mouse models. There is no impact of osteoblast-apoE on the postprandial lipoprotein clearance and the glucose tolerance of male mice under normal dietary conditions. Interestingly, the deletion of Apoe in the early stages of osteoblast differentiation results in an age- and sex-dependent bone phenotype which does not reflect the global Apoe knockout phenotype. Hence, three months old female mice do not possess a bone phenotype yet, whereas the trabecular bone mass of six months old females is reduced. This reduction is caused by an increased number of osteoclasts and increased bone resorption, while the bone formation rate remains unchanged. In addition, these mice exhibit an elevated serum osteocalcin concentration. In contrast, the bone resorption and the serum osteocalcin concentration of five months old males are unchanged. There is no significant influence of apoE derived from mature osteoblasts and osteocytes on bone metabolism, as an Apoe deficiency in these cell types has neither an effect on the bone mass nor on the number and activity of bone cells of six months old females. Furthermore, osteoclast-apoE is of no essential importance with regard to bone metabolism as the osteoclast-specific Apoe knockout has no influence on the bone structure of six months old female mice. Altogether these findings show that in early stages of osteoblast differentiation apoE has a crucial regulatory function in bone metabolism, especially in bone remodeling processes. In mature osteoblasts and osteocytes as well as osteoclasts its role seems to be rather negligible or its function can also be fulfilled by exogenous apoE. In early stages of osteoblast differentiation deficiency in Apoe results in an elevated number and activity of osteoclasts likely by inducing RANKL expression. In consequence of the increased bone resorption there is a decline in bone mass. Hence, osteoblast-ApoE modulates bone resorption, influencing cell-cell communication of osteoblasts and osteoclasts. In summary this work provides evidence for an involvement of osteoblast-apoE in age- and sex-related changes in bone architecture affecting the adult skeleton.