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
