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Table of Contents I. INTRODUCTION .............................................................................................................. 3 1. Intercellular signaling through extracellular nucleotides ...............................................

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Academic year: 2021

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Table  of  Contents  

I.  INTRODUCTION  ...  3  

1.  Intercellular  signaling  through  extracellular  nucleotides  ...  3  

1.1.  History  ...  3

 

1.2.

 

The  nucleotides  as  extracellular  signaling  molecules  ...  3

 

1.2.1.  Nucleotides  release  ...  4

 

1.2.1.1.  ATP  release  from  dying  cells  ...  4  

1.2.1.2.  Regulated  ATP  release  ...  4  

•   Secretory  pathway  ...  4  

•   Conductive  release  ...  4  

o   Anion channel  ...  4  

o   Hemichannel :  ...  5  

o   Transporter:  ...  5  

1.2.2.  Extracellular  metabolism  ...  5

 

1.2.2.1.  Ectonucleoside  triphosphate  diphosphohydrolase  (E-­‐NTPDase)  family  ...  5  

1.2.2.2.Ecto-­‐nucleotide  pyrophosphatase/phosphodiesterase  (E-­‐NPP)  family  ...  6  

1.2.2.3.  5’-­‐Nucleotidase  ...  6  

1.3.  Extracellular  nucleotides  receptor  ...  6

 

1.3.1.  P2  receptor  family  ...  7

 

1.3.1.1.  P2X  receptor  family  ...  7  

1.3.1.2.  P2Y  receptor  family  ...  7  

•   Structure  of  P2Y  receptors  ...  7  

•   Coupling  of  P2Y  receptors  to  G  proteins  ...  9  

•   Responsiveness  to  different  nucleotides  ...  11  

o   P2Y13 receptor (P2Y13R)  ...  11  

o   P2Y12 receptor (P2Y12R)  ...  12  

1.3.2.  Purinergic  signaling  as  a  complex  network  ...  13

 

2.  Mesenchymal  stem  cell  ...  14  

2.1.  Definition  ...  14

 

2.1.1.  Self-­‐renewal  of  MSC:  ...  15

 

2.1.2.  Multipotent  differential  potential  ...  16

 

2.1.3.  Specific  surface  antigen  expression  ...  16

 

2.1.4.  Adherence  to  plastic  in  standard  culture  condition  ...  17

 

2.2.  Function  ...  17

 

2.2.1.  Bone  tissues  ...  17

 

2.2.1.1.  Bone  and  bone  marrow:  structure  and  composition  ...  19  

2.2.1.2.  Bone  remodeling  ...  19  

2.2.1.3.  Differentiation  of  MSCs  ...  20  

2.2.1.3.1.

 

Osteogenesis  ...  20

 

•   Commitment of MSC into pre-osteoblast  ...  20  

•   Maturation of pre-osteoblasts into osteoblasts  ...  22  

•   Differentiation of osteoblast into osteocytes  ...  22  

(2)

1

•   Commitment of MSC into pre-adipocyte  ...  24  

•   Maturation of pre-adipocyte into adipocyte  ...  24  

2.2.1.3.3.

 

Balance  between  adipogenesis  and  osteogenesis  ...  25

 

2.2.1.3.4.

 

Transdifferentiation  ...  25

 

2.3.

 

Support  of  hematopoiesis  ...  26

 

2.3.1.

 

Niche  components  ...  26

 

•   MSCs        _    ...  26  

•   Osteoblast  ...  27  

•   Endothelial  cells  ...  27  

•   Nervous  system  ...  27  

2.3.2.Stem  cell  niche  as  a  unit  ...  29  

2.4.

 

Role  of  OsteoMacs  in  MSCs  physiology  ...  30

 

2.5.

 

MSCs  and  cell  therapy/tissue  engineering  ...  30

 

3.   EXTRACELLULAR  NUCLEOTIDES  SIGNALING  IN  BONE  PHYSIOLOGY  ...  31  

3.1.

 

Role  of  extracellular  nucleotides  signaling  in  human  MSC  ...  31

 

3.1.1.

 

Expression  of  P2  receptor  in  MSC  ...  31

 

3.1.2.

 

ATP  release  and  extracellular  metabolism  in  MSC  ...  31

 

3.1.3.

 

Effect  of  extracellular  nucleotides  in  MSC  physiology  ...  32

 

3.2.

 

Bone  phenotype  of  P2Y

13

 knockout  mice  ...  33

 

II.  AIM  OF  THE  WORK  ...  34

 

III.  RESULTS  ...  35

 

1.   Development  of  experimental  protocols  ...  35  

1.1.

 

Phenotype  and  properties  of  bone  marrow  stromal  cells  (BMSC)  ...  35

 

1.1.1.  Culture  of    BMSCs  ...  35

 

1.1.2.

 

Immunophenotyping  of  BMSC  primary  culture  ...  35

 

1.2.

 

Differentiation  potential  of  BMSCs  ...  37

 

1.2.1.

 

Osteogenic  potential  of  BMSCs  ...  37

 

1.2.1.1.  CFU  assay  ...  37  

1.2.1.2.  Expression  kinetic  of  osteogenic  gene  expresion  ...  39  

1.2.2.

 

Adipogenic  potential  of  BMSCs  ...  39

 

1.2.2.1.  Oil  Red  O  and  Nile  Red  assay  ...  39  

1.2.2.2.Expression  kinetic  of  adipogenic  gene  expression  ...  39  

2.   Role  of  the  P2Y

13

R  in  the  differentiation  of  BMSCs  into  osteoblasts  and  adipocytes  .  41  

2.1.

 

P2Y

13

 mRNA  expression  in  undifferentiated  and  differentiated  BMSCs  ...  41

 

2.2.

 

Effect  of  ADPβS  on  osteoblast  differentiation  ...  41

 

2.2.1.  Effect  of  ADPβS  on  osteoblast  formation  ...  41

 

2.2.2.  Effect  of  ADPβs  on  osteogenic  gene  expression  ...  41

 

2.3.

 

Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  osteoblast  differentiation  ...  42

 

2.3.1.  Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  osteoblast  formation  ...  46

 

2.3.2.

 

Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  osteogenic  genes  expression  ...  46

 

2.4.

 

Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  adipogenic  differentiation  ...  46

 

2.4.1.

 

Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  adipocyte  formation  ...  46

 

2.4.2.

 

Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  adipocyte  genes  expression  ...  48

 

(3)

2.6.

 

Fat  content  in  bone  marrow  and  total  body:  comparison  between  WT  and  P2Y

13

R

 -­‐/-­‐  

mice

 

49

 

3   Role  of  the  P2Y

12

R  in  the  differentiation  of  BMSCs  into  osteoblasts  and  adipocytes  ..  52  

3.1

 

Effect  of  P2Y

12

R  deletion  on  osteoblast  differentiation  ...  52

 

3.1.1.

 

Effect  on  P2Y12  deletion  on  osteoblast  formation  ...  52

 

3.1.2.

 

Effect  of  P2Y12R  deletion  on  osteogenic  gene  expression  ...  52

 

3.2

 

Effect  of  P2Y

12

R  deletion  on  adipocyte  differentiation  ...  52

 

3.2.1.

 

Effect  on  P2Y12  deletion  on  adipocyte  formation  ...  52

 

3.2.2.

 

Effect  of  P2Y12R  deletion  on  adipocyte  marker  expression  ...  52

 

3.3

 

Comparison  of  fat  content  in  bone  marrow  between  WT  and  P2Y

12-­‐/-­‐

 mice  ...  54

 

3.4

 

Cooperative  function  of  P2Y

12

R  and  P2Y

13

R  in  osteoblast  differentiation  ...  54

 

4.  Identification  of  cellular  and  molecular  components  involved  in  the  pro-­‐osteogenic  

effect  of  the  P2Y

13

R  ...  56  

4.1.  Expression  of  P2Y13  messenger  in  human  derived-­‐  MSC  ...  56

 

4.2.  Purification  of  CD45

+

 and  CD45

-­‐

 cell  populations  ...  56

 

4.3.

 

Expression  of  P2Y

13

 messenger  in  CD45

+

 and  CD45

-­‐

 populations  ...  58

 

4.4.

 

Expression  of  CD39L1  and  Pannexin  1  in  CD45

+

 and  CD45

-­‐

 populations  ...  58

 

4.5.

 

ATP  release  in    CD45

+

 and  CD45

-­‐

 populations  ...  58

 

4.6.

 

Role  of  the  P2Y

13

R  in  the  control  of  BMP2,  FGF2  and  Wnt10b  ...  60

 

4.7.

 

Expression  of  BMP2  in  CD45  population  ...  60

 

4.8.

 

P2Y

13

 signaling  pathway  ...  60

 

4.9.

 

Effect  of  a  neutralizing  antibody  against  BMP2  ...  61

 

IV.  DISCUSSION  ...  62

 

1.  Effect  of  ADPβS  on  osteogenic  differentiation  ...  62  

2.  Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  osteogenic  differentiation  ...  63  

3.  Effect  of  osteogenic  stimulation  on  ATP  release  ...  63  

4.  Effect  of  P2Y

13

 deletion  on  adipogenic  differentiation  ...  65  

5.  Comparison  of  in  vitro  observations  and  P2Y

13

 bone  phenotype  ...  66  

6.  Role  of  P2Y

12

R  in  BMSCs  differentiation  ...  67  

7.  The  P2Y

13

R  effect  on  MSCs  differentiation  is  indirect.  ...  68  

8.  Crosstalk  between  bone  marrow  myeloid  cells  and  MSCs  ...  69  

V.  CONCLUSION  AND  PROSPECTS  ...  70  

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