Identification of human osteoclast suppression by Kynurenine through the AhR pathway

Abstract

Osteoclasts are multinucleated giant cells derived from hematopoietic cells of the myeloid lineage. M-CSF and RANKL produced by osteoblasts are essential cytokines for differentiation and functions of osteoclasts. M-CSF promotes generation of osteoclast precursors (OCPs) that express the RANK receptor for RANKL. When binding RANKL to RANK on OCPs, it differentiates into mature osteoclasts to have potent bone resorption activity. Excessive bone resorption causes inflammatory bone destruction characteristic of certain chronic autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis (RA). Thus, inhibition of osteoclasts could be beneficial for the treatment of the bone destruction in RA. Aryl-hydrocarbon receptor (AhR) is a ligand-activated transcription factor and regulates differentiation and function of various immune cells such as regulatory T cells, Th17 and dendritic cells. In recent study, AhR is involved in bone remodeling through regulating both osteoblasts and osteoclasts. However, the effects and mechanisms of AhR activation in human osteoclastogenesis remain unknown. Thus, we aimed to investigate the effects of AhR in human osteoclasts. AhR is activated by various endogenous and exogenous ligands such as kynurenine (Kyn), formylindolo[3,4-b]carbazole (FICZ), and benzopyrene (BaP). We found that Kyn, FICZ, and BaP inhibit osteoclast formation. Also, osteoclasts were effectively suppressed by Kyn at an early stage of osteoclastogenesis that AhR is highly expressed. Blockade of AhR signaling through CH223191, a AhR antagonist, and knockdown of AhR expression reversed Kyn-induced inhibition of osteoclast differentiation. In conclusion, our study is the first report that AhR agonists inhibit human osteoclast differentiation. Thus, AhR agonists could be good therapeutic drugs to prevent bone destruction diseases such as RA|파골세포는 조혈모세포에서 유래하는 거대한 다핵세포이고 골 조직의 파괴 또는 흡수의 기능을 가진다. 이러한 파골세포의 골 흡수 작용이 과도하게 일어나는 경우는 관절 손상을 일으키는 류마티스관절염에서 흔히 볼 수 있다. 따라서 파골세포를 억제하는 것은 류마티스관절염 관절 악화의 치료 표적으로 제시되어 왔다. 최근 많은 연구에서 Aryl hydrocarbon receptor (AhR)이 면역체계뿐 만 아니라 골 재형성에도 관여한다고 알려져 있다. 그러나 AhR 이 인간 파골세포를 조절하는지에 관해서는 연구된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 AhR 이 인간 파골세포에게 주는 효과를 규명하고자 한다. AhR 작용제들은 인간 파골세포 분화를 억제했으며, AhR 발현이 높은 분화 초기에 더 효과적으로 일어나는 것을 확인하였다. 또한, AhR 신호전달을 막았을 때, kynurenine (Kyn, AhR 작용제) 자극에 의해 매개된 파골세포의 억제가 회복되는 것을 확인하였다. 이를 통해 Kyn이 AhR 신호를 통해 파골세포를 억제하는 것을 알 수 있었다. 그리고 Kyn에 의한 파골세포 분화 억제가 파골세포 분화를 조절하는 Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) 신호 전달에 의해 일어나지는 않는 것을 확인하였다. 흥미롭게도, Kyn이 파골세포 분화에 중요한 전사 인자인 NFATc1 단백질을 감소시키는 것을 발견하였다. 결론적으로, AhR 활성화는 인간 파골세포 분화를 억제시키며, 이는 NFATc1 단백질 감소가 관여할 것으로 사료된다. 따라서 AhR 이 류마티스 관절염과 같은 관절 손상 질환에 치료적 표적이 될 수 있음을 제안한다.