Genetic analyses in a sample of individuals with high or low BMD shows association with multiple Wnt pathway genes

INTRODUCTION Although the high heritability of BMD variation has long been established, few genes have been conclusively shown to affect the variation of BMD in the general population. Extreme truncate selection has been proposed as a more powerful alternative to unselected cohort designs in quantitative trait association studies. We sought to test these theoretical predictions in studies of the bone densitometry measures BMD, BMC, and femoral neck area, by investigating their association with members of the Wnt pathway, some of which have previously been shown to be associated with BMD in much larger cohorts, in a moderate-sized extreme truncate selected cohort (absolute value BMD Z-scores = 1.5-4.0; n = 344). MATERIALS AND METHODS Ninety-six tag-single nucleotide polymorphism (SNPs) lying in 13 Wnt signaling pathway genes were selected to tag common genetic variation (minor allele frequency [MAF] > 5% with an r(2) > 0.8) within 5 kb of all exons of 13 Wnt signaling pathway genes. The genes studied included LRP1, LRP5, LRP6, Wnt3a, Wnt7b, Wnt10b, SFRP1, SFRP2, DKK1, DKK2, FZD7, WISP3, and SOST. Three hundred forty-four cases with either high or low BMD were genotyped by Illumina Goldengate microarray SNP genotyping methods. Association was tested either by Cochrane-Armitage test for dichotomous variables or by linear regression for quantitative traits. RESULTS Strong association was shown with LRP5, polymorphisms of which have previously been shown to influence total hip BMD (minimum p = 0.0006). In addition, polymorphisms of the Wnt antagonist, SFRP1, were significantly associated with BMD and BMC (minimum p = 0.00042). Previously reported associations of LRP1, LRP6, and SOST with BMD were confirmed. Two other Wnt pathway genes, Wnt3a and DKK2, also showed nominal association with BMD. CONCLUSIONS This study shows that polymorphisms of multiple members of the Wnt pathway are associated with BMD variation. Furthermore, this study shows in a practical trial that study designs involving extreme truncate selection and moderate sample sizes can robustly identify genes of relevant effect sizes involved in BMD variation in the general population. This has implications for the design of future genome-wide studies of quantitative bone phenotypes relevant to osteoporosis.

Le rôle de la signalisation Wnt dans le phénotype anormal des ostéoblastes ostéoarthrosiques

L’ostéoarthrose (OA) est une pathologie de forte incidence affectant les articulations. Elle est caractérisée principalement par une dégradation du cartilage articulaire, un déséquilibre au niveau du remodelage osseux et une sclérose de l’os sous-chondral. L’étiologie de cette pathologie reste encore méconnue, cependant il semble de plus en plus que tous les tissus composant l’articulation soient affectés dans cette pathologie. L’importance du rôle de l’os dans le développement de l’OA est incontestable et représente donc une cible thérapeuthique intéressante. Des études effectuées par tomodensitométrie ont démontré une structure et une organisation anormales du tissu osseux des patients OA. Parallèlement, les cultures primaires d’ostéoblastes (Ob) humains OA issus de l’os sous-chondral démontrent un phénotype altéré et une faible minéralisation in vitro. La signalisation Wnt, essentielle dans l’embryogenèse, a montré avoir un rôle clé dans la régulation de l’ostéogenèse en régulant notamment la différenciation terminale des Ob. Le facteur de croissance transformant-β1 (TGF-β1), un facteur agissant notamment sur la prolifération et sur le début de la différenciation des Ob, est surexprimé par les Ob OA et pourrait moduler cette signalisation. Aussi, deux populations de patients OA peuvent être différenciées in vitro par la production de prostaglandines E2 (PGE2) par leurs Ob et les PGE2, dans une étude sur le cancer colorectal, ont montré moduler la signalisation Wnt. Notre hypothèse de travail est que l’activation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine est diminuée dans les Ob OA. Cette diminution est responsable de la sous-minéralisation et de l’altération du phénotype des Ob humains OA. Par ailleurs, DKK2, dont l’expression est contrôlée par TGF-β1, est responsable de la diminution de l’activité Wnt/β-caténine et les PGE2 peuvent en partie corriger cette situation. L’objectif général de cette étude est d’une part, de démontrer le rôle de TGF-β1, DKK2 et de PGE2 sur l’altération de la signalisation Wnt/β-caténine et d’autre part, de démontrer le lien entre TGF-β1 et DKK2 et l’effet de ces derniers sur le phénotype des Ob. Dans cette étude on a montré que la signalisation canonique Wnt est altérée dans les Ob OA et que cela était responsable de l’altération du phénotype des Ob OA. On a montré, parmi les acteurs de la signalisation Wnt, que l’expression de l’antagoniste Dickkopf-1 (DKK1) était relativement similaire entre les Ob OA et normaux contrairement à celle de l’antagoniste DKK2 qui était augmentée et à celle de l’agoniste Wnt7B qui était diminuée dans les Ob OA. On a également montré que les PGE2 pouvaient potentialiser l’activité de la signalisation Wnt dans les Ob OA. L’inhibition de DKK2 a permis d’augmenter l’activité de la signalisation Wnt et de corriger le phénotype anormal ainsi que d’augmenter la minéralisation des Ob OA. L’inhibition de TGF-β1, un facteur aussi surexprimé dans les Ob OA, a également permis la correction du phénotype et l’augmentation de la minéralisation dans les Ob OA. L’inhibition de TGF-β1 a aussi menée à l’inhibition de DKK2. Le contraire ne fût pas observé démontrant ainsi la régulation de DKK2 par TGF-β1. En conclusion, la signalisation canonique Wnt est diminuée dans les Ob OA et cela est dû au niveau élevé de DKK2 dans ces Ob. TGF-β1 régule positivement DKK2 et donc la surexpression de TGF-β1 entraîne celle de DKK2 ce qui a pour conséquences d’altérer le phénotype des Ob. Les PGE2 ont aussi montré pouvoir potentialiser l’activité de la signalisation Wnt et auraient donc un rôle positif. Ensemble, ces données suggèrent que ces altérations au niveau des Ob OA pourraient être responsables de la structure osseuse anormale observée chez les patients OA.

Regulation of endothelial cell cytoskeletal reorganization by a secreted frizzled-related protein-1 and frizzled 4- and frizzled 7-dependent pathway: role in neovessel formation

Consistent with findings of Wnt pathway members involved in vascular cells, a role for Wnt/Frizzled signaling has recently emerged in vascular cell development. Among the few Wnt family members implicated in vessel formation in adult, Wnt7b and Frizzled 4 have been shown as involved in vessel formation in the lung and in the retina, respectively. Our previous work has shown a role for secreted Frizzled-related protein-1 (sFRP-1), a proposed Wnt signaling inhibitor, in neovascularization after an ischemic event and demonstrated its role as a potent angiogenic factor. However the mechanisms involved have not been investigated. Here, we show that sFRP-1 treatment increases endothelial cell spreading on extracellular matrix as revealed by actin stress fiber reorganization in an integrin-dependent manner. We demonstrate that sFRP-1 can interact with Wnt receptors Frizzled 4 and 7 on endothelial cells to transduce downstream to cellular machineries requiring Rac-1 activity in cooperation with GSK-3beta. sFRP-1 overexpression in endothelium specifically reversed the inactivation of GSK-3 beta and increased neovascularization in ischemia-induced angiogenesis in mouse hindlimb. This study illustrates a regulated pathway by sFRP-1 involving GSK-3beta and Rac-1 in endothelial cell cytoskeletal reorganization and in neovessel formation.