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Interaction entre chimiokines et glycosaminoglycanes

C. Les chimiokines et leurs récepteurs

IV. Interaction entre chimiokines et glycosaminoglycanes

Les glycosaminoglycanes (GAGs) sont des hétéropolysaccharides linéaires non ramifiés. Tous les GAGs exceptés les Kératanes Sulfates (KS), sont constitués de répétition d’unités de disaccharides composés d'acide uronique et d'hexosamine reliés par une liaison glycosidique. L’acide uronique peut être soit β-D-glucuronique soit α-L-iduronique. L’hexosamine est soit à base de glucose (α-D- ou β-D-glucosamine), soit de galactose (N-acétyl-β-D-galactosamine). En se basant sur la structure de l’unité disaccharidique (nature du sucre et le type de la liaison glycosidique), les GAGs sont divisés en différentes familles : Chondroïtines Sulfates (CS), Dermatanes Sulfates (DS), Héparine/Héparanes Sulfates (Hp/HS), les KS et l’acide hyaluronique (HA) (Figure 29). (Lindahl et al., 2015)

Les GAGs peuvent être localisés dans la MEC ou insérés dans la membrane plasmique, associés à une protéine pour former un protéoglycane (PG). La formation des PGs commence par la synthèse de la protéine centrale au sein du réticulum endoplasmique. Parallèlement, les GAGs sont synthétisés dans différents compartiments de l’appareil de Golgi et capables de se lier de façon covalente à des sites « Sérine-Glycine » de la protéine centrale du protéoglycane PG.

Ceci par le biais d’une liaison O-glycosidique entre le xylose le saccharide initial de

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Figure 29. Représen tati on schémati que de la s tructure des G AGs et leur associa tion à la protéine centr ale du pr otéoglycane.

Figure 29. Représentation schématique de la structure des GAGs et leur association à la protéine centrale du protéoglycane. Les GAGs sont divisés en différentes familles : héparine, héparanes sulfates, chondroïtines sulfates, dermatanes sulfate et l’acide hyaluronique. Les GAGs sont formés d’une répétition d’un disaccharide définissant le type de GAGs : Acide glucuronique ou iduronique et glucosamine pour les héparanes, acide glucuronique ou iduronique et galactosamine pour les dermatanes et acide glucuronique et galactosamine pour les chondroïtines. Les GAGs sont fixés par O-glycosylation par un motif xylose-galactose-galactose-acide glucuronique sur la sérine de la protéine centrale du protéoglycane. Les GAGs sont sulfatés à différentes positions, 2-O pour l’acide iduronique, 4-O et 6-O pour le galactosamine ou 3-O et 6-O pour le glucosamine. (Imberty et al., 2007) Protein core : proteine centrae du protéoglycane, Ser : résidu sérine.

Les chaînes GAGs subissent plusieurs modifications principalement la sulfatation. Tous les GAGs sont sulfatés à l’exception de l’acide hyaluronique. La sulfatation des GAGs peut se faire sur plusieurs sites. Ce processus permet de moduler plusieurs signaux extracellulaires. La sulfatation est variable d’un polysaccharide à un autre. De ce fait, le schéma de sulfatation des

GAGs est appelé « code de sulfatation » : 2-O sulfatation pour l’acide iduronique, 4-O et 6-O

sulfatation pour les galactosamines ou 3-O et 6-O sulfatation pour le glucoasmine. L’héparine et l’héparane sulfate sont les GAGs les plus sulfatés. La sulfatation et la carboxylation sont importantes pour l’acquisition de la charge négative nécessaire à l’interaction électrostatique avec les ligands possédant des résidus basiques appelés « Heparin Binding Proteins ». (Esko et

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2. Interactions des GAGs

Parmi les familles des GAGs sulfatés, la famille Hp/ HS est la plus étudiée. Cette famille peut interagir avec les « Heparin Binding Proteins ». Ces dernières peuvent être des protéines de la MEC telles que la fibronectine des facteurs de croissance par exemple le fibroblast growth

factor (FGF)-2 ou des chimiokines telles que RANTES/CCL5 ou SDF1/CXCL12. Ces

différentes interactions confèrent aux GAGs un rôle dans la régulation d’un large éventail de fonctions biologiques. (Gandhi and Mancera, 2008)

L’interaction électrostatique entre les groupes carboxyles et sulfates des GAGs chargés négativement et les résidus d’acides aminés chargés positivement telles que les acides aminés lysine et arginine des protéines, sont les principaux contributeurs à l’interaction GAGs- chimiokines. À l'exception de MIP-1α/CCL3 et MIP-1β/CCL4, qui sont acides, les chimiokines sont des protéines hautement basiques. Elles ont tendance à avoir une forte affinité pour HS et l'héparine par rapport aux autres GAGs qui sont faiblement sulfatés. Dans plusieurs chimiokines, les motifs de liaison aux GAGs sont définis par des motifs de séquence caractéristiques "BBXB" où B est un élément basique et X est un acide aminé quelconque.

(Gandhi and Mancera, 2008; Pomin and Mulloy, 2018)

3. Conséquences fonctionnelles des interactions GAGs-chimiokines

Les GAGs ont pour rôle de protéger la protéine qui y est associée contre la protéolyse et de contribuer à l’oligomérisation de leurs ligands. (Proudfoot et al., 2017)

Les GAGs de la surface cellulaire localisent et/ou immobilisent les chimiokines facilitant leur liaison au récepteur classique RCPG, favorisant ainsi en aval la transduction de signal.

(Proudfoot et al., 2017)

Les GAGs sulfatés en tant que composants de la MEC ou d’un PG transmembranaire peuvent agir comme des co-récepteurs régulant la fonction du ligand et notamment les chimiokines via différents mécanismes. (Proudfoot et al., 2017)

3.1. Protection de la protéolyse et stabilité de la fonction des chimiokines

Dans le cadre de la régulation de la réponse inflammatoire, les chimiokines peuvent subir un phénomène de protéolyse. Ce processus peut avoir lieu au niveau de la partie N-terminale, C- terminale ou au centre de la chimiokine. Le clivage protéolytique peut soit inactiver la chimiokine comme c’est le cas pour SDF-1/CXCL12, intensifier ou réduire son activité comme

86 c’est le cas pour CXCL8 et CCL7 respectivement. La protéolyse permet également de modifier la chimiokine en sa forme soluble comme cela a été décrit pour CCL21, dont la forme soluble générée après protéolyse est dépourvue d’activité. (Proudfoot et al., 2017)

Les GAGs sont un facteur de protection contre cette protéolyse. Cette protection peut être due au blocage stérique du site actif de protéase par la chimiokine associée aux GAGs dans certains cas et/ou à l’oligomérisation stable de chimiokines. Ainsi, il a été montré que les GAGs protègent CXCL9, CXCL10 et CXCL11 contre le traitement protéolytique par CD26 (dipeptidylpeptidase IV). En effet, la chimiokine CXCL11 lié aux GAGs est protégée contre CD26 à cause de l’encombrement stérique des GAGs au niveau du domaine N-terminal de la chimiokine. En revanche dans le cas de CXCL12, il a été démontré que la protection du domaine N-terminal de la chimiokine vis-à-vis de CD26 dépend de l’oligomérisation de la chimiokine induite par les GAG. (Metzemaekers et al., 2018)

3.2. Oligomérisation

De nombreuses études in vitro ont montré que les chimiokines s’oligomérisent sur les chaînes GAGs et que cette interaction stabilise leur structure notamment dans le cas des oligomères d’ordre supérieur comme RANTES/CCL5 mais permet également la stabilisation d’hétérodimère comme le cas des chimiokines CCL8 et CCL11 qui sont incapables de s’hétéro- oligomériser en absence des GAGs. (Crown et al., 2006; Stone et al., 2017)

L’affinité d’interaction des oligomères de chimiokines avec les GAGs peut définir la nature du gradient de concentration de chimiokine ainsi que sa durée de persistance. (Ellyard et al., 2007;

Majumdar et al., 2014; Proudfoot et al., 2017)

3.3. Immobilisation et présentation des chimiokines au récepteur

La notion d’un gradient de chimiokines immobilisées (gradient de phase solide) sur les cellules endothéliales et la MEC est de plus en plus soutenue. L’idée de ce mécanisme haptotactique a surgi après l’identification des HS comme composant des cellules endothéliales et de la MEC

qui pourraient favoriser la création d’un gradient de chimiokines immobilisées. En effet, il a été

montré que la migration directionnelle des neutrophiles dépend de l’immobilisation de l’IL-

8/CXCL8 sur les HS. De même il a été montré dans un modèle ex vivo qu’un gradient de

RANTES/CCL5 immobilisé sur les GAGs induit le recrutement des leucocytes. (Majumdar et

87 L’immobilisation des chimiokines à la surface des cellules endothéliales par les GAGs maintient un gradient de concentration de chimiokines près du site d’expression et notamment au niveau des sites inflammatoires ce qui favorise une migration directionnelle des leucocytes et facilite la présentation de ces chimiokines à leurs récepteurs.

3.4. Régulation de la réponse fonctionnelle du récepteur de chimiokine

Des études portant sur la liaison et l’activation des récepteurs de chimiokines ont rapporté que l’ajout des GAGs exogènes circulants inhibe la fonction des chimiokines y compris celle de RANTES/CCL5. Cet effet a été expliqué par des études de structure et de cristallographie qui montrent que les séquences d’interactions chimiokines-récepteur et chimiokine-GAGs se chevauchent. (Kufareva et al., 2017 ; Proudfoot et al., 2003 ; Shaw et al., 2004)

Les GAGs et les RCPGs peuvent donc travailler en synergie comme dans le cas du recrutement des leucocytes mais peuvent également avoir un effet opposé. Au cours de nombreuses

situations pathologiques et notamment dans l’inflammation, les GAGs des protéoglycanes

membranaires subissent un processus de clivage protéolytique (shedding) ce qui permet de les

libérer sous leur forme soluble. L’ectodomaine des protéoglycannes ainsi relargué pourrait

inhiber l’interaction chimiokine-RCPGs par effet compétitif. Cela pourrait atténuer voire inhiber l’inflammation. (Proudfoot et al., 2017 ; Sarrazin et al., 2011) C’est une des raisons pour lesquelles les GAGs représentent une cible thérapeutique prometteuse.

Les protéoglycanes membranaires à chaîne HS à leur tour peuvent remplir la fonction d’un co- récepteur fonctionnel notamment le syndécane-4 après liaison du FGF-2 à ce protéoglycanne.

(Murakami et al., 2002)