Immunité, Immunodéficience et Protéines Membranaires

L’organisme humain doit sans cesse lutter contre divers pathogènes tels que des bactéries, des virus ou encore des parasites. Cette défense est assurée par de nombreux mécanismes qui constituent l’immunité. Celle-ci est composée schématiquement de l’immunité spécifique (IS) et de l’immunité non spécifique (INS). L’immunité spécifique, comme son nom l’indique, est une réponse adaptée à chaque agent pathogène. Cette voie du système immunitaire nécessite une reconnaissance préalable de l’agresseur, d’où une phase de latence de la réaction « primaire ». Cependant, il existe une mémoire de la première agression. Les infections futures par le même pathogène seront alors plus vite neutralisées, avec une réponse immunitaire plus affine et plus intense. C’est la réaction dite « secondaire ». Les acteurs principaux de cette immunité sont d’une part les lymphocytes B, producteurs d’anticorps, responsables de la réponse immunitaire spécifique humorale et d’autre part les lymphocytes T qui, une fois activés ou sensibilisés, remplissent différentes fonctions et constituent l’immunité spécifique cellulaire. Par contre, l’immunité non spécifique se caractérise par la présence permanente de ses acteurs, même en absence de pathogènes. Cela lui confère une capacité de contre-attaque immédiate. Quel que soit l’agent infectieux, son mode d’action face à l’agression est toujours le même : la cascade du complément, la phagocytose et/ou la dégranulation. Les principaux responsables de cette immunité sont donc les cellules phagocytaires, comprenant les macrophages et les leucocytes polynucléaires neutrophiles. Une défaillance des acteurs clé de chacun de ces deux versants de l'immunité conduit à un état de fragilité, voire de danger de mort pour l'individu. Une telle défaillance sera parfois acquise, comme c'est le cas dans l'infection au VIH où c'est principalement le système immunitaire spécifique qui est visé. D'autre fois, cette immunodéficience sera innée et donc le résultat de l'invalidation d'un composant important, du fait de mutation génétique, comme dans le cas de la Granulomatose Septique Chronique où c'est l'immunité non spécifique qui est cette fois atteinte. Ainsi, au travers des trois projets sur lesquels je suis engagé, je suis amené à appréhender à la fois le système spécifique et non spécifique dans un contexte"d'immunodéficience".Plus que tout autre tissu, le système immunitaire devra, pour coordonner l'ensemble de ses nombreux acteurs cellulaires de fonctions différentes, utiliser une pléthore d'agents de signalisation et de régulation. Il sera donc essentiel que chacun de ces messages soit détectéspar les cellules immunitaires. De plus, par essence, certaines de ses cellules devront pouvoir interagir avec les organismes pathogènes à détecter et éliminer. Et enfin, pour cette dernière tâche de destruction de l'ennemi, la production d'espèce toxique devra pouvoir se faire de manière orientée, c'est-à-dire hors de la cellule immunitaire, elle-même sensible, mais vers l'extérieur (à proximité du pathogène) ou bien dans des vésicules de capture à l'environnement contrôlé (phagosomes). Toutes ces fonctions, qui sont à la base même des missions du systèmeimmunitaire, peuvent être résumées ainsi :1. Perception et transduction des signaux de chimiotactisme, d'activation, etc…2. Interaction hôtes-pathogènes3. Production orientée d'agents toxiques, bactéricidesÀ cet énoncé, il apparaît comme une évidence que les protéines membranaires vont avoir une position centrale dans le dispositif (même si elle n'est pas exclusive, bien sûr). Les différents projets dont j'ai la charge concernent des protéines, ou des complexes de protéines, localisées à la membrane de différentes cellules composant ce tissu complexe et circulant qu'est le système immunitaire. Chacune de ces protéines est concernée par une ou plusieurs des catégories fonctionnelles évoquées ci-dessous. Ainsi, CXCR4 et CCR5 sont des récepteurs chimiotactiques mais également des récepteurs clés du VIH. DC-SIGN joue un rôle important dans les phénomènes d'activation des lymphocytes T mais également dans l'interaction avec de nombreux pathogènes. Enfin, le complexe de la NADPH oxydase produit, hors de la cellule, des espèces réactives de l'oxygène pour détruire les bactéries, et son activation est le point final d'une voie de signalisation complexe initiée par la perception de signaux externes par des récepteurs semblables aux susmentionnés CCR5 et CXCR4Cette apparente cohérence d'ensemble cache des différences importantes dans la nature des compétences et connaissances à déployer pour l'étude de chacunes de ces protéines. Ainsi, les co-récepteurs font appel pour leur étude structurale à une nécessité de développement méthodologique important (surexpression protéine membranaire et physico-chimie de la renaturation des protéines). DC-SIGN nécessite un rapprochement avec la glycobiologie (notamment la chimie des sucres et la biochimie des lectines). Et la NADPH oxydase et son activation demande un investissement important dans la biologie de la transduction du signal (voie de transduction, biologie des protéines modulaires et des changements conformationnels,…) et à terme l'enzymologie des réactions rédox. Enfin, pour chacun de ces projets, qui comportent tous une perspective structurale, l'interface avec les méthodes bio-physiques d'études (de la cristallographie des protéines à la résonnance plasmonique de surface en passant par le RMN ou le SAXS) revêt une importance grandissante

Développement de glycomimétiques antagonistes du récepteur lectine de type C, DC-SIGN (une nouvelle stratégie préventive anti-HIV)

L'immunité, un système de défense incroyable, protège la plupart des organismes vivants des pathogènes nuisibles. Les composantes innée et acquise de l'immunité travaillent ensemble pour assurer une protection efficace de l'homme ainsi que de tous les autres vertébrés à mâchoires. Les cellules dendritiques, la composante de l'immunité innée, passent régulièrement en revue les tissus périphériques, capturent et traitent les agents pathogènes envahisseurs et enfin, présentent les antigènes aux lymphocytes T pour stimuler les réponses immunitaires adaptatives spécifiques. Ces cellules reconnaissent les organismes étrangers à l'aide de plusieurs "Pattern Recognition Receptors" (PRRs), qui se lient spécifiquement à des molécules à la surface des agents pathogènes, dits "Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs). Parmi les PRR, les récepteurs lectine de type C (CLRs) ont un rôle important dans la reconnaissance et dans la capture des pathogènes. Cependant, DC-SIGN, l'un de ces CLR, peut être détourné par de nombreux agents pathogènes dangereux, y compris le VIH, afin de promouvoir leur infection. Ce travail vise à développer des antagonistes de DC-SIGN, qui serait en mesure de bloquer l'utilisation de ce récepteur par des agents pathogènes. Pour atteindre cet objectif, la stratégie du développement de ligands glycomimétique de DC-SIGN et la présentation multivalente des glycomimétiques monovalents sélectionnés a été employée. Les études présentées ont été réalisées en collaboration avec plusieurs groupes de chimistes, qui ont conçu et synthétisé différents composés glycomimétiques ainsi que différentes plates-formes multivalentes. Des ligands monovalents de DC-SIGN basés sue le mannose, le fucose et sur les composés C-glycosidiques ont été explorés et différentes plates-formes de valence avec différents modes de présentation dans l'espace ont été étudiées. En utilisant la résonance plasmonique de surface (SPR), l'activité des composés à inhiber DC-SIGN a été estimée. De plus, les composés ont été évalués pour leur sélectivité pour DC-SIGN par rapport à la Langerine, un autre CLR ayant un rôle protecteur contre l'infection par le VIH. Certains de ces composés ont été caractérisés par cristallographie aux rayons X et par spectrométrie RMN. Les études de SPR de composés multivalents ont confirmé l'amélioration de l'activité, mais a également révélé des complications possibles. Dans l'ensemble, ces études ont permis d'identifier les deux meilleurs nouveaux composés et de suggérer des perspectives pour l'amélioration de ces composés et des plates-formes de présentation multivalentes.An amazing defense system, the immunity, protects most of the living organisms from harmful pathogens. The innate and acquired immunity components work together to provide efficient protection of humans as well as all other jawed vertebrates. Dendritic cells, the component of the innate immunity, routinely survey the peripheral tissues, capture and process the invading pathogens, and finally, present the antigens to the T cells to boost the pathogen specific adaptive immune responses. These cells recognize the foreign organisms with the help of multiple pattern recognition receptors (PRRs), which specifically bind molecules on the pathogen surfaces, so-called pathogen associated molecular patterns (PAMPs). Among PRRs, the C-type lectin receptors (CLRs) have an important role in pathogen recognition and capturing. However, one of these CLRs, DC-SIGN, has been shown to be hijacked by many dangerous pathogens, including HIV, to promote their infection. This work aims to develop the antagonists of the C-type lectin receptor DC-SIGN, which would be able to block the use of this receptor by pathogens. To achieve that, the strategy of the development of glycomimetic ligands of DC-SIGN and the multivalent presentation of the selected monovalent glycomimics has been employed. The presented studies were accomplished in collaboration with several chemists groups, who have designed and synthesized different glycomimetic compounds as well as different multivalent platforms. The mannose-based, fucose-based and the C-glycosidic compounds were explored as monovalent DC-SIGN ligands, and multivalent platforms with different valence as well as ligand presentation in space were investigated. Using surface plasmon resonance (SPR), the activity of the compounds to inhibit DC-SIGN was estimated. Moreover, the compounds were evaluated for their selectivity to DC-SIGN vs langerin, another CLR with a protective role from HIV infection. Some of the compounds were structurally characterized by X-ray crystallography and NMR spectrometry studies. The SPR studies of multivalent compounds confirmed the improved activity, but also revealed possible complications Overall, these studies allowed to identify two new monovalent leads and to draw perspectives for their further improvement, and suggested the improvement of multivalent presentation platforms.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Caractérisation structurale et fonctionnelle d'une lectine de type-C des cellules de Langerhans (La Langérine)

Les cellules dendritiques jouent un rôle primordial dans le système immunitaire. En effet, ces cellules sont à l'interface entre l'immunité innée et adaptative par leur capacité de reconnaissance, d'internalisation et de dégradation de pathogènes afin de présenter des antigènes aux lymphocytes. La capacité de reconnaissance est engendrée par l'expression de différents récepteurs à la surface de ces cellules. Parmi ces récepteurs, deux grandes familles permettent la reconnaissance d'un large panel de différents pathogènes, comme les TLRs ( Toll-Like Receptors) et les lectines de type-C. Ces récepteurs sont utilisés comme marqueurs des différents sous-types de cellules dendritiques. Par exemple, parmi les lectines de type-C, DC-SIGN est majoritairement exprimée dans les cellules dendritiques dermiques alors que la Langérine est, quand à elle, fortement exprimée par les cellules dendritiques épidermiques, les cellules de Langerhans. Ces deux sous-types de cellules dendritiques divergent par leur réponse à l'infection par le VIH ( virus d'immunodéficience humain ). En effet, le virus utilise DC-SIGN pour détourner le rôle de ces cellules afin d'infecter les lymphocytes T alors que la reconnaissance du VIH par la Langérine, dans les cellules de Langerhans, conduit à la clairance de virus par son internalisation dans le granule de Birbeck. Cet organite est spécifique des cellules de Langerhans et nécessite l'expression de la Langérine. Ce travail de thèse s'est donc focalisé sur la caractérisation structurale et fonctionnelle de la Langérine. Il a permis de mettre en évidence l'importance de la structure tertiaire du domaine CRD et de la structure quaternaire de la protéine pour la formation et la bonne structuration du granule de Birbeck. Ensuite, l'étude fonctionnelle de cette lectine, notamment par résonance plasmonique de surface, nous a conduit à identifier une nouvelle spécificité de reconnaissance de la Langérine pour les glycosaminoglycanes dans un site d'interaction différent du site canonique. Enfin, nous avons caractérisé une spécificité de reconnaissance du site canonique pour les monosaccharides sulfatés de type glucosamine en utilisant la résonance plasmonique de surface et la cristallographie.Dendritic cells play a crucial role in the immune system. Indeed, these cells are at the interface between innate and acquired immunity by their capacities of recognition, internalisation and pathogen degradation to present antigens to T lymphocytes. The recognition capacity is generated by the expression of diverse receptors onto the cell surface. Among these receptors, two large families allow the recognition of a large panel of different pathogens, as TLRs ( Toll-Like Receptor) and C-type lectins. These receptors are used as markers of different dendritic cells subtypes. For example, and among the C-type lectins, DC-SIGN is mainly expressed onto dermic dendritic cells contrary to langerin, which is highly expressed onto epidermic dendritic cells, called Langerhans cells. These two subtypes of dendritic cells differ in their response of HIV infection. Indeed, the virus recognition by DC-SIGN enables hijacking the dendritic cell to infect T lymphocyte contrary to langerin recognition, in Langerhans cells, which allows the clearance of the virus by its internalisation into Birbeck granules. This organite is specific of Langerhans cells and requires langerin expression. This work is focused on structural and functional characterisation of langerin. It highlights the importance of the CRD tertiary structure and the quaternary structure of the protein for the formation and the structure of Birbeck granules. Then, functional study by surface plasmon resonance enabled us to identify a new binding site of langerin for glycosaminoglycans. Finally, we have characterised a recognition specificity of langerin for sulphated monosaccharide of glucosamine type using surface plasmon resonance and crystallography.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Investigating Alternative Acidic Proteases for H/D Exchange Coupled to Mass Spectrometry: Plasmepsin 2 but not Plasmepsin 4 Is Active Under Quenching Conditions

Structural studies of proteins by hydrogen/deuterium exchange coupled to mass spectrometry (DXMS) require the use of proteases working at acidic pH and low temperatures. The spatial resolution of this technique can be improved by combining several acidic proteases, each generating a set of different peptides. Three commercial aspartic proteases are used, namely, pepsin, and proteases XIII and XVIII. However, given their low purity, high enzyme/protein ratios have to be used with proteases XIII and XVIII. In the present work, we investigate the activity of two alternative acidic proteases from Plasmodium falciparum under different pH and temperature conditions. Peptide mapping of four different proteins after digestion with pepsin, plasmepsin 2 (PSM2), and plasmepsin 4 (PSM4) were compared. PSM4 is inactive at pH 2.2 and 0°C, making it unusable for DXMS studies. However, PSM2 showed low but reproducible activity under DXMS conditions. It displayed no substrate specificity and, like pepsin, no strict sequence specificity. Altogether, these results show that PSM2 but not PSM4 is a potential new tool for DXMS studies

Exploration de nouvelles approches pour les études de RCPG au niveau moléculaire (application aux récepteurs de chimiokines)

Les récepteurs de chimiokines sont des régulateurs essentiels de la migration cellulaire dans le cadre de la surveillance immunitaire, et le développement. Les récepteurs CCR5 et CXCR4 sont de plus spécifiquement impliqués dans les métastases cancéreuses et l'infection par le VIH. Nous avons développé un système permettant de sur-exprimer ces deux RCPGs. Afin de s'affranchir des problèmes de toxicité inhérents à l'expression des protéines membranaires en bactérie notre approche de production consiste à adresser les protéines vers les corps d'inclusion d'E. coli grâce à une fusion protéique N-terminale permettant de hauts niveaux d'expression. Après purification en conditions dénaturantes, les protéines sont alors repliées en présence de surfactants originaux, les amphipoles. La validation de cette nouvelle approche pour les récepteurs des chimiokines représente un des objectifs principaux de ce travail. Afin de tester la fonctionnalité des protéines repliées, une série d'outils a été développée : des versions modifiées des chimiokines ont été produites (RANTES pour CCR5 et SDF 1a pour CXCR4). La fonctionnalité des chimiokines a été évaluée au niveau moléculaire et cellulaire. L'interaction entre le récepteur replié en amphipole et son ligand a été testé par résonance de plasmons de surface (SPR). Différents types de surfaces fonctionalisées avec le récepteur de chimiokine replié en amphipole ont été explorés au cours de ce travail. A la fin de ce projet, la production des chimiokines et de leur récepteur a été mise au point. L'accès à ces outils ouvre la voie à de futures études moléculaires telles que la compréhension de la dimérisation du récepteur ou la détermination de la stoechiométrie du complexe.Chemokine receptors are critical regulators of cell migration in the context of immune surveillance, inflammation and development. The GPCRs (G protein-coupled receptors) CCR5 and CXCR4 are specifically implicated in cancer metastasis and HIV-1 infection. An expression system to over-express these two GPCRs was developed. To overcome the toxicity problem of membrane protein expression in bacterial system, the production approach consists in targeting the proteins towards E. coli inclusion bodies thanks to a N-terminal fusion allowing a high yield expression. After purification under denaturing conditions, these GPCRs were then folded using original polymeric surfactants: the amphipols. The validation of this new approach for the chemokine receptor production is one of the goals of this work. In order to assess the functionality of the folded proteins, series of tools have been developed: engineered chemokine ligands (RANTES for CCR5 and SDF1a for CXCR4) were produced. The functionality of chemokines was evaluated at cellular and molecular levels. Interaction between the receptor folded in amphipols and its ligand was evaluated using Surface Plasmon Resonance (SPR) technique. Several types of surfaces, functionalized with the chemokine receptor/amphipol complex have been explored in this work. At the end of this project the productions of chemokines and their receptors has been set up. These established tools open the way to future studies, at the molecular level, in order to, for instance, investigate receptor dimerization and complex stoichiometry.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Langerin-Heparin Interaction: Two Binding Sites for Small and Large Ligands as revealed by a combination of NMR Spectroscopy and Cross-Linking Mapping Experiments

Langerin is a C-type lectin present on Langerhans cells that mediates capture of pathogens in a carbohydrate-dependent manner, leading to subsequent internalization and elimination in the cellular organelles called Birbeck granules. This mechanism mediated by langerin was shown to constitute a natural barrier for HIV-1 particle transmission. Besides interacting specifically with high mannose and fucosylated neutral carbohydrate structures, langerin has the ability to bind sulfated carbohydrate ligands as 6-sulfated galactosides in the Ca2+ dependent binding site. Very recently langerin was demonstrated to interact with sulfated glycosaminoglycans (GAGs), in a Ca2+ independent way, resulting in the proposal of a new binding site for GAGs. Based on those results, we have conducted a structural study of the interactions of small heparin (HEP) like oligosaccharides with langerin in solution. Heparin-bead cross-linking experiments, an approach specifically designed to identify HEP/HS binding sites in proteins were first carried out and experimentally validated the previously proposed model for the interaction of Lg ECD with 6 kDa HEP. High-resolution NMR studies of a set of 8 synthetic HEP-like trisaccharides harboring different sulfation patterns demonstrated that all of them bound to langerin in a Ca2+ dependent way. The binding epitopes were determined by STD NMR and the bound conformations by transferred NOESY experiments. These experimental data were combined with docking and molecular dynamics and resulted in the proposal of a binding mode characterized by the coordination of calcium by the two equatorial hydroxyl groups OH3 and OH4 at the non-reducing end. The binding also includes the carboxylate group at the adjacent iduronate residue. Such epitope is shared by all the 8 ligands, explaining the absence of any impact on binding from their differences in substitution pattern. Finally, in contrast to the small trisaccharides, we demonstrated that a longer HEP-like hexasaccharide, bearing an additional O-sulfate group at the non-reducing end, which precludes binding to the Ca2+ site, interacts with langerin in the previously identified Ca2+ independent binding site

The active form of the R2F protein of class Ib ribonucleotide reductase from Corynebacterium ammoniagenes is a diferric protein

Corynebacterium ammoniagenes contains a ribonucleotide reductase (RNR) of the class Ib type. The small subunit (R2F) of the enzyme has been proposed to contain a manganese center instead of the dinuclear iron center, which in other class I RNRs is adjacent to the essential tyrosyl radical. The nrdF gene of C. ammoniagenes, coding for the R2F component, was cloned in an inducible Escherichia coli expression vector and overproduced under three different conditions: in manganese-supplemented medium, in iron-supplemented medium, and in medium without addition of metal ions. A prominent typical tyrosyl radical EPR signal was observed in cells grown in rich medium. Iron-supplemented medium enhanced the amount of tyrosyl radical, whereas cells grown in manganese-supplemented medium had no such radical. In highly purified R2F protein, enzyme activity was found to correlate with tyrosyl radical content, which in turn correlated with iron content. Similar results were obtained for the R2F protein of Salmonella typhimurium class Ib RNR. The UV-visible spectrum of the C. ammoniagenes R2F radical has a sharp 408-nm band. Its EPR signal at g = 2.005 is identical to the signal of S. typhimurium R2F and has a doublet with a splitting of 0.9 millitesla (mT), with additional hyperfine splittings of 0.7 mT. According to X-band EPR at 77-95 K, the inactive manganese form of the C. ammoniagenes R2F has a coupled dinuclear Mn(II) center. Different attempts to chemically oxidize Mn-R2F showed no relation between oxidized manganese and tyrosyl radical formation. Collectively, these results demonstrate that enzymatically active C. ammoniagenes RNR is a generic class Ib enzyme, with a tyrosyl radical and a diferric metal cofactor

Influence of the reducing-end anomeric configuration of the Man9 epitope on DC-SIGN recognition

High-mannose (Man9GlcNAc2) is the main carbohydrate unit present in viral envelope glycoproteins such as gp120 of HIV and the GP1 of Ebola virus. This oligosaccharide comprises the Man9 epitope conjugated to two terminal N-acetylglucosamines by otherwise rarely-encountered β-mannose glycosidic bond. Formation of this challenging linkage is the bottleneck of the few synthetic approaches described to prepare high mannose. Herein, we report the synthesis of the Man9 epitope with both alpha and beta configurations at the reducing end, and subsequent evaluation of the impact of this configuration on binding to natural receptor of high-mannose, DC-SIGN. Using fluorescence polarization assays, we demonstrate that both anomers bind to DC-SIGN with comparable affinity. These relevant results therefore indicate that the more synthetically-accesible Man9 alpha epitope may be deployed as ligand for DC-SIGN in both in vitro and in vivo biological assays.Ministerio de Economía y Competitividad CTQ2017- 86265-P, PGC2018-099497-B-100, IJCI-2015-2327

Multivalent glycoconjugates as anti-pathogenic agents

Peer reviewe

Multivalent glycoconjugates as anti-pathogenic agents

Multivalency plays a major role in biological processes and particularly in the relationship between pathogenic microorganisms and their host that involves protein–glycan recognition. These interactions occur during the first steps of infection, for specific recognition between host and bacteria, but also at different stages of the immune response. The search for high-affinity ligands for studying such interactions involves the combination of carbohydrate head groups with different scaffolds and linkers generating multivalent glycocompounds with controlled spatial and topology parameters. By interfering with pathogen adhesion, such glycocompounds including glycopolymers, glycoclusters, glycodendrimers and glyconanoparticles have the potential to improve or replace antibiotic treatments that are now subverted by resistance. Multivalent glycoconjugates have also been used for stimulating the innate and adaptive immune systems, for example with carbohydrate-based vaccines. Bacteria present on their surfaces natural multivalent glycoconjugates such as lipopolysaccharides and S-layers that can also be exploited or targeted in anti-infectious strategie