Compréhension de la physiopathologie de l'hypochondroplasie grâce à son modèle murin (Fgfr3Asn534Lys/+)

Growth disorders analysis in hypochondroplasia mouse model and its therapeutic approaches

• Auteur / Autrice : Léa Loisay
• Direction : Laurence Legeai-Mallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Génétiques (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Linglart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Linglart, Sarah Beck-Cormier, Thomas Edouard, Michel Zerah, Michel Polak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Beck-Cormier, Thomas Edouard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteur de type 3 des facteurs de croissance fibroblastique

Nains

Dysplasies osseuses

Mots clés libres

Hypochondroplasie

FGFR3

Cartilage

Os

Comportement

Modèle murin

Hypochondroplasia

FGFR3

Cartilage

Bone

Behavior

Mouse model

Résumé

L'hypochondroplasie (HCH) est un nanisme rhizomélique caractérisé par un raccourcissement des membres, une lordose lombaire et des troubles cognitifs avec des anomalies de l'hippocampe et une dysgénésie des lobes frontaux. Cette chondrodysplasie est associée à des mutations localisées dans le gène Fibroblast Growth Factor Receptor 3 (FGFR3), la mutation gain de fonction la plus fréquente (p.Asn540Lys) est située dans le domaine tyrosine kinase I de la protéine. FGFR3 fait partie d'une famille de 4 récepteurs à activité tyrosine kinase (FGFR1-4). Les FGFRs forment un complexe avec les ligands FGFs (Fibroblast Growth Factor) et activent des voies de signalisation en aval des FGFRs comme les MapKinases, PLCg, STATs et AKT. Ces voies de signalisation vont réguler les processus de survie cellulaire, de différenciation et de prolifération à la fois dans le squelette et le cerveau. La génération du premier modèle murin d'HCH a permis de mieux définir les caractéristiques cliniques de l'HCH. L'étude des souris (Fgfr3Asn534Lys/+) Hch a montré un retard de croissance progressif avec une réduction de la taille des os longs. Les crânes des souris Hch montre une macrocéphalie, un prognathisme, une fusion prématurée des synchondroses de la base du crâne ainsi qu'une diminution de l'aire du foramen magnum. L'étude du squelette axial des souris Hch a montré une modification de la forme du disque intervertébral dès le jour 1. Les analyses de la microarchitecture de la vertèbre lombaire L5 ont montré une diminution de la densité osseuse de l'os trabéculaire. Les tests de compressions des vertèbres Hch ont confirmé la fragilité osseuse des vertèbres De façon surprenante au sein de la plaque de croissance à J14, la prolifération chondrocytaire n'est pas affectée chez les mutants Hch. En revanche, la différenciation chondrocytaire est diminuée. L'analyse de la microarchitecture des fémurs et tibias montrent une diminution de la densité osseuse de l'os trabéculaire chez la souris Hch adulte, alors que la densité osseuse était fortement augmentée au niveau de l'os cortical. Malgré l'augmentation de la densité osseuse de l'os cortical, l'os est plus fragile résistant moins aux fractures. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l'effet de la mutation HCH dans le cerveau. L'analyse des IRM du cerveau n'ont pas montré de différence de volume mais des modifications de forme du cerveau des souris Hch. Ensuite, nous avons réalisé des tests de comportement afin de comprendre l'effet de la mutation sur les processus mémoriels. Les souris Hch présentent des anomalies des processus de mémoire épisodique et spatiale. Nous avons pu restaurer ce phénotype cognitif en traitant les souris avec un inhibiteur des tyrosines kinases confirmant ainsi le rôle de FGFR3 dans les processus mémoriels. En outre des tests de comportement évaluant la dépression ont permis d'observer que la mutation N540K a un effet antidépresseur. Enfin, j'ai participé à deux études visant à étudier de nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement de l'achondroplasie et l'hypochondroplasie. La molécule (-)-epicatechine isolée du cacao, agit sur la croissance de fémurs des souris Fgfr3Y367C/+ ex vivo et in vivo et normalise l'expression de SOX9 et ERK1/2 dans le cartilage. (-)-epicatechine agit sur la taille du cil primaire des chondrocytes et améliore l'architecture de la plaque de croissance des fémurs. La deuxième molécule étudiée est un inhibiteur de phosphatase (LB100), qui combiné au BMN111, un analogue du CNP, accroit l'effet de BMN111 sur la croissance des fémurs ex vivo dans un modèle murin Fgfr3Y367C/+. L'analyse du premier modèle murin Hch a permis de mieux définir le phénotype squelettique de l'HCH, de montrer que FGFR3 contrôlait la formation de l'os cortical et trabéculaire et de mettre en évidence des troubles de comportement dans le modèle Hch. Toutes ces données permettront à l'avenir une meilleure prise en charge des patients atteints d'hypochondroplasie.

Hypochondroplasia (HCH) is a rhizomelic dwarfism characterized by limb shortening and lumbar lordosis and cognitive impairment with hippocampus abnormalities and frontal lobes dysgenesis. This pathology is associated with mutations in the Fibroblast Growth Factor Receptor 3 (FGFR3) gene, the most common mutation p.Asn540Lys is located in the tyrosine kinase I domain of the protein. FGFR3 belong to a family of four receptor with tyrosine kinase activity (FGFR1 to 4). FGFRs form a complex with FGFs (fibroblast growth factor receptor) ligands and their co-factors and activate downstream signaling pathways (Map kinase, PLC', STATs and AKT pathway). These signaling pathways will regulate the processes of cell survival, differentiation and proliferation in skeleton and brain. The generation of the first mouse model of hypochondroplasia helps us to define the clinical characteristics of hypochondroplasia. The study of Hch mice showed progressive growth retardation with a reduction of long bones size. Micro computed tomography of Hch mice skull revealed macrocephaly and prognathism. But also, we observed a premature fusion of the skull base synchondroses and a decrease of foramen magnum area. Axial skeleton analyses of Hch mice showed a change of the intervertebral disc shape starting at P1. Microarchitectural analyses of the L5 lumbar vertebrae showed decreased bone density and trabecular size. In addition, L5 vertebrae compression analyzes in the mouse model confirmed the decrease of the axial skeleton mineralization. Study of the appendicular skeleton from childhood to adulthood of Hch mice show no alteration in cell proliferation, but a decrease in chondrocyte differentiation. In addition, the trabecular bone parameters of the femurs and tibias are altered over time. However, this mutation increased mineralization in the cortical bone in femurs and tibias. Despite, this increased cortical bone density, the bone is less resistant to fracture. In a second part, we looked at the effect of the Hch mutation on brain. We performed MRIs on Hch mice, there is no difference in volume, but the structure of the brain is abnormal. After, we performed behavioral tests on the Hch mouse model to understand the effect of this gain-of-function mutation on memory processes. The Hch mouse model present anomalies in episodic and spatial memory processes. Also, behavior test for depression show that FGFR3 gain-of-function N540K mutation has an antidepressant effect. Finally, I participated in two publications testing new therapeutic approaches for Achondroplasia and Hypochondroplasia treatment. A molecule isolated from cocoa, (-)- epicatechin acts on the growth of Fgfr3Y367C/+ ex vivo femur mice. But also, this molecule increases the growth of Fgfr3Y367C/+ mice in vivo and normalizes the expression of FGFR3, SOX9 and ERK1 / 2. It also acts on the primary cilium by restoring its size in the femurs growth plate and allows the chondrocytes to regain a plate stack conformation. Another study is the combination of a phosphatase inhibitor LB100 and BMN111, a CNP analogue. This combination enhances the effect of BMN111 on ex vivo femur growth of an Fgfr3Y367C/+ mouse model. Study of the first hypochondroplasia mouse model allowed us to better understand the skeletal phenotype of HCH and to show that FGFR3 is implicated in the formation of cortical and trabecular bone and to highlight behavioral disorders in the Hch model. All of these data will allow better management of hypochondroplasia patient in the future.