Effects of low-density lipoprotein receptor-related protein 4 and apolipoprotein E isoforms on bone metabolism in vivo

LRP4, member of the LDLR family, is a multifunctional membrane-bound receptor that is expressed in various tissues. The expression of LRP4 by osteoblasts, its novel interaction with Wnt-signaling inhibitors Dkk1 and SOST, and the lower levels of activated beta-catenin in different bone locations described here, adds another player to the long list of established factors that modulate canonical Wnt-signaling in bone. By demonstrating that in addition to Wise, LRP4 is able to interact with two additional important modulators of Wnt- and BMP-signaling, our perspective of the complexity of the integration of BMP and Wnt-signaling pathways on the osteoblast surface has expanded further. Nevertheless the recently described association of both the SOST and LRP4 genes with BMD in humans, together with our findings suggest that LRP4 plays a physiologically important role in the skeletal development and bone metabolism not only in rodents, but in humans as well. The efficiency with which LRP4 binds both SOST and Dkk1, presumably at the osteoblastic surface, LRP4 may act as a sink and competes with LRP5/6 for the binding of these Wnt antagonists, which then are no longer available for suppression of the signal through the LRP5/6 axis. rnApoE, a 299 amino acid glycoprotein, is a crucial regulator in the uptake of triglyceride, phospholipids, cholesteryl esters, and cholesterol into cells. ApoE has been linked to osteoporosis, and such a role is further strengthened by the present of a high bone mass phenotype in ApoE null mice. Until recently, the effects of respective ApoE isoforms E2, E3, and E4, and their impact on bone metabolism, have been unclear. Here we report that respective human ApoE knockin mice display diverse effects on bone metabolism. ApoE2 mice show decreased trabecular bone volume per total volume in femoral bone and lumbar spine in comparison to ApoE3 and E4 animals. In this context, urinary bone resorption marker DPD is increased in these animals, which is accompanied by a low ratio of osteoclastogenesis markers OPG/RANKL. Interestingly, serum bone formation markers ALP and OCN are diminished in ApoE4 mice. In contrast to this finding, ApoE2 mice show the lowest bone formation of all groups in vivo. These findings cannot be explained by the low receptor-affinity of ApoE2 and subsequent decreased uptake of triglyceride-rich lipoproteins by osteoblasts, resulting in elevated levels of undercarboxylated osteocalcin. Thus, other crucial pathways relevant for bone metabolism, e. g. Wnt/beta-catenin-signaling pathways, must be, compared to the ApoE3/4 isoforms, more affected by the ApoE2 isoform.

LRP4, Mitglied der low-density lipoprotein (LDL) Rezeptor Genfamilie, ist ein membranständiger multifunktionaler Rezeptor, der in zahlreichen Geweben exprimiert ist. Die Expressioen von LRP4 in Osteoblasten, die Interaktion mit Wnt-Antagonisten Dkk1 und SOST und die erniedrigten Proteinlevel an unphosphorylierten „aktivierten“ beta-Catenin, fügt ein weiteres Protein zur langen Liste etablierter Faktoren, die den kanonischen Wnt-Signalweg modulieren. Zusätzlich zu Wise, bindet LRP4 zwei weitere wichtige Modulatoren des Wnt- und BMP-Signalweges, welches eine weitere Verflechtung beider Signalwege an der Osteoblastenoberfläche zeigt. Die kürzlich entdeckte Assoziation von LRP4 und SOST mit reduzierter Knochendichte im Menschen, zusammen mit unseren Ergebnissen, lassen auf eine physiologisch wichtige Rolle des LRP4 Rezeptors der Skelettentwicklung und im Knochenmetabolismus im Menschen schließen. Aufgrund der Bindung der Wnt-Antagonisten SOST und Dkk1 an der Osteoblastenoberfläche an LRP4, könnte dieser Rezeptor als eine Art Abfangrezeptor für SOST und Dkk1 fungieren. Somit wären diese Antagonisten für die Unterdrückung des Wnt-Signalweges verfügbar. rnApoE, ein 299 Aminosäuren-Glykoprotein, ist ein wichtiger Regulator in der Aufnahme von Triglyceriden, Phospholipiden, Cholerterinestern und Cholesterin in die Zelle. Mehrere Publikationen bringen ApoE mit der Osteoporose in Zusammenhang, welches durch den ApoE knockout in der Maus, der einen hohen Knochenmasse Phänotypen zeigt, weiter bestätigt wird. Bis heute sind die Auswirkungen der drei verschiedenen ApoE Isoformen E2, E3 und E4 auf den Knochenmetabolismus unklar. In diesem Projekt zeigen wir, dass humane ApoE knockin Mäuse – Mäuse sind homozygot für humanes ApoE E2, E3 oder E4 – diverse Effekte im Knochenmetabolismus aufweisen. ApoE2 Mäuse zeigen weniger trabekulären Knochen im femoralen und Lendenwirbelknochen im Vergleich zu den anderen Gruppen. Des Weiteren ist der Knochenresorptionsmarker Deoxypyridinolin für ApoE2 Tiere erhöht, welches mit einem geringen Verhältnis der Osteoklasten-Differenzierungsmarker OPG/RANKL einhergeht. ApoE2 Mäuse zeigen keinen erniedrigten Level an Knochenformationsmarker ALP/OCN, jedoch ist die Formationsrat in vivo erniedrigt. Diese Ergebnisse können nicht mit einer unterschiedlichen Rezeptoraffinität und einer variierenden Carboxylierung von OCN begründet. Vielmehr scheinen wichtige Signalwege für den Knochenmetabolismus, z. B. den Wnt-Signalweg, durch ApoE2 unterschiedlich moduliert zu werden. rn