Rôles respectifs des sous fonctions du ER alpha impliquées dans les effets bénéfiques des œstrogènes sur l'os : du squelette appendiculaire aux maxillaires

ER alpha sub-functions respective roles in beneficial effects of estrogens on bone : from the appendicular skeleton to the jaws

• Auteur / Autrice : Alexia Vinel
• Direction : Jean-François Arnal, Coralie Fontaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiopathologie
• Date : Soutenance le 16/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estrogènes

Os -- Régénération (biologie)

Ostéoporose

Mots clés libres

Œstrogènes

Récepteur nucléaire

Tissu osseux

Ostéoporose

Estrogens

Nuclear receptor

Bone tissue

Osteoporosis

Résumé

L’ostéoporose est un enjeu majeur de santé publique, tant par le nombre de personnes touchées que par le coût financier qu’elle engendre. L’arrêt brutal de la production de 17β-estradiol (E2) par les ovaires à la ménopause, se traduit en autre par une forte augmentation de l’incidence de l’ostéoporose, une pathologie marquée par la déminéralisation du tissu osseux à l’origine d’une fragilisation du squelette et d’un risque de fracture important. Bien loin d’être inerte, l’os est un tissu dynamique en remaniement constant. Le remodelage osseux permet à l’os de s’adapter aux contraintes mécaniques qu’il subit mais aussi de réparer le tissu lésé par des micro fractures. Cette fonction est essentiellement assurée par deux types cellulaires, les ostéoclastes responsables de la résorption de la matrice osseuse, et les ostéoblastes chargés de la synthèse de nouveau tissu osseux ; la différenciation et l’activité de ces cellules sont largement modulées par le récepteur des œstrogènes ER, qui relaie les effets de l’E2 dans l’os. Comme les autres membres de la famille des récepteurs nucléaires, ER contient deux fonctions d’activation, AF1 située en N-terminal et AF2 en C-terminal, toutes deux impliquées dans les effets transcriptionnels. De plus, une fraction du ERα est localisée au niveau de la membrane plasmique suite à la palmitolyation de la cysteine 447 chez l’homme (ou 451 chez la souris), modulant ainsi les effets de l’E2 à travers les effets membranaires ou MISS pour « membrane initiated steroid signals ». L’objectif de ce travail de thèse a été dans un premier temps de progresser dans l’étude des fonctions impliquées dans les effets ostéoprotecteurs de l’E2. Ainsi, en combinant des approches d’invalidation géniques des fonctions MISS (ER-C451A) et AF1 (ERAF1°) du ER dans des modèles de souris transgéniques, et des outils pharmacologiques modulant le récepteur, nos résultats ont contribué à mettre en évidence le rôle respectif des sous-fonctions du ER, tant dans les compartiments osseux concernés (i.e. cortical versus trabéculaire), que dans les cibles cellulaires impliquées (ostéoblastes versus ostéoclastes). Dans un deuxième temps, nous avons étendu les travaux réalisés jusqu’alors sur les effets bénéfiques des œstrogènes sur le squelette appendiculaire et les vertèbres aux maxillaires. En effet, du plus en plus d’élément convergent en la faveur d’une association entre l’ostéoporose et une déminéralisation des os maxillaires chez la femme ménopausée. Nous avons ainsi étudié les effets de l’ovariectomie sur des mandibules de souris de façon durée-dépendante, puis les effets de l’E2 sur des souris déficientes pour le récepteur ERα (ERα-/-). D’après nos résultats, l’os mandibulaire semble se comporter de façon similaire au squelette appendiculaire et on peut donc s’attendre chez la femme à ce que les traitements de l’ostéoporose aient aussi un effet favorable sur les maxillaires.

The expending incidence and the financial cost of osteoporosis make this pathology a major public-health issue. The brutal disruption of 17β-estradiol (E2) production by the ovaries wich occurs at menopause is responsible for a dramatic increase of osteoporosis incidence. This bone pathology is characterized by a global bone tissue demineralization leading to a weakening of the entire skeleton and a high risk of fracture. Far from being inert, bone is a highly dynamic tissue which undergoes a perpetual remodeling throughout life. Bone remodeling is a unique feature that allows bone to accommodate mechanical strength and repair microfractures. This process is essentially ensured by two cell types, bone-resorbing osteoclasts and bone-forming osteoblasts, the differentiation and the activity of which beinghighly regulated by E2 through estrogen receptor ERα. As the other member of the nuclear receptor family, ERα harbors two independent activating functions, (AF)-1 localized at the N-terminal extremity and AF2 at the C-terminal one of the receptor, both involved in transcriptional effects. Moreover, a fraction of ERα is located at the plasma membrane after cysteine 447 in human (or 451 in mice) palmitoylation. where it activates membrane initiated steroid signals” (MISS) effects. The aim of this thesis has been first to gain insight ER subfunctions involved in estrogen bone sparing effects. Thus, by combining the use of knock-out mice models targeting MISS (ERα –C451A) and AF1 (ERα-AF10) of ER with pharmacological tools, our results have contributed to highlight the role of these ERα sufunctions in different bone compartments (i.e. cortical versus trabecular) and cell types (osteoclasts versus osteoblasts). In addition, we extended previous work regarding beneficial estrogens effects on vertebrae and on the appendicular skeleton to the jaws. Indeed, increasing evidence support an association between osteoporosis and jaw bone demineralization in postmenopausal women. To this aim, impact of bilateral ovariectomy on mice mandibular bone was first evaluated in a time-depend matter. Then, exogenous E2 effect on mice mandibular bone from different knock-out mice models targeting ERα or ER (ERα-/-, ERβ-/-, ERαAF2°, ERαAF1°, ERα-C451A) was evaluated. In addition to their beneficial role to prevent osteoporosis, estrogens also decrease climacteric symptom, atheroma and type 2 diabetes incidences. However, estrogens also favor the promotion of uterus and breast cancer growth. Thus, the major challenge consists in uncoupling some beneficial actions from other deleterious ones, that is, selective ER modulation. Results obtained during this thesis provide a better understanding of the ERα signaling pathways involved in bone sparing effect and thus may contribute to the design of new, bone-specific treatment strategies or menopause treatment with minimal adverse effects.