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.

Caractérisation de l'interaction de l'auto-antigène ADN topoisomérase I avec les fibroblastes dans la sclérose systémique

La sclérose systémique (ScS) est une maladie auto-immune d’origine inconnue qui est caractérisée par des atteintes vasculaires, des dérèglements cellulaire et immunitaire. La majorité des patients atteints de ScS possède des auto-anticorps dirigés contre des protéines nucléaires. Ces auto-anticorps sont associés à des manifestations cliniques spécifiques favorisant la classification et le diagnostic de la ScS. Les anti-ADN topoisomérase I (antitopo) sont l’un des principaux auto-anticorps retrouvés dans la ScS. Ils sont associés à la forme la plus grave de la maladie, soit la forme diffuse. Celle-ci se caractérise par une importante fibrose progressant vers une atteinte viscérale. La fibrose résulte d’une production excessive et dérégulée de matrice extracellulaire par les fibroblastes. Bien que les anti-topo soient associés à un très mauvais pronostic et qu’ils corrèlent avec l’activité et la sévérité de la maladie, leur rôle dans la pathogenèse de la ScS n’est pas élucidé. Toutefois, depuis que certains auto-antigènes ont démontré des fonctions additionnelles lorsque retrouvés dans le milieu extracellulaire, leur contribution suscite un intérêt marqué. En effet, ces auto-antigènes, dits bifonctionnels, influencent la physiologie de certaines cellules en se liant à leur surface. Ainsi, la détermination du rôle de ces autoantigènes ouvre la voie pour l’exploration du rôle potentiellement pathogène de leurs autoanticorps. Tout d’abord, nous avons démontré que l’auto-antigène topo, ciblée par les antitopo, pouvait influencer la physiologie du fibroblaste suite à l’activation de voies de signalisations intracellulaires stimulant la migration cellulaire. Nos résultats suggèrent fortement que la topo stimule le fibroblaste suite à son interaction avec le CCR7, un récepteur de chimiokine, présent à sa surface. Nous avons également démontré que la topo utilisait les protéoglycans à chaînes d’héparanes sulfates (HSPG) à titre de corécepteurs. Il avait été démontré que la topo liée à la surface des fibroblastes entraînait le recrutement d’anti-topo, l’adhésion et l’activation monocytaires. Nous avons ici démontré que la présence d’anticorps anti-topo entraîne l’amplification de la liaison de la topo au niveau des HSPG. De ce fait, le complexe immun à la surface des fibroblastes pourrait contribuer à l’initiation d’une cascade inflammatoire propice au développement d’une fibrose, caractéristique de la ScS. En dernier lieu, nos résultats nous ont permis de suggérer l’utilisation de l’héparine et des héparines de bas poids moléculaires comme approche thérapeutique pour la ScS puisqu’elles permettent autant de prévenir la liaison du complexe immun topo/anti-topo au niveau des HSPG que de le dissocier une fois lié. En résumé, notre étude soutient d’abord le rôle actif de l’auto-antigène dans la physiologie des fibroblastes mais également le rôle pathogène des anti-topo en présence de la topo dans la ScS. Finalement, les résultats de notre étude permettent de proposer une approche thérapeutique potentielle pour inhiber le développement d’une cascade inflammatoire et pro-fibrotique.

Effets du virus MHV3 sur les propriétés inflammatoires des cellules endothéliales cérébrales et des macrophages myéloïdes

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Étude de la biologie cellulaire du facteur autocrine de motilité et de la fibronectine

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude de la biologie cellulaire du facteur autocrine de motilité et de la fibronectine

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Near-infrared spectroscopic study of basic aluminum sulfate and nitrate

The tridecameric Al-polymer [AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+ was prepared by forced hydrolysis of Al3+ up to an OH/Al molar ratio of 2.2. Under slow evaporation crystals were formed of Al13-nitrate. Upon addition of sulfate the tridecamer crystallised as the monoclinic Al13-sulfate. These crystals have been studied using near-infrared spectroscopy and compared to Al2(SO4)3.16H2O. Although the near-infrared spectra of the Al13-sulfate and nitrate are very similar indicating similar crystal structures, there are minor differences related to the strength with which the crystal water molecules are bonded to the salt groups. The interaction between crystal water and nitrate is stronger than with the sulfate as reflected by the shift of the crystal water band positions from 6213, 4874 and 4553 cm–1 for the Al13 sulfate towards 5925, 4848 and 4532 cm–1 for the nitrate. A reversed shift from 5079 and 5037 cm–1 for the sulfate towards 5238 and 5040 cm–1 for the nitrate for the water molecules in the Al13 indicate that the nitrate-Al13 bond is weakened due to the influence of the crystal water on the nitrate. The Al-OH bond in the Al13 complex is not influenced by changing the salt group due to the shielding by the water molecules of the Al13 complex.

Synthesis of a heparan sulfate mimetic disaccharide with a conformationally locked residue from a common intermediate

A simple mimetic of a heparan sulfate disaccharide sequence that binds to the growth factors FGF-1 and FGF-2 was synthesized by coupling a 2-azido-2-deoxy-D-glucosyl trichloroacetimidate donor with a 1,6-anhydro-2-azido-2-deoxy--D-glucose acceptor. Both the donor and acceptor were obtained from a common intermediate readily obtained from D-glucal. Molecular docking calculations showed that the predicted locations of the disaccharide sulfo groups in the binding site of FGF-1 and FGF-2 are similar to the positions observed for co-crystallized heparin-derived oligosaccharides obtained from published crystal structures.

The PG500 series : novel heparan sulfate mimetics as potent angiogenesis and heparanase inhibitors for cancer therapy

Heparan sulfate mimetics, which we have called the PG500 series, have been developed to target the inhibition of both angiogenesis and heparanase activity. This series extends the technology underpinning PI-88, a mixture of highly sulfated oligosaccharides which reached Phase III clinical development for hepatocellular carcinoma. Advances in the chemistry of the PG500 series provide numerous advantages over PI-88. These new compounds are fully sulfated, single entity oligosaccharides attached to a lipophilic moiety, which have been optimized for drug development. The rational design of these compounds has led to vast improvements in potency compared to PI-88, based on in vitro angiogenesis assays and in vivo tumor models. Based on these and other data, PG545 has been selected as the lead clinical candidate for oncology and is currently undergoing formal preclinical development as a novel treatment for advanced cancer.

A surface plasmon resonance-based solution affinity assay for heparan sulfate-binding proteins

A surface plasmon resonance-based solution affinity assay is described for measuring the Kd of binding of heparin/heparan sulfate-binding proteins with a variety of ligands. The assay involves the passage of a pre-equilibrated solution of protein and ligand over a sensor chip onto which heparin has been immobilised. Heparin sensor chips prepared by four different methods, including biotin–streptavidin affinity capture and direct covalent attachment to the chip surface, were successfully used in the assay and gave similar Kd values. The assay is applicable to a wide variety of heparin/HS-binding proteins of diverse structure and function (e.g., FGF-1, FGF-2, VEGF, IL-8, MCP-2, ATIII, PF4) and to ligands of varying molecular weight and degree of sulfation (e.g., heparin, PI-88, sucrose octasulfate, naphthalene trisulfonate) and is thus well suited for the rapid screening of ligands in drug discovery applications.

Heparan sulfate mediates the proliferation and differentiation of rat mesenchymal stem cells

The growth and differentiation of mesenchymal stem cells is controlled by various growth factors, the activities of which can be modulated by heparan sulfates. We have previously underscored the necessity of sulfated glycosaminoglycans for the FGF-2-stimulated differentiation of osteoprogenitor cells. Here we show that exogenous application of heparan sulfate to cultures of primary rat MSCs stimulates their proliferation leading to increased expression of osteogenic markers and enhanced bone nodule formation. FGF-2 can also increase the proliferation and osteogenic differentiation of rMSCs when applied exogenously during their linear growth. However, as opposed to exogenous HS, the continuous use of FGF-2 during in vitro differentiation completely blocked rMSC mineralization. Furthermore, we show that the effects of both FGF-2 and HS are mediated through FGF receptor 1 (FGFR1) and that inhibition of signaling through this receptor arrests cell growth resulting in the cells being unable to reach the critical density necessary to induce differentiation. Interestingly, blocking FGFR1 signaling in post-confluent osteogenic cultures significantly increased calcium deposition. Taken together our data clearly suggests that FGFR1 signaling plays an important role during osteogenic differentiation, firstly by stimulating cell growth that is closely followed by an inhibitory affect once the cells have reached confluence. It also underlines the importance of HS as a co-receptor for the signaling of endogenous FGF-2 and suggests that purified glycosaminoglycans may be attractive alternatives to growth factors for improved ex vivo growth and differentiation of MSCs.

Sustained release and osteogenic potential of heparan sulfate-doped fibrin glue scaffolds within a rat cranial model

This paper explores the potential therapeutic role of the naturally occurring sugar heparan sulfate (HS) for the augmentation of bone repair. Scaffolds comprising fibrin glue loaded with 5 lg of embryonically derived HS were assessed, firstly as a release-reservoir, and secondly as a scaffold to stimulate bone regeneration in a critical size rat cranial defect. We show HS-loaded scaffolds have a uniform distribution of HS, which was readily released with a typical burst phase, quickly followed by a prolonged delivery lasting several days. Importantly, the released HS contributed to improved wound healing over a 3-month period as determined by microcomputed tomography (lCT) scanning, histology, histomorphometry, and PCR for osteogenic markers. In all cases, only minimal healing was observed after 1 and 3 months in the absence of HS. In contrast, marked healing was observed by 3 months following HS treatment, with nearly full closure of the defect site. PCR analysis showed significant increases in the gene expression of the osteogenic markers Runx2, alkaline phosphatase, and osteopontin in the heparin sulfate group compared with controls. These results further emphasize the important role HS plays in augmenting wound healing, and its successful delivery in a hydrogel provides a novel alternative to autologous bone graft and growth factorbased therapies.

A Raman spectroscopic study of M2+M3+ sulfate minerals, römerite Fe2+Fe23+ (SO4)4· 14H2O and botryogen Mg2+Fe3+ (SO4)2(OH)·7H2O

The mixed valency (M2+M3+) sulphate minerals, römerite Fe2+Fe23+(SO4)4•14H2O and botryogen Mg2+Fe3+(SO4)2(OH).7H2O have been studied by Raman spectroscopy. The Raman spectra of the two types of crystals proved very similar but not identical. The observation of two symmetric stretching modes confirmed the presence of the two non-equivalent sulphate units in the römerite structure. The observation of multiple bands in the antisymmetric stretching region and in the bending regions proves the symmetry of the sulphate anion is significantly reduced in the römerite structure. The number of Raman bands related to the (SO4)2- symmetric and antisymmetric vibrations support the X-ray single crystal structure conclusion that two symmetrically distinct S6+ are present in the structure of botryogen. Römerite is a mineral of environmental significance as it is commonly found in tailings and dumps.