Control of ligand-receptor interaction by tuning the molecular environment

Abstract

Cell adhesion is a fundamental biological process mediated by specific molecular bonds formed by ligands and receptors attached to surfaces. Formation and rupture of these bonds depend on kinetic, mechanical and structural factors. The goal of this work was to observe how the ICAM-1 (Inter-Cellular Adhesion Molecule 1) - anti ICAM-1 interaction can be modified by modification in i) the multivalency of the molecules involved in the bond ii) the topography of the surface and iii) on the mobility of the ligands. The main technique used for this purpose was the laminar flow chamber, complemented by single-particle tracking in fluorescence. The study on multivalency effects, using monomeric and dimeric ICAM-1, was performed in the absence or the presence of mechanical force, revealing the higher stability of divalent bonds. Also, a force- and time- strengthening dependence was found and described with a two-parameter function, showing, for divalent bonds, an intermediate behaviour between parallel and successive rupture of monovalent bonds. The adhesion frequency of monovalent and divalent bonds exhibit different values accounted for by the difference in length of these molecules. Adhesion experiments were performed varying the topography of the substrate at the nanoscale for the investigated molecules. A comparison of bond kinetics on these surfaces did not show differences either in attachment or in rupture. In the flow, the contact time between molecules is controlled by convection of microspheres. Recent results show that there is a minimal time required to form the bond (Robert et al. 2011). To test this prediction, ligands were anchored to supported lipid bilayer (SLB) to investigate how the diffusion can modify the adhesion. Experimentally, the adhesion frequencies of the bonds showed similar behaviour for fixed and fluid SLB. However, 2D numerical simulation predicted an effect on bond formation even at low ligand diffusion. The diffusion seemed to play a role in bond dissociation, strongly limiting the dissociation on the fluid bilayer. This effect can be explained by the possible presence of multiple bonds due to ligand accumulation at the contact area. Laminar flow chamber and single-particle tracking allowed us to better understand the mechanisms of adhesion and the behaviour of interacting ICAM-1 molecules at single molecule level, when the molecular environment was modified. Similar work can be performed on other adhesion molecules in order to gain a wider knowledge of the adhesion mechanisms, or on TCR - pMHC bonds which are extremely important in immune response.L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurels. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 (Inter- Cellular Adhesion Molecule 1) - anti ICAM-1 pouvait être modifiée en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence. L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence ou en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons monovalentes. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et divalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules. Les expériences d'adhésion ont été effectuées en variant la topographie du substrat à l'échelle nanométrique pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un temps minimum est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, une simulation numérique 2D prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, limitant fortement la dissociation de la bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. La chambre à flux laminaire et le suivi de particule individuelle a permis de mieux comprendre les mécanismes d'adhésion et le comportement de l'interaction des molécules d'ICAM-1 au niveau de molécule individuelle, lorsque l'environnement moléculaire a été modifiée. Des travaux similaires peuvent être effectuées sur d'autres molécules d'adhésion afin d'atteindre une connaissance beaucoup plus large des mécanismes d'adhésion, ou sur les liaisons entre TCR et pMHC qui sont extrêmement importantes dans la réponse immunitaire