Origin, characterization and roles of matrix vesicles in physiological and pathological mineralization. Cyril Thouverey To cite this version: Cyril Thouverey. Origin, characterization and roles of matrix vesicles in physiological and pathological mineralization.. Life Sciences [q-bio]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2008. English. tel- 00304214 HAL Id: tel-00304214 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00304214 Submitted on 22 Jul 2008 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. N° d’ordre: 95-2008 Année 2008 THESE Présentée devant Nencki Institute of Experimental Biology, Polish Academy of Sciences Université Claude Bernard Lyon 1, Pour l’obtention Du DIPLOME DE DOCTORAT (Arrêté du 7 août 2006 et arrêté du 6 janvier 2005) Présentée et soutenue publiquement le 20 juin 2008 Par Cyril Thouverey Origin, characterization and roles of matrix vesicles in physiological and pathological mineralization Directeurs de thèse: Pr René Buchet et Pr Sławomir Pikuła JURY: Mme Françoise Bleicher Mme Joanna Bandorowicz-Pikuła Mme Martime Cohen-Solal Mr René Buchet Mr Sławomir Pikuła Mr Aleksander Sikorski UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I Président de l’Université M. le Professeur L. COLLET Vice-Président du Conseil Scientifique M. le Professeur J.F. MORNEX Vice-Président du Conseil d’Administration M. le Professeur J. LIETO Vice-Président du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire M. le Professeur D. SIMON Secrétaire Général M. G. GAY SECTEUR SANTE Composantes UFR de Médecine Lyon R.T.H. Laënnec Directeur : M. le Professeur P. COCHAT UFR de Médecine Lyon Grange-Blanche Directeur : M. le Professeur X. MARTIN UFR de Médecine Lyon-Nord Directeur : M. le Professeur J. ETIENNE UFR de Médecine Lyon-Sud Directeur : M. le Professeur F.N. GILLY UFR d’Odontologie Directeur : M. O. ROBIN Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques Directeur : M. le Professeur F. LOCHER Institut Techniques de Réadaptation Directeur : M. le Professeur MATILLON Département de Formation et Centre de Recherche en Biologie Directeur : M. le Professeur P. FARGE Humaine SECTEUR SCIENCES Composantes UFR de Physique Directeur : Mme. le Professeur S. FLECK UFR de Biologie Directeur : M. le Professeur H. PINON UFR de Mécanique Directeur : M. le Professeur H. BEN HADID UFR de Génie Electrique et des Procédés Directeur : M. le Professeur G. CLERC UFR Sciences de la Terre Directeur : M. le Professeur P. HANTZPERGUE UFR de Mathématiques Directeur : M. le Professeur M. CHAMARIE UFR d’Informatique Directeur : M. le Professeur S. AKKOUCHE UFR de Chimie Biochimie Directeur : Mme. le Professeur H. PARROT UFR STAPS Directeur : M. C. COLLIGNON Observatoire de Lyon Directeur : M. le Professeur R. BACON Institut des Sciences et des Techniques de l’Ingénieur de Lyon Directeur : M. le Professeur J. LIETO IUT A Directeur : M. le Professeur M. C. COULET IUT B Directeur : M. le Professeur R. LAMARTINE Institut de Science Financière et d'Assurances Directeur : M. le Professeur J.C. AUGROS 2 NENCKI INSTITUTE OF EXPERIMENTAL BIOLOGY Polish Academy of Sciences Board of Directors Director Jerzy Duszy ński Deputy Director for Scientific Research Urszula Sławi ńska Deputy Director for Scientific Research Hanna Fabczak Deputy Director for Scientific Research Adam Szewczyk Administrative Director Anna Jachner-Mi śkiewicz Scientific Departments and Laboratories Department of Cell Biology Katarzyna Kwiatkowska Laboratory of Cell Membrane Physiology El Ŝbieta Wyroba Laboratory of Transcription Regulations Bo Ŝena Kami ńska-Kaczmarek Laboratory of Physiology of Cell Movements Stanisław Fabczak Laboratory of Plasma Membrane Receptors Andrzej Sobota Laboratory of Regeneration and Morphogenesis of Protozoa Maria Jerka-Dziadosz Department of Biochemistry Sławomir Pikuła Laboratory of Biochemistry of Lipids Sławomir Pikuła Laboratory of Bioenergetics and Biomembranes Jerzy Duszy ński Laboratory of Cell Signaling and Metabolic Disorders Agnieszka Dobrzy ń Laboratory of Cellular Metabolism Krzysztof Zabłocki Laboratory of Comparative Enzymology Wojciech Rode Laboratory of Intracellular Ion Channels Adam Szewczyk Laboratory of Molecular Basis of Cell Motilty Maria Jolanta R ędowicz Laboratory of Motor Proteins Andrzej A. Kasprzak Laboratory of Molecular Bases of Aging Ewa Sikora Department of Molecular and Cellular Neurobiology Jolanta Skangiel-Kramska Laboratory of Bioinformatics and Systems Biology Krzysztof Pawłowski Laboratory of Calcium Binding Proteins Anna Filipek Laboratory of Epileptogenesis Katarzyna Łukasiuk Laboratory for Mechanisms of Transport Through Biomembranes Katarzyna A. Nał ęcz Laboratory of Molecular Basis of Brain Plasticity Jolanta Skangiel-Kramska Laboratory of Molecular Neurobiology Leszek Kaczmarek Laboratory of Neurobiology of Development and Evolution Krzysztof Turlejski Laboratory of Neuroplasticity Magorzata Kossut Department of Neurophysiology Andrzej Wróbel Laboratory of Defensive Conditioned Reflexes Tomasz Werka Laboratory of Ethology Ewa Joanna Godzi ńska Laboratory of Limbic System Stefan Kasicki Laboratory of Molecular and Systemic Neuromorphology Grzegorz Wilczy ński Interinstitute Laboratory of Neuromuscular Plasticity Urszula Sławi ńska Laboratory of Neuropsychology El Ŝbieta Szel ąg Laboratory of Psychophysiology Anna Grabowska Laboratory of Reinnervation Processes Julita Czarkowska-Bauch Laboratory of Visual System Andrzej Wróbel Laboratory of Preclinical Studies in Neurodegenerative Diseases Gra Ŝyna Niewiadomska Supporting Units The Animal House Anna Passini Laboratory of Confocal Microscopy Wanda Kłopocka Laboratory of Electron Microscopy El Ŝbieta Wyroba Information Technology Unit Mirosław Sikora 3 Acknowledgements This thesis was prepared under the co-supervision of Professors René BUCHET and Slawomir PIKULA. I would like to thank them for their guidance, encouragement, and enthusiasm. I wish to thank following people for their suggestions, discussions, teaching and technical help: Laboratory of Biochemistry of Lipids (Warsaw): Laboratory ODMB (Lyon): Joanna BANDOROWICZ-PIKULA Anne BRIOLAY Agnieszka STRZELECKA-KILISZEK Françoise BESSON Aleksandra DABROWSKA Geraldine BECHKOFF Aneta KIRILENKO Jacqueline RADISSON Karolina Maria GORECKA Jamel BOUZENZANA Magdalena Malgorzata HAMCZYK Laurence BESUEILLE Marcin BALCERZAK Le ZHANG Michalina KOSIOREK Lina LI Paulina PODSZYWALOW-BARTNICKA Mélanie DELOMENEDE Anna SEKRECKA Michèle BOSCH Małgorzata Eliza SZTOLSZTENER Nicolas SINDT Tanuja TALUKDAR Noëlle CALAS Pierre BROQUET Laboratory of Confocal Microscopy (Warsaw): Saida MEBAREK-ASSAM Artur WOLNY Véronique ROCHE Jarosław KORCZYNSKI Wanda KLOPOCKA University Lyon 1: Françoise BLEICHER Institute of Biochemistry and Biophysics (Warsaw): John CAREW Agata MALINOWSKA Michal DADLEZ Many thanks to the Members of the Jury: Françoise BLEICHER, Joanna BANDOROWICZ-PIKULA, Martine COHEN-SOLAL, René BUCHET, Slawomir PIKULA and Aleksander SIKORSKI. To my parents, Marie-Do and François, My sister, Adeline, My brother, Gillian, My family, my friends, To my girlfriend, Karelle, and her son, Clément 4 CONTENTS CHAPTER I: Introduction --------------------------------------------------------------------------------------- 9 1. Bone----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 2. Cartilage------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 3. Mineralization------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 4. Mineralization-competent cells---------------------------------------------------------------------------- 11 5. Matrix vesicles----------------------------------------------------------------------------------------------- 11 6. Matrix vesicle biogenesis----------------------------------------------------------------------------------- 12 7. Structure and functions of matrix vesicles--------------------------------------------------------------- 13 8. Extracellular ATP------------------------------------------------------------------------------------------- 14 9. Regulation of osteoblast functions by extracellular ATP---------------------------------------------- 15 10. Regulation of osteoclast functions by extracellular ATP--------------------------------------------- 16 11. Regulation of chondrocyte functions by extracellular ATP------------------------------------------17 12. ATP as a prerequisite of mineral formation by matrix vesicles-------------------------------------- 19 13. Pathological calcification in osteoarthritis-------------------------------------------------------------- 20 CHAPTER II: AIMS --------------------------------------------------------------------------------------------- 22 CHAPTER III: METHODS AND RESULTS --------------------------------------------------------------- 25 Part 1: Regulatory effect of PP i on mineralization--------------------------------------------------------- 26 Part 2: Origin of matrix vesicles------------------------------------------------------------------------------