Bone extracellular matrix modifications under pathological and environmental conditions : characterization and impact on bone cells
Modifications de la matrice extracellulaire osseuse dans des conditions pathologiques ou environnementales : caractérisation et conséquences sur les cellules osseuses
Résumé
Bone tissue undergoes constant remodeling during which osteocytes, cells acting as mechanosensors, coordinate the function of osteoclasts (OCL), resorbing old and damaged bone, and of osteoblasts (OB), synthesizing new mineralized extracellular matrix (ECM). In addition to serving as a support for mineral deposits, the protein network of bone ECM is involved in regulating the behavior of bone cells by modulating their proliferation, differentiation and/or function. The aim of my thesis project was to study bone matrix alterations induced by various pathological or environmental conditions and to explore their consequences on bone cell behavior and/or on bone health.In the first part of my project, RECQL4 deficient mice were used as a model of bone pathology. In humans, bi allelic mutations in the RECQL4 gene, a DNA helicase, are responsible for type II Rothmund Thomson syndrome (RTS II), a rare progeroid disorder associated with a range of skeletal anomalies, including premature bone loss. We first characterized the bone phenotype of Recql4 / mice. We found that bone loss associated with normal aging is accelerated and more pronounced in Recql4 / animals. Next, we performed ex vivo experiments using primary bone cells (OCL and OB) from elderly mice. ECM produced by Recql4 / OB tends to be less mineralized and is significantly stiffer compared to control ECM, suggesting osteoblast dysfunction. Stiffening of ECM is a general feature of aging tissue and is believed to promote bone resorption. This is consistent with our histological data, which show increase in bone surface covered by the OCL in Recql4 / mice compared to control. Proteomic analysis of ECM enriched extracts derived from Recql4 / and Recql4+/ primary OB identified 204 differentially expressed proteins, supporting the hypothesis that Recql4 / OB synthesize a modified bone matrix. Among these proteins, we focused in particular on those important for matrix organization as well as for cell matrix communication. Additional studies are now necessary to explore their possible implication in the accelerated bone loss seen in RECQL4 deficient mice and to examine the behavior of bone cells on Recql4 / bone ECM.A second part of my thesis work was aimed at evaluating the effect of natural uranium trapped in the bone matrix on bone cells. Uranium (U) is a naturally occurring heavy metal widespread in the environment. While its radioactive activity is low, uranium exhibits a strong chemical toxicity. The bone matrix is the main site of U long term retention. In vivo and epidemiological studies have shown that natural U impairs bone metabolism. However, the mechanism of its action and its effects on bone cells, in particular on osteoclasts, remain largely unexplored. We examined for the first time in vitro the effects of natural U on osteoclasts. We first showed that the presence of U in the culture medium stimulates or inhibits osteoclastic function, depending on the U concentrations used. We then examined the effect of U immobilized in bone like matrices on OCL. For this purpose, we developed two model systems: a bone synthetic biomimetic surface onto which U has been adsorbed and “biological” matrices synthetized by OB cultured in the presence of U. By using these models, we demonstrated for the first time that embedded U can be remobilized from the matrix through osteoclastic resorption. Moreover, our data suggest that U released by resorption could stimulate osteoclastogenesis. In conclusion, my work led to the characterization of a new mouse model of premature bone aging, and provided the first evidence of the effect of uranium on osteoclast behavior. In doing so, this work illustrates the importance of bone matrix alterations on bone cell function. In addition, the development of three dimensional bone cell culture systems that mimic normal or defective bone microenvironments will be useful in identifying new mechanisms essential to bone health.
Le tissu osseux est soumis à un remodelage constant au cours duquel les ostéocytes font office de mécanorécepteurs et coordonnent l’activité des ostéoclastes (OCL) qui résorbent le tissu osseux, et des ostéoblastes (OB) qui synthétisent la matrice extracellulaire (MEC) minéralisée. L’objectif de mon projet de thèse était d’étudier les altérations des matrices osseuses induites par certaines conditions physiopathologiques ou environnementales et d’explorer leurs effets sur le comportement des cellules osseuses et sur le tissu osseux. Dans la première partie du projet, j’ai étudié en tant que modèle de pathologie osseuse, des souris dont le gène Recql4, une ADN hélicase, a été inactivé. Chez l’homme, les mutations du gène RECQL4 sont responsables du syndrome Rothmund Thomson de type II associé à différentes anomalies squelettiques dont une perte osseuse prématurée. Dans un premier temps, j’ai caractérisé le phénotype osseux des souris Recql4 / et constaté un vieillissement osseux prématuré chez ces animaux. Ensuite, j’ai analysé ex vivo le comportement des OB et OCL primaires isolés de souris Recql4 / . Nous avons observé que la MEC produite par les OB Recql4 / tend à être moins minéralisée et est significativement plus rigide que la MEC synthétisée par les OB témoins. La perte d’élasticité de la MEC dans le cas du tissu osseux serait associée à une stimulation de la résorption. Ceci corrobore nos analyses histologiques qui révèlent une augmentation de la surface osseuse couverte par les OCL chez les souris mutantes. L’analyse protéomique de matrices synthétisées ex vivo par des OB Recql4 / ou des OB contrôles, a permis l’identification de 204 protéines différentiellement exprimées. Ces résultats étayent l’hypothèse selon laquelle les OB Recql4 / synthétisent une matrice osseuse modifiée. Parmi ces protéines, je me suis focalisée sur celles connues pour être impliquées dans l’organisation de la matrice et/ou la communication cellule matrice. Ces travaux serviront de point de départ à des études à venir visant à explorer l’implication de ces protéines candidates dans la perte osseuse provoquée par la perte de RECQL4 et à examiner le comportement des cellules osseuses sur la MEC modifiée Recql4 / .La deuxième partie de ma thèse concerne l’effet de l’uranium naturel (U) piégé dans la matrice sur les cellules osseuses. L’U est un métal lourd naturellement présent dans l’environnement, qui possède un faible niveau de radioactivité mais une toxicité chimique importante. La matrice osseuse est le principal site de rétention de l’U à long terme dans l’organisme. Cet actinide perturbe le métabolisme de l’os, mais son mode d’action et ses effets sur les cellules osseuses, notamment les OCL, n’est pas connu. J’ai d’abord montré que la présence d’U dans le milieu de culture des OCL stimule ou inhibe la fonction de ces cellules, selon la concentration. J’ai ensuite examiné l’effet de l’U incorporé à la matrice sur les OCL. À cette fin, nous avons développé deux systèmes modèles : une surface osseuse synthétique biomimétique sur laquelle l’U a été adsorbé, et des matrices « biologiques » synthétisées par des OB cultivés en présence d’U. A l’aide de ces modèles, nous démontrons pour la première fois que l’U intégré à la matrice peut être remobilisé par la résorption ostéoclastique. De plus, nos données suggèrent que l’U libéré par résorption pourrait stimuler l'ostéoclastogenèse.En conclusion, mes travaux ont conduit à la caractérisation d’un nouveau modèle murin de vieillissement prématuré des os et à la première démonstration de l’effet de l'uranium sur le comportement des ostéoclastes. Ce travail illustre l’importance que peuvent avoir les altérations de la MEC osseuse sur la fonction des cellules osseuses. En outre, la mise au point de systèmes de culture 3D de cellules osseuses qui miment les microenvironnements osseux normaux ou défectueux sera utile pour identifier de nouveaux mécanismes de la physiopathologie osseuse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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