Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. [159]-181. Publié aussi en version électronique.

La maladie osseuse de Paget (MOP) a changé de visage au cours des dernières années, augmentant le nombre d’individus atteints qui demeurent asymptomatiques. Étant donné le risque élevé de développer un ostéosarcome associé avec la MOP, cette maladie est une contre-indication à la prescription d’agents ostéoformateurs. Avec l’apparition prochaine de nouveaux agents ostéoformateurs pour le traitement de l’ostéoporose, il devient crucial de pouvoir dépister de façon fiable la présence de la MOP. Les objectifs de ce projet étaient (1) de mettre au point un test plus sensible permettant de détecter et d’évaluer la fréquence des mutations post-zygotiques SQSTM1/P392L chez les patients pagétiques, (2) de développer un test génétique de dépistage de la MOP incluant les mutations germinales et post-zygotiques dans SQSTM1, (3) et d’évaluer les performances diagnostiques de ce test intégré avec des marqueurs biochimiques dans une signature moléculaire spécifique à la maladie. Une technique de PCR sensible utilisant un acide nucléique bloqué (LNA) spécifique à la mutation SQSTM1/P392L a été développée, puis la présence de cette mutation a été recherchée dans les cohortes disponibles au laboratoire et dans différents tissus. Ensuite, le développement de la signature moléculaire a utilisé les données génotypiques et biochimiques disponibles dans les cohortes du laboratoire, puis des régressions logistiques ont été effectuées afin de déterminer la combinaison de marqueurs ayant la meilleure capacité à identifier correctement les patients avec la MOP. Des mutations post-zygotiques SQSTM1/P392L étaient présentes chez 4,8% des patients pagétiques, et 1,4% des individus sains dans les populations étudiées, cette mutation post-zygotique étant restreinte à la lignée monocytaire. Deux tests moléculaires sous forme d’algorithme en deux étapes ont ensuite été proposés. D’une part, un algorithme génétique pur pourrait être utilisé : des mutations germinales dans le gène SQSTM1 devraient d’abord être recherchées, et si elles sont absentes, le score génétique basé sur la combinaison de cinq marqueurs génétiques développée dans ce projet devrait être calculé. Cet algorithme génétique avait une sensibilité égale à 83,61% et une spécificité égale à 51,03% dans les cohortes étudiées. D’autre part, un algorithme génétique et biochimique pourrait être proposé: des mutations germinales dans le gène SQSTM1 devraient d’abord être recherchées, et si elles sont absentes, le score combiné basé sur la combinaison des marqueurs génétiques et biochimiques développée dans ce projet devrait être calculé. Dans les populations étudiées, cet algorithme avait une sensibilité égale à 93,88% et une spécificité égale à 54,00%. La découverte des mutations post-zygotiques confirme l’existence d’un spectre mutationnel de SQSTM1 dans la MOP et pourrait expliquer en partie son caractère focal. Ces résultats ont par la suite permis de développer deux tests moléculaires capables de dépister la MOP de façon plus fiable que les biomarqueurs actuellement disponibles en pratique clinique. / Paget’s disease of bone (PDB) has changed in recent years, increasing the number of affected individuals who remain asymptomatic. Given the high risk of developing an osteosarcoma associated with PDB, this disease is a contraindication to the prescription of bone anabolic agents. With the incoming introduction of new bone anabolic agents indicated for osteoporosis treatment, it will be crucial to screen accurately for the presence of PDB. The objectives of this project were (1) to develop a more sensitive test to detect and assess the frequency of SQSTM1/P392L post-zygotic mutations in pagetic patients, (2) to develop a genetic test of PDB, including germinal and post-zygotic SQSTM1 mutations, (3) and to assess the diagnostic performance of this test integrated with bone biomarkers in a molecular signature of PDB. A sensitive PCR method using a locked nucleic acid (LNA) specific to the SQSTM1/P392L mutation was developed, and the presence of this mutation was investigated in the cohorts available in the laboratory, and in different tissues. Then, the development of the molecular signature used genotypic and biochemical data available in the laboratory, and logistic regressions were performed to determine the combination of markers with the best ability to correctly identify PDB patients. SQSTM1/P392L post-zygotic mutations were present in 4.8% of pagetic patients, and in 1.4% of healthy individuals in the population studied, this mutation being restricted to the monocytic lineage. Two molecular tests relying on a two steps algorithm were then developed. Firstly, a pure genetic algorithm could be proposed: a screen in the SQSTM1 gene should first be performed to search for disease-causing germinal mutations, and if negative, the genetic score based on a combination of the five SNPs developed in this study should be calculated. In the populations studied, this genetic algorithm had a sensitivity of 83.61% and a specificity of 51.03%. On the other hand, a genetic and biochemical algorithm could be used: a screen in the SQSTM1 gene should first be performed to search for disease-causing germinal mutations, and if negative, the combined score based on a combination integrating both genetic and biochemical markers developed in this study should be calculated. This genetic algorithm had a sensitivity of 83.61% and a specificity of 51.03% in the populations studied. The presence of post-zygotic mutations confirms the existence of a mutational spectrum of SQSTM1 in PDB, and may explain its focal character. These results conducted to the development of two molecular tests which predicted the PDB phenotype better than bone biomarkers already available in clinical practice.

La maladie osseuse de Paget (MOP) est la deuxième maladie osseuse la plus fréquente après l'ostéoporose. Elle touche environ 3% de la population caucasienne après l'âge de 55 ans. La mutation p.Pro392Leu dans le gène appelé SQSTM1, liée à la MOP a été identifiée chez la moitié des formes familiales dans la population canadienne-française avec une transmission selon un mode autosomique dominant. Toutefois cette mutation n'explique pas complètement la maladie, notamment le phénotype cellulaire des ostéoclastes. Les objectifs de cette thèse étaient de mieux comprendre l'hétérogénéité clinique et moléculaire de la MOP, en étudiant les facteurs précoces contribuant au développement des phénotypes clinique et cellulaire de la MOP chez les apparentés porteurs de la mutation p.Pro392Leu, en recherchant un second gène modificateur de la mutation p.Pro392Leu dans certaines familles de notre cohorte et en étudiant l'effet modulateur de miR-16 sur l'expression du gène SQSTM1. Nous avons examiné les données des descendants adultes porteurs de la mutation p.Pro392Leu âgés de <90 ans et leurs parents atteints. Les caractéristiques cliniques des parents comprenaient le sexe, l'âge au diagnostic, le nombre d'os affectés, les taux de phosphatase alcaline totale sérique (tALPs). L'évaluation du phénotype pagétique chez les descendants à l'inclusion entre 1996 et 2009 comprenait le dosage des tALPs, la scintigraphie osseuse et les radiographies du crâne et du bassin. Une réévaluation approfondie du phénotype de ces descendants par imagerie osseuse et dosage des marqueurs biochimiques a été effectuée entre 2016 et 2018. Le séquençage de l'exome entier a été effectué en utilisant un HiSeq 2500 chez quatre patients de deux familles différentes avec la MOP non porteurs d'aucune mutation dans le gène SQSTM1. Le phénotype clinique a été défini par l'âge au diagnostic, le taux de tALPs, le nombre d'os atteints chez les patients porteurs de la mutation p. Pro392Leu et / ou du variant p.Val45Ile dans deux familles (n = 14 participants). Les quantifications de miR-16 et de SQSTM1 ont été effectuées respectivement dans le plasma (97 participants) et dans le sang total (83 participants) par RT-PCR quantitative chez des patients pagétiques avec ou sans la mutation p.Pro392Leu, des porteurs sains de cette mutation et des témoins sains non mutés. L'expression de miR-16 a été corrélée avec l'expression de SQSTM1 et des associations avec l'âge au diagnostic, le sexe, le taux de tALPs ainsi que le nombre d'os atteints ont été recherchées. L'impact du variant p.Val45Ile sur le phénotype ostéoclastique (ostéoclastogenèse, nombre de noyaux par ostéoclaste et résorption osseuse) a été évalué par différenciation in vitro des monocytes du sang périphérique en ostéoclastes matures avec du RANKL et hMCSF pendant 21 jours, chez des patients atteints de MOP porteurs d'un et/ou l'autre variant génétique, des porteurs sains de ces variants, des patients pagétiques non mutés et des témoins sains non mutés. Le phénotypage clinique complet pour rechercher une MOP asymptomatique chez 36 descendants sains porteurs de la mutation p.Pro392Leu a montré que parmi les 36 descendants avec un phénotype mis à jour, quatre d'entre eux ont développé un phénotype clinique de la MOP caractérisé par une hyperfixation monostotique ou polyostotique associée à des lésions radiographiques typiques dans les sites affectés, représentant une incidence de 1,83 par 1000 personnes-année. De plus, l'âge au diagnostic de la MOP a été retardé de 10 ans en moyenne chez les descendants adultes porteurs de la mutation p.Pro392Leu par rapport à leurs parents affectés. Nos résultats soutiennent l'utilité d'une surveillance régulière des adultes porteurs de cette mutation. L'effet modulateur de miR-16 sur l'expression du gène SQSTM1 par quantification de l'expression génique a conduit à une une corrélation négative non significative de l'expression du gène SQSTM1 par miR-16 chez les participants porteurs de la mutation p.Pro392Leu, chez les patients mutés et non mutés mais pas chez les contrôles sains (-0.17103, -0.11583 vs 0.05624, NS). Ce résultat suggère un rôle possible de miR-16 comme modificateur épigénétique dans la MOP. Une analyse de l'exome entier chez deux de nos grandes familles avec hérédité digénique a permis d'identifier un nouveau variant p.Val45Ile dans le gène DOCK6 qui pourrait être un gène modificateur de la mutation p.Pro392Leu. Ce variant rare p.Val45Ile pourrait atténuer la sévérité du phénotype clinique de la MOP causée par la mutation du gène SQSTM1 lorsque les deux variants sont portés parle même patient. Par contre, ce nouveau variant seul est suffisant pour donner lieu à un phénotype ostéoclastique pagétique mais ce dernier est moins sévère que celui observé avec la mutation p.Pro392Leu seule. Ce projet de thèse contribue ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques de la MOP qui pourraient conduire à une meilleure prise en charge clinique des patients avec la MOP et à l'identification de nouvelles possibilités diagnostiques ou thérapeutiques, notamment pour réguler le remodelage osseux. / Paget's disease of bone (PDB) is the second most common bone disease after osteoporosis. It affects approximately 3% of the Caucasian population after the age of 55 years old. The p.Pro392Leu mutation in the gene called SQSTM1, linked to PDB has been identified in half of the familial forms in the French-Canadian population with an autosomal dominant mode of inheritance. However, this mutation does not fully explain the disease, in particular the cellular phenotype of osteoclasts. The objectives of this study were to better understand the clinical and molecular heterogeneity of PDB, by studying the early factors contributing to the development of the clinical phenotype of PDB in relative carriers of the p.Pro392Leu mutation, by looking for a second modifier gene of p.Pro392Leu mutation in some families in our cohort and by studying the modulating effect of miR-16 on the expression of the SQSTM1 gene. We reviewed research records from adult offspring carriers of the p.Pro392Leu mutation aged <90 years and their affected parent. In parents, we collected data on sex, age at diagnosis, number of affected bones, total serum alkaline phosphatase levels (tALPs). PDB extended phenotype assessment relying on tALPs, total body bone scan and skull and pelvis radiographs, was performed in offspring at inclusion in 1996 to 2009. An extended phenotype reassessment of these offspring by bone imaging and biochemical markers assay was carried out between 2016 and 2018. The quantification of miR-16 and SQSTM1 was carried out respectively in plasma (97 participants) and in whole blood (83 participants) by quantitative RT-PCR in carriers of the p.Pro392Leu mutation (patients with PDB or healthy carriers), in not mutated patients with PDB and healthy controls not mutated. MiR-16 expression was correlated with SQSTM1 gene expression and associations with age at diagnosis, sex, tALPs and the number of affected bones were searched. Whole exome sequencing was performed using a HiSeq 2500 with the Agilent XT protocol on four patients from two different families with PDB not carriers of any SQSTM1 mutation in which at least one other sibling with PDB was carrier of the p.Pro392Leu mutation. The clinical phenotype was defined by the age at diagnosis, tALPs level, number of affected bones in patients carrying the p.Pro392Leu and/or p.Val45Ile variant in two families (n=14 participants). The impact of the p.Val45Ile variant on the osteoclastic phenotype (osteoclastogenesis, number of nuclei per osteoclast and bone resorption) was evaluated by in vitro differentiation of monocytes from peripheral blood into mature osteoclasts with RANKL and hMCSF for 21 days, in pagetic patient carriers of one and/or two variants, healthy carriers of these variants, pagetic patients not mutated and healthy controls not mutated. The complete clinical phenotyping to search for asymptomatic PDB in 36 healthy offspring carriers of the p.Pro392Leu mutation showed that among the 36 offspring with an updated phenotype, four of them developed a clinical phenotype of PDB characterized by monostotic or polyostotic increased bone uptake associated with typical radiographic lesions in the affected sites, representing an incidence of 1.83 per 1000 person-years. Moreover, the age at PDB diagnosis was delayed by 10 years in average in the adult offspring carriers the p.Pro392Leu mutation versus their affected parents. Our findings support the utility of a regular monitoring of the adult healthy offspring carriers of this mutation. The modulating effect of miR-16 on the expression of the SQSTM1 gene by gene expression quantification led a non significant negative correlation of the expression of the SQSTM1 gene by miR-16 in participant carriers of the p.Pro392Leu mutation, in patients mutated and not mutated but not in healthy controls (-0.17103, -0.11583 vs 0.05624, NS). This result suggests a possible role for miR-16 as an epigenetic modifier in PDB. An analysis of the whole exome in two of our large families with digenic inheritance allowed us to identify a new variant p.Val45Ile in the DOCK6 gene which could be a modifier gene for the p.Pro392Leu mutation. This rare variant p.Val45Ile could reduce the severity of the clinical phenotype of PDB caused by the mutation in the SQSTM1 gene when the two variants are carried by the same patient. On the other hand, this new variant alone gives rise to a pagetic osteoclastic phenotype but less severe than the one observed with the p.Pro392Leu mutation alone. This thesis project thus provided a better understanding of the pathophysiological mechanisms of PDB which could lead to better clinical management of patients with PDB and to the identification of new diagnostic or therapeutic possibilities, to regulate bone remodeling.

La maladie osseuse de Paget (MOP) est la deuxième maladie osseuse la plus fréquente après l'ostéoporose. Elle touche environ 3% de la population caucasienne après l'âge de 55 ans. La mutation p.Pro392Leu dans le gène appelé SQSTM1, liée à la MOP a été identifiée chez la moitié des formes familiales dans la population canadienne-française avec une transmission selon un mode autosomique dominant. Toutefois cette mutation n'explique pas complètement la maladie, notamment le phénotype cellulaire des ostéoclastes. Les objectifs de cette thèse étaient de mieux comprendre l'hétérogénéité clinique et moléculaire de la MOP, en étudiant les facteurs précoces contribuant au développement des phénotypes clinique et cellulaire de la MOP chez les apparentés porteurs de la mutation p.Pro392Leu, en recherchant un second gène modificateur de la mutation p.Pro392Leu dans certaines familles de notre cohorte et en étudiant l'effet modulateur de miR-16 sur l'expression du gène SQSTM1. Nous avons examiné les données des descendants adultes porteurs de la mutation p.Pro392Leu âgés de <90 ans et leurs parents atteints. Les caractéristiques cliniques des parents comprenaient le sexe, l'âge au diagnostic, le nombre d'os affectés, les taux de phosphatase alcaline totale sérique (tALPs). L'évaluation du phénotype pagétique chez les descendants à l'inclusion entre 1996 et 2009 comprenait le dosage des tALPs, la scintigraphie osseuse et les radiographies du crâne et du bassin. Une réévaluation approfondie du phénotype de ces descendants par imagerie osseuse et dosage des marqueurs biochimiques a été effectuée entre 2016 et 2018. Le séquençage de l'exome entier a été effectué en utilisant un HiSeq 2500 chez quatre patients de deux familles différentes avec la MOP non porteurs d'aucune mutation dans le gène SQSTM1. Le phénotype clinique a été défini par l'âge au diagnostic, le taux de tALPs, le nombre d'os atteints chez les patients porteurs de la mutation p. Pro392Leu et / ou du variant p.Val45Ile dans deux familles (n = 14 participants). Les quantifications de miR-16 et de SQSTM1 ont été effectuées respectivement dans le plasma (97 participants) et dans le sang total (83 participants) par RT-PCR quantitative chez des patients pagétiques avec ou sans la mutation p.Pro392Leu, des porteurs sains de cette mutation et des témoins sains non mutés. L'expression de miR-16 a été corrélée avec l'expression de SQSTM1 et des associations avec l'âge au diagnostic, le sexe, le taux de tALPs ainsi que le nombre d'os atteints ont été recherchées. L'impact du variant p.Val45Ile sur le phénotype ostéoclastique (ostéoclastogenèse, nombre de noyaux par ostéoclaste et résorption osseuse) a été évalué par différenciation in vitro des monocytes du sang périphérique en ostéoclastes matures avec du RANKL et hMCSF pendant 21 jours, chez des patients atteints de MOP porteurs d'un et/ou l'autre variant génétique, des porteurs sains de ces variants, des patients pagétiques non mutés et des témoins sains non mutés. Le phénotypage clinique complet pour rechercher une MOP asymptomatique chez 36 descendants sains porteurs de la mutation p.Pro392Leu a montré que parmi les 36 descendants avec un phénotype mis à jour, quatre d'entre eux ont développé un phénotype clinique de la MOP caractérisé par une hyperfixation monostotique ou polyostotique associée à des lésions radiographiques typiques dans les sites affectés, représentant une incidence de 1,83 par 1000 personnes-année. De plus, l'âge au diagnostic de la MOP a été retardé de 10 ans en moyenne chez les descendants adultes porteurs de la mutation p.Pro392Leu par rapport à leurs parents affectés. Nos résultats soutiennent l'utilité d'une surveillance régulière des adultes porteurs de cette mutation. L'effet modulateur de miR-16 sur l'expression du gène SQSTM1 par quantification de l'expression génique a conduit à une une corrélation négative non significative de l'expression du gène SQSTM1 par miR-16 chez les participants porteurs de la mutation p.Pro392Leu, chez les patients mutés et non mutés mais pas chez les contrôles sains (-0.17103, -0.11583 vs 0.05624, NS). Ce résultat suggère un rôle possible de miR-16 comme modificateur épigénétique dans la MOP. Une analyse de l'exome entier chez deux de nos grandes familles avec hérédité digénique a permis d'identifier un nouveau variant p.Val45Ile dans le gène DOCK6 qui pourrait être un gène modificateur de la mutation p.Pro392Leu. Ce variant rare p.Val45Ile pourrait atténuer la sévérité du phénotype clinique de la MOP causée par la mutation du gène SQSTM1 lorsque les deux variants sont portés parle même patient. Par contre, ce nouveau variant seul est suffisant pour donner lieu à un phénotype ostéoclastique pagétique mais ce dernier est moins sévère que celui observé avec la mutation p.Pro392Leu seule. Ce projet de thèse contribue ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques de la MOP qui pourraient conduire à une meilleure prise en charge clinique des patients avec la MOP et à l'identification de nouvelles possibilités diagnostiques ou thérapeutiques, notamment pour réguler le remodelage osseux. / Paget's disease of bone (PDB) is the second most common bone disease after osteoporosis. It affects approximately 3% of the Caucasian population after the age of 55 years old. The p.Pro392Leu mutation in the gene called SQSTM1, linked to PDB has been identified in half of the familial forms in the French-Canadian population with an autosomal dominant mode of inheritance. However, this mutation does not fully explain the disease, in particular the cellular phenotype of osteoclasts. The objectives of this study were to better understand the clinical and molecular heterogeneity of PDB, by studying the early factors contributing to the development of the clinical phenotype of PDB in relative carriers of the p.Pro392Leu mutation, by looking for a second modifier gene of p.Pro392Leu mutation in some families in our cohort and by studying the modulating effect of miR-16 on the expression of the SQSTM1 gene. We reviewed research records from adult offspring carriers of the p.Pro392Leu mutation aged <90 years and their affected parent. In parents, we collected data on sex, age at diagnosis, number of affected bones, total serum alkaline phosphatase levels (tALPs). PDB extended phenotype assessment relying on tALPs, total body bone scan and skull and pelvis radiographs, was performed in offspring at inclusion in 1996 to 2009. An extended phenotype reassessment of these offspring by bone imaging and biochemical markers assay was carried out between 2016 and 2018. The quantification of miR-16 and SQSTM1 was carried out respectively in plasma (97 participants) and in whole blood (83 participants) by quantitative RT-PCR in carriers of the p.Pro392Leu mutation (patients with PDB or healthy carriers), in not mutated patients with PDB and healthy controls not mutated. MiR-16 expression was correlated with SQSTM1 gene expression and associations with age at diagnosis, sex, tALPs and the number of affected bones were searched. Whole exome sequencing was performed using a HiSeq 2500 with the Agilent XT protocol on four patients from two different families with PDB not carriers of any SQSTM1 mutation in which at least one other sibling with PDB was carrier of the p.Pro392Leu mutation. The clinical phenotype was defined by the age at diagnosis, tALPs level, number of affected bones in patients carrying the p.Pro392Leu and/or p.Val45Ile variant in two families (n=14 participants). The impact of the p.Val45Ile variant on the osteoclastic phenotype (osteoclastogenesis, number of nuclei per osteoclast and bone resorption) was evaluated by in vitro differentiation of monocytes from peripheral blood into mature osteoclasts with RANKL and hMCSF for 21 days, in pagetic patient carriers of one and/or two variants, healthy carriers of these variants, pagetic patients not mutated and healthy controls not mutated. The complete clinical phenotyping to search for asymptomatic PDB in 36 healthy offspring carriers of the p.Pro392Leu mutation showed that among the 36 offspring with an updated phenotype, four of them developed a clinical phenotype of PDB characterized by monostotic or polyostotic increased bone uptake associated with typical radiographic lesions in the affected sites, representing an incidence of 1.83 per 1000 person-years. Moreover, the age at PDB diagnosis was delayed by 10 years in average in the adult offspring carriers the p.Pro392Leu mutation versus their affected parents. Our findings support the utility of a regular monitoring of the adult healthy offspring carriers of this mutation. The modulating effect of miR-16 on the expression of the SQSTM1 gene by gene expression quantification led a non significant negative correlation of the expression of the SQSTM1 gene by miR-16 in participant carriers of the p.Pro392Leu mutation, in patients mutated and not mutated but not in healthy controls (-0.17103, -0.11583 vs 0.05624, NS). This result suggests a possible role for miR-16 as an epigenetic modifier in PDB. An analysis of the whole exome in two of our large families with digenic inheritance allowed us to identify a new variant p.Val45Ile in the DOCK6 gene which could be a modifier gene for the p.Pro392Leu mutation. This rare variant p.Val45Ile could reduce the severity of the clinical phenotype of PDB caused by the mutation in the SQSTM1 gene when the two variants are carried by the same patient. On the other hand, this new variant alone gives rise to a pagetic osteoclastic phenotype but less severe than the one observed with the p.Pro392Leu mutation alone. This thesis project thus provided a better understanding of the pathophysiological mechanisms of PDB which could lead to better clinical management of patients with PDB and to the identification of new diagnostic or therapeutic possibilities, to regulate bone remodeling.

La maladie osseuse de Paget (MP) est une maladie métabolique de l’os. Bien que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans la pathogénie de la MP, les facteurs environnementaux tels que la résidence rurale et l’exposition au chauffage au bois ont été associés avec la MP. Afin d’étudier le rôle des polluants de l'air extérieur et intérieur sur la MP, nous avons administré un questionnaire chez 140 patients canadiens-français avec la MP et 113 témoins sains. Ce questionnaire portait sur la pollution de l'air extérieur, comme la résidence près d'une autoroute, d’une station de bus, de train ou d’un aéroport, d’une station d'essence, et sur les polluants de l'air intérieur en mettant l'accent sur les combustibles de chauffage (charbon, bois, huile) et l'exposition au tabac. Dans un sous-groupe de patients, la concentration urinaire de 17 métaux lourds et de 11 hydrocarbures aromatiques polycycliques a été mesurée par spectrométrie de masse. À la lumière de ce que nous savions dès le questionnaire et les dosages urinaires, nous avons identifié certains toxiques pouvant être des facteurs de risque pour la MP. Pour explorer les effets in vitro de ces toxiques sur les ostéoclastes dans la MP, nous avons réalisé une différentiation in vitro de monocytes du sang périphérique provenant de plus de 40 participants, patients, porteurs sains de mutation dans le gène SQSTM1, et des témoins sains, en ostéoclastes traités avec ou sans les toxiques identifiés. La morphologie des ostéoclastes, le pourcentage de résorption osseuse, les niveaux d'expression génique, et les niveaux de stress oxydatif cellulaire ont été analysés. Les résultats ont montré un effet inhibiteur du condensé de la fumée de cigarette et des métaux lourds sur la morphologie et la fonction des ostéoclastes. De plus, des taux élevés de stress oxydatif chez les ostéoclastes des patients ont été observés, et un profil hétérogène des effets de métaux lourds sur l'expression des gènes a été identifié. / Paget's disease of bone (PDB) is a metabolic bone disease. Although genetic factors play an important role in the pathogenesis of PDB, environmental factors such as rural residence and the exposure to wood heating was associated with PDB. In order to study the role of outdoor and indoor air pollutants on PDB, we performed a survey in 140 French-Canadian patients with PDB and 113 healthy controls. The survey covered the outdoor air pollution such as the residence near a highway, a bus station, a train or an airport or a gas station, and indoor air pollutants by focusing on heating fuels (carbon, wood, oil) and exposure to tobacco smoke. In a subgroup of patients, urinary concentration of 17 heavy metals and 11 polycyclic aromatic hydrocarbons was measured by mass spectrometry. In light of what we knew from the survey and urinary assays, we identified certain toxics that could be risk factors for PDB. To explore the in vitro effects of these toxics on osteoclasts in PDB, we conducted in vitro monocytes differentiation from peripheral blood of more than 40 participants, patients, healthy carriers of p.Pro392Leu mutation, and healthy controls, which osteoclasts were treated with or without the identified toxic. The morphology of osteoclasts, the percentage of bone resorption, gene expression level, and cellular oxidative stress levels were assayed. The results showed an inhibitory effect of cigarette smoke condensate and heavy metals on morphology and function of patients’ osteoclasts. Further, high levels of oxidative stress in patients’ osteoclasts were observed, and a heterogenic profile of heavy metals effect on gene expression was identified.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / CONTEXTE: La maladie osseuse de Paget (MOP) est transmise sur un mode autosomique dominant dans 30% des cas. Les mutations de SQSTM-1 expliquent 37% des formes familiales, ce qui suggère la présence d’autres loci. OBJECTIFS: Identifier des variants rares (VR) de gènes candidats situés aux nouveaux loci 1p13 et 8q22. Rechercher une association génétique de la MOP avec ces gènes candidats dans la population canadienne-française. MÉTHODES: Certains gènes candidats à la MOP aux loci 1p13 et 8q22 ont été sélectionnés, puis séquencés dans un échantillon de découverte. La fréquence de l’allèle mineur d’un VR devait être inférieure à 0,05. 4 VR ont été génotypés chez 240 cas et 297 témoins. RÉSULTATS: 74 VR ont été identifiés. Un VR (TM7SF4; rs62620995; Leu397Phe) était prédit dommageable par 2 outils d’analyse in silico. rs35500845 (CTHRC1) et rs62620995 (TM7SF4) étaient associés à la MOP de façon statistiquement significative. Mot clés : Maladie osseuse de Paget, Remodelage osseux, Variants rares, Polymorphismes nucléotidiques simples (SNPs), CTHRC1, TM7SF4 (DC-STAMP), Population canadienne-française, Population à effet fondateur. / BACKGROUND: Paget's disease of bone (PDB) is transmitted through autosomal dominant mode of inheritance in 30 percent of cases. Mutations of the SQSTM-1 gene account for 37 percent of familial forms of PDB, suggesting the involvement of other loci. PURPOSE: Identify rare variants (RV) of candidate genes located on new loci 1p13 and 8q22. Search for a genetic association of PDB with these candidate genes in the French-Canadian population. METHODS: We selected candidate genes on 1p13 and 8q22 loci and sequenced them in a discovery sample. RV was defined by a minor allele frequency less than 0.05. 4 RV were genotyped in 240 PDB patients and 297 healthy individuals. RESULTS: 74 RV were identified. One RV (TM7SF4; rs62620995; Leu397Phe) was predicted to be damaging by two in silico analysis tools. rs35500845 (CTHRC1) and rs62620995 (TM7SF4) were statistically associated with PDB. KEY WORDS: Paget’s disease of bone, bone remodelling, rare variants, polymorphisms, SNP, CTHRC1, TM7SF4, DC-STAMP, French Canadian population, founder effect population.

Th.--Méd.--Nancy 1, 1984. N°: 319.

La maladie osseuse liée à la fibrose kystique (MOLFK) est une comorbidité qui se caractérise par une faible densité osseuse découlant d’une diminution de la formation osseuse et d’une augmentation de la résorption osseuse. Les ostéoblastes (Ob), les cellules responsables de la formation osseuse, sont principalement affectées par la MOLFK. Le Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), dont le gène est muté chez les patients FK, est exprimé par les Ob. Des études réalisées sur des modèles murins FK ont démontré que l’expression du gène Cftr est importante pour la différenciation des cellules souches mésenchymateuses (CSM) en Ob matures et pour la fonction des Ob. Nous avons également montré que l’absence du CFTR affecte les cellules mâles et femelles de façon distincte. Or, les mécanismes par lesquels l’absence du CFTR entraine ces perturbations restent méconnus. Afin d’expliquer ces perturbations, nous avons ciblé l’hormone parathyroïdienne (PTH) dont la liaison à son récepteur PTHR1 active des voies de signalisation impliquées dans la régulation de la différenciation des Ob. Nous proposons que l'absence du CFTR mènera à une altération sexe spécifique de la réponse à la PTH des CSM et des Ob. En utilisant des cellules issues de souris mâles et femelles Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH, nous avons investigué: 1) les niveaux d’expression génique et protéique de PTHR1; 2) l’activation de l’une des voies de signalisation PTH/PTHR1 (ERK1/2); 3) les niveaux d’expression des gènes cibles ostéoblastiques (receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), ostéoprotégérine (OPG), Runx2, phosphatase alcaline (ALP), ostéocalcine) et ostéocytaires (Matrix Extracellular Phosphoglycoprotein (MEPE) et sclérostine) et; 4) la fonction ostéoblastique (activité de l’ALP). Nos résultats montrent que les niveaux d’expression génique de PTHR1 sont similaires entre les cellules Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH mais que l’expression protéique basale de PTHR1 est abaissée chez les cellules Cftr-/- femelles. La PTH induit la phosphorylation de ERK1/2 dans les cellules Cftr+/+ (mâles et femelles) et Cftr-/- mâles alors que cet effet est absent chez les cellules Cftr-/- femelles. La PTH augmente le ratio RANKL/OPG et diminue l’expression des gènes ostéoblastiques et ostéocytaires des cellules Cftr+/+ alors que les cellules Cftr-/- femelles démontrent une absence complète de réponse à la PTH. L’activité de l’ALP ne diffère pas entre les cellules Cftr+/+ et Cftr-/- traitées ou non à la PTH. Ces résultats suggèrent que l’absence du CFTR est associée à des altérations de la réponse à la PTH des CSM et Ob murins plus marquées chez les femelles. Une meilleure compréhension de la physiopathologie de la MOLFK et de l’influence du sexe biologique, pourrait mener à une personnalisation des thérapies de la MOLFK. / Cystic fibrosis bone-related disease (CFBD) is a comorbidity characterized by the presence of low bone mass resulting from a decrease in bone formation and an increase in bone resorption. Osteoblasts (Ob), the cells responsible for bone formation, are primarily affected by CFBD. The Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), the mutated gene in cystic fibrosis (CF), is expressed by Ob. Using CF mouse models, we and other have shown that the presence of Cftr is important for the differentiation of murine mesenchymal stem cells (MSCs) into mature Ob and for Ob function. Interestingly, we found that the loss of CFTR affected cells coming from males and females differently. However, the mechanisms by which the CFTR causes these alterations are poorly understood. In order to explain these alterations, we focused on the parathyroid hormone (PTH)-PTHR1 signaling pathways, which are involved in the regulation of Ob differentiation. We propose that the absence of CFTR leads to gender-specific alterations in the response of MSCs and Ob to PTH. Using cells isolated from Cftr+/+ and Cftr-/- males and females and treated or not with PTH, we investigated the : 1) gene and protein expression levels of PTHR1; 2) activation of one of the PTH-PTHR1 signaling pathways (ERK1/2); 3) expression levels of Ob (receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG), Runx2, alkaline phosphatase (ALP), osteocalcin) and osteocyte target genes (Matrix Extracellular Phosphoglycoprotein (MEPE) and sclerostin) and; 4) osteoblast function (ALP activity). Our data show that gene expression levels of PTHR1 are similar between Cftr+/+ and Cftr-/- treated or not with PTH; however basal protein expression of PTHR1 is decreased in Cftr-/- female cells. PTH induces ERK1/2 phosphorylation in Cftr+/+ (males and females) and Cftr-/- (males), but this effect is absent in cells coming from Cftr-/- females. PTH increases the RANKL/OPG ratio and decreases the expression of Ob and osteocyte genes in Cftr+/+ cells. PTH fails to modulate the expression of these genes in Cftr-/- female cells. ALP activity is similar between Cftr+/+ and Cftr-/- cells treated or not with PTH. These results suggest that the absence of CFTR is associated with alterations in the response to PTH of murine MSCs and Ob that are more pronounced in cells coming from females. A better understanding of the pathophysiology of CFBD, and the influence of biological sex, may lead to better tailored therapies for CFBD.

Les patients atteints de la fibrose kystique (FK) ont désormais un âge médian de survie dépassant la cinquantaine. Par contre, avec ce vieillissement surviennent de nouvelles complications dont l'une des plus prévalente est la maladie osseuse associée à la FK. Les souris dont le Cftr est invalidé génétiquement présentent une densité osseuse amoindrie qui découle d’un débalancement du remodelage osseux caractérisé par une diminution de la formation et une augmentation de la résorption osseuse. L'observation que plusieurs modèles murins FK ont un phénotype ostéopénique et ce, même en absence de certains facteurs étiologiques (inflammation chronique, prise de glucocorticoïdes, insuffisance pancréatique etc.) laisse croire que le Cftr, le gène muté dans la FK, joue un rôle non-négligeable dans le métabolisme osseux. Le présent projet étudiera l’impact de l’absence du CFTR, sur les ostéoblastes (Ob) et ostéoclastes (Oc) dans un modèle murin de FK, soit les souris Cftr-/- de souche BALB/c. De plus, les Ob, sont reconnus comme ayant un effet modulateur sur le microenvironnement leucocytaire de la moelle osseuse (MO). Ce projet visera également à investiguer l’impact de l’absence du CFTR sur la niche leucocytaire de la MO. Nos résultats de densitométrie osseuse et de microtomographie à rayons X ont confirmé que les souris Cftr -/- ont une densité osseuse et un contenu minéral osseux abaissé, une diminution du volume osseux trabéculaire, un nombre amoindri de travées osseuses et une plus grande séparation entre les travées comparé aux souris Cftr+/+. Afin de mieux comprendre ce phénotype osseux, nous avons vérifié et confirmé que l’expression génique et protéique du CFTR est présente chez des Ob dérivés de la MO, mais est absent au niveau des Oc dérivés de la MO. Ces observations corroborent nos résultats portant sur la différenciation des cellules osseuses où nous avons démontré que seule la différenciation et fonction ostéoblastique sont affectées par l'absence du CFTR. Ce défaut ostéoblastique semble influencer négativement la leucopoïèse puisque nous observons une quantité moindre de cellules T, de macrophages et de cellules dendritiques chez les souris Cftr -/- vs. Cftr +/+. À la lumière de ces résultats, l'absence du CFTR semble avoir un impact important sur les ostéoblastes et la moelle osseuse. / With cystic fibrosis (CF) patients now being able to live past fifty years of age come a multitude of secondary complications; one of the most important being cystic fibrosis-related bone disease (CFBD). In Cftr-null mice, this disease is caracterized by a low bone mineral density caused by an uncoupled bone remodeling. However, the observation that various models of CF mice display a bone phenotype despite the absence of the usual human confounders (i.e. inflammation, steroid hormone use, pancreatic insufficiency, etc.) led us to propose that CFTR, itself, plays a non-negligible role in the regulation of bone metabolism. This project will study the impact of the absence of CFTR on the osteoblasts (Ob) and osteoclasts (Oc) in a CF mouse model, namely the BALB/c Cftr-/- mice. In addition, Ob are recognized as having a modulating effect on the leukocyte microenvironment of the bone marrow (BM). This project will also investigate the impact of the absence of CFTR on the leukocyte niche in the BM. Our bone densitometry and X-ray microtomography results showed that Cftr -/- mice have lower bone density and bone mineral content vs. Cftr +/+ mice as well as a decrease in trabecular bone volume and trabecular number, and a greater trabecular separation. To further understand this bone phenotype, we confirmed that BM- derived Ob expressed CFTR at the gene and protein level, but not BM-derived osteoclasts. Such observations support our findings showing that only Ob differenciation and function were affected by the absence of CFTR. The osteoblastic defect appears to adversely affect the BM leukopoiesis as decreased numbers of T cells, macrophages and dendritic cells were observed in Cftr -/- mice vs. Cftr +/+. In light of these findings, we believe that the absence of CFTR has an important impact on the Ob and the bone marrow.

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