Bone formation is an osteoblast-mediated process that is controlled by systemic factors such as hormones, growth factors and local cues that arise from the extracellular matrix (ECM). Bone ECM is elaborated by osteoblasts and therefore they can control their own activity. The ultimate goal of bone matrix formation is to elaborate an extracellular network, consisting mainly of fibronectin and collagen type I, that is capable of mineralizing and forming a strong tissue with appropriate tensile and elastic properties. This thesis describes studies that link transglutaminases (TGs), the protein cross-linking enzymes to type I collagen matrix deposition, osteoblast differentiation and bone formation. Findings here show that MC3T3-E1 osteoblasts require TG-activity for differentiation and proper production of collagenous matrices. We also show that osteoblasts produce two transglutaminase enzymes, transglutaminase 2 (TG2) and Factor XIIIA (FXIIIA), which are both expressed during osteoblast differentiation. The work further defines the roles of the two TGs in osteoblasts and shows that FXIIIA is the main TG-enzyme with transamidating activity in osteoblasts' ECM. Production of FXIIIA is induced during osteoblast differentiation and is externalized to the cell surface, then secreted to the ECM. TG2 was mainly found on the cell surface of osteoblasts with no transamidating activity; however, it is co-localized with FXIIIA on the cell surface. Studies conducted with chemical inhibitors, TG-substrates and activity probes suggest that TG-activity is required for osteoblast differentiation at three different levels. First, by positively affecting microtubule dynamics, delivery and fusion of secretory vesicles carrying cellular collagen type I to the plasma membrane. Second, by promoting fibronectin matrix deposition and collagen type I secretion. And third, by stabilizing the interaction between fibronectin and collagen type I in the ECM. Furthermore, we demonstrated that tubulin and fibronectin are candidate substrates for FXIIIA in osteoblasts. In summary, our studies are the first to describe FXIIIA transglutaminase expression in osteoblasts in vitro and in vivo, and first to link it to collagen secretion and osteoblast differentiation. Furthermore, these studies were the first to suggest a role for cellular FXIIIA in microtubule dynamics. We conclude that transglutaminase activity arising from FXIIIA can regulate osteoblast differentiation affecting extracellular matrix deposition. / La formation et le développement de l'os est un processus complexe dirigé par les ostéoblastes. Contrôlés par des hormones systémiques, des cytokines et d'autres facteurs locaux, les ostéoblastes sécrètent et assemblent la matrice extracellulaire (MEC) des tissus osseux. L'aboutissement de ce processus sera la génération d'un réseau extracellulaire constitué notamment de la fibronectine et du collagene de type I qui va se minéraliser en formant le tissu dur de l'os avec d'excellent propriétés mécaniques. Cette thèse présente des études liées aux transglutaminases (TGs) – une classe des enzymes responsables de la polymérisation (cross-linking) des protéines et d'autres composée biomacromoléculaires - en relation avec le collagène de type I secrété pendant l'élaboration de la MEC, la différentiation des ostéoblastes et l'élaboration du tissu osseux. Les principaux résultats de ces études portent sur l'observation que l'activité polymérisante de la TG est un facteur crucial pour la différentiation des cellules ostéoblastiques MC3T3-E1 et pour la production normale de la matrice collagénique. Un résultat essentiel de la présente recherche porte sur la découverte que les ostéoblastes synthétisent deux types d'enzymes TG, i.e. la transglutaminase 2 (TG2) et le facteur XIIIA (FXIIIA), qui sont tous les deux secrétés pendant la différentiation des ostéoblastes. Les résultats suivants éclaircirent les rôles des deux enzymes TG (TG2 et FXIIIA) dans l'activité des ostéoblastes en montrant que c'est le FXIIIA qui est l'enzyme TG dominante avec une activité de transamidation importante dans la MEC des ostéoblastes. FXIIIA est produit pendant la différentiation des ostéoblastes en s'externalisant vers la surface des cellules pour être par la suite sécrété dans la MEC. L'enzyme TG2 a été localisé seulement à la surface des cellules osteoblastiques. Même si le TG2 a été trouvé colocalisé avec le FXIIIA à la surface des cellules, aucune activité de transamidation n'est identifiée pour le TG2. Des études comportant des inhibiteurs chimiques, de substrats TG et de sondes d'activité TG suggèrent que l'activité TG est nécessaire pour la différentiation des ostéoblastes sur trois plans distincts, à savoir : (i) par une action bénéfique sur la dynamique des microtubules, l'acheminement et la fusion des vésicules sécrétoires qui transportent le collagène I cellulaire vers la membrane plasmatique; (ii) par l'accélération du dépôt de la matrice de fibronectine et la sécrétion du collagène de type I; (iii) par la stabilisation de l'interaction de la fibronectine avec le collagène I dans la MEC. De plus, nous avons démontré que la tubuline and la fibronectine ce sont de candidats substrat pour le facteur FXIIIA dans les ostéoblastes. En résumé, notre recherche décrit pour la première fois l'expression de l'enzyme transglutaminase FXIIIA dans les ostéoblastes, tant in vitro qu'in vivo, en corrélant l'expression du FXIIIA à la sécrétion et la différentiation des ostéoblastes. De plus, notre étude est la première en attribuant un rôle au facteur FXIIIA relative à la dynamique des microtubules. On conclut de notre étude que l'activité transglutaminase du facteur FXIIIA exerce une influence décisive dans les processus de différentiation des ostéoblastes avec un effet régulateur crucial à la sécrétion et au dépôt de la matrice extracellulaire.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106326 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Al-Jallad, Hadil |
| Contributors | Mari Tuulia Kaartinen (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Schulich School of Music) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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