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La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) est une courbure rachidienne tridimensionnelle de plus de 10° qui affecte 4% de la population pédiatrique. L’hétérogénéité de ce désordre musculo-squelettique complexe explique notre incompréhension des causes de la SIA. Néanmoins, plusieurs facteurs biologiques ont été associées à son étiologie. Les réponses osseuses aux stimulations mécaniques normalement appliquées sont nécessaire au fonctionnement optimal du système squelettique. Cependant, la mécanotransduction des tissus musculo-squelettiques dans la SIA est méconnu. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier l'apport de la mécanotransduction dans l'étiologie de la SIA au niveau cellulaire et moléculaire. Nous avons étudié les ostéoblastes des patients atteints de SIA et des sujets témoins. L'induction mécanique a été réalisée à l'aide d'une application d'écoulement de fluide oscillatoire. L’immunofluorescence (IF) et la microscopie confocale ont été utilisées pour évaluer les cils, l'actine et les tests fonctionnels. Les modifications moléculaires ont été étudiés par qPCR ou ELISA. Un séquençage d'exome entier sur une cohorte de 73 SIA et 70 sujets témoins appariés a été fait, pour vérifier l'hypothèse que l'accumulation de variants rares dans des gènes impliqués dans la mécanotranduction cellulaire contribueraient à l'étiologie de la SIA. Nous avons découvert une élongation anormale des cils des ostéoblastes SIA, qui étaient significativement plus longs que ceux des sujets témoins dans des conditions de ciliogenèse. Les cellules SIA soumises à une application d'écoulement de fluide, n'ont pas été capable d'ajuster la longueur de leurs cils proportionnellement à la force appliquée. La réponse de l'ajustement de la longueur des cils était significativement différente de celle des ostéoblastes témoins, par des stimulations à court et à long terme.. L'expression des facteurs ostéogéniques était significativement réduite dans les ostéoblastes SIA, suggérant une diminution de la mécanosensibilité. De plus, l'analyse transcriptomique en réponse aux forces appliquées a révélé une altération de l'expression des gènes impliqués dans la voie canonique de Wnt. L'augmentation de la sécrétion du facteur VEGF-A en réponse aux forces appliquées dans les ostéoblastes témoins n'a pas été détectée dans les ostéoblastes SIA. Notre analyse SKAT-O des données du séquençage d’exomes entiers a confirmé l’accumulation de variants rares dans la SIA au niveau de gènes associés à la mécanotransduction cellulaire. Les conséquences de ces anomalies de mécanotransduction ont été étudié par des études cellulaires fonctionnelles, démontrant que les ostéoblastes SIA n’ont pas réussi à se positionner ni à s’allonger proportionnellement au flux bidirectionnel appliqué. Le réarrangement des filaments d'actine induit par l’application d’un flux a été compromis dans la SIA. . Enfin, il a été démontré que le flux de fluide avait un effet inhibiteur sur leur migration. Nos données suggèrent une mécanotransduction altérée dans les ostéoblastes SIA affectant les cils, les voies moléculaires de signalisation, le cytosquelette et le comportement de la cellule en réponse à l'écoulement appliqué. La réponse cellulaire à ces stimulations joue un rôle dans la structure, la force, la forme et le fonctionnement du système squelettique. Etudier le profil de réponse altérée des cellules osseuses scoliotiques peut mener à la conception des approches thérapeutiques plus efficaces, Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional spinal curvature that affects up to 4% of children. As a complex disorder, the cause of AIS is still poorly understood. However, multiple categories of biological factors have been found to be associated with its etiology. The role of biomechanics has been acknowledged by clinicians both in the description of deformity and in relation to bracing treatments. Bone responses to routinely applied forces are an important part in a tightly regulated network that is necessary for the optimal function of the skeletal system. However, little is known about the mechanotransduction of musculoskeletal tissues in AIS. The main goal of this dissertation was to investigate the contribution of mechanotransduction in the etiology of AIS from a cellular-molecular aspect. We studied primary osteoblasts obtained intraoperatively from AIS patients and compared them to samples from trauma cases as controls. Fluid flow application was used for mechanical induction. Immunofluorescence staining, and confocal microscopy was used to assess cilia, actin and cellular tests. Molecular changes were followed using RT-PCR or ELISA. We also performed whole exome sequencing (WES) to test the hypothesis that rare variants accumulation in genes involved in cellular mechanotransduction could contribute to AIS etiology. We found an abnormal cilia elongation among AIS osteoblasts, which grew significantly longer than controls. AIS cells after fluid flow application failed to adjust their cilia length in proportion to the applied force. Under both short- and long-term flow applications, their cilia length adjustment was significantly different from controls. Notably, the elevation in the expression of osteogenic factors, that was normally observed with control osteoblasts, was significantly reduced in AIS osteoblasts, suggesting a decrease in their mechanosensitivity. Moreover, transcriptomic analysis following the applied forces revealed an altered expression of genes involved in the Wnt canonical pathway. Strain induced increase in secreted VEGF-A in control osteoblasts was not detected in AIS flow-conditioned media. At the genomic level, our SKAT-O analysis of the WES data also supported the involvement of heterogenous defects in genes pertaining to the cellular mechanotransduction machinery. We tested the consequence of these mechanotransduction abnormalities in a series of functional cellular studies. As expected and unlike controls, AIS osteoblasts failed to position or elongate themselves in proportion to the bidirectional applied flow. The strain-induced rearrangement of actin filaments was compromised in AIS osteoblasts. Finally, fluid flow showed to have an inhibitory effect on their migration contrasting with control cells that migrated significantly faster under flow. In summary, our data strongly suggest an impaired mechanotransduction in AIS osteoblasts that affect cilia, downstream signaling molecular pathways, cytoskeleton and finally the behaviour of the whole cell in response to flow. Fluid flow is one of the main mechanical forces applied physiologically to the bone cells. Cellular responses to these stimulations play a critical role in the structure, strength, shape and optimal performance of the skeletal system. Mapping the impaired profile response of scoliotic bone cells can help in designing more efficient therapeutic approaches or explaining the mechanisms behind less than optimal bracing outcomes.

L’ostéoporose est une maladie caractérisée par une faible masse osseuse et une détérioration du tissu osseux. Cette condition entraîne une plus grande fragilité osseuse et des risques de fractures. Plusieurs études ont associé l’ostéoporose à la faible densité osseuse des mandibules, à la perte d’attache parodontale, à l’augmentation de la hauteur de la crête alvéolaire et à la chute des dents. Cette étude vise à comprendre les mécanismes sous-jacents cette perte osseuse. En effet, au cours du développement des souris, PITX1 joue un rôle clé dans l'identité des membres postérieurs et dans le bon développement des mandibules et des dents. Son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype squelettique sévère. Tandis que, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose avec une augmentation de la masse osseuse au niveau de l’os cortical et de l’os trabéculaire. Inversement, une étude antérieure chez des jumelles monozygotiques discordantes pour l’ostéoporose, montrent une augmentation d’environ 8.6 fois du niveau d’expression du gène Pitx1 chez la jumelle ostéoporotique. Collectivement, ces données nous ont poussés à investiguer sur le rôle du facteur de transcription PITX1 dans le métabolisme osseux normal et pathologique. Dans ce contexte, des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 sur-exprimant Pitx1 spécifiquement dans le tissu osseux sous le promoteur du collagène de type-I (fragment 2.1kpb) ont été générées et phénotypiquement caractérisées. Ces résultats ont révelé que les souris transgéniques Col1α1-Pitx1 présentaient un phénotype similaire à celui des patients ostéoporotiques accompagné d'une perte de dents et des problèmes dentaires et parodontaux. De plus, cette étude a révélé que la surexpression de Pitx1 induit une altération de l’homéostasie osseuse via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique. Cette hypothèse a été appuyée par le fait que le traitement des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 avec du chlorure de lithium, un activateur de la voie Wnt canonique, prévient le phénotype ostéoporotique chez ces souris. Finalement, cette étude établit un rôle crucial de PITX1 dans la régulation de la masse osseuse et une implication possible dans l’ostéoporose et les maladies parodontales via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique., Osteoporosis is a progressive bone disease that is characterized by a decrease in bone mass and density leading to an increased risk of fracture. Several studies have linked osteoporosis to the low bone density of the mandibles, the periodontal attachment loss, increasing of the alveolar crest heigh and tooth loss. This study aims to understand the mechanisms underlying bone loss. During mouse development, PITX1 plays a key role in the identity of the hindlimb and the proper development of the jaws and teeth. Interestingly, PITX1-null mice displayed severe skeletal phenotype. Whereas, ageing PITX1+/- progressively developed OA-like lesions in cartilage associated with a drastic increase in cortical and trabecular bone formation. Conversely, expression analysis of osteoblasts derived from monozygotic twins discordant for osteoporosis reported an 8.6-fold up-regulation of Pitx1 expression in osteoblasts from osteoporotic twins when compared with healthy ones. Collectively, these data prompted us to investigate the role of PITX1 in normal and pathological bone metabolism. In this context, transgenic Col1α1-Pitx1 mice over expressing Pitx1 specifically in bone tissue under the type-I collagen promoter (2.3kb fragment) were generated and phenotypically characterized. These data suggested that Pitx1 overexpression induces an osteoporosis like phenotype accompanied with oral bone loss, edentulousness, dental and periodontal problems. These results suggested that Pitx1 overexpression induces alteration of bone homeostasis via the inactivating of the the Wnt/β-catenin canonical pathway. This hypothesis was supported by the fact that treatment with lithium chloride, a Wnt canonical activator, rescued the phenotype. Finally, this study establishes a crucial role of PITX1 in the regulation of bone mass and a possible involvement in the developpement of osteoporosis and periodontal disease via the inactivation of the Wnt/β-catenin canonical pathway.

Plusieurs éléments de la pathogenèse de la scoliose idiopathique de l’adolescent indiquent que les estrogènes pourraient intervenir dans le développement et la progression de cette maladie. Ce projet avait donc pour but d’explorer l’expression et la fonctionnalité des récepteurs aux estrogènes ERα et ERβ ainsi que leurs isoformes dans les ostéoblastes de patients scoliotiques et sains. L’induction des gènes de facteurs influençant la minéralisation et la différenciation des ostéoblastes par les estrogènes a également été étudié. Par immunofluorescence, nous avons remarqué une augmentation de la présence protéique de ERβ dans les ostéoblastes de patients SIA comparé aux sujets contrôles. Les récepteurs aux estrogènes provenant des ostéoblastes des patients sont fonctionnels tout comme ceux des contrôles et aucune différence dans l'interaction ADN-protéine n’a été observée. Il y a également une augmentation de l’expression génique de l’ostéopontine, l’ostéocalcine, le collagène de type I, la phosphatase alkaline et BMP2 dans les ostéoblastes des patients SIA. Un début de minéralisation in vitro a été observé dans les ostéoblastes de patients SIA et contrôles. ERα et ERβ sont présents et fonctionnels dans les ostéoblastes des patients SIA et sains. Leur expression est variable, mais ces variations existent chez les patients SIA et les contrôles. L’implication des estrogènes dans la SIA ne serait donc pas au niveau des récepteurs aux estrogènes mais au niveau de l’interactions des estrogènes avec d’autres facteurs étiologiques tels que la mélatonine, la formation/résorption osseuse ou autres facteurs neuro-endocriniens., Recent developments in the research on pathogenesis of Adolescent Idiopathic Scoliosis indicate that estrogens could intervene in the development and progression of this disease. Therefore, this project focussed on the expression and functionality of estrogen receptors ERα and ERβ and their isoforms in osteoblasts of scoliotic patients and controls. The induction by estrogens of the expression of factors influencing mineralization and osteoblast differentiation was also studied. We observed by immunofluorescence, an increase of the presence of ERβ in osteoblasts of AIS patients compared to controls. A higher level of expression of osteopontin, osteocalcin, type I collagen, alkaline phosphatase and BMP2 was found in osteoblasts of AIS patients compared to controls. Estrogen receptors in osteoblasts from AIS patients are functional, as they were in controls and no difference in DNA-binding activity was observed. ERα et ERβ are present and functional in osteoblasts from AIS patients and controls. Their expression is variable, but these variations exist in both populations. The implication of estrogens in AIS would therefore be in the interaction between these hormones and other factors influencing the aetiology of AIS like melatonin, bone formation and resorption and neuro-endocrin factors, rather than in a default in the estrogens receptors themselves.