Régulation de la O-glycosylation par les ions Ca et Mn : leçons issues de l’étude de TMEM165-CDG et SLC10A7-CDG

O-glycosylation Regulation by Ca and Mn ions : lessons from TMEM165- and SLC10A7-CDG Study

• Auteur / Autrice : Zoé Durin
• Direction : François Foulquier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Legrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Cormier-Daire, Eva Morava-Kozicz, Arnaud Bruneel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dirk Lefeber, Celso Albuquerque Reis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glycoconjugués

Réticulum endoplasmique

Galactose

Calcium

Métabolisme -- Régulation

Manganèse

Canaux ioniques

Appareil de Golgi

Thérapeutique

Syndrome CDG

Glycosylation

Mots clés libres

Homéostasie golgienne

Homéostasie ionique

Golgi

Glycosylation

Cdg

Calcium

Manganese

Tmem165

Résumé

La glycosylation est un processus cellulaire complexe, conservé au cours de l'évolution. Elle consiste en l'addition de monosaccharides sur des molécules accepteurs, lipides ou des protéines, produisant différentes structures glycaniques tout au long de la voie de sécrétion. La glycosylation représente donc une modification post-traductionnelle majeure, essentielle pour les propriétés physiques et biochimiques des glycoconjugués. Une mutation génétique dans l'un des nombreux acteurs de la glycosylation peut conduire à une altération de celle-ci, ce qui crée alors une maladie génétique appelée « défaut congénital de glycosylation » (Congenital Disorder of Glycosylation CDG). Identifié dans les années 80, plus de 170 cas sont maintenant rassemblé sous l'appellation CDG, qui représente une famille grandissante de maladie génétiques rares et complexes, avec malheureusement très peu d'options thérapeutiques à destination des patients. Les mutations étaient initialement identifiées dans des gènes codant des protéines directement impliquées dans les réactions de glycosylation. Cependant, depuis le début des années 2000, l'identification de de gènes responsables de CDG codant pour des acteurs de l'homéostasie golgienne a ouvert un nouveau champ d'investigation. L'émergence du pH golgien, du trafic vésiculaire and de l'homéostasie ionique comme facteurs cruciaux de la glycosylation ajoute une souche de complexité dans la compréhension de la régulation de la glycosylation et des mécanismes pathologiques des CDG.Mon travail de thèse s'est concentré sur la compréhension de l'impact des homéostasies du Ca2+ et du Mn2+ sur la glycosylation, au travers de l'étude des déficiences en TMEM165 et SLC10A7.Des mutations dans TMEM165 conduisent à un cas de CDG rare, identifié en 2012. Quatre types de glycosylation sont impactées de ce CDG : la biosynthèse des GAGs et des glycolipides, ainsi que la N- et O-glycosylation, résultant d'une hypogalactosylation. Le D-Galactose est donc utilisé comme traitement des patients. Le travail réalisé dans notre équipe a démontré que le sévère défaut de N-glycosylation observé dans les cellules KO TMEM165 pouvait être supprimé par un traitement au Mn2+, suggérant un rôle de TMEM165 dans l'import de Mn2+ golgien.Pendant ma thèse, nous avons mis en évidence un important défaut de O-glycosylation dans les cellules KO TMEM165, qui lui était insensible au D-Galactose mais complètement restauré par le Mn2+. Ce résultat nous a amené à considérer le Mn2+ comme la meilleure option thérapeutique pour les patients TMEM165-CDG. Parallèlement, un nouveau patient déficient en TMEM165 a été diagnostiqué, puis pour la première fois, une thérapie reposant sur le Mn2+ a été initiée dans un cas de TMEM165-CDG. Le traitement avec des concentrations croissantes de Mn2+ et de D-Galactose par voie orale, pendant un an menant à une normalisation complète de la glycosylation.SLC10A7-CDG, identifié en 2018 est causé par des mutations de SLC10A7, qui appartient à une famille de transporteur de sodium/acide biliaire, mais ne montre aucune activité de transport pour ces substrats. Alors que sa fonction biologique a été très récemment montrée comme liée à l'homéostasie intracellulaire du Ca2+, beaucoup de mystère gravite encore autour de son rôle précis, de sa localisation et de son activité de transport, si elle existe. Durant mon travail de thèse, nous avons démontré qu'SLC10A7 est impliqué dans la régulation golgienne du Ca2+, agissant comme un régulateur négatif du Ca2+ intracellulaire. Nous avons mis en évidence d'important défauts de O-glycosylation dans les cellules KO SLC10A7 et dans les fibroblastes de patients, qui sont très probablement causés par la détérioration de l'homéostasie calcique golgienne. Le travail présenté ici vise à caractériser TMEM165 et SLC10A7-CDG, plus particulièrement du point de vue de leur défaut de O-glycosylation, et donne des réponses à propos de l'implication cruciale des ions dans la glycosylation.

Glycosylation is a complex cellular process, found in every living organism and well conserved throughout evolution. It consists of the addition of mono-saccharides onto acceptor molecules, mostly lipids and proteins producing different glycan structures along the secretory pathway. Hence, glycosylation represents a major post-translational modification essential for the physical and biochemical properties of glycoconjugates. Mutations in genes encoding one of the numerous glycosylation actors are responsible for congenital disorders glycosylation (CDG). First identified in the 1980s, more than 170 diseases are now classified as CDGs, making them a growing family of rare and complex genetic disorders. Their complexity is unfortunately correlated with the rareness of therapeutic options for patients.Primarily, CDG encompassed defects in genes encoding proteins directly involved glycosylation reactions. Since the early 2000s, however, the identification of CDG causative genes encoding for proteins involved in Golgi homeostasis opened up a new field for investigation. The emergences of vesicular trafficking Golgi pH homeostasis, and ion homeostasis as crucial factors for glycosylation added a layer of complexity in glycosylation regulation understanding and pathological mechanisms in CDG.My doctoral research focused on unraveling the impact of both Golgi Ca2+ and Mn2+ homeostasis on glycosylation by studying TMEM165 and SLC10A7 deficiencies.Mutations in TMEM165 result in the rare glycosylation disorder TMEM165-CDG identified in 2012. Four glycosylation subtypes are found deficient in this disease: glycolipids and GAG biosynthesis, as well as N- and O-glycosylation. Since it results from an hypogalactosylation, D-Galactose is used as a treatment from TMEM165-CDG patient. Substantial work performed in our team demonstrated that the severe N-glycosylation defect observed in TMEM165 KO cells was suppressed by Mn2+ treatment suggesting that TMEM165 acts as a Golgi Mn2+ importer.During the course of my research, we revealed a strong O-glycosylation defect in TMEM165 KO cells unsensitive to the D-Galactose treatment while being completely suppressed by the Mn2+ treatment. This result led us to consider Mn2+ as the best treatment option for TMEM165-CDG patient. During this work, a novel TMEM165 deficient CDG patient was diagnosed and fully characterized. This patient received oral manganese supplementation and D-Galactose for one year in increasing doses. Within that time, we observed a complete normalization of her glycosylation markers. This is the first time that a Mn2+ based therapy was undertaken in TMEM165 deficiency.SLC10A7-CDG, identified in 2018 is caused by mutation in SLC10A7. This protein belongs to a family of bile acids/Na2+ transporters, while it does not actually exhibit transport activity for either substrate. While SLC10A7 biological function has been very recently linked to cellular Ca2+ homeostasis, a lot mystery still gravitates around its role, localization, transport activities, if some. We demonstrated that SLC10A7 is involved in Golgi Ca2+ homeostasis regulation, acting as a negative regulator of intracellular Ca2+. We highlighted major O-glycosylation defects in both SLC10A7 KO cells and SLC10A7-CDG patient fibroblasts likely due to Golgi Ca2+ homeostasis impairments. The work presented in this thesis characterizes both, SLC10A7-CDG and TMEM165-CDG, and especially their associated O-glycosylation defects and provides answers to year-old questions on the involvement of metal ions in glycosylation.