La protéine d’activation des fibroblastes-α interagit avec CXCL12 pour inactiver la voie Wnt canonique et réguler la différenciation des ostéoblastes

Endocrinologie Gériatrie Médecine fondamentale Biologie cellulaire Biochimie Sciences de la vie Médecine Orthopédie
protéine d’activation des fibroblastes-α CXCL12 voie Wnt/β-caténine différenciation ostéoblastique différenciation adipocytaire ostéoporose cellules progénitrices mésenchymateuses

Contexte de la recherche académique

Avec l’aggravation du vieillissement mondial de la population, l’ostéoporose est progressivement devenue une maladie majeure menaçant la santé publique. Elle se caractérise par une diminution de la masse osseuse et une dégradation de la microarchitecture du tissu osseux, rendant les fractures plus fréquentes, ce qui affecte gravement la qualité de vie des personnes âgées et entraîne un lourd fardeau médical. L’ostéoporose est principalement causée par un déséquilibre entre la résorption osseuse et la formation osseuse. Bien que les mécanismes liés à la résorption osseuse aient été largement étudiés et que des médicaments correspondants aient été progressivement commercialisés, notre compréhension des dérèglements de la formation osseuse, en particulier des mécanismes moléculaires et de régulation de la différenciation des ostéoblastes, reste insuffisante, ce qui limite le développement de nouvelles thérapies. Ainsi, l’élucidation des mécanismes cellulaires et moléculaires gouvernant la différenciation des ostéoblastes revêt une grande importance pour comprendre l’apparition et le développement des maladies du métabolisme osseux et pour découvrir de nouvelles cibles d’intervention.

Les cellules stromales de la moelle osseuse (BMSCs, bone marrow stromal cells) sont les précurseurs des ostéoblastes et des adipocytes, entre autres. Sous un microenvironnement et des signaux cellulaires spécifiques, elles peuvent se différencier en ostéoblastes participant à la formation osseuse ou en adipocytes. Le destin différentiel des BMSCs dépend non seulement de la régulation précise de multiples voies de signalisation (telles que la voie Wnt/β-caténine, RUNX2, Osterix, PPARγ, etc.), mais le déséquilibre de cette orientation de différenciation est aussi une cause essentielle de maladies comme l’ostéoporose — par exemple, une différenciation accrue vers les adipocytes inhibe l’ostéogenèse, augmente la teneur en graisse médullaire et affaiblit indirectement la fonction du tissu osseux. Les mécanismes moléculaires impliqués dans ce processus restent peu clairs, notamment comment l’interaction entre réseaux de signaux détermine le destin cellulaire.

Au cours des dernières années, la protéine d’activation des fibroblastes α (FAPα, fibroblast activation protein-α), une protéase à sérine de surface, a été identifiée comme étant étroitement liée au métabolisme osseux. Des études préliminaires montrent que FAP possède une double activité enzymatique (dipeptidyl peptidase et endopeptidase), joue un rôle dans la réparation tissulaire, la cancérogenèse, l’inflammation, et pourrait également réguler négativement l’ostéogenèse. Cependant, il manque encore de preuves directes et systémiques pour savoir si FAP régule directement la différenciation ostéoblastique et adipocytaire des BMSCs, ainsi que pour en déterminer les cibles moléculaires et les voies impliquées.

Source et informations de base de l’article

Cet article, intitulé « Fibroblast activation protein- interacts with cxcl12 to inactivate canonical wnt signaling and regulate osteoblast differentiation », a été rédigé par Yuan Dong, Xingli Hu, Wei Liu, Yinglong Hao, Jie Zhou, Xiaoxia Li et Baoli Wang, affiliés à l’Hôpital Mémorial Chu Hsien-i et à l’Institut d’Endocrinologie de l’Université Médicale de Tianjin, ainsi qu’à la Faculté des sciences médicales fondamentales de l’Université Médicale de Tianjin. Il a été publié dans la revue « Stem Cells » de l’Oxford University Press (numéro de l’article doi:10.1093/stmcls/sxaf027), figurant dans la rubrique « advance-article » du numéro de juin 2025.

Détail du protocole global et des méthodes expérimentales

Cette étude utilise comme modèles des « cellules stromales de moelle osseuse de souris et des progéniteurs ostéoblastiques », et combine clonage moléculaire, interférence génique (siRNA/shRNA), surexpression, co-immunoprécipitation, dégradation protéique, inductions/dosages fonctionnels de différenciation (ostéogenèse, adipogenèse et colorations), immunoblot (Western blot), séquençage transcriptomique (RNA-seq) et autres techniques pour explorer systématiquement les mécanismes moléculaires du rôle de FAP dans la différenciation des BMSCs. Le déroulement principal est le suivant :

1. Isolement des cellules et établissement du modèle de différenciation

  • Objets et échantillons : Utilisation de souris C57BL/6J âgées de 3 semaines, isolement des BMSCs, utilisation des lignées cellulaires progénitrices MC3T3-E1, des cellules mésenchymateuses C3H10T1/2, et des cellules St2 de souris.
  • Induction de différenciation : Application d’agents inducteurs de l’ostéogenèse ou de l’adipogenèse pour induire, respectivement, la différenciation des BMSCs, St2 et C3H10T1/2 en ostéoblastes ou adipocytes.
  • Détection de la différenciation : Usage de la coloration à la phosphatase alcaline (ALP) et la mesure de son activité, de la coloration au rouge d’Alizarine (Alizarin Red) pour la minéralisation, de la coloration au rouge Oil O pour l’adipogenèse.

2. Manipulations fonctionnelles sur FAP (études Gain-de-fonction / Perte-de-fonction)

  • Surexpression : Construction de vecteurs d’expression FAP via pcDNA3.1(+), transfection dans St2, MC3T3-E1, C3H10T1/2 par réactif de transfection au polyéthylèneimine, création de modèles à FAP surexprimé.
  • Knockdown : Synthèse de siRNA/shRNA dirigés contre FAP, transfection ou infection virale des BMSCs, obtention du knockdown de FAP.
  • Systèmes de détection : Analyse de l’effet de FAP sur la différenciation ostéoblastique/adipocytaire des BMSCs, mesure des marqueurs de différenciation (RUNX2, Osterix, ALP, Ostéopontine, PPARγ, C/EBPα, FABP4, Adipsine) par qPCR et Western blot.

3. Exploration des mécanismes moléculaires

  • Bio-informatique et co-immunoprécipitation : À partir de la base STRING, CXCL12 (chemokine C-X-C ligand 12) est identifiée comme partenaire potentiel, ce qui est confirmé expérimentalement par co-immunoprécipitation.
  • Test de dégradation protéique : Utilisation de protéines recombinantes in vitro pour tester si FAP clive directement CXCL12, évaluation selon l’efficacité et la dépendance au temps.
  • Niveau de régulation de l’expression : Mesure des niveaux de CXCL12 protéine et ARNm sous FAP surexprimé ou éteint, clarification du niveau de régulation (essentiellement post-traductionnel).

4. Analyse de la voie de signalisation Wnt/β-caténine

  • Surveillance de l’activité de signalisation : Détection des protéines clés de la voie Wnt (LRP6 phosphorylé, GSK3β phosphorylé, β-caténine non-phosphorylée, TCF7L2), clarification des mécanismes de FAP/CXCL12 sur cette voie et l’impact sur le destin de différenciation.
  • Utilisation d’inhibiteurs/activateurs et double knockdown/overexpression : Application de CHIR99021 (inhibiteur de GSK3β) pour activer la β-caténine, silençage/ surexpression combinée par siRNA/plasmides, vérification de la spécificité fonctionnelle de FAP/CXCL12 via la voie Wnt/β-caténine.

5. Exploration de la nécessité de l’activité protéasique de FAP

  • Mutagenèse dirigée : Mutation ponctuelle du site actif de FAP (S624A), obtention d’une forme FAP inactivée (FSM), comparaison avec la forme sauvage pour l’hydrolyse de CXCL12 et la fonction dans la différenciation, confirmation de la nécessité de l’activité enzyme.

6. Séquençage transcriptomique RNA-seq

  • Conception des expériences : Séquençage complet du transcriptome de cellules St2 transfectées par siRNA contre FAP ou CXCL12, analyse des gènes et voies communément ou différemment régulés.
  • Analyses de données : Enrichissement fonctionnel KEGG et GO, révélation de nouveaux réseaux moléculaires et compréhension de l’axe FAP-CXCL12-Wnt.

Détails des principaux résultats expérimentaux

1. Corrélation entre expression de FAP et destin différentiel

  • FAP est significativement up-régulé au cours des différenciations ostéoblastique et adipocytaire des BMSCs ; l’expression la plus forte est observée dans l’os et le muscle squelettique de souris, et son expression s’accentue avec l’âge, suggérant un lien avec les maladies du métabolisme osseux.

2. Effets de FAP sur le destin des BMSCs

  • Ostéogenèse : La surexpression de FAP inhibe fortement la différenciation ostéoblastique (diminution de la coloration ALP, de la minéralisation, baisse des gènes d’ostéoblastes) dans St2 et MC3T3-E1 ; à l’inverse, l’extinction de FAP favorise l’ostéogenèse.
  • Adipogenèse : La surexpression de FAP stimule l’adipogenèse (intensification de la coloration Oil Red O, augmentation des gènes d’adipocytes) dans C3H10T1/2 ; son extinction inhibe la différenciation adipocytaire.
  • Dans les BMSCs primaires, l’extinction de FAP favorise l’ostéogenèse et réduit l’adipogenèse, validant une régulation bidirectionnelle.

3. FAP régule la signalisation cible via la dégradation de CXCL12

  • FAP forme un complexe avec CXCL12, clivant directement la protéine sans modifier son ARNm, précisant une régulation de type post-traductionnel.
  • In vitro, FAP dégrade de façon marquée et temporellement croissante CXCL12 recombinante.
  • CXCL12 active la voie canonique Wnt/β-caténine, favorisant l’ostéogenèse et inhibant l’adipogenèse ; la forme inactivée de FAP (FSM) ne peut plus ni dégrader CXCL12 ni réguler la différenciation.

4. Régulation de l’ostéogenèse et de l’adipogenèse par FAP, CXCL12 et la voie Wnt/β-caténine

  • La surexpression de FAP diminue les protéines associées à la voie Wnt/β-caténine (p-LRP6, p-GSK3β, β-caténine non phospho, TCF7L2), s’accompagnant d’une inhibition de l’ostéogenèse et d’une promotion de l’adipogenèse ; à l’inverse, le knockdown de FAP ou la surexpression de CXCL12 augmente ces protéines.
  • L’activation chimique de β-caténine (CHIR99021) contrecarre l’effet délétère de FAP sur les différenciations ; le knockdown de β-caténine abolit les effets de FAP/CXCL12 sur le devenir cellulaire, démontrant le rôle central de cette voie.

5. Rôle et interaction de CXCL12 dans la régulation du destin par FAP

  • Réguler l’expression de CXCL12 détermine la différenciation des BMSCs : son extinction inhibe l’ostéogenèse et favorise l’adipogenèse, sa surexpression a les effets inverses.
  • Le knockdown de CXCL12 annule partiellement les effets du knockdown de FAP (promotion de l’ostéogenèse, inhibition de l’adipogenèse).
  • Inversement, la surexpression de CXCL12 compense en partie les effets pathogènes d’une surexpression de FAP.

6. RNA-seq : Réseaux de régulation transcriptomique

  • L’extinction de FAP ou de CXCL12 conduit à la détection de plus d’un millier de gènes différentiellement exprimés ; les voies communes comprennent NOD-like receptor, p53, TLR, mais KEGG ne révèle pas la voie Wnt/β-caténine comme descendante majeure, suggérant une régulation plutôt post-traductionnelle.

Conclusions de la recherche et valeur scientifique

L’étude démontre clairement que FAP, en clivant directement CXCL12, inhibe la capacité de ce dernier à activer la voie Wnt/β-caténine, agissant ainsi comme régulateur clé du destin ostéoblastique/adipocytaire des cellules progénitrices mésenchymateuses. Plus précisément, la surexpression de FAP réprime la signalisation Wnt et favorise la différenciation adipocytaire aux dépens de l’ostéogenèse ; son inhibition produit l’effet inverse. L’identification de cet axe moléculaire éclaire le « jeu à somme nulle » entre formation osseuse et adipogenèse médullaire, offrant une nouvelle cible potentielle pour les interventions des maladies osseuses métaboliques comme l’ostéoporose. Inhiber FAP pourrait ainsi ouvrir de nouvelles voies pour la prévention et le traitement de l’ostéoporose.

Points forts de l’étude

  1. Innovation mécanistique : Première démonstration que FAP régule le destin des BMSCs via l’hydrolyse directe de CXCL12 et la modulation de la voie Wnt/β-caténine, comblant une lacune des preuves directes sur le rôle de FAP dans l’ostéogenèse.
  2. Méthodologie rigoureuse : Combinaison de manipulations cellulaires, réactions protéiques in vitro, analyses tissulaires animales, colorations de différenciation, études d’interactions moléculaires, analyse de signalisation et RNA-seq garantissent des conclusions fiables.
  3. Nécessité de l’activité enzymatique : La conception par mutagenèse ponctuelle démontre que l’activité protéasique de FAP est indispensable pour l’hydrolyse de CXCL12 et sa fonction, base pour le développement d’inhibiteurs spécifiques.
  4. Potentiel clinique : Cibler FAP ou CXCL12 pourrait rétablir l’équilibre entre graisse et os dans la moelle et constituer un nouveau levier contre l’ostéoporose.

Autres contenus importants

  • Cette étude mentionne aussi que l’impact de FAP sur les réseaux de signalisation dépasse la voie Wnt, indiquant un rôle multi-niveaux de FAP dans le métabolisme osseux et lipidique.
  • L’équipe rappelle avoir décrit précédemment le rôle de la déméthylase d’histone KDM7A dans la régulation transcriptionnelle de FAP et l’homéostasie osseuse, soulignant la coopération entre épigénétique et régulation enzymatique sur l’axe du métabolisme osseux.

Conclusion et signification

Cette étude révèle le rôle pivot du nouvel axe FAP-CXCL12-Wnt/β-caténine dans la décision de différenciation des cellules mésenchymateuses médullaires, ouvrant une nouvelle perspective pour la compréhension fondamentale, la validation de cibles et le développement thérapeutique concernant les maladies du métabolisme osseux. Si la signification physiopathologique de cet axe venait à être confirmée chez l’animal et dans des échantillons cliniques, cela enrichirait considérablement la biologie osseuse et stimulerait la recherche fondamentale et translationnelle sur l’ostéoporose et les maladies associées.