This body of work is concerned with the genetics of craniofacial morphology and specifically with that of the cranial sutures which form fibrous articulations between the calvarial bones. The premature fusion of these sutures, known as craniosynostosis, is a common developmental abnormality and has been extensively utilised here as a tool through which to study the genetics of suture morphogenesis and craniofacial diversity. Investigations began with a search for polymorphisms associated with normal variation in human craniofacial characteristics. Denaturing High-Performance Liquid chromatography was used to identify polymorphisms in two genes causative for craniosynostosis by analysing DNA from a large cohort of individuals from four ethnogeographic populations. A single nucleotide polymorphism in fibroblast growth factor receptor 1 was identified as being associated with variation in the cephalic index, a common measure of cranial shape. To further, and specifically, investigate the molecular processes of suture morphogenesis gene expression was compared between unfused and prematurely fusing/fused suture tissues isolated from patients with craniosynostosis. Two approaches, both utilising Affymetrix gene expression microarrays, were used to identify genes differentially expressed during premature suture fusion. The first was a novel method which utilised the observation that explant cells from both fused and unfused suture tissue, cultured in minimal medium, produce a gene expression profile characteristic of minimally differentiated osteoblastic cells. Consequently, gene expression was compared between prematurely fused suture tissues and their corresponding in vitro de-differentiated cells. In addition to those genes known to be involved in suture morphogenesis, a large number of novel genes were identified which were up-regulated in the differentiated in vivo state and are thus implicated in premature suture fusion and in vivo osteoblast differentiation. The second microarray study involved an extensive analysis of 16 suture tissues and compared gene expression between unfused (n=9) and fusing/fused sutures (n=7). Again, both known genes and a substantially large number of novel genes were identified as being differentially expressed. Some of these novel genes included retinol binding protein 4 (RBP4), glypican 3 (GPC3), C1q tumour necrosis factor 3 (C1QTNF3), and WNT inhibitory factor 1 (WIF1). The known functions of these genes are suggestive of potential roles in suture morphogenesis. Realtime quantitative RT PCR (QRT-PCR) was used to verify the differential expression patterns observed for 11 genes and Western blot analysis and confocal microscopy was used to investigate the protein expression for 3 genes of interest. RBP4 was found to be localised on the ectocranial surface of unfused sutures and in cells lining the osteogenic fronts while GPC3 was localised to suture mesenchyme of unfused sutures. A comparison between each unfused suture (coronal, sagittal, metopic, and lambdoid) demonstrated that gene expression profiles are suture-specific which, based on the identification of differentially expressed genes, suggests possible molecular bases for the differential timing of normal fusion and the response of each suture to different craniosynostosis mutations. One observation of particular interest was the presence of cartilage in unfused lambdoid sutures, suggesting a role for chondrogenesis in posterior skull sutures which have generally been thought to develop by intramembranous ossification without a cartilage precursor. Finally, the effects of common media supplements used in in vitro experiments to stimulate differentiation of calvarial suture-derived cells were investigated with respect to their ability to induce in vivo-like gene expression. The response to standard differentiation medium (ascorbic acid + β-glycerophosphate) with and without dexamethasone was measured by both mineralisation and matrix formation assays and QRT-PCR of genes identified in the above described microarray studies. Both media induced collagen matrix and bone nodule formation indicative of differentiating osteoblasts. However, the genes expression profiles induced by both media differed and neither recapitulated the levels and profiles of gene expression observed in vivo for cells isolated from both fused and unfused suture tissues. This study has implications for translating results from in vitro work to the in vivo situation. Significantly, the dedifferentiation microarray study identified differentially expressed genes whose products may be considered candidates as more appropriate osteogenic supplements that may be used during in vitro experiments to better induce in vivo-like osteoblast differentiation. This study has made a substantial contribution to the identification of novel genes and pathways involved in controlling human suture morphogenesis and craniofacial diversity. The results from this research will stimulate new areas of inquiry which will one day aid in the development of better diagnostics and therapeutics for craniosynostosis, and other craniofacial and more general skeletal abnormalities.

Les sutures crâniennes ont été régulièrement étudiées au fil des siècles puisque déjà Vésale établissait une relation entre l’âge et la synostose suturale. Leur imprécision a quelque peu confiné l’observation de ces sutures dans un certain oubli, justifié en partie. Il est clair que leur fiabilité quant à l’estimation de l’âge au décès reste discutable et ce, pour diverses raisons. Leur observation est difficile et dès lors sujette à subjectivité dans l’appréciation de leurs stades de fusion. De plus, leur apparence sur le crâne sec peut être altérée par divers artéfacts de conservation (cire, vernis…). Outre l’observation des classiques sutures ectocrâniennes de voûte et l’utilisation des méthodes habituelles en la matière (méthode de Acsádi et Nemeskéri, méthode de Masset), nous avons orienté notre étude vers des sutures peu voire pas exploitées, à savoir les sutures palatines, les sutures fronto-naso-maxillaires et les sutures de l’os zygomatique. Ces trois groupes suturaux ont la particularité d’évoluer de manière très lente vers la fusion, à tel point que peu d’individus en présentent une oblitération complète. Face au vieillissement de la population et de par notre expérience médico-légale et anthropologique d’étude de pièces osseuses de personnes âgées, nous avons estimé qu’il était utile de se pencher sur des collections particulières de sujets d’âge avancé, afin d’apprécier l’évolution morphologique de ces sutures faciales. Si certaines personnes fort âgées gardent malgré tout des caractéristiques suturales peu évoluées, il existe dans l’ensemble, une progression suturale quasiment constante en fonction de l’âge. Nous avons tenté de la cerner, en attribuant à ces sutures, des degrés bien définis de cette progressive fusion et par là, l’aboutissement à un coefficient moyen d’oblitération suturale, se traduisant aisément en pourcentage d’oblitération ou pouvant être introduit dans des équations de régression. Tout en connaissant les limites de cette approche, nous pouvons estimer qu’elle peut rendre des services lors de l’étude de restes humains squelettisés, notamment s’ils appartiennent à des personnes fort âgées, dès lors qu’à ces stades de vieillissement, peu de méthodes restent encore applicables. D’autre part, l’approche en pourcentage d’oblitération suturale rend également des services lorsque les crânes étudiés sont fragmentés. C’est la situation que nous rencontrons actuellement lors de l’étude d’une très importante collection anthropologique à l’Institut royal des Sciences naturelles de Belgique. Cette observation suturale pourra également – à l’avenir – trouver un terrain d’approche fort utile par l’étude des sutures en CT-Scan ou en micro-CT. Enfin, grâce à ces techniques modernes d’imagerie médicale, les sutures trouvent un regain d’intérêt dans une application toute particulière, qui est celle de l’identification comparative, puisqu’il apparaît que le « dessin sutural » s’avère tout à fait propre à chaque individu.

Les sutures crâniennes ont été régulièrement étudiées au fil des siècles puisque déjà Vésale établissait une relation entre l’âge et la synostose suturale.<p><p>Leur imprécision a quelque peu confiné l’observation de ces sutures dans un certain oubli, justifié en partie.<p><p>Il est clair que leur fiabilité quant à l’estimation de l’âge au décès reste discutable et ce, pour diverses raisons.<p><p>Leur observation est difficile et dès lors sujette à subjectivité dans l’appréciation de leurs stades de fusion.<p><p>De plus, leur apparence sur le crâne sec peut être altérée par divers artéfacts de conservation (cire, vernis…).<p><p>Outre l’observation des classiques sutures ectocrâniennes de voûte et l’utilisation des méthodes habituelles en la matière (méthode de Acsádi et Nemeskéri, méthode de Masset), nous avons orienté notre étude vers des sutures peu voire pas exploitées, à savoir les sutures palatines, les sutures fronto-naso-maxillaires et les sutures de l’os zygomatique.<p><p>Ces trois groupes suturaux ont la particularité d’évoluer de manière très lente vers la fusion, à tel point que peu d’individus en présentent une oblitération complète.<p><p>Face au vieillissement de la population et de par notre expérience médico-légale et anthropologique d’étude de pièces osseuses de personnes âgées, nous avons estimé qu’il était utile de se pencher sur des collections particulières de sujets d’âge avancé, afin d’apprécier l’évolution morphologique de ces sutures faciales.<p><p>Si certaines personnes fort âgées gardent malgré tout des caractéristiques suturales peu évoluées, il existe dans l’ensemble, une progression suturale quasiment constante en fonction de l’âge.<p><p>Nous avons tenté de la cerner, en attribuant à ces sutures, des degrés bien définis de cette progressive fusion et par là, l’aboutissement à un coefficient moyen d’oblitération suturale, se traduisant aisément en pourcentage d’oblitération ou pouvant être introduit dans des équations de régression.<p><p>Tout en connaissant les limites de cette approche, nous pouvons estimer qu’elle peut rendre des services lors de l’étude de restes humains squelettisés, notamment s’ils appartiennent à des personnes fort âgées, dès lors qu’à ces stades de vieillissement, peu de méthodes restent encore applicables. D’autre part, l’approche en pourcentage d’oblitération suturale rend également des services lorsque les crânes étudiés sont fragmentés. C’est la situation que nous rencontrons actuellement lors de l’étude d’une très importante collection anthropologique à l’Institut royal des Sciences naturelles de Belgique.<p><p>Cette observation suturale pourra également – à l’avenir – trouver un terrain d’approche fort utile par l’étude des sutures en CT-Scan ou en micro-CT.<p><p>Enfin, grâce à ces techniques modernes d’imagerie médicale, les sutures trouvent un regain d’intérêt dans une application toute particulière, qui est celle de l’identification comparative, puisqu’il apparaît que le « dessin sutural » s’avère tout à fait propre à chaque individu.<p><p>/<p><p>Cranial sutures were regularly studied during centuries since Vésale already established a relationship between age at death and sutural fusion. <p><p>Their inaccuracy somewhat confined the observation of these joints in a certain lapse of memory, partly justified. <p><p>Various reasons clearly indicate that their reliability for age at death estimation remains debatable. <p><p>Their observation is difficult and consequently prone to subjectivity in the appreciation of their stages of fusion. <p><p>Moreover, their appearance on dry cranium can be modified by various artefacts from preserving methods (wax, varnished…). <p><p>In addition to the traditional observation of ectocranial sutures (with the usual methods such as Acsádi and Nemeskéri method and Masset method), we have directed our study towards not much exploited sutures, namely the palatine sutures, the fronto-naso-zygomatic sutures and the sutures of the zygomatic bone. <p><p>These three sutural groups are characteristic by evolving very slowly to fusion, and than, only few individuals present a complete obliteration of the latter. <p><p>Because of general population ageing and our medicolegal and anthropological experience of skeletal remains in elderly, we estimated the usefulness in studying particular collections of old people, in order to appreciate the morphological evolution of these facial joints. <p><p>Despite some very old people who present little evolved sutural characteristics, we consider as a whole, an almost constant sutural progression according to age. <p><p>We tried to define degrees of this progressive fusion and by the way, the result with a sutural obliteration average coefficient, can be easily translate as a percentage obliteration or able to be introduced into regression equations. <p><p>The limits of this approach are well known but we estimate that it is possible to help the examination of human skeletal remains in elderly, although at these stages of ageing, some methods remain still applicable. In addition, the approach expressed as a percentage of sutural obliteration is also very helpful when craniums are fragmented. This situation is currently observed on the anthropological collections at the Royal Belgian Institute of Natural Sciences. <p><p>Furthemore in the future, the sutural observation will find an interesting and useful approach by the study of the joints in CT-Scan or micro-CT. <p><p>At least, thanks to these modern techniques of medical imagery, the sutures find a renewed interest in a very particular application, such as comparative identification. It appears that the "sutural drawing" proves completely specific to each individual. <p><p> / Doctorat en sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished