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

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