Untersuchung der Bindung des humanen Papillomvirus HPV16 an Heparansulfate der Zelloberfläche

In 99,7% aller Zervixkarzinome kann die DNA humaner Papillomviren (HPV) nachgewiesen werden, die somit den Hauptauslöser für eine der häufigsten Krebserkrankungen bei Frauen weltweit darstellen. HPV16 ist verantwortlich für etwa 50% aller Zervixkarzinome. Für die Infektion von Zellen mit HPV16 ist die Interaktion mit Heparansulfatproteoglykanen der Zelloberfläche essentiell. Um Aminosäuren auf der Oberfläche des majoren Kapsidproteins L1 von HPV16 zu identifizieren, die zu dieser Interaktion beitragen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zahlreiche Punktmutanten hergestellt und analysiert. Der Austausch der drei Lysine K278, K356 und K361 zu Alaninen führte zu signifikant verminderter Zell-, Heparin- und Heparansulfatbindung, die noch weiter reduziert wurde, wenn zwei oder drei der Lysine gleichzeitig mutiert waren. Auch die Infektiosität der mutanten Pseudovirionen war stark beeinträchtigt, die Trippelmutante zeigte nur noch 5% Infektiosität. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die drei Lysine gemeinsam die Bindestelle für Heparansulfate bilden. Ihr Austausch zu Argininen beeinflusste die Infektiosität der Partikel hingegen nicht, was bestätigt, dass die Interaktion mit Heparansulfaten von der positiven Ladungsdichte abhängt und nicht sequenzspezifisch ist. Die drei Lysine befinden sich auf der Spitze des HPV16-Kapsomers in einer flachen Tasche, die aufgrund ihrer Struktur bereits früher als potentielle Rezeptorbindestelle vorgeschlagen wurde. Fab-Fragmente des bindungsneutralisierenden Antikörpers H16.56E, dessen Epitop in direkter Nachbarschaft der Lysine liegt, inhibierten die heparansulfatvermittelte Zellbindung viraler Partikel. Auch Epitope anderer bindungsneutralisierender Antikörper befinden sich in der Nähe. Dies untermauert die Hypothese, dass die Lysine K278, K356 und K361 die Heparansulfatbindestelle von HPV16 bilden. Der Austausch von Threoninen, die genau zwischen den Lysinen liegen, hatte keine Auswirkung auf Bindung der Partikel und Infektiosität. Sie könnten jedoch durch die Bildung von Wasserstoffbrücken die Bindung an Heparansulfat stabilisieren. Die Bedeutung der Lysine K278, K356 und K361 bei der primären Interaktion von HPV16 mit Heparansulfaten konnte durch die Computersimulation der Interaktion der Virusoberfläche mit einem Heparinmolekül bestätigt werden. Des Weiteren konnten Anforderungen ermittelt werden, die eine solche Interaktion an das Heparinmolekül stellt. Weiterhin zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass basische Aminosäuren in der interkapsomeren Grube nicht an der primären Zellbindung an Heparansulfate beteiligt zu sein scheinen, aber eine Rolle bei sekundären Interaktionen mit der Zelloberfläche spielen könnten.

Assessment of endothelium and inflammatory response at the onset of reperfusion injury in hand surgery

Background Activation of the endothelium, complement activation and generation of cytokines are known events during ischemia-reperfusion (I/R) that mediate tissue injury. Our aim was to elucidate their respective participation at the onset of the reperfusion phase. Tourniquet application in hand surgery causes short-term ischemia, followed by reperfusion and was therefore used as the model in this study. Methods Ten patients were included in the study after obtaining informed consent. A tourniquet was placed on the upper arm and inflated to 250 mmHg for 116 ± 16 min, during which the surgery was performed. Venous blood and tissue samples from the surgical area were taken at baseline as well as 0, 2, and 10 min after reperfusion and analyzed for the following parameters: Endothelial integrity and/or activation were analyzed by measuring heparan sulfate and syndecan-1 in serum, and vWF, heparan sulfate proteoglycan as well as CD31on tissue. Complement activation was determined by C3a and C4d levels in plasma, levels of C1-inhibitor in serum, and IgG, IgM, C3b/c, and C4b/c deposition on tissue. Cytokines and growth factors IL-5, IL-6, IL-7, IL-8, IL-10, IL-17, G-CSF, GM-CSF, MCP-1, TNFα, VEGF, and PDGF bb were measured in the serum. Finally, CK-MM levels were determined in plasma as a measure for muscle necrosis. Results Markers for endothelial activation and/or integrity as well as complement activation showed no significant changes until 10 min reperfusion. Among the measured cytokines, IL-6, IL-7, IL-17, TNFα, GM-CSF, VEGF, and PDGF bb were significantly increased at 10 min reperfusion with respect to baseline. CK-MM showed a rise from baseline at the onset of reperfusion (p < 0.001) and dropped again at 2 min (p < 0.01) reperfusion, suggesting ischemic muscle damage. Conclusions In this clinical model of I/R injury no damage to the endothelium, antibody deposition or complement activation were observed during early reperfusion. However, an increase of pro-inflammatory cytokines and growth factors was shown, suggesting a contribution of these molecules in the early stages of I/R injury.

Aspekte der strukturellen Organisation der Basalmembran und der Mauscornea

Thin and ultrathin cryosections of mouse cornea were labeled with affinity-purified antibodies directed against either laminin, its central segments (domain 1), the end of its long arm (domain 3), the end of one of its short arms (domain 4), nidogen, or low density heparan sulfate proteoglycan. All basement membrane proteins are detected by indirect immunofluorescence exclusively in the epithelial basement membrane, in Descemet's membrane, and in small amorphous plaques located in the stroma. Immunoelectron microscopy using the protein A-gold technique demonstrated laminin domain 1 and nidogen in a narrow segment of the lamina densa at the junction to the lamina lucida within the epithelial basement membrane. Domain 3 shows three preferred locations at both the cellular and stromal boundaries of the epithelial basement membrane and in its center. Domain 4 is located predominantly in the lamina lucida and the adjacent half of the lamina densa. The low density heparan sulfate proteoglycan is found all across the basement membrane showing a similar uniform distribution as with antibodies against the whole laminin molecule. In Descemet's membrane an even distribution was found with all these antibodies. It is concluded that within the epithelial basement membrane the center of the laminin molecule is located near the lamina densa/lamina lucida junction and that its long arm favors three major orientations. One is close to the cell surface indicating binding to a cell receptor, while the other two are directed to internal matrix structures. The apparent codistribution of laminin domain 1 and nidogen agrees with biochemical evidence that nidogen binds to this domain.

Molecular architecture of basement membranes

Basement membranes are specialized extracellular matrices with support, sieving, and cell regulatory functions. The molecular architectures of these matrices are created through specific binding interactions between unique glycoprotein and proteoglycan protomers. Type IV collagen chains, using NH2-terminal, COOH-terminal, and lateral association, form a covalently stabilized polygonal framework. Laminin, a four-armed glycoprotein, self-assembles through terminal-domain interactions to form a second polymer network, Entactin/nidogen, a dumbbell-shaped sulfated glycoprotein, binds laminin near its center and interacts with type IV collagen, bridging the two. A large heparan sulfate proteoglycan, important for charge-dependent molecular sieving, is firmly anchored in the basement membrane and can bind itself through a core-protein interaction to form dimers and oligomers and bind laminin and type IV collagen through its glycosaminoglycan chains. Heterogeneity of structure and function occur in different tissues, in development, and in response to different physiological needs. The molecular architecture of these matrices may be regulated during or after primary assembly through variations in compositions, isoform substitutions, and the modifying influence of exogenous macromolecules such as heparin and heparan sulfate.

A study of the biology of perlecan

Extracellular matrix (ECM) is a component of a variety of organisms that provides both structural support and influence upon the cells it surrounds. The importance of the ECM is becoming more apparent as matrix defects are linked to human disease. In this study, the large, extracellular matrix heparan sulfate proteoglycan, perlecan (Pln) is examined in two systems. First, the role of Pln in the interaction between a blastocyst and uterine epithelial cells is investigated. In mice, blastocyst attachment and implantation occurs at approximately d 4.5 post coitus. In addition, a delayed implantation model has been used to distinguish between the response of the blastocyst to that of hatching and of becoming attachment competent. ^ The second series of experiments described in this study focuses on the process of chondrogenesis in mice. Pln, commonly expressed with other basement membrane (BM) proteins, was found to be expressed in cartilaginous tissue without other BM proteins. This unusual expression pattern led to further study and the development of an in vitro chondrogenesis assay using the mouse embryonic fibroblast cell line, C3H/10T1/2. When cultured on Pln in vitro, these cells form aggregates and express the cartilage proteins, collagen type II and aggrecan. In examining the participation of the heparan sulfate (HS) chains in this process, the proteoglycan was enzymatically digested to remove the HS chains before the initiation of 10T1/2 cell culture. After digestion, the ability of Pln to stimulate aggregate formation was greatly diminished. Thus, the HS chains participate in the cell induction process. To determine which domain of Pln might be responsible for this activity, recombinant fragments of Pin were used in the cell culture assay. Of all recombinant protein fragments tested, only the domain including the HS chains, domain 1, was able to initiate the morphological change exhibited by the 10T1/2 cells. Similar to native Pln, when HS chains were removed from domain I, chondrogenic activity was abolished. A variant of domain I carrying both HS and chondroitin sulfate (CS) chains retained activity when only HS chains were removed. When both HS and CS chains were removed, then activity was lost. ^ The ability to rapidly stimulate differentiation of 10T1/2 cells in vitro may lead to better control of chondrogenesis in vitro and in vivo, providing better understanding and manipulation of the chondrogenic process. This greater understanding may have benefits for study of cartilage and bone diseases and subsequent treatment options. (Abstract shortened by UMI.)^

Defining the domains of type I collagen involved in heparin- binding and endothelial tube formation

Cell surface heparan sulfate proteoglycan (HSPG) interactions with type I collagen may be a ubiquitous cell adhesion mechanism. However, the HSPG binding sites on type I collagen are unknown. Previously we mapped heparin binding to the vicinity of the type I collagen N terminus by electron microscopy. The present study has identified type I collagen sequences used for heparin binding and endothelial cell–collagen interactions. Using affinity coelectrophoresis, we found heparin to bind as follows: to type I collagen with high affinity (Kd ≈ 150 nM); triple-helical peptides (THPs) including the basic N-terminal sequence α1(I)87–92, KGHRGF, with intermediate affinities (Kd ≈ 2 μM); and THPs including other collagenous sequences, or single-stranded sequences, negligibly (Kd ≫ 10 μM). Thus, heparin–type I collagen binding likely relies on an N-terminal basic triple-helical domain represented once within each monomer, and at multiple sites within fibrils. We next defined the features of type I collagen necessary for angiogenesis in a system in which type I collagen and heparin rapidly induce endothelial tube formation in vitro. When peptides, denatured or monomeric type I collagen, or type V collagen was substituted for type I collagen, no tubes formed. However, when peptides and type I collagen were tested together, only the most heparin-avid THPs inhibited tube formation, likely by influencing cell interactions with collagen–heparin complexes. Thus, induction of endothelial tube morphogenesis by type I collagen may depend upon its triple-helical and fibrillar conformations and on the N-terminal heparin-binding site identified here.

Complex Patterns of Alternative Splicing Mediate the Spatial and Temporal Distribution of Perlecan/UNC-52 in Caenorhabditis elegans

The unc-52 gene encodes the nematode homologue of mammalian perlecan, the major heparan sulfate proteoglycan of the extracellular matrix. This is a large complex protein with regions similar to low-density lipoprotein receptors, laminin, and neural cell adhesion molecules (NCAMs). In this study, we extend our earlier work and demonstrate that a number of complex isoforms of this protein are expressed through alternative splicing. We identified three major classes of perlecan isoforms: a short form lacking the NCAM region and the C-terminal agrin-like region; a medium form containing the NCAM region, but still lacking the agrin-like region; and a newly identified long form that contains all five domains present in mammalian perlecan.  Using region-specific antibodies and unc-52 mutants, we reveal a complex spatial and temporal expression pattern for these UNC-52 isoforms. As well, using a series of mutations affecting different regions and thus different isoforms of UNC-52, we demonstrate that the medium NCAM-containing isoforms are sufficient for myofilament lattice assembly in developing nematode body-wall muscle. Neither short isoforms nor isoforms containing the C-terminal agrin-like region are essential for sarcomere assembly or muscle cell attachment, and their role in development remains unclear.

Agrin in Alzheimer’s disease: Altered solubility and abnormal distribution within microvasculature and brain parenchyma

Agrin is a heparan sulfate proteoglycan that is widely expressed in neurons and microvascular basal lamina in the rodent and avian central nervous system. Agrin induces the differentiation of nerve-muscle synapses, but its function in either normal or diseased brains is not known. Alzheimer’s disease (AD) is characterized by loss of synapses, changes in microvascular architecture, and formation of neurofibrillary tangles and senile plaques. Here we have asked whether AD causes changes in the distribution and biochemical properties of agrin. Immunostaining of normal, aged human central nervous system revealed that agrin is expressed in neurons in multiple brain areas. Robust agrin immunoreactivity was observed uniformly in the microvascular basal lamina. In AD brains, agrin is highly concentrated in both diffuse and neuritic plaques as well as neurofibrillary tangles; neuronal expression of agrin also was observed. Furthermore, patients with AD had microvascular alterations characterized by thinning and fragmentation of the basal lamina. Detergent extraction and Western blotting showed that virtually all the agrin in normal brain is soluble in 1% SDS. In contrast, a large fraction of the agrin in AD brains is insoluble under these conditions, suggesting that it is tightly associated with β-amyloid. Together, these data indicate that the agrin abnormalities observed in AD are closely linked to β-amyloid deposition. These observations suggest that altered agrin expression in the microvasculature and the brain parenchyma contribute to the pathogenesis of AD.

Tissue engineered perivascular endothelial cell implants regulate vascular injury.

Molecular biomaterial engineering permits in vivo transplantation of cells and tissues, offering the promise of restoration of physiologic control rather than pharmacologic dosing with isolated compounds. We engrafted endothelial cells on Gelfoam biopolymeric matrices with retention of viability, normal growth kinetics, immunoreactivity, and biochemical activity. The production of heparan sulfate proteoglycan and inhibition of basic fibroblast growth factor binding and activity by engrafted cells were indistinguishable from endothelial cells grown in culture. Perivascular implantation of Gelfoam-endothelial cell scaffolds around balloon-denuded rat carotid arteries reduced intimal hyperplasia 88.1%, far better than the isolated administration of heparin, the most effective endothelial mimic compound. In concert with a reduction in intimal area, cell proliferation was reduced by > 90%. To our knowledge, there have been no previous reports of extravascular cell implants controlling vasculoproliferative disease. Tissue engineered cells offer the potential for potent methods of vascular growth regulation and insight into the complex autocrine-paracrine control mechanisms within the blood vessel wall.

Hyposulfatemia, growth retardation, reduced fertility, and seizures in mice lacking a functional NaSi-1 gene

inorganic sulfate is required for numerous functions in mammalian physiology, and its circulating levels are proposed to be maintained by the Na+-SO42- cotransporter, (NaSi-1). To determine the role of NaSi-1 in sulfate homeostasis and the physiological consequences in its absence, we have generated a mouse lacking a functional NaSi-1 gene, Nas1. Serum sulfate concentration was reduced by >75% in Nas1(-/-) mice when compared with Nas1(+/+) mice. Nas1(-/-) mice exhibit increased urinary sulfate excretion, reduced renal and intestinal Na+-SO42- cotransport, and a general growth retardation. Nas1(-/-) mouse body weight was reduced by >20% when compared with Nas1(+/+) and Nas1(+/-) littermates at 2 weeks of age and remained so throughout adulthood. Nas1(-/-) females had a lowered fertility, with a 60% reduction in litter size. Spontaneous clonic seizures were observed in Nas1(-/-) mice from 8 months of age. These data demonstrate NaSi-1 is essential for maintaining sulfate homeostasis, and its expression is necessary for a wide range of physiological functions.

Arachidonic acid release from mammalian cells transfected with human groups IIA and X secreted phospholipase A(2) occurs predominantly during the secretory process and with the involvement of cytosolic phospholipase A(2)-alpha

Stable expression of human groups IIA and X secreted phospholipases A(2) (hGIIA and hGX) in CHO-K1 and HEK293 cells leads to serum- and interleukin-1beta-promoted arachidonate release. Using mutant CHO-K1 cell lines, it is shown that this arachidonate release does not require heparan sulfate proteoglycan- or glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins. It is shown that the potent secreted phospholipase A(2) inhibitor Me-Indoxam is cell-impermeable. By use of Me-Indoxam and the cell-impermeable, secreted phospholipase A(2) trapping agent heparin, it is shown that hGIIA liberates free arachidonate prior to secretion from the cell. With hGX-transfected CHO-K1 cells, arachidonate release occurs before and after enzyme secretion, whereas all of the arachidonate release from HEK293 cells occurs prior to enzyme secretion. Immunocytochemical studies by confocal laser and electron microscopies show localization of hGIIA to the cell surface and Golgi compartment. Additional results show that the interleukin-1beta-dependent release of arachidonate is promoted by secreted phospholipase A(2) expression and is completely dependent on cytosolic (group IVA) phospholipase A(2). These results along with additional data resolve the paradox that efficient arachidonic acid release occurs with hGIIA-transfected cells, and yet exogenously added hGIIA is poorly able to liberate arachidonic acid from mammalian cells.

Contribution of the vasculature to the Alzheimer's disease process

One of the pathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD) brain is extracellular β-amyloid (Aβ) plaques containing 39-42 amino acid Aβ peptides. The deposition of Aβ around blood vessels, known as Cerebral amyloid angiopathy (CAA), is also a common feature in AD brain. Vascular density and cerebral blood flow are reduced in AD brains, and vascular risk factors such as hypertension and diabetes are also risk factors for AD. We have shown previously that Aβ peptides can potently inhibit angiogenesis both in-vitro and in-vivo, but the mechanism of action for this effect is not known. Therefore, my first hypothesis was that particular amino acid sequence(s) within the Aβ peptide are required for inhibition of angiogenesis. From this aim, I found a peptide sequence which was critical for anti-angiogenic activity (HHQKLVFF). This sequence contains a heparan sulfate proteoglycan growth factor binding domain implying that Aβ can interfere with growth factor signaling. Leading on from this, my second hypothesis was that Aβ can inhibit angiogenesis by binding to growth factor receptors. I found that Aβ can bind to Vascular Endothelial Growth Factor Receptor-2 (VEGFR-2), and showed that this is one mechanism by which Aβ can inhibit angiogenesis. Since the vasculature is disrupted in AD brains, I investigated whether a strategy to increase brain vascularization would be beneficial against AD pathology. Therefore, my third hypothesis was that voluntary exercise (which is known to increase brain vascularization in rodents) can ameliorate Aβ pathology, increase brain vascularization, and improve behavioral deficits in a transgenic mouse model of AD. I found that exercise has no effect on Aβ pathology, brain vascularization or behavioral deficits. Therefore, in the transgenic mouse model that I used, exercise is an ineffective therapeutic strategy against AD pathology and symptoms.

The osteogenic transcription factor Runx2 regulates components of the fibroblast growth factor/proteoglycan signaling axis in osteoblasts

Heparan sulfate proteoglycans cooperate with basic fibroblast growth factor (bFGF/FGF2) signaling to control osteoblast growth and differentiation, as well as metabolic functions of osteoblasts. FGF2 signaling modulates the expression and activity of Runt-related transcription factor 2 (Runx2/Cbfa1), a key regulator of osteoblast proliferation and maturation. Here, we have characterized novel Runx2 target genes in osteoprogenitors under conditions that promote growth arrest while not yet permitting sustained phenotypic maturation. Runx2 enhances expression of genes related to proteoglycan-mediated signaling, including FGF receptors (e.g., FGFR2 and FGFR3) and proteoglycans (e.g., syndecans [Sdc1, Sdc2, Sdc3], glypicans [Gpc1], versican [Vcan]). Runx2 increases expression of the glycosyltransferase Exostosin-1 (Ext1) and heparanase, as well as alters the relative expression of N-linked sulfotransferases (Ndst1 = Ndst2 > Ndst3) and enzymes mediating O-linked sulfation of heparan sulfate (Hs2st > Hs6st) or chondroitin sulfate (Cs4st > Cs6st). Runx2 cooperates with FGF2 to induce expression of Sdc4 and the sulfatase Galns, but Runx2 and FGF2 suppress Gpc6, thus suggesting intricate Runx2 and FGF2 dependent changes in proteoglycan utilization. One functional consequence of Runx2 mediated modulations in proteoglycan-related gene expression is a change in the responsiveness of bone markers to FGF2 stimulation. Runx2 and FGF2 synergistically enhance osteopontin expression (>100 fold), while FGF2 blocks Runx2 induction of alkaline phosphatase. Our data suggest that Runx2 and the FGF/proteoglycan axis may form an extracellular matrix (ECM)-related regulatory feed-back loop that controls osteoblast proliferation and execution of the osteogenic program.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.