Phenotypic and molecular characterization of Bruck syndrome (Osteogenesis imperfecta with contractures of the large joints) caused by a recessive mutation in PLOD2

Le Syndrome de Bruck (Bruck Syndrome; BS) est une maladie autosomique récessive assemblant la combinaison inhabituelle de fragilité osseuse semblable à celle de l'Ostéogenèse Imparfaite (0I) avec des contractures congénitales tendineuses et cutanées des grandes articulations («ptérygia»). Les cas décrits jusqu'à ce jour mettent en évidence une grande hétérogénéité du tableau clinique, liée en partie au manque d'un diagnostic biochimique ou moléculaire. Nous savons que dans le BS les gènes codant pour le collagène 1 ne sont pas mutés, mais savons néanmoins, grâce à l'étude du collagène extrait de biopsies osseuses, qu'il y a un déficit d'hydroxylation des résidus de lysine dans les télopeptides du collagène 1 qui servent à la formation des liens intermoléculaires (crosslinks) et donc à la stabilisation des fibres de collagène. Un locus génétique du BS à été mappé sur 17q12, mais le gène responsable sur ce locus reste inconnu; plus récemment, deux mutations dans le gène de la lysyl hydroxylase 2 (PLOD2, position chromosomique 3q23-q24) ont été identifiées, démontrant l'hétérogénéité génétique du ES. La proportion de ES liée à 17p22 (BS type 1) et celle liée à une mutation dans PLOD2 (BS type 2) est encore incertaine et nous manquons de données sur la corrélation phenotype-génotype. Nous avons étudié le cas d'un garçon avec des contractures et des ptérygia dès la naissance, combinées à une ostéopénie sévère de type OI menant à des fractures multiples. Ses urines contenaient une quantité élevée d'hydroxyproline, indiquant un remaniement important du tissu osseux, mais peu de produits de dégradation des crosslinks du collagène, indiquant donc une réduction de la proportion de crosslinks dans le collagène in vivo. Nous avons pu démontrer chez lui la présence d'une nouvelle mutation homozygote dans le gène PLOD2 menant à une substitution Arg598His; les deux parents du sujet étaient hétérozygotes pour la mutation et celle-ci était absente dans notre population témoin. La mutation est adjacente aux deux mutations rapportées précédemment (Gly601Val et Thr608Ile), ce qui suggère la présence d'un ''hotspot'' mutationnel mais aussi d'une région de grande importance fonctionnelle sur PLOD2 : cette observation est importante pour la création d'inhibiteurs de PLOD2, recherchés en ce moment pour le traitement de la fibrose. La combinaison de ptérygia et de fragilité osseuse, comme illustrée par notre patient est apparemment contradictoire et donc difficilement explicable mais indique que l'hydroxylation des résidus lysyl des télopeptides est importante non seulement pour la stabilité osseuse mais aussi dans la morphogénèse et la formation des articulations dans la période prénatale. Finalement, la mesure des produits de dégradation du collagène dans l'urine et l'analyse de mutation de PLOD2 permet le diagnostic du syndrome de Bruck et permet de le différencier de l'Osteogénèse Imparfaite. -- Bruck syndrome (BS) is a recessively-inherited phenotypic disorder featuring the unusual combination of skeletal changes resembling osteogenesis imperfecta (0I) with congenital contractures of the large joints. Clinical heterogeneity is apparent in cases reported thus far. While the genes coding for collagen 1 chains are unaffected in BS, there is biochemical evidence for a defect in the hydroxylation of lysine residues in collagen 1 telopeptides. One BS locus has been mapped at 17p12, but more recently, two mutations in the lysyl hydroxylase 2 gene (PLOD2, 3q23-q24) have been identified in BS, showing genetic heterogeneity. The proportion of BS cases linked to 17p22 (BS type 1) or caused by mutations in PLOD2 (BS type 2) is still uncertain, and phenotypic correlations are lacking. We report on a boy who had congenital contractures with pterygia at birth and severe 0I-like osteopenia and multiple frac-tures. His urine contained high amounts of hydroxyproline but low amounts of collagen crosslinks degradation products; and he was shown to be homozygous for a novel mutation leading to an Arg598His substitution in PLOD2. The mutation is adjacent to the two mutations previously reported (Gly601Val and Thr608Ile), suggesting a functionally important hotspot in PLOD2. The combination of pterygia with bone fragility, as illustrated by this case, is difficult to explain; it suggests that telopeptide lysyl hydroxylation must be involved in prenatal joint formation and morphogenesis. Collagen degradation products in urine and mutation analysis ofPLOD2 maybe used to diagnose BS and differentiate it from M.

Impact du traitement par hormone de croissance sur la composition corporelle et le métabolisme osseux d'enfants nés avec un retard de croissance intra-utérin

Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est défini par une taille et un poids inférieurs au P10 pour l'âge gestationnel. Il est caractérisé, entre autre par une altération de la croissance foetale aboutissant à une résistance à l'hormone de croissance (HC). Bien que la majorité des sujets présente un certain rattrapage en taille, certains développent un retard de croissance ultérieur permanent. L'idée est donc née de traiter ces sujets par haute dose d'HC biosynthétique. La question des risques d'un tel traitement s'est posée en raison de l'effet diabétogène de l'HC et des modifications qu'elle peut induire sur la masse maigre, la masse grasse et la densité osseuse. Le but de l'étude a été d'évaluer l'impact sur la croissance et sur le volet métabolique. Dix enfants prépubères ayant présenté un RCIU sans croissance de rattrapage spontanée ont été traités par HC recombinante à des doses supra physiologiques (53-67 g/kg/jour). La taille, le poids, la taille assise ont été mesurés et des dosages d'IGF1, IGFBP3, glycémie et insuline ont été faits sur une base semestrielle alors qu'une densitométrie osseuse a été faite annuellement sur une période de 3 ans. Le gain en taille a été spectaculaire (+ 1.78 DS), correspondant à plus de 10 cm (p < 0.001). Sous traitement, l'insulinémie et le HOMA ont augmenté sans que ces augmentations soient significatives. La tolérance glucidique est restée dans la norme au prix d'une augmentation de la sécrétion d'insuline. La masse grasse a diminué alors que la masse maigre et la densité osseuse ont augmenté de façon significative. Ces résultats correspondent aux travaux d'autres groupes. Il reste à démontrer que l'hyperinsulinisme transitoire induit par l'HC n'ait pas d'effet néfaste à long terme et en particulier sur le risque de développer ou aggraver un syndrome métabolique à l'âge adulte.

Propositions pratiques d'utilisation des ultrasons quantitatifs osseux dans le management de l'ostéoporose [Practical proposals for the use of quantitative bone ultrasound in the management of osteoporosis]

As an emerging alternative to DXA, there is a growing interest in the use of quantitative ultrasound (QUS) measurements for the non invasive assessment of fracture risk in the management of osteoporosis. While the potential of QUS in the management of osteoporosis have been highly recognized by the scientific community and granted by the majority of the international bone disease organizations, it becomes important to develop strategies how to use ultrasound clinically. Our paper is highlighting Swiss operational clinical propositions for 2 QUS devices sold in Switzerland, on how to use the QUS in the management of osteoporosis.

Répartition du tissu adipeux: implications cliniques [Localization of adipose tissue: clinical implications]

The excessive accumulation of the adipose tissue is at the origin of the obesity. However its severity has no direct correlation with the comorbidities. These last ones are rather linked to the type of distribution of the fat than to its total quantity. The morphological and functional analysis of the adipose tissue reveals specific differences in its localization. The adipose tissue is thus a complex organ constituted by several cell types having various capacities of hypertrophy, hyperplasia and differentiation. While the first one is more predominant in the subcutaneous compartment, where the cell size is big, the others are more specific of the visceral adipocytes. Finally the severity of the obesity is linked to hypertrophy, while the comorbidities are associated with the capacity of proliferation and differentiation.

Utilité clinique des ultrasons osseux quantitatifs dans le dépistage de l'ostéoporose [Clinical utility of quantitative bone ultrasonography in the staging of osteoporosis]

Osteoporosis is well recognized as a public health problem in industrialized countries. Because of the efficiency of new treatments to decrease fracture risk, it is of a major interest to detect the patients who should benefit from such treatments. A diagnosis of osteoporosis is necessary before to start a specific treatment. This diagnosis is based on the measurement of the skeleton (hip and spine) with dual X-ray absorptiometry, using diagnostic criteria established by the World Health Organisation (WHO). In Switzerland, indications for bone densitometry are limited to precise situations. This technique cannot be applied for screening. For this purpose, peripheral measurements and particularly quantitative ultrasounds of bone seem to be promising. Indeed, several prospective studies clearly showed their predictive power for hip fracture risk in women aged more than 65 years. In order to facilitate the clinical use of bone ultrasounds, thresholds of risk of fracture and osteoporosis of the hip will be shortly published. This will integrate bone ultrasound in a global concept including bone densitometry and its indications, but also other risk factors for osteoporosis recognized by the Swiss association against osteoporosis (ASCO).

Ultrasons osseux et dépistages de l'ostéoporose

Comme technique alternative à la densitométrie osseuse par rayons-X (DXA), l'ultrason quantitatif (USQ) prend un intérêt de plus en plus important, pour l'évaluation osseuse non invasive du risque fracturaire d'origine ostéoporotique. Bien que l'USQ soit reconnu sur le plan scientifique dans le management de l'ostéoporose par de nombreuses sociétés internationales, il devient urgent de définir une stratégie d'utilisation clinique pratique. Dans cet article, plusieurs approches ont été évoquées, soulignant les avantages et inconvénients de chacune d'entre elles. Cependant, le coeur de cette article porte sur des recommandations opérationnelles pour l'utilisation de 2 appareil USQ, vendus en Suisse, dans le management de l'ostéoporose. Cette approche prend en compte les recommandations de l'Association Suisse contre l'Ostéoporose en terme de facteurs de risques ainsi que les indications officielles pour l'examen DXA conventionnel. [Ed.]

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.