Das RANKL/RANK/OPG-System spielt eine entscheidende Rolle in der Steuerung der Osteoklastendifferenzierung und -aktivierung durch Osteoblasten/ Knochenmarkbindegewebszellen im Rahmen des Knochenremodelings. Osteoblasten/Knochenmarkbindegewebszellen exprimieren RANKL. Dieses hat im Körper zwei Rezeptoren: RANK und OPG. RANKL kann durch Bindung an RANK auf Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen in Gegenwart von M-CSF seine osteoklastenstimulierende Wirkung entfalten. Der ebenfalls von Osteoblasten gebildete „decoy“-Rezeptor OPG blockiert als freies Protein durch Bindung an RANKL dessen Interaktion mit RANK und verhindert somit die Osteoklastogenese und Osteoklastenaktivierung. Das RANKL/RANK/OPG-System erfüllt im Körper noch weitere Funktionen im Immunsystem, in der Organentwicklung lymphatischer Gewebe und in der Entwicklung der laktierenden Brustdrüse. Viele Zytokine greifen hemmend oder aktivierend in die Osteoklastogenese ein. Sie können dies zum einen durch die Beeinflussung des RANKL/OPG-Verhältnisses, zum anderen durch direkte Interaktion mit Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen tun. Zytokine, die die Osteoklastogenese begünstigen, werden vor allem bei inflammatorischen Prozessen ausgeschüttet. Zusammen mit dem, bei diesen Zuständen von aktivierten T-Zellen produzierten RANKL kann dies längerfristig zu einem Knochenverlust führen, welcher sich im klinischen Bild der Osteoporose äußert. Aus den in der vorliegenden Dissertation durchgeführten Untersuchungen ergeben sich folgende Schlussfolgerungen: 1. Monozyten der Zelllinie RAW 264.7 lassen sich, wie bereits in der Literatur beschrieben, durch Zugabe von M-CSF und RANKL zu osteoklastenähnlichen Zellen differenzieren. 2. Die Osteoklastogenese lässt sich anhand der Veränderung verschiedener osteoklastenspezifischer Parameter charakterisieren. Es zeigt sich bei den mit M-CSF und RANKL stimulierten Monozyten eine erhöhte Transkription von CTR (Calcitoninrezeptor)- und TRAP (tartratresistente saure Phosphatase)-mRNA, eine erhöhte Expression des CTR-Proteins, eine erhöhte TRAP-Aktivität und eine Formierung TRAP-positiver mehrkerniger Riesenzellen, die in diesen Eigenschaften Osteoklasten entsprechen. Die zusätzliche Zugabe von TGF-b1 in Kombination mit M-CSF und RANKL resultiert in einer verstärkten Expression von CTR-mRNA und CTR-Protein. TRAP-mRNA-Expression und TRAP-Aktivität bleiben davon unbeeinflusst. 3. Als funktionelles Merkmal der in vitro differenzierten Osteoklasten können ihre Fähigkeit zur Ausbildung von Aktinringen und die Resorption von mineralisiertem Kollagen nachgewiesen werden. 4. Im Verlauf ihrer Differenzierung sekretieren Osteoblasten unterschiedliche Mengen an OPG. Das Maximum der Synthese liegt bei Tag 11. Freies RANKL lässt sich in Überständen von MC3T3-E1-Osteoblasten nicht nachweisen. 5. Das von Osteoblasten in das Medium abgegebene OPG ist in der Lage, die durch RANKL induzierte Osteoklastogenese von RAW-Monozyten zu hemmen. 6. In Kokulturen von MC3T3-E1-Osteoblasten und RAW-Monozyten kann keine Osteoklastogenese beobachtet werden, wahrscheinlich durch Fehlen der RANKLExprimierung oder zu starke OPG-Sekretion durch Osteoblasten. Besonders in der westlichen Welt mit ihrer hohen Lebenserwartung haben Krankheiten mit Knochenverlust sowie bösartige Neubildungen mit Knochenbefall eine große medizinische Bedeutung. Die Beeinflussung des RANKL/RANK/OPG-Systems bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur Entwicklung hochwirksamer und nebenwirkungsarmer Medikamente zur Behandlung dieser Zustände.

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Mammals cannot re-form heavily damaged bones as in large fracture gaps, whereas zebrafish efficiently regenerate bones even after amputation of appendages. However, the source of osteoblasts that mediate appendage regeneration is controversial. Several studies in zebrafish have shown that osteoblasts are generated by dedifferentiation of existing osteoblasts at injured sites, but other observations suggest that de novo production of osteoblasts also occurs. In this study, we found from cell-lineage tracing and ablation experiments that a group of cells reserved in niches serves as osteoblast progenitor cells (OPCs) and has a significant role in fin ray regeneration. Besides regeneration, OPCs also supply osteoblasts for normal bone maintenance. We further showed that OPCs are derived from embryonic somites, as is the case with embryonic osteoblasts, and are replenished from mesenchymal precursors in adult zebrafish. Our findings reveal that reserved progenitors are a significant and complementary source of osteoblasts for zebrafish bone regeneration.

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In zebrafish, transgenic labeling approaches, robust regenerative responses and excellent in vivo imaging conditions enable precise characterization of immune cell behavior in response to injury. Here, we monitored osteoblast-immune cell interactions in bone, a tissue which is particularly difficult to in vivo image in tetrapod species. Ablation of individual osteoblasts leads to recruitment of neutrophils and macrophages in varying numbers, depending on the extent of the initial insult, and initiates generation of cathepsin K+ osteoclasts from macrophages. Osteoblast ablation triggers the production of pro-inflammatory cytokines and reactive oxygen species, which are needed for successful macrophage recruitment. Excess glucocorticoid signaling as it occurs during the stress response inhibits macrophage recruitment, maximum speed and changes the macrophage phenotype. Although osteoblast loss is compensated for within a day by contribution of committed osteoblasts, macrophages continue to populate the region. Their presence is required for osteoblasts to fill the lesion site. Our model enables visualization of bone repair after microlesions at single-cell resolution and demonstrates a pro-osteogenic function of tissue-resident macrophages in non-mammalian vertebrates.

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L’ostéoarthrose (OA) est une pathologie de forte incidence affectant les articulations. Elle est caractérisée principalement par une dégradation du cartilage articulaire, un déséquilibre au niveau du remodelage osseux et une sclérose de l’os sous-chondral. L’étiologie de cette pathologie reste encore méconnue, cependant il semble de plus en plus que tous les tissus composant l’articulation soient affectés dans cette pathologie. L’importance du rôle de l’os dans le développement de l’OA est incontestable et représente donc une cible thérapeuthique intéressante. Des études effectuées par tomodensitométrie ont démontré une structure et une organisation anormales du tissu osseux des patients OA. Parallèlement, les cultures primaires d’ostéoblastes (Ob) humains OA issus de l’os sous-chondral démontrent un phénotype altéré et une faible minéralisation in vitro. La signalisation Wnt, essentielle dans l’embryogenèse, a montré avoir un rôle clé dans la régulation de l’ostéogenèse en régulant notamment la différenciation terminale des Ob. Le facteur de croissance transformant-β1 (TGF-β1), un facteur agissant notamment sur la prolifération et sur le début de la différenciation des Ob, est surexprimé par les Ob OA et pourrait moduler cette signalisation. Aussi, deux populations de patients OA peuvent être différenciées in vitro par la production de prostaglandines E2 (PGE2) par leurs Ob et les PGE2, dans une étude sur le cancer colorectal, ont montré moduler la signalisation Wnt. Notre hypothèse de travail est que l’activation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine est diminuée dans les Ob OA. Cette diminution est responsable de la sous-minéralisation et de l’altération du phénotype des Ob humains OA. Par ailleurs, DKK2, dont l’expression est contrôlée par TGF-β1, est responsable de la diminution de l’activité Wnt/β-caténine et les PGE2 peuvent en partie corriger cette situation. L’objectif général de cette étude est d’une part, de démontrer le rôle de TGF-β1, DKK2 et de PGE2 sur l’altération de la signalisation Wnt/β-caténine et d’autre part, de démontrer le lien entre TGF-β1 et DKK2 et l’effet de ces derniers sur le phénotype des Ob. Dans cette étude on a montré que la signalisation canonique Wnt est altérée dans les Ob OA et que cela était responsable de l’altération du phénotype des Ob OA. On a montré, parmi les acteurs de la signalisation Wnt, que l’expression de l’antagoniste Dickkopf-1 (DKK1) était relativement similaire entre les Ob OA et normaux contrairement à celle de l’antagoniste DKK2 qui était augmentée et à celle de l’agoniste Wnt7B qui était diminuée dans les Ob OA. On a également montré que les PGE2 pouvaient potentialiser l’activité de la signalisation Wnt dans les Ob OA. L’inhibition de DKK2 a permis d’augmenter l’activité de la signalisation Wnt et de corriger le phénotype anormal ainsi que d’augmenter la minéralisation des Ob OA. L’inhibition de TGF-β1, un facteur aussi surexprimé dans les Ob OA, a également permis la correction du phénotype et l’augmentation de la minéralisation dans les Ob OA. L’inhibition de TGF-β1 a aussi menée à l’inhibition de DKK2. Le contraire ne fût pas observé démontrant ainsi la régulation de DKK2 par TGF-β1. En conclusion, la signalisation canonique Wnt est diminuée dans les Ob OA et cela est dû au niveau élevé de DKK2 dans ces Ob. TGF-β1 régule positivement DKK2 et donc la surexpression de TGF-β1 entraîne celle de DKK2 ce qui a pour conséquences d’altérer le phénotype des Ob. Les PGE2 ont aussi montré pouvoir potentialiser l’activité de la signalisation Wnt et auraient donc un rôle positif. Ensemble, ces données suggèrent que ces altérations au niveau des Ob OA pourraient être responsables de la structure osseuse anormale observée chez les patients OA. / Osteoarthritis (OA) is a disease affecting joints and it has a very strong incidence in the population. It is characterized by articular cartilage degradation, an abnormal bone remodelling cycle and subchondral bone sclerosis. The aetiology of this disease is still unknown although OA is now considered as a joint disease involving all the tissues of the joint. The importance of bone in OA pathogenesis is now considered as fundamental and thus bone represent an interesting target for treatments. Tomodensitometric studies have shown an abnormal structure and organisation of the bone tissue of OA patients. In parallel, primary human OA osteoblast (Ob) cultures grown from the tibiofemoral subchondral bone show an abnormal phenotype and a reduced mineralization in vitro. The Wnt signalling pathway, known primarily for its important role in embryogenesis, is of utmost importance in osteogenesis and it has been shown to regulate terminal Ob differentiation. Transforming growth factor-β1 (TGF-β1), known to act on proliferation and on early phases of the differentiation of Ob, is overexpressed by OA Ob and could also modulate the Wnt signalling activity. Furthermore, two populations of OA patients can be discriminated in vitro by the production of prostaglandins E2 (PGE2) of their Ob. In a study on colorectal cancer, PGE2 was shown to modulate the canonical Wnt signalling pathway. Our hypothesis is that canonical Wnt signalling is diminished in OA Ob. This reduction is responsible for the poor mineralization and the abnormal phenotype of human OA Ob. Furthermore, DKK2, overexpressed in OA Ob and whose expression is controlled by TGF-β1, is responsible for the diminution of Wnt signalling activity, and PGE2 can partly correct this situation. The general goal of this study is twofold: 1) to demonstrate the role of TGF-β1, DKK2 and of PGE2 in the Wnt signalling activity; 2) to demonstrate the link between TGF-β1 and DKK2 and their effect on the abnormal OA Ob phenotype. We have shown in this study that the canonical Wnt signalling pathway is altered in OA Ob and that this was responsible for the altered phenotype observed in OA Ob. Also, we have shown that among the mediators of the Wnt signalling pathway, the expression of antagonist Dickkopf-1 (DKK1) was similar between OA and normal Ob. In contrast, the antagonist DKK2 was overexpressed and the expression of the agonist Wnt7B was low in OA Ob. Moreover, PGE2 increased Wnt signalling activity in OA Ob. The inhibition of DKK2 expression also increased Wnt signalling activity and corrected the abnormal phenotype along with increasing the mineralization of OA Ob. The inhibition of TGF-β1 expression, also overexpressed in OA Ob, also resulted in the correction of the phenotype and increased the mineralization of OA Ob. Inhibiting TGF-β1 expression also led to DKK2 inhibition. As the contrary was not observed, this demonstrated that TGF-β1 could regulate DKK2 expression. To conclude, Wnt signalling is reduced in OA Ob and this is due to elevated DKK2 levels in these cells. High levels of TGF-β1 in OA Ob increased DKK2 expression which could be responsible, at least partially, for their altered phenotype. PGE2 was shown to also increase Wnt signalling activity in OA Ob. Taken together these data suggest that such alterations in OA Ob could be responsible for the abnormal bone structure observed in OA patients.

Le développement et l'homéostasie des os requièrent l'orchestration spatio-temporelle d'un grand nombre de signaux moléculaires. Ces signaux entraînent l'activation ou l'inhibition de différents facteurs de transcription, lesquels sont en mesure de contrôler la prolifération et la différenciation des ostéoblastes et des chondrocytes. L'intégrité de ces différents mécanismes se doit d'être maintenu tout au long de la vie. Ainsi, une anomalie dans l'un de ces mécanismes conduit à l'apparition de pathologies osseuses et métaboliques telles qu’une hypophosphatémie, l'ostéoporose ou l'ostéoarthrite (OA). Afin d'en apprendre davantage sur la biologie osseuse, le projet décrit dans cette thèse a pour objectif de caractériser de nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle pour deux gènes importants dans le développement des os et le maintien de leur intégrité. Il s’agit du Paired-like Homeodomain Transcription Factor 1 (PITX1) et du Phosphate-regulating gene with homology to endopeptidase on the X chromosome (PHEX). Le premier mécanisme présenté dans cette thèse concerne la régulation transcriptionnelle du gène PITX1, un facteur de transcription à homéodomaine nécessaire, notamment, au développement des os des membres inférieurs et au maintien de l'intégrité du cartilage articulaire chez l'adulte. Ainsi, dans les chondrocytes articulaires, on note que l'expression de PITX1 est assurée par le recrutement du facteur de transcription E2F1 à deux éléments de réponse présents dans la région proximale du promoteur de PITX1. Aussi, dans les chondrocytes articulaires de patients souffrant d'OA, dans lesquels l'expression de PITX1 est fortement diminuée, un mécanisme de répression transcriptionnelle, lequel implique la protéine multifonctionnelle Prohibitin (PHB1), semble être activé. En effet, dans ces chondroytes, on note une forte accumulation nucléaire de PHB1 comparativement aux chondrocytes articulaires de sujets sains. Le second mécanisme présenté dans cette thèse concerne la répression transcriptionnelle de PHEX, la peptidase mutée dans le syndrome d'hypophosphatémie lié au chromosome X (X-Linked Hypophosphatemia, XLH), lequel se caractérise par une hypophosphatémie et une ostéomalacie. Le traitement d'ostéoblastes à la Parathyroid hormone-related protein (PTHrP) permet d’observer la répression de PHEX. Afin de caractériser le mécanisme responsable de cette répression, des expériences de gènes rapporteurs ont révélé la présence de deux éléments de réponse pour le répresseur transcriptionnel E4BP4 dans le promoteur de PHEX. La suppression de l'expression d'E4BP4 par l'utilisation d'ARN d'interférence a permis de valider que ce facteur de transcription est responsable de la répression de PHEX suite au traitement d'ostéoblastes à la PTHrP. En somme ces nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle permettent de mieux comprendre la régulation de l'expression de PITX1 et de PHEX. Aussi, cette nouvelle implication de PHB1 dans la pathogenèse de l'OA offre de nouvelles possibilités de traitement et pourrait servir pour le diagnostic précoce de cette pathologie. Enfin, la caractérisation d'E4BP4 en tant que médiateur pour la répression de PHEX par la PTHrP suggère que ce répresseur transcriptionnel pourrait être impliqué dans le contrôle de la minéralisation des os et des niveaux de phosphate sanguin. / Bone development and homeostasis need a large amount of molecular signals to be finely regulated in time and space. These signals lead to the activation or to the inhibition of different transcription factors, which are implicated in the control of osteoblast and chondrocyte proliferation and differentiation. The integrity of these mechanisms is required in order to have a healthy life. Indeed, if one of these mechanisms is dysfunctional, different diseases could develop such as hypophosphatemia, osteoporosis and osteoarthritis (OA). In order to contribute to the comprehension of bone biology, the present thesis describes new mechanisms for the transcriptional regulation of two genes implicated in bone development and regulation: PITX1 (Paired-like Homeodomain Transcription Factor 1) and PHEX (Phosphate-regulating gene with homology to endopeptidase on the X chromosome). The first mechanism described in this thesis relates to the transcriptional regulation of PITX1, a gene that encodes for a member of the homeobox family of transcription factors. PITX1 is required in bone development of inferior members and in the maintenance of the articular cartilage integrity in adults. Thereby, we showed that in articular chondrocytes, the expression of PITX1 is activated after the transcription factor E2F1 was recruited at two response elements in the proximal region of its promoter. Moreover, in articular chondrocytes from OA patients, we observed that the expression of PITX1 is strongly decreased. We proposed that the mechanism responsible for this repression requires the multitask protein Prohibitin (PHB1), which is strongly accumulated in OA chondrocyte nuclei, but not in chondrocyte nuclei from healthy individuals. The second mechanism described in this thesis reports a transcriptional mechanism by which PHEX, the gene that encodes for the peptidase mutated in the syndrome X-Linked Hypophosphatemia (XLH)and characterized by hypophosphatemia and osteomalecia, is repressed. We showed that the treatment of osteoblasts with the Parathyroid hormone-related protein (PTHrP) induced a decrease in PHEX expression. In order to characterize the mechanism responsible for this repression, we performed gene reporter experiments and identified two response elements for the transcription factor E4BP4 in the PHEX promoter. The downregulation of E4BP4 by siRNA led to the validation that this repressor decreased the expression of PHEX in osteoblasts after their treatment with PTHrP. In conclusion, the new transcriptional mechanisms presented in this thesis allow a better understanding of PITX1 and PHEX expression. Moreover, the potential role of PHB1 in the establishment of OA presents many interesting possibilities regarding the treatment and diagnosis of this disease. Finally, the characterization of E4BP4 as a mediator of PHEX repression by the PTHrP suggests that E4BP4 could be implicated in the control of bone mineralization and phosphate levels in the blood.