Approche biomimétique pour déchiffrer les mécanismes de régulation de l'activité de la protéine-2 morphogénétique osseuse (BMP2) par les glycosaminoglycanes

Biomimetic approach to decipher the mechanisms by which glycosaminoglycans regulate bone morphogenetic protein 2 (BMP2) signaling

• Auteur / Autrice : Jean Le Pennec
• Direction : Romain Vivès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire biologie et biotechnologie pour la santé (Grenoble, Isère, France ; 2021-....) - Institut de biologie structurale (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Franz Brückert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Douglas Dyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Compagnon, Toril Holien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bionique

Polysaccharides

Glycosaminoglycanes

Mots clés libres

Glycosaminoglycanes

Bmp

Biomimétisme

Interactions

Signalisation

Glycosaminoglycans

Bmp

Biomimetism

Interactions

Signaling

Résumé

Les glycosaminoglycanes (GAG) sont impliqués dans diverses fonctions biologiques, régulant l'homéostasie des tissus et la différenciation cellulaire dans le corps humain. Ces chaines polysaccharidiques interagissent avec de nombreuses protéines qui modulent le comportement cellulaire, tels que les facteurs de croissance, les chimiokines, les cytokines, et les morphogènes. Les interactions GAGs-protéines reposent principalement sur des groupes sulfates chargés négativement, répartis le long de la chaîne polysaccharidique et se liant aux régions chargées positivement des protéines. Par ces interactions, les GAGs régulent la bioactivité et la localisation des protéines, modulant ainsi les réponses cellulaires induites par ces dernières. Parmi les GAGs, l'héparane sulfate (HS) joue un rôle crucial dans la régulation de la bioactivité des protéines morphogénétiques osseuses (BMPs), telles que BMP2, impliquées dans le développement osseux. La déficience d’enzymes de polymérisation de l'HS a notamment été reliée à une signalisation élevée des BMPs et à une maladie génétique caractérisée par la formation d'ostéochondromes. Cependant, le rôle d'autres GAGs dans la régulation de la signalisation des BMPs demeure énigmatique.Cette thèse cherche à élucider le rôle de différents GAGs dans la signalisation de la BMP2, dont les chondroïtines sulfate (CS), les dermatanes sulfate (DS), les acides hyaluroniques (HA), et les HS. Pour cela, nous avons mené des études d'interactions moléculaires et des études cellulaires, pour comprendre de façon globale les interactions entre les GAG et la BMP2, et leur rôle dans la signalisation cellulaire. Les affinités de liaison et les propriétés cinétiques de ces interactions moléculaires ont été étudiées via une technique d’interférométrie optique (BLI). Les résultats ont révélé une affinité plus élevée de la BMP2 pour les HS que pour les autres GAGs, et des variations d’affinité entre différents types de CS. Parallèlement, l'effet des interactions entre les GAG et la BMP2 sur la réponse cellulaire a été exploré grâce à des biomatériaux appelés plateformes biomimétiques de streptavidine. Des développements méthodologiques ont permis la construction de ces plateformes sur des substrats en verre et l'automatisation de leur fonctionnalisation dans des plaques 96 puits. Utilisant ces plateformes, nous avons étudié le rôle de différents GAGs sur la signalisation BMP, mais aussi le rôle de leur localisation (surface cellulaire ou extracellulaire), un aspect peu exploré jusqu’à présent. Nos résultats ont mis en évidence un rôle distinct des GAGs de surface cellulaire et extracellulaires, ainsi que des rôles distincts des HS et des CS. Plus précisément, les HS de la surface cellulaire semblent inhiber la signalisation de la BMP2 alors que les CS de la surface cellulaire la favorisent. D'autre part, les HS extracellulaires favorisent la signalisation, tandis que les CS n'ont pas d'effet détectable.Les motifs de sulfatation des GAG constituent un facteurs clé qui régule la liaison et la bioactivité de certaines protéines. Nous avons cherché à savoir si, de la même manière, l'interaction de la BMP2 avec les HS dépend de motifs de sulfatation spécifiques. Pour cela, nous avons préparé une librairie d’oligosaccharides d’HS et nous avons étudié les interactions moléculaires de ces composés avec la BMP2 par la technique BLI. Nos résultats ont révélé le rôle d’un motif disaccharidique trisulfaté d’HS (IdoA(2S)-GlcNS(6S)) qui semble promouvoir une affinité importante avec la BMP2. Cette séquence n'était cependant pas unique à promouvoir des interactions de haute affinité et nos données suggèrent que la BMP2 présente une certaine plasticité structurelle qui lui permet de se lier à divers motifs de sulfatation des HS. Les conclusions de cette thèse fournissent des éléments essentiels à la compréhension des interactions complexes entre les GAG et les facteurs de croissance.

Glycosaminoglycans (GAGs) are involved in various biological functions, regulating tissue homeostasis and cellular differentiation in the human body. These long polysaccharide chains interact with a wide range of proteins that modulate the cellular behavior, including growth factors, chemokines, cytokines and morphogens. The interactions of GAGs with proteins mainly rely on negatively charged sulfate groups distributed along the polysaccharide chain, which bind to positively charged regions of proteins. Through these sulfation-dependent interactions, GAGs regulate the bioactivity and spatial distribution of proteins, thereby modulating their induced cellular responses. Among GAGs, heparan sulfate (HS) was reported to have a crucial role in regulating the bioactivity of bone morphogenetic proteins (BMPs), and in particular BMP2. As suggested by their name, BMPs are involved in the regulation of bone development. Interestingly, the deficiency of HS polymerization enzymes has been associated to an elevated BMP signaling and to a human disorder characterized by the formation of osteochondroma. In contrast to HS, the role of other GAGs in the regulation of BMP signaling has not been determined.In this PhD thesis, we aimed at deciphering the role of the different GAGs in BMP signaling, including HS, chondroitin sulfate (CS), dermatan sulfate (DS), and hyaluronic acid (HA). To this end, we conducted molecular interaction studies and cellular studies, aiming to provide a comprehensive understanding of the interactions between GAGs and BMP2, and of their role in modulating the signaling. The binding affinities and kinetic properties of the GAG-BMP2 molecular interactions were investigated with biolayer interferometry (BLI). Our findings revealed a much stronger affinity of BMP2 for HS compared to the other GAGs, and differences could be observed between different types of CS. Alongside, we investigated the effect of the interactions between GAGs and BMP2 on the cellular response using previously developed biomaterials, called biomimetic streptavidin platforms. Methodological developments were achieved to allow a platform construction on glass substrates and the automation of the process permitting their functionalization in 96-well plates. Using these platforms, we explored the role of distinct GAGs on BMP signaling, but also of their localization (cell surface or extracellular), an aspect which has not been fully understood. Our results highlighted a distinct role of cell surface and extracellular GAGs, and distinct roles of HS and CS. Specifically, cell surface HS appeared to inhibit BMP2 signaling while cell surface CS promoted it. On the other hand, extracellular HS promoted the signaling, while CS had no observable effect.The sulfation patterns of GAGs is key factor regulating the binding and bioactivity of proteins. In the literature, the extensively studied interactions of HS with antithrombin III and FGF1 are striking examples of how specific sulfation motifs and sequences are crucial for the bioactivity of proteins. We aimed to explore whether in a similar way the interaction of BMP2 with HS is dependent to specific sulfation motifs. To address this, we prepared a library of HS-oligosaccharides and we investigated the molecular interactions of the synthesized compounds with BMP2 using BLI technique. Our findings revealed a HS trisulfated disaccharide sequence (IdoA(2S)-GlcNS(6S)) that appeared to mediate high-affinity binding with BMP2. However, this sequence was not unique in mediating high-affinity binding and our data suggest that BMP2 exhibits some structural plasticity that allows its binding to various HS sulfation patterns. The multiple findings of this thesis constitute important bricks in the understanding of the complex interplay between GAGs and growth factors.