Étude des déterminants génétiques et moléculaires de la scoliose idiopathique

La scoliose idiopathique (SI) est une maladie complexe de la colonne vertébrale. Elle survient principalement à l'adolescence et affecte ~ 1-4% de la population mondiale pédiatrique avec une prévalence plus élevée chez les femmes. Dans la plupart des cas, la cause sous-jacente de la SI est inconnue, bien qu'une composante génétique soit bien reconnue. Un certain nombre de gènes et de loci candidats ont été proposés, mais peu ont été répliqués avec succès dans de multiples études. Les études d'association génomique (GWAS) ont identifié plusieurs gènes candidats prédisposant à la SI. Parmi ceux-ci, le locus LBX1 est de loin celui qui a été répliqué avec le plus de succès dans différentes populations, bien que jusqu'à maintenant il n'ait pas été testé dans la population québécoise. L’objectif principal de cette thèse, a été l'étude des déterminants génétiques de la SI par des approches complémentaires. Dans la première étude, de nouveaux gènes enrichis de variants rares, pouvant contribuer à la maladie ont été identifiés par séquençage d’exomes entiers (WES) dans une cohorte de patients québécois atteints de SI, suivi d'une deuxième phase de séquençage ciblé des 24 meilleurs gènes candidats dans une seconde cohorte indépendante. Parallèlement, nous avons effectué une approche par WES dans une famille multiplex unique constituée de trois soeurs affectées avec des parents sains. Nos résultats impliquent un nouveau gène, FAT3, non précédemment associé à la SI, comme un gène candidat d’importance pour cette condition. Dans la deuxième étude, nous avons effectué un GWAS pour tester les marqueurs génétiques associés à la dans la population québécoise. Les résultats complets de l'analyse GWAS dépassent le cadre de cette thèse. L'objectif principal de l'analyse actuelle était de tester l'association du locus LBX1. Nos résultats appuient une association avec la région proche du gène LBX1 dans notre population. Dans la troisième étude, notre approche est une approche de gène candidat. Nous avons essayé d'élucider les corrélations génétiques et biochimiques des niveaux circulants en YKL-40 avec le risque de progression de la maladie. Une étude antérieure dans notre laboratoire a démontré que les patients atteints de SI ont un dysfonctionnement distinctif de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines Gi inhibitrices (Gi), permettant leur classification en trois endophénotypes (FG1, FG2 et FG3). L'étude des profils d'expression de ces endophénotypes a montré une élévation significative de l'expression du gène CHI3L1, codant pour la glycoprotéine sécrétée YKL-40, chez les patients classés dans l’endophénotype FG1 par rapport à ceux classés dans les endophénotypes FG2 et FG3 qui sont plus enclins à développer une scoliose sévère. Nous avons démontré que les garçons du groupe FG1 présentent des niveaux plasmatiques significativement plus élevés en YKL-40 que les autres groupes tout comme les patients présentant une scoliose non-sévère. Les SNP dans le gène CH13L1 ont montré une association significative avec les niveaux plasmatiques d’YKL-40 dans des cas non-sévère. L'analyse fonctionnelle in vitro a révélé que la glycoprotéine YKL-40 pourrait jouer un rôle protecteur dans le contexte de la SI en bloquant le défaut de signalisation Gi induit par l'élévation de l'ostéopontine. En résumé, nous proposons une nouvelle association du gène FAT3 avec la SI, répliquons l'association du gène LBX1 dans une nouvelle cohorte et proposons un nouveau marqueur biochimique, YKL-40, associé à des formes non sévères de la SI. Idiopathic Scoliosis (IS) is a complex disorder of the spine. It mostly occurs between 10 and 15 years old and affects ~1-4% of the global pediatric population with a much higher prevalence in females. In most cases the underlying cause of IS is unknown, although a genetic component is well recognized. A number of candidate genes and loci have been suggested, but few have been successfully replicated in multiple studies. Genome wide association studies (GWAS) have identified several candidate genes for IS susceptibility. Among these the LBX1 locus is by far the most successfully replicated locus in different populations, although until now it has not been tested in the French-Canadian population. Few studies have attempted to detect rare causal variants in IS and this field of research is still in its infancy. The primary goal of this thesis was to investigate the genetic component of IS through complementary approaches. In the first study, we aimed to find new genes enriched with rare variants, which might contribute to the disease. Hence, we performed whole exome sequencing (WES) in a French-Canadian IS cohort, followed by a second phase of targeted sequencing of the 24 best candidate genes in a replication cohort. In parallel, we performed WES in a unique multiplex family of three affected sisters with healthy parents. Our results implicate a novel gene, FAT3, not previously associated with IS, as a strong candidate for this condition. In the second study we performed a GWAS to test for genetic markers associated with IS in our French-Canadian cohort. The complete results of the GWAS analysis are beyond the scope of this thesis. The main objective of the current analysis was to test association of the LBX1 locus. Our results support an association with the region near the LBX1 gene in our French-Canadian population. In the third study, our approach is a candidate gene approach. We attempted to elucidate the genetic and biochemical correlates of circulating YKL-40 levels with the risk of spinal deformity progression in the context of IS. Our prior works have demonstrated that IS patients exhibit a distinctive G inhibitory (Gi) proteincoupled receptor signaling dysfunction, which enabled their classification into three distinct biological endophenotypes (FG1, FG2 or FG3). Previous microarray analysis revealed a significant elevation in the expression of CHI3L1 gene, encoding for the secreted glycoprotein YKL-40, in IS patients classified in FG1 endophenotype when compared to FG2 and FG3 ones, which are more prone to develop a severe scoliosis. In this study, we demonstrated that IS males classified in FG1 endophenotype exhibit significant higher plasma YKL-40 levels than controls and other IS endophenotypes. Furthermore, the non-severe scoliosis group showed significant higher levels of YKL-40 than controls. SNPs in CHI3L1 gene showed significant association with YKL-40 plasma levels in non-severe cases. Functional in vitro analysis showed that YKL-40 could play a protective role in the context of IS by altering the Gi-signaling dysfunction induced by the elevation of osteopontin in IS. In sum, we propose a novel association of FAT3 gene with IS, replicated the association of LBX1 gene with IS in a new cohort, and propose a new biochemical marker, YKL-40, associated with non-severe forms of IS and has a plausible protective role in IS.

Keyphrases: Scoliose idiopathique, Séquençage d’exome (WES), Variants rares, GWAS, FAT3, LBX1, CHI3L1, YKL-40, Population québécoise, GWAS, FAT3, LBX1, CHI3L1, YKL-40, Endophenotypes, Idiopathic scoliosis, Whole exome sequencing, Rare variants, French-Canadian population