Investigating ANKH and ENPP1 in Slovakian families with chondrocalcinosis

Familial articular chondrocalcinosis (CC) was Wrst reported in 1963. It is characterised by multiple calciWcations of hyaline and Wbrous cartilage in the joints and intervertebral discs. Mutations in ANKH have been identified in several pedigrees as a monogenic cause for this disorder. ANKH is a key protein in pyrophosphate metabolism and is involved in pyrophosphate transport across the cell membrane. The objective of this work was to screen ANKH and ENPP1, two key genes in pyrophosphate metabolism, in Slovakian kindreds with familial CC. DNA samples from 25 individuals (10 aVected, 15 unaVected) from 8 families were obtained. The promoter, coding regions and intron-exon boundaries of ANKH and ENPP1 were sequenced. Twelve DNA sequence variants, six in each gene, were identiWed. All the variants had been previously identified. None segregated with the disease. Our results suggest that neither ANKH nor ENPP1 mutations are the cause of CC in these families, indicating that possibly other major genes are involved in the aethiopathogenesis of this condition in these families.

Investigation of the role of ENPP1 and TNAP genes in chondrocalcinosis

Objectives. Extracellular inorganic pyrophosphate (ePPi) inhibits certain forms of pathological mineralization while promoting others. Three molecules involved in ePPi regulation are important candidates for the development of calcium pyrophosphate dihydrate chondrocalcinosis (CPPD CC). These include ANKH, ectonucleotide pyrophosphatase (ENPP1) and TNAP. We have previously showed that genetic variation in ANKH is a cause of autosomal dominant familial CC and also some sporadic cases of CPPD CC. We now investigate the possible role of ENPP1 and TNAP in CPPD CC. Methods. Exons, untranslated regions (UTR) and exon-intron boundaries of ENPP1 and TNAP were sequenced using ABI Big Dye chemistry on automated sequencers. Sixteen variants were identified (3 in ENPP1 and 13 in TNAP) and were subsequently genotyped in 128 sporadic Caucasian CPPD CC patients and 600 healthy controls using a combination of polymerase chain reaction/restriction fragment-length polymorphism analysis or using Taqman. Allele and genotype frequencies were compared between cases and controls using the χ 2 test. Linkage disequilibrium, haplotype and the single nucleotide polymorphism-specific analyses were also performed. This study had 80% power to detect an odds ratio of 2.2 or more at these loci. Results. No difference was observed in the allele or genotype frequencies between patients and controls at either ENPP1 or TNAP. Conclusions. Polymorphisms of ENPP1 and TNAP are not major determinants of susceptibility to CC in the population studied. Further studies of the aetiology of sporadic CPPD CC are required to determine its causes.

Design et synthèse d’inhibiteurs d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) et leur activité anticancéreuse

La calcification de la valve aortique (CVA) est une maladie cardiovasculaire de plus en plus répandue, particulièrement en Amérique du Nord. Elle cause le rétrécissement de la valve aortique et le seul traitement actuellement disponible est le remplacement chirurgical. Des études menées par le Dr Patrick Mathieu (Institut de Cardiologie et de Pneumologie de Québec) ont montré qu’une surexpression d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) est à l’origine de cette sténose. Une solution à cette maladie serait donc de trouver un inhibiteur d’ENPP1. Inspirées des travaux du groupe de Pfizer visant ENPP1 pour le traitement de la chondrocalcinose articulaire et l’ostéoarthrite, quelques familles d’inhibiteurs de type quinazoline-4-pipéridine sulfamides (QPS) ont été synthétisés et testées in vitro. Une étude en modélisation moléculaire sur le site potentiel de liaison des inhibiteurs sur ENPP1 est en cours, en collaboration avec le Pr Patrick Lagüe (Université Laval, Département de biochimie, microbiologie et bio-informatique) et son équipe pour optimiser le design de la structure des composés. Les composés d’une des familles, les QPS-pyrimidine, ont été testés in vitro sur quelques lignées cellulaires cancéreuses (HT-1080, HT-29, M21 et MCF-7) pour mesurer leur activité antiproliférative. Ces composés ont une inhibition de croissance médiane (IC50) de l’ordre du micromolaire et représentent donc un point de départ intéressant pour la mise au point de nouveaux traitements anticancéreux.

Molecular Genetic Studies of Melanocortin Receptors in Morbid Obesity

The prevalence of obesity is increasing at an alarming rate in all age groups worldwide. Obesity is a serious health problem due to increased risk of morbidity and mortality. Although environmental factors play a major role in the development of obesity, the identification of rare monogenic defects in human genes have confirmed that obesity has a strong genetic component. Mutations have been identified in genes encoding proteins of the leptin-melanocortin signaling system, which has an important role in the regulation of appetite and energy balance. The present study aimed at identifying mutations and genetic variations in the melanocortin receptors 2-5 and other genes active on the same signaling pathway accounting for severe early-onset obesity in children and morbid obesity in adults. The main achievement of this thesis was the identification of melanocortin-4 receptor (MC4R) mutations in Finnish patients. Six pathogenic MC4R mutations (308delT, P299H, two S127L and two -439delGC mutations) were identified, corresponding to a prevalence of 3% in severe early-onset obesity. No obesity causing MC4R mutations were found among patients with adult-onset morbid obesity. The MC4R 308delT deletion is predicted to result in a grossly truncated nonfunctional receptor of only 107 amino acids. The C-terminal residues, which are important in MC4R cell surface targeting, are totally absent from the mutant 308delT receptor. In vitro functional studies supported a pathogenic role for the S127L mutation since agonist induced signaling of the receptor was impaired. Cell membrane localization of the S127L receptor did not differ from that of the wild-type receptor, confirming that impaired function of the S127L receptor was due to reduced signaling properties. The P299H mutation leads to intracellular retention of the receptor. The -439delGC deletion is situated at a potential nescient helix-loop-helix 2 (NHLH2) -binding site in the MC4R promoter. It was demonstrated that the transcription factor NHLH2 binds to the consensus sequence at the -439delGC site in vitro, possibly resulting in altered promoter activity. Several genetic variants were identified in the melanocortin-3 receptor (MC3R) and pro-opiomelanocortin (POMC) genes. These polymorphisms do not explain morbid obesity, but the results indicate that some of these genetic variations may be modifying factors in obesity, resulting in subtle changes in obesity-related traits. A risk haplotype for obesity was identified in the ectonucleotide pyrophosphatase phosphodiesterase 1 (ENPP1) gene through a candidate gene single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping approach. An ENPP1 haplotype, composed of SNPs rs1800949 and rs943003, was shown to be significantly associated with morbid obesity in adults. Accordingly, the MC3R, POMC and ENPP1 genes represent examples of susceptibility genes in which genetic variants predispose to obesity. In conclusion, pathogenic mutations in the MC4R gene were shown to account for 3% of cases with severe early-onset obesity in Finland. This is in line with results from other populations demonstrating that mutations in the MC4R gene underlie 1-6% of morbid obesity worldwide. MC4R deficiency thus represents the most common monogenic defect causing human obesity reported so far. The severity of the MC4-receptor defect appears to be associated with time of onset and the degree of obesity. Classification of MC4R mutations may provide a useful tool when predicting the outcome of the disease. In addition, several other genetic variants conferring susceptibility to obesity were detected in the MC3R, MC4R, POMC and ENPP1 genes.

Mechanical strain induces the production of spheroid mineralized microparticles in the aortic valve through a RhoA/ROCK-dependent mechanism

Calcific aortic valve disease (CAVD) is a chronic disorder characterized by an abnormal mineralization of the leaflets, which is accelerated in bicuspid aortic valve (BAV). It is suspected that mechanical strain may promote/enhance mineralization of the aortic valve. However, the effect of mechanical strain and the involved pathways during mineralization of the aortic valve remains largely unknown. Valve interstitial cells (VICs) were isolated and studied under strain conditions. Human bicuspid aortic valves were examined as a model relevant to increase mechanical strain. Cyclic strain increased mineralization of VICs by several-fold. Scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray (EDX) analyses revealed that mechanical strain promoted the formation of mineralized spheroid microparticles, which coalesced into larger structure at the surface of apoptotic VICs. Apoptosis and mineralization were closely associated with expression of ENPP1. Inhibition of ENPP1 greatly reduced mineralization of VIC cultures. Through several lines of evidence we showed that mechanical strain promoted the export of ENPP1-containing vesicles to the plasma membrane through a RhoA/ROCK pathway. Studies conducted in human BAV revealed the presence of spheroid mineralized structures along with the expression of ENPP1 in areas of high mechanical strain. Mechanical strain promotes the production and accumulation of spheroid mineralized microparticles by VICs, which may represent one important underlying mechanism involved in aortic valve mineralization. RhoA/ROCK-mediated export of ENPP1 to the plasma membrane promotes strain-induced mineralization of VICs.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.