Formation, réparation osseuse mandibulaire et approches thérapeutiques dans les ostéochondrodysplasies liées à des mutations FGFRs

Mandibular bone formation and repair and therapeutic approaches in FGFRs osteochondrodysplasia

• Auteur / Autrice : Anne Morice
• Direction : Laurence Legeai-Mallet, Roman Hossein Khonsari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 20/01/2023
• 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 : Jeanne Amiel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sarah Beck-Cormier, Arnaud Picard, Boris Laure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Heuzé, Céline Colnot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteur de type 3 des facteurs de croissance fibroblastique

Récepteur FGFR2

Transcriptome

Os -- Régénération (biologie)

Os -- Croissance

Mandibule

Facteurs de croissance du fibroblaste

Ostéochondrodysplasies

Mots clés libres

Ostéochondrodysplasies

FGFR2

FGFR3

Mandibule

Formation et réparation osseuse

Transcriptomique spatiale

Osteochondrodysplasia

FGFR2

FGFR3

Mandible

Bone formation and repair

Spatial transcriptomics

Résumé

Les patients atteints d'ostéochondrodysplasies, liées à des mutations activatrices dans les gènes FGFR2 et FGFR3, présentent des malformations craniofaciales et mandibulaires. Ce projet de thèse a pour objectif de déchiffrer le rôle précis du gène FGFR3 chez les patients atteints d'ostéochondrodysplasie et dans un modèle murin d'hypochondroplasie Fgfr3N534K/+ au cours de la formation et de la réparation osseuse mandibulaire. A partir d'un modèle de fracture non stabilisée de la mandibule de souris Fgfr3N534K/+ et de leurs contrôles, les différentes étapes de la réparation osseuse endochondrale ont été étudiées à l'aide d'approches morphométriques, scanographiques, histologiques et de transcriptomique spatiale. Nous avons tout d'abord montré des anomalies morphologiques mandibulaires majeures chez les patients porteurs de faciocraniosténoses FGFR2 et FGFR3 et dans l'achondroplasie (FGFR3), renforçant l'hypothèse de corrélation génotype phénotype. Notre analyse montre une corrélation entre la sévérité des anomalies morphologiques craniomaxillofaciales des achondroplases et la sévérité des apnées du sommeil, soulignant ici l'importance de la prise en charge des anomalies morphologiques maxillomandibulaires. En parallèle, nous avons étudié l'impact de la mutation Fgfr3N534K/+ au niveau des cartilages de formation mandibulaire, primaire (Meckel) et secondaires (condylien) en période anté- et postnatale. Des anomalies de formation et de résorption du cartilage de Meckel, et un défaut de différenciation chondrocytaire sont présents au sein du cartilage condylien chez les souris mutantes. L'ensemble de ces anomalies entraînent un défaut de croissance et des modifications morphologiques mandibulaires. Les fractures non stabilisées de la mandibule réalisées chez des souris Fgfr3N534K/+ ont permis d'analyser les cals de réparation. Nous avons observé des anomalies majeures de réparation, caractérisées par un retard sévère de consolidation osseuse, et la présence de pseudarthrose chez les souris Fgfr3N534K/+. Nos études révèlent un défaut majeur de différenciation chondrocytaire au sein du cartilage de réparation, un retard de mise en place et de résorption du cartilage et des défauts microarchitecturaux de l'os nouvellement formé du cal. Nous avons également conduit des études de transcriptomique spatiale à la fois dans la partie cartilagineuse et osseuse à J14 post fracture. Au niveau du cartilage, les résultats obtenus confirment le défaut de différenciation et de maturation chondrocytaire, comme révélé par la diminution significative de l'expression de gènes exprimés par les chondrocytes matures ou en phase de transdifférenciation en ostéoblastes (Col11, Col1a, Dmp1, Phospho1, Hmgb2). L'expression de Kif17, un gène exprimé au sein du cil primaire a été retrouvée fortement diminuée chez les mutants, soulignant ici l'impact de la mutation au cours de la formation du cartilage du cal. Au niveau de l'os nouvellement formé du cal, les résultats montrent un défaut d'homéostasie osseuse. Nous avons aussi mis en évidence des différences majeures d'expression de gènes impliqués dans les mécanismes d'autophagie et d'apoptose (Smad1, Comp, Birc2) et une diminution de l'expression de Alkbh2 traduisant un défaut de réparation de l'ADN. Nos analyses montrent la surexpression de gènes impliqués dans la régulation négative de la voie des MAPKinases, suractivée par la mutation Fgfr3N534K/+, il s'agit de Dusp9 (cartilage) de Socs 3 et Dusp3 (os du cal). Enfin, nous avons étudié l'impact d'antagonistes de FGFR3 (inhibiteur de tyrosine kinase et analogue du CNP) sur la réparation osseuse. Nos études précliniques ont montré que les souris Fgfr3N534K/+ traitées présentent une consolidation normale, un remodelage osseux du cal de réparation accéléré et une absence de pseudarthrose. L'ensemble de ces résultats ouvrent des perspectives thérapeutiques majeures chez les patients porteurs d'ostéochondrodysplasies FGFRs au cours de la réparation osseuse.

Patients with osteochondrodysplasia, linked to activating mutations in the FGFR2 and FGFR3 genes, have craniofacial and mandibular malformations. This thesis project aims to decipher the exact role of FGFR3 gene in patients with osteochondrodysplasia and in a mouse model of hypochondroplasia Fgfr3N534K/+ during mandibular bone formation and repair. Using a model of non-stabilized mandibular fracture performed in Fgfr3N534K/+ mice and their controls, the different stages of endochondral bone repair were studied using morphometric, microCT, histological and spatial transcriptomics approaches. We first showed major mandibular morphological abnormalities in patients with FGFR2 and FGFR3 related craniosynostoses and in achondroplasia (FGFR3), reinforcing the hypothesis of genotype phenotype correlation in this context. In addition, our analysis shows a correlation between the severity of craniomaxillofacial morphological abnormalities and the severity of sleep apnea in achondroplasia patients, highlighting here the importance of managing maxillomandibular morphological abnormalities. In parallel, we studied the impact of the Fgfr3N534K/+ mutation on mandibular, primary (Meckel) and secondary (condylar) cartilage in the ante- and postnatal period. Abnormalities in the formation and resorption of Meckel cartilage, and altered chondrocyte differentiation within condylar cartilage were observed in mutant mice. All these abnormalities lead to growth defects and mandibular morphological changes. Following non-stabilized mandibular fractures, we observed major repair abnormalities, characterized by delayed bone consolidation, and the presence of pseudarthrosis in Fgfr3N534K/+ mice. Our studies reveal reduction of chondrocyte differentiation, delayed cartilage formation and formation, and microarchitectural defects in the newly formed bone of the callus. We also conducted spatial transcriptomics studies in both cartilaginous and bone regions at day 14 post fracture. At cartilage level, the results confirm reduction of chondrocyte differentiation and maturation, as revealed by the significant decrease in the expression of genes expressed by mature chondrocytes or in the phase of transdifferentiation into osteoblasts (Col11, Col1a, Dmp1, Phospho1, Hmgb2). The expression of Kif17, a gene expressed within the primary cilia was found greatly diminished in mutants, highlighting here the impact of the mutation during the formation of callus cartilage. At the level of the newly formed bone of the callus, the results show a defect of bone homeostasis. We also highlighted major differences in gene expression involved in autophagy and apoptosis mechanisms (Smad1, Comp, Birc2) and a decrease in Alkbh2 expression reflecting altered DNA repair. Our analyses show the overexpression of genes involved in the downregulation of the MAPKinase pathway, overactivated by the Fgfr3N534K/+ mutation, these are Dusp9 (cartilage), Socs3 and Dusp3 (bone of callus). Finally, we investigated the impact of FGFR3 antagonists (tyrosine kinase inhibitor and CNP analog) on bone repair. Our preclinical studies have shown that treated Fgfr3N534K/+ mice present normal consolidation, accelerated bone callus remodeling, and absence of pseudarthrosis. All these results are promising and give major therapeutic perspectives in patients with FGFRs osteochondrodysplasias during bone repair.