Perlécan - Perlecan

HSPG2
Protéine HSPG2 PDB 1gl4.png
Structures disponibles
APD Recherche orthologue : PDBe RCSB
Identifiants
Alias HSPG2 , HSPG, PLC, PRCAN, SJA, SJS, SJS1, protéoglycane de sulfate d'héparane 2
Identifiants externes OMIM : 142461 MGI : 96257 HomoloGene : 68473 GeneCards : HSPG2
Orthologues
Espèce Humain Souris
Entrez
Ensemble
UniProt
RefSeq (ARNm)

NM_001291860
NM_005529

NM_008305

RefSeq (protéine)

NP_001278789
NP_005520

NP_032331

Localisation (UCSC) Chr 1 : 21.82 – 21.94 Mo Chr 4: 137.47 – 137.57 Mo
Recherche PubMed
Wikidata
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Le perlecan (PLC) également connu sous le nom de protéine de noyau de protéoglycane de sulfate d'héparane spécifique à la membrane basale (HSPG) ou de protéoglycane de sulfate d'héparane 2 ( HSPG2 ), est une protéine qui, chez l'homme, est codée par le gène HSPG2 .

Le perlecan a été isolé à l'origine à partir d'une lignée cellulaire tumorale et s'est avéré être présent dans toutes les membranes basales natives. Le perlecan est un grand protéoglycane multidomaine (cinq domaines, marqué IV) qui se lie à et réticule de nombreux composants de la matrice extracellulaire (ECM) et des molécules de surface cellulaire . Le perlecan est synthétisé à la fois par les cellules endothéliales vasculaires et les cellules musculaires lisses et déposé dans la matrice extracellulaire. Le perlecan est hautement conservé à travers les espèces et les données disponibles indiquent qu'il a évolué à partir d'ancêtres anciens par duplication de gènes et brassage d' exons .

Structure

Perlecan se compose d'une protéine centrale de poids moléculaire 470 kDa à laquelle trois longues chaînes (chacune d'environ 70-100 kDa) de glycosaminoglycanes (souvent l' héparane sulfate , HS, mais peut être le sulfate de chondroïtine , CS) sont attachées. La protéine centrale est constituée de cinq domaines structurels distincts . Le domaine N-terminal I (aa ~1-195) contient des sites de fixation pour les chaînes HS. Bien que les chaînes HS ne soient pas nécessaires pour un repliement et une sécrétion corrects de la protéine, un manque de HS ou une sulfatation réduite peut diminuer la capacité du perlecan à interagir avec les protéines matricielles. L'élimination des chaînes HS peut affecter l'organisation de la matrice et la fonction de barrière endothéliale . Le domaine II comprend quatre répétitions homologues à la partie de liaison au ligand du récepteur LDL avec six résidus cysteine ​​conservés et un pentapeptide, DGSDE, qui médie la liaison du ligand par le récepteur LDL. Le domaine III a une homologie avec les domaines IVa et IVb de la laminine . Le domaine IV se compose d'une série de modules IG . Le domaine C-terminal V, qui a une homologie avec le domaine G du bras long de la laminine, est responsable de l'auto-assemblage et peut être important pour la formation de la membrane basale in vivo. Le domaine V possède également des sites d'attachement pour les chaînes HS/CS. Ainsi, la protéine du noyau perlecan et les chaînes HS pourraient moduler l'assemblage de la matrice, la prolifération cellulaire , la liaison aux lipoprotéines et l'adhésion cellulaire .

Fonction

Le perlecan est un composant clé de la matrice extracellulaire du cartilage, où il est essentiel au développement normal de la plaque de croissance et à la croissance des os longs. Le nanisme présenté par la souris perlecan null ressemble au phénotype produit par l'activation de mutations dans le gène du FGFR3, un récepteur des facteurs de croissance des fibroblastes. Le perlecan se lie aux facteurs de croissance impliqués dans le développement de la plaque de croissance. Il a été démontré que le perlecan isolé à partir de plaques de croissance en développement se lie au FGF-2 via ses chaînes latérales de sulfate d'héparane et au FGF-18 via le domaine III de sa protéine centrale et médie leur action sur les récepteurs du FGF. Le perlecan joue probablement un rôle critique dans la séquestration et/ou la délivrance de FGF-2 et FGF-18 au cours de l'ossification endochondrale.  

Le perlecan est également un composant clé de la matrice extracellulaire vasculaire, où il interagit avec une variété d'autres composants de la matrice et aide à maintenir la fonction de barrière endothéliale. Le perlecan est un puissant inhibiteur de la prolifération des cellules musculaires lisses et on pense donc qu'il aide à maintenir l'homéostasie vasculaire. Le perlecan peut également favoriser l'activité du facteur de croissance (par exemple, le FGF2 ) et ainsi stimuler la croissance et la régénération endothéliales.   

Modification des chaînes de glycosaminoglycanes

Les modifications des chaînes sulfate d'héparane sur les domaines C- et N-terminaux sont les différences les mieux étudiées dans la voie de sécrétion du perlecan. Le sulfate de chondroïtine peut remplacer le sulfate d'héparane, et l'incorporation de sulfate ou la composition en sucre des chaînes peut changer. La perte d'enzymes impliquées dans la voie de synthèse du sulfate d'héparane conduit à un certain nombre de conditions.

La modification différentielle de la chaîne sulfate d'héparane peut se produire par le biais d'un certain nombre de signaux régulateurs. Le perlecan dans la plaque de croissance des os longs de souris montre des changements de glycosylation dans la progression des chondrocytes de la zone de repos à la zone de prolifération. Bien qu'initialement les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG) du perlécan aient été considérées comme exclusivement du sulfate d'héparane, les chaînes de sulfate de chondroïtine peuvent être substituées et cela peut dépendre du type de cellule. En exprimant une forme recombinante du domaine I N-terminal de la protéine et en démontrant que la digestion du peptide avec l'héparanase ou la chondroïtinase n'a pas conduit à une perte complète de l'activité du peptide, il a été montré que des chaînes de sulfate de chondroïtine peuvent être ajoutées à l'homme perlécan. Ceci était en accord avec les données précédentes montrant des chaînes GAG de sulfate de chondroïtine attachées au perlecan bovin produit par les chondrocytes et que la protéine recombinante du domaine I humaine était glycosylée avec les chaînes de sulfate d'héparane et de chondroïtine lorsqu'elle était exprimée dans des cellules d'ovaire de hamster chinois. L'ajout préférentiel de chaînes de sulfate d'héparane ou de sulfate de chondroïtine aux domaines I et V pourrait avoir un effet sur la différenciation des tissus mésenchymateux en cartilage, os ou n'importe quel nombre de tissus, mais le mécanisme de régulation du passage de l'addition de sulfate d'héparane à l'addition de sulfate de chondroïtine n'est pas bien compris.

En étudiant l'effet de la composition des protéoglycanes sur la permsélectivité néphritique , il a été noté que le traitement à la puromycine des cellules endothéliales glomérulaires humaines (HGEC) modifiait le niveau de sulfatation des chaînes GAG sur les protéoglycanes tels que le perlecan, ce qui à son tour provoquait une diminution de la stabilité du GAG. Chaînes. Les niveaux d'ARNm de la protéine de base des protéoglycanes n'ont pas été affectés, ainsi la diminution des chaînes GAG était le résultat d'un autre facteur, qui dans ce cas s'est avéré être une diminution de l'expression des enzymes sulfate transférase , qui jouent un rôle clé dans les GAG. biosynthèse. Il semble qu'il puisse y avoir un certain chevauchement dans les maladies résultant de la perte de l'expression des protéoglycanes de l'héparane sulfate et de la perte des enzymes impliquées dans la biosynthèse de l'héparane sulfate.

Dégradation

Les cellules peuvent modifier leur matrice extracellulaire et leurs membranes basales en réponse à des signaux ou à un stress. Des protéases spécifiques agissent sur la protéine dans l'environnement extracellulaire lorsque les cellules ont une raison de se déplacer ou de modifier leur environnement. La cathepsine S est une cystéine protéase qui atténue modérément la liaison des cellules FGF-positives à un substrat perlecan-positif. La cathepsine S est une protéase potentielle qui agit sur la protéine centrale du perlecan dans la membrane basale ou le stroma.

Les chaînes d'héparane sulfate de perlecan se lient aux facteurs de croissance dans l'ECM et servent de co-ligands ou d'amplificateurs de ligand lorsqu'elles sont liées aux récepteurs. Une autre étude a montré que la libération du FGF basique lié au HS en culture pouvait être obtenue par un traitement avec de la stromélysine, de l'héparitinase I, de la collagénase de rat et de la plasmine, et ces sites de protéolyse sont illustrés dans la figure 1. Ceci a été proposé comme une liste non exhaustive des protéases qui pourraient médier la libération de facteurs de croissance à partir des chaînes sulfate d'héparane du perlecan. Bien que Whitelock et al. ont suggéré que des séquences consensus de clivage de la thrombine existent dans la protéine centrale du perlecan, ils postulent également que toute activation de la thrombine du perlecan provient en fait du clivage d'autres constituants de la MEC. Cet article indique que l'héparanase est responsable du clivage des chaînes sulfate d'héparane du perlecan dans la matrice. Cela libère des facteurs de croissance liés à l'héparane sulfate, en particulier le FGF-10. L'ajout d'héparanase à la culture cellulaire d'épithéliums dans la membrane basale a provoqué une augmentation de la prolifération des cellules épithéliales en raison de la libération de FGF-10.

Dans un modèle de croissance d'explants in vitro utilisant l'épithélium cornéen, l'expression de la matrice métalloprotéinique (MMP) 2 est en corrélation avec une dégradation initiale de la membrane basale d'origine. La reformation de la membrane basale en culture dépendait d'une régulation positive initiale suivie d'une régulation négative de la MMP-9, contrairement à l'expression constante de la MMP-2. Ce n'est pas une preuve que MMP-2 et MMP-9 clivent directement la protéine perlecan in vivo, mais montre que les protéines modulent clairement un certain facteur dans la maturation de la membrane basale. Une autre famille de métalloprotéases, la famille Bone Morphogenetic Protein 1/Tolloid-like, libère le domaine endorépelline c-terminal de la protéine perlecan core. Le domaine globulaire de type laminine contient le motif actif de l'endorépelline et est incapable d'être clivé par des cellules exprimant des formes mutantes et inactives des protéines BMP-1. De plus, le résidu critique nécessaire pour que ce clivage ait lieu était localisé à Asp4197. Ce processus protéolytique peut avoir une importance dans la maladie car un fragment correspondant a été trouvé dans l'urine de patients souffrant d'insuffisance rénale terminale et dans le liquide amniotique de femmes enceintes qui ont subi une rupture prématurée de la membrane.

Expression

Expression au cours du développement

Le moment de l'expression des gènes au cours du développement varie d'un tissu à l'autre. Les membranes basales sont souvent la force motrice derrière la séparation de l'épithélium du stroma et du tissu conjonctif. Le perlecan est particulièrement important dans le développement cardiovasculaire, neural et cartilagineux.

Le développement de blastocystes préimplantatoires est une cascade contrôlée de régulation génique et de signalisation intercellulaire. Le perlecan extracellulaire a été observé au stade blastocyste du développement embryonnaire de la souris, spécifiquement régulé à la hausse au moment où l'embryon atteint la « compétence d'attachement ». Cette découverte a été confirmée à la fois au niveau de l'ARNm et au niveau de la protéine, démontrée par RT-PCR et immunocoloration. Le développement embryonnaire ultérieur est tout aussi précisément régulé que le développement préimplantatoire et est plus compliqué en raison de la différenciation de tous les tissus. La première étude de l'expression du perlecan au cours du développement embryonnaire a révélé que la protéine était d'abord exprimée au cours du développement du système cardiovasculaire, puis en corrélation avec la maturation de la majorité des tissus du corps, c'est-à-dire la séparation des couches épithéliales de l'endothélium et du stroma par les membranes basales. Encore une fois, cette régulation positive au cours du développement cardiovasculaire est concomitante avec le rôle de l'extrémité C-terminale du perlecan en tant qu'endorépelline.

La spécificité spatio-temporelle de la trans-activation du gène perlecan au cours du développement est la clé de la maturation des membranes basales et donc de la séparation complète de l'épithélium de l'endothélium et du stroma. Une étude approfondie de l'expression du perlecan au cours du développement de l'embryon de poulet a montré que le perlecan est présent au stade morula et pour le reste du développement, bien que l'expression puisse être transitoire et chronométrée avec précision dans certains prédécesseurs tissulaires. Dans l'embryon de rat, il a été démontré que l'expression du perlecan augmente dans les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) après e19 dans le développement fœtal. Ceci est parfaitement corrélé avec l'arrêt de la prolifération des CMLV à e18 et un changement de leur phénotype. La théorie avancée dans cette étude est que le perlecan joue un rôle anti-prolifératif pour les CMLV une fois qu'un certain point de développement est atteint, tout comme l'expression dépendante de la confluence du perlecan en culture. Ces constatations ont été corroborées par des résultats similaires d'études sur l'artère pulmonaire et l'épithélium pulmonaire de rat. Ces tissus ont également commencé à produire de la perlecane une fois la division cellulaire terminée, vers le 19e jour fœtal.

Le développement du système nerveux et l'extension des axones sont précisément dirigés par les signaux des molécules de la matrice extracellulaire. La croissance des neurites olfactifs dans le développement de la souris est guidée au moins en partie par une MEC établie par les cellules épithéliales olfactives (OEC). Le perlecan et la laminine-1 semblent être importants dans cette voie de guidage, bien que l'induction du perlecan se produise légèrement plus tard que la laminine-1. Ces données sont étayées par des données antérieures montrant que les OEC expriment le FGF-1 au cours du développement olfactif et que le perlecan peut stimuler l'excroissance sensorielle olfactive des neurites en culture en présence de FGF-1. Perlecan a également montré des propriétés adhésives nerveuses dans une étude précédente, suggérant en outre qu'il peut jouer un rôle attrayant en combinaison avec la laminine plutôt que répulsif.

Le développement du cartilage et de l'os s'est avéré dépendant de l'expression du perlecan. La protéine devient visible par immunocoloration au jour 15 au cours du développement de la souris, indépendamment des autres protéines de la membrane basale, ce qui suggère qu'elle fait simplement partie de la MEC des chondrocytes en développement, en plus du collagène II et d'autres marqueurs du cartilage qui sont exprimés à partir du jour 12 Compte tenu des données, que les souris dépourvues du gène pln ne peuvent pas maintenir un cartilage stable, il est évident que le perlecan est essentiel à la maturation et à la stabilité de la structure cartilagineuse. Ceci est soutenu par une étude montrant que le knockdown de la production de perlecan inhibe les étapes finales de la différenciation chondrogénique dans les fibroblastes C3H10T1/2 en culture. Le développement osseux, c'est-à-dire la minéralisation du tissu cartilagineux, est corrélé à la perte de perlecan et d'héparane sulfate à la jonction chondro-osseuse (COJ). Dans un effort pour comprendre comment le sulfate d'héparane et le perlecan dirigent les cellules souches mésenchymateuses dans la voie ostéogénique, les cellules souches mésenchymateuses humaines ont été traitées avec de l'héparanase et de la chondroïtinase en culture. Cela a conduit à une augmentation de la minéralisation et de l'expression des marqueurs ostéocytaires, soutenant les données montrant que la perte d'héparane sulfate au COJ est un facteur clé de l'ostéogenèse. On pense que la force motrice derrière l'activation de l'héparanase et de la chondroïtinase de l'ostéogenèse est la libération de protéines morphogénétiques osseuses liées dans les chaînes sulfate d'héparane.

Modèles animaux

La précipitation du perlecan chez le poisson zèbre embryonnaire a été obtenue grâce à l'utilisation de Morpholinos ciblés sur le transcrit perlecan. Les morpholinos ont été utilisés pour bloquer la traduction de l'ARNm du perlecan dans des embryons de poisson zèbre, dans le cadre d'une enquête sur la fonction du perlecan dans le développement squelettique et vasculaire. Le Morpholino cible les cinq premières régions non traduites de l'ARNm du perlecan, bloquant ainsi la traduction du message. La perte de la protéine perlécane chez ces poissons a entraîné de graves myopathies et des problèmes de circulation. Comme l'a montré une étude ultérieure du même laboratoire, ce phénotype a pu être sauvé par l'ajout de VEGF-A exogène.

L'importance du perlecan pour le développement des mammifères est démontrée par des expériences de knock-out du gène perlecan. Près de la moitié de toutes les souris chez lesquelles le gène perlecan a été inactivé (souris perlecan null) meurent au jour embryonnaire 10,5, lorsque le gène perlecan commence normalement à être exprimé. D'autres meurent juste après la naissance avec des anomalies graves telles qu'une formation anormale de la membrane basale , un développement défectueux des os céphaliques et longs et une achondroplasie . La stratégie de knock-out employée pour l'un des knock-out de perlecan était un floxing de l'exon 6 par l'insertion d'une cassette de néomycine, et l'expression ultérieure de CRE pour l'élimination de l'exon 6 du génome. Cela a entraîné le phénotype compromis du cartilage précédemment discuté et la perte de l'intégrité de la membrane basale dans une variété de tissus. Le taux de mortalité fœtale est élevé et les souris qui survivent meurent peu après la naissance. Un modèle de souris knock-out perlecan développé séparément a été créé par insertion d'une cassette de néomycine dans l'exon 7 du gène perlecan. Ces souris knock-out étaient également mortelles embryonnaires à 40%, le reste des souris mourant peu de temps après la naissance en raison de graves anomalies squelettiques. Le phénotype knock-out du perlecan dans les deux études était identique et similaire au phénotype produit par l'activation de mutations dans le gène du FGFR3, un récepteur des facteurs de croissance des fibroblastes.

Une construction de perlecan pleine longueur, sous le contrôle du promoteur du collagène de type II, a été utilisée pour fabriquer une souris transgénique de perlecan. Le promoteur du collagène de type II a permis l'expression du perlecan dans la matrice extracellulaire faite par les chondrocytes seulement mais pas dans les membranes basales faites par les cellules endothéliales, épithéliales ou musculaires. Ce transgène perlecan chez la souris perlecan null a éliminé la létalité et a restauré la croissance des os longs à la normale. Les souris transgéniques perlecan, cependant, présentaient une hypertrophie musculaire, indiquant un rôle pour le perlecan dans le développement musculaire ainsi que dans la croissance des os longs médiée par la plaque de croissance du cartilage.

Dans encore un autre modèle de souris knock-out, le gène perlecan a été muté par recombinaison homologue du gène perlecan endogène avec une construction contenant des bras d'homologie de 2 et 5 kb entourant un exon 3 supprimé, qui code pour 2 des 3 sites de fixation de sulfate d'héparane dans le domaine Je de perlecan. Cependant, le perlecan produit par des fibroblastes cultivés à partir de souris knock-out pour l'exon 3 contenait 40 % de sulfate d'héparane et 60 % de sulfate de chondroïtine car, en plus du seul site de fixation de sulfate d'héparane restant sur le domaine I, le site de fixation sur le domaine V serait également toujours présent. . L'étude a montré que les souris knock-out pour l'exon 3 présentaient un effondrement de l'intégrité de la capsule du cristallin à la semaine postnatale 3, indiquant un rôle des acides aminés supprimés du domaine I du perlecan dans le maintien de l'intégrité de la membrane basale de la capsule du cristallin. Contrairement aux souris knock-out perlecan, la viabilité et la croissance des os longs chez les souris knock-out pour l'exon 3 étaient normales. Cela suggère que, dans le knock-out de l'exon 3, les sites de fixation restants pour l'héparane sulfate sur les domaines I et V disponibles pour la liaison au FGF-2 ou le site sur le domaine 3 disponible pour la liaison au FGF-18 peuvent être suffisants pour une croissance normale des os longs.

Les modifications du cristallin chez les souris knock-out pour l'exon 3 sont quelque peu similaires au modèle de souris knock-out pour le TGF-β. Les souris knock-out pour l'exon 3 ont également montré une diminution des capacités de cicatrisation et d'angiogenèse lorsqu'elles ont été provoquées par une lésion épidermique ou par l'ajout de FGF-2 à la cornée. Dans l'étude sur les lésions épidermiques, une plaie couvrant la profondeur de l'épiderme a été créée chez des souris exon 3 négatives et des souris témoins, et chez les souris knock-out, l'angiogenèse et les caractéristiques de la cicatrisation ont été lentes à se développer, probablement en raison de la diminution de la séquestration du facteur de croissance par le perlecan héparane sulfate négatif. Un résultat similaire a été produit dans le test de micropoche cornéenne, où FGF-2 est implanté dans la cornée de souris et chez des souris normales, l'angiogenèse est induite. Chez les souris knock-out, cet effet angiogénique était altéré, mais pas complètement.

Des études sur des souris knock-out pour le gène et des maladies humaines ont également révélé des rôles in vivo critiques pour le perlecan dans le développement du cartilage et l'activité de la jonction neuromusculaire.

Voies de signalisation et leur effet sur l'expression

Les voies de signalisation fonctionnent pour élever ou diminuer les niveaux de transcription des gènes, ce qui à son tour amène les cellules à modifier leur profil d'expression génique. L'effet final des voies de signalisation s'exerce sur le promoteur des gènes, qui peut inclure des éléments en amont ou en aval du site de démarrage de la transcription, dont certains peuvent exister à l'intérieur du gène transcrit lui-même. Un certain nombre de molécules de signalisation peuvent modifier l'expression du perlecan, notamment les familles de molécules du facteur de croissance transformant bêta (TGF-β), de l'interleukine (IL) et du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF).

Activation transcriptionnelle

Les 2,5 kilobases en amont de la région promotrice perlecane ont été étudiées par activation CAT dans des lignées cellulaires d'origines histologiques diverses. Cette étude a conclu qu'il existait un élément sensible au TGF-β dans le promoteur à seulement 285 paires de bases en amont du site de démarrage de la transcription. Ce résultat a été corroboré dans des tissus tels que les cellules de carcinome du côlon humain. et l'épithélium utérin murin par addition in vitro de la cytokine au milieu de culture cellulaire. Les études in vitro de la signalisation du TGF-β1 et de ses effets sur l'expression du perlecan peuvent avoir des résultats variables selon les types cellulaires. Dans les cellules musculaires lisses coronaires humaines en culture, la signalisation TGF-β1 n'a montré aucun effet sur l'expression du perlecan bien qu'elle ait régulé positivement d'autres constituants de la matrice. La démonstration in vivo de la régulation dynamique du perlecan et de son contrôle par des voies de signalisation extracellulaires est essentielle à notre compréhension du rôle de la protéine dans le développement. À cette fin, une lignée de souris transgéniques a été créée exprimant le TGF-β1 porcin sous le promoteur αA-crystallin spécifique du cristallin, puis une autre lignée similaire a été créée mais avec le gène entraîné par le promoteur βb-crystallin, correspondant à un autre gène spécifique du cristallin. . Ce tissu au développement dynamique a montré une grave dérégulation des composants de la matrice extracellulaire, y compris le perlecan avec une surexpression de TGF-β1. Une opacification cornéenne s'est produite dans les deux lignées transgéniques au début du développement en raison d'une expression considérablement accrue de perlecan, de fibronectine et de thrombospondine-1 dans le mésenchyme cornéen. L'effet était plus prononcé dans la lignée pilotée par le promoteur B-1 Crystallin.

La famille IL de cytokines inflammatoires régule également à la hausse le transcrit pln. Dans un modèle murin de formation de plaques d'Alzheimer, l'IL-1-alpha entraîne une augmentation de l'expression du perlecan en réponse à une lésion cérébrale. Le traitement par l'IL-4 de fibroblastes gingivaux humains en culture a conduit à une production accrue de divers protéoglycanes d'héparane sulfate, y compris le perlecan. Le traitement de fibroblastes pulmonaires humains in vitro avec de l'IL-1-bêta n'a pas conduit à une augmentation significative de la production de perlecan.

Une autre voie de signalisation qui augmente la transcription pln est la voie VEGF. Le traitement par VEGF165 des cellules endothéliales microvasculaires du cerveau humain en culture stimule une transcription pln accrue. Cette molécule est un ligand du VEGF Receptor-2 (VGFR2), et il semble que cette réponse VEGF165 soit spécifique de la régulation positive du perlecan, conduisant à une boucle de rétroaction positive impliquant le facteur de croissance fibroblastique (FGF), le FGF Receptor (FGFR) et le VEGFR2 en réponse. aux dommages endothéliaux. Cette régulation microvasculaire spécifique par le VEGF165 soulève la possibilité que la fonction anticoagulante du perlecan fasse partie du processus de contrôle des dommages dans l'endothélium cérébral.

La signalisation de la protéine kinase C est supposément responsable de la régulation positive de la transcription et de la traduction de certains protéoglycanes, y compris le perlecan. Lorsque la voie endocytaire des cellules HeLa est inhibée par la surexpression d'une dynamine mutante, la protéine kinase C est activée et le message perlecan et la protéine sont ensuite augmentés. En revanche, la régulation négative habituelle du perlecan en réponse à l'hyperglycémie est perdue chez les souris négatives pour la PKC-α.

Régulation à la baisse de la transcription

La signalisation de l'interféron-γ médie la répression transcriptionnelle du gène perlecan. Cela a d'abord été montré dans les lignées cellulaires du cancer du côlon, puis dans les lignées cellulaires d'autres origines tissulaires, mais dans chaque cas, un facteur de transcription STAT1 intact était nécessaire pour que le signal prenne effet. Cela a conduit les chercheurs à croire que le facteur de transcription STAT1 interagissait avec le promoteur Pln dans la région distale, localisé à 660 paires de bases en amont du site de démarrage de la transcription. Le traitement par l'interféron-γ des embryons murins au stade blastocyste conduit à une perte d'expression du perlécane sur le trophectoderme, et donc à une morphologie et un phénotype embryonnaires en culture cellulaire, ce qui suggère que ces blastocystes traités à l'interféron-γ seraient défectueux dans l'implantation. Vraisemblablement, la perte de l'expression du perlecan provient d'une régulation négative de la transcription via l'activité du facteur de transcription STAT1, comme indiqué précédemment. Ces résultats in vitro ne sont pas nécessairement représentatifs des concentrations physiologiques normales d'interféron-γ, pas plus que la cytokine n'est normalement exprimée largement mais plutôt à des moments de développement très spécifiques. Il est important de noter que l'expression du perlecan peut être diminuée par un traitement avec une cytokine exogène telle que l'interféron-γ, et s'il y avait une augmentation physiologiquement anormale de l'expression de la cytokine, cela pourrait interférer avec l'implantation.

Les stresseurs cellulaires et leur effet sur l'expression

Le stress mécanique et chimique peut endommager les membranes basales ou les cellules qu'elles supportent. Cela pourrait influencer le profil d'expression génique des cellules, en particulier dans leur matrice extracellulaire, qui fournit souvent un support physique et une barrière chimique pour les cellules. L'hypoxie, l'inflammation, le stress mécanique et chimique ont été examinés quant à leur relation avec l'expression du perlecan.

L'hypoxie est une condition trouvée dans les états pathologiques et pendant les blessures et entraîne souvent un manque de prolifération des cellules endothéliales. Ceci et le rôle du perlecan en tant qu'endorépelline ont incité une étude sur la nature de la régulation de l'expression du perlecan par les cellules endothéliales pendant des conditions hypoxiques. Dans des conditions hypoxiques, cette étude a révélé que l'expression du perlecan par les cellules endothéliales microvasculaires cardiaques de rat était diminuée de 61 % par rapport aux témoins normaux. L'affirmation de cet article est que la régulation négative du perlecan entraîne une perte d'activation de FAK et donc moins de signalisation ERK, entraînant une diminution de la prolifération cellulaire. Il semble contre-intuitif que les cellules endothéliales prolifèrent moins rapidement en raison de la perte de perlecan et de sa sous-unité endorépelline. Il se pourrait que ces cellules endothéliales aient simplement régulé à la baisse la transcription de nombreux gènes en réponse à des conditions hypoxiques. Dans une autre étude, l'hypoxie a conduit à l'induction de gènes associés à l'apoptose et à la mort cellulaire, mais la répression des gènes n'était pas limitée aux protéines associées à une voie spécifique. Lorsque les cellules épithéliales intestinales T84 sont exposées à des conditions hypoxiques pendant 24 heures, une augmentation significative de la production d'ARNm et de protéines de perlecan se produit. Ils relient cela au fait que de nombreux gènes élevés en réponse à l'hypoxie contiennent un élément de réponse AMPc (CRE) dans leur promoteur, tout comme pln. Cette différence entre les cellules endothéliales de l'étude de 2007 et la cellule épithéliale étudiée dans ces expériences indique à quel point les mécanismes de régulation du perlecan peuvent être variés dans différents types cellulaires.

Le développement de plaques bêta-amyloïdes sur le cerveau est associé à l'apparition de la maladie d'Alzheimer. Ces plaques induisent un état constant d'inflammation dans les zones d'accumulation, conduisant à l'expression de certains produits géniques liés à l'inflammation, dont certains perpétuent l'inflammation dans le contexte cérébral. Comme mentionné précédemment, pour étudier l'effet de l'inflammation cérébrale sur les niveaux d'expression de perlecan, des blessures par piqûre d'aiguille ont été créées dans des cerveaux de souris, et après l'inflammation et des périodes variables de récupération, les niveaux d'ARNm et de protéines ont été évalués par hybridation in situ et immunocoloration. Les niveaux de perlecan ont augmenté dans l'hippocampe mais pas dans le striatum pendant la période de guérison, ainsi que l'expression de l'IL 1-alpha. L'expression du perlecan a été retracée jusqu'aux cellules microgliales de l'hippocampe et des astrocytes. Ce rôle du perlecan dans la génération de plaques bêta-amyloïde est soutenu par une étude antérieure montrant que le traitement au perlecan et au bêta-amyloïde du cerveau de rat conduisait à la formation de plaques séniles, alors que le traitement avec le bêta-amyloïde seul n'avait pas le même effet.

Au niveau de l'organisme, le stress mécanique a un impact profond sur l'intégrité de la matrice extracellulaire et provoque probablement l'induction d'un certain nombre de gènes de la MEC pour la réparation et le remodelage de la MEC dans le stroma tissulaire et les membranes basales. Une étude a examiné les effets in vitro de la pression sur la transcription globale des gènes à l'aide d'une approche par microréseau et d'un système d'étirement cellulaire destiné à simuler la pression intraoculaire dans la lamina cribosa (tissu conjonctif) de la tête du nerf optique. Leurs découvertes étaient que le perlecan et plusieurs autres protéoglycanes étaient régulés à la hausse en réponse au stimulus d'étirement. Le TGF-β2 et le VEGF ont également été induits, contribuant peut-être à la régulation positive du transcrit et de la protéine perlecan. Il a été démontré que la signalisation autocrine du TGF-β est un résultat compensatoire du stress mécanique in vitro dans les cellules endothéliales. En utilisant un mécanisme d'étirement cellulaire similaire pour imiter la pression artérielle, cette étude a montré que la production de perlecan augmentait en réponse à une contrainte mécanique. Cela dépend de la signalisation autocrine du TGF-β dans une boucle de rétroaction positive avec p38 et ERK. Cette augmentation des cellules endothéliales de la production d'inhibiteurs de croissance des CMLV (c'est-à-dire l'héparine) est inversée dans les CMLV, où le stress mécanique induit la prolifération. La déformation des cellules VSMC en culture conduit à une régulation positive du perlecan, avec une augmentation significative de la sulfatation des chaînes d'héparane sulfate. Cela ne contraste pas avec les données montrées où l'expression du perlecan est constante au-delà de e19 dans les CMLV de rat, ce qui suggère que le perlecan joue un rôle antiprolifératif pour les CMLV. Dans ce cas, il semble que la fonction de signalisation de la molécule soit le facteur régulé à la hausse opératoire, notamment en raison de l'augmentation de la sulfatation des chaînes d'héparane sulfate.

Les dommages chimiques aux organes peuvent affecter non seulement l'intégrité génétique et mécanique de la cellule, mais aussi la matrice extracellulaire du tissu. Pour étudier l'effet des dommages chimiques sur les cellules hépatiques, des rats Wistar ont été traités avec du tétrachlorure de carbone pendant 48 heures avant le sacrifice. Avant le traitement avec CCl 4 , la coloration au perlecan était limitée aux voies biliaires et aux vaisseaux sanguins sinusoïdaux du foie. Après traitement, la coloration perlecan était intense dans les zones de nécrose. Cela pourrait être dû à l'augmentation de la capillarisation du foie dans le but de régénérer les tissus endommagés. Un résultat similaire a été montré dans le traitement de souris à l'acétamenophine, où le perlecan et d'autres composants de la matrice étaient fortement exprimés dans les lésions nécrotiques du foie.

Expression en culture cellulaire

L'un des arguments retentissants contre la validité des résultats in vitro de la culture cellulaire sur des plaques en plastique 2D est que l'environnement ne reflète pas fidèlement celui des cellules de l'organisme. Ce problème est traité en développant des cultures cellulaires 3D en utilisant une grande variété de substrats comme échafaudages ou environnements pour les cellules. Dans ce type de contexte, l'expression des gènes ECM a le potentiel de ressembler plus étroitement à celle du profil d'expression natif. Les échafaudages 3D, les structures sur lesquelles les cellules cultivées se développent, peuvent être composés d'autres cellules, c'est-à-dire de cocultures, de polymères synthétiques imitant l'environnement naturel des cellules ou d'ECM purifiée comme le matrigel, et tout mélange de ces trois composants.

Un tel système a été développé pour étudier le développement de la peau et la formation de la membrane basale entre les kératinocytes et le stroma. Ce système est utilisé pour délimiter le développement de la membrane basale entre les fibroblastes dans le stroma (dans ce cas les fibroblastes dans un gel de collagène de type I) et les kératinocytes cultivés sur le gel. L'expression du perlecan et donc la maturation de la membrane basale dépendent de la réticulation nidogène du collagène IV et de la chaîne γ1 de la laminine dans ce système. Cet effet a également conduit à un manque d'hémidesmosomes dans le tissu en développement. Un autre système utilisant un gel de collagène I hydraté désorganisé a été utilisé pour démontrer que les fibroblastes cornéens humains primaires finiront par envahir le gel et créer une matrice constituée de collagène de type I et de perlécane, ainsi que de plusieurs autres glycoprotéines matricielles sulfatées. Cela imite le programme de développement du fibroblaste cornéen in vivo et sa réponse aux blessures.

L'un des objectifs à long terme de la création de systèmes de culture cellulaire 3D est de concevoir des tissus pouvant être utilisés comme substituts pour les patients atteints de nombreux types de maladies. Dans les valves cardiaques créées par génie tissulaire en ensemençant des myofibroblastes sur du collagène de type I suivi de cellules endothéliales, l'expression des protéoglycanes sulfate d'héparane a été vérifiée, bien qu'aucune distinction entre le syndécan et le perlecan n'ait été faite dans ces tissus. Une autre procédure qui pourrait être rendue possible par l'ingénierie tissulaire est la kératoépithélioplastie. Le tissu transplanté doit rester intact, ce qui nécessite une membrane basale préformée. Les gels de collagène ont favorisé la formation d'une membrane basale complète par les cellules épithéliales cornéennes en culture.

Perlecan tient également la promesse de servir d'échafaudage pour le placage de cellules en culture. Des cellules canalaires et acineuses des glandes salivaires humaines ont été cultivées avec succès sur un peptide bioactif contenant une séquence répétée dans le domaine IV de la protéine perlecan. Ces cellules reproduisent des structures de type acini similaires à celles trouvées dans la glande native et les jonctions serrées, ainsi que des membranes basales complètes en culture.

Association de maladies

Cancer

Alors que la suppression de Perlecan provoque une inhibition substantielle de la croissance tumorale et de la néovascularisation chez les souris null, en revanche, lorsque des cellules null perlecan sont injectées dans des souris nudes, une croissance tumorale accrue est observée par rapport aux témoins. La progression et la pathogenèse du cancer sont intimement liées à la composition de la matrice extracellulaire et le rôle du perlecan et d'autres molécules de la MEC dans le cancer est étudié par un grand nombre de laboratoires. La membrane basale étant le premier obstacle à l'extravasation des cellules cancéreuses, les fonctions du perlecan dans ce processus sont multiples. Un système modèle utilisé pour étudier l'expression du perlecan dans les lignées cellulaires de carcinome est celui des lignées cellulaires de progression métastatique du mélanome MeWo/70W. Les cellules MeWo sont typiquement moins invasives que leur lignée cellulaire variante clonale 70W. Un laboratoire a étudié l'expression du perlecan dans 27 mélanomes invasifs et 26 des 27 échantillons ont montré une augmentation significative du message perlecan par rapport au tissu normal des mêmes patients. Ils ont ensuite utilisé les lignées cellulaires MeWo et 70W pour étudier si l'expression du perlecan changeait pendant le traitement avec des neurotrophines, qui peuvent stimuler l'invasion cellulaire par le matrigel in vitro. Les cellules 70W les plus invasives ont commencé à exprimer le message perlecan dix minutes après la stimulation avec les neurotrophines, et les cellules MeWo n'ont produit aucun message pln quel que soit le traitement. Cette étude a notamment pris en compte le fait que la régulation positive du perlecan s'est produite avant même celle de l'héparanase, une protéine essentielle impliquée dans le processus d'extravasation.

Dans le cancer de l'ovaire comme dans d'autres cancers, l'expression de perlecan se produit différemment tout au long de la progression de la maladie. La coloration perlecan est perdue dans la membrane basale ovarienne qui a été percée par un adénocarcinome invasif, ce qui contraste avec la coloration perlecan dans les membranes basales des ovaires normaux et ceux avec des tumeurs bénignes, où la membrane basale est homogène et très similaire en composition à celle de autres tissus normaux. Ceci est cohérent avec d'autres résultats montrant une perte de perlecan dans les membranes basales affectées par un cancer du col invasif se propageant aux ganglions lymphatiques pelviens, ce qui n'est pas surprenant en raison de la corrélation entre des niveaux élevés d'expression d'ARNm d'héparanase et l'invasion d'un carcinome cervical similaire. En revanche, la formation de tumeurs de la lignée cellulaire épithéliale de souris immortalisée RT101 injectée à des rats dépendait de l'expression du perlecan par les cellules de souris et non de la présence de perlecan endogène de rat. Les cellules RT101 avec du perlecan renversé par antisens n'ont pas montré de formation de tumeur dans ce système, cependant les cellules exprimant le perlecan antisens et une construction recombinante codant pour les domaines I, II et III du perlecan de souris ont effectivement montré une formation de tumeur. Ainsi, dans ce système, il apparaît que l'expression des cellules tumorales du perlecan est nécessaire pour l'agrégation tumorale. Des recherches supplémentaires sur la chaîne GAG ​​ou la modification de la protéine centrale par les cellules tumorales invasives par rapport aux cellules tumorales bénignes et aux tissus normaux seraient instructives pour mieux comprendre le rôle des perlecans dans la migration du cancer.

Plusieurs laboratoires ont étudié l'angiogenèse des cellules tumorales in vitro en utilisant des constructions antisens au message perlecan. L'ADNc complet du complément inverse, entraîné par un promoteur puissant, est transfecté dans divers types de cellules pour éliminer complètement l'expression du perlecan. L'antisens dans les cellules de carcinome du côlon bloque la traduction du perlecan, entraînant une diminution de la croissance tumorale et de l'angiogenèse. Une diminution similaire de la prolifération in vitro s'est produite dans les cellules NIH 3T3 et une lignée cellulaire de mélanome humain exprimant l'ARNm de perlecan antisens. Les résultats in vitro avec les lignées cellulaires de sarcome de Kaposi ont montré que la perte de perlecan via la transfection avec une construction antisens a conduit à une diminution de la prolifération et de la migration de ce type de cellule hautement métastatique. Ces résultats contrastent avec les résultats in vivo avec les mêmes lignées de sarcome de Kaposi, qui montrent qu'une diminution du perlecan entraîne une augmentation de l'angiogenèse, ce qui facilite la migration et est donc associée à une augmentation du grade tumoral. Le knockdown antisens du perlecan dans les lignées cellulaires de fibrosarcome a conduit à une croissance et une migration accrues à la fois in vitro et in vivo. Ces découvertes d'une plus grande tumorigenèse in vivo sont étayées par des données montrant que l'extrémité C-terminale de la protéine perlecan agit comme un module endostatique maintenant connu sous le nom d'endorépelline.

Une construction de ribozyme a été créée pour une utilisation dans la réduction des niveaux de traduction de perlecan. Ce ribozyme a été ciblé sur une séquence codant le domaine I de la protéine perlecan. Il a réduit l'expression de perlecan jusqu'à 80% dans la lignée cellulaire de cancer de la prostate C42B. Contrairement aux études discutées précédemment, ces cellules ont produit des tumeurs plus petites que leurs cellules parentales lorsqu'elles ont été injectées à des souris athymiques. Ce que cette disparité dans les résultats signifie pour l'invasion est inconnu, bien qu'il soit vrai que le perlecan fait partie de la matrice extracellulaire dans le tissu mésenchymateux, et les cellules subissant une transition épithéliale-mésenchymateuse (EMT) peuvent réguler positivement l'expression du perlecan dans le cadre de leur programmation EMT.

Diabète et maladies cardiovasculaires

Les taux de perlecan sont diminués dans de nombreux états pathologiques, par exemple le diabète , l' athérosclérose et l' arthrite . Le perlecan a un rôle important dans le maintien de la barrière de filtration glomérulaire. La diminution du perlecan dans la membrane basale glomérulaire joue un rôle central dans le développement de l'albuminurie diabétique . L'expression du perlecan est régulée à la baisse par de nombreux stimuli athérogènes et on pense donc que le perlecan joue un rôle protecteur dans l'athérosclérose. Le diabète et l'athérosclérose sont des syndromes fréquemment associés. 80% des décès associés au diabète impliquent une forme de complication athéroscléreuse, et la membrane basale de l'endothélium a été impliquée dans le processus athérogène. Il a été démontré que la synthèse d'héparane sulfate diminue dans les artères des diabétiques et dans les artères développant des lésions athéroscléreuses.

Le mécanisme par lequel le sulfate d'héparane a été régulé à la baisse dans ces lésions est resté inconnu pendant un certain temps. Une théorie affirme qu'un taux élevé de glucose dans la circulation pourrait entraîner une diminution de l'attachement de la chaîne GAG ​​au perlecan, mais pas nécessairement un changement dans la voie de synthèse des chaînes GAG ou celle de la protéine centrale. Après traitement des cellules endothéliales aortiques humaines avec un milieu riche en glucose, le perlecan sécrété contenait moins d'incorporation de sulfate accompagnée d'une incorporation globale de chaîne GAG ​​moindre. Bien qu'aucune voie de signalisation ne soit identifiée conduisant à cette diminution de l'incorporation de la chaîne GAG, il est suggéré que la perte de 30% de la glycosylation globale de la protéine pourrait signifier la perte de l'une des trois chaînes HS sur perlecan dans ce modèle d'hyperglycémie associée au diabète. Il est également noté que des diminutions similaires de HS extracellulaire sans changement de coloration pour les chaînes protéiques centrales se produisent dans les reins diabétiques et dans les cellules rénales en culture traitées avec un taux élevé de glucose.

L'athérosclérose est le plus souvent la cause des maladies coronariennes et d'autres affections cardiovasculaires, et une grande agrégation de protéine perlecane est symptomatique des plaques athéroscléreuses avancées. Les CMLV sont les producteurs de perlecan dans cette condition, ce qui signifie qu'une bonne partie de la recherche a été concentrée sur la compréhension des moyens de régulation positive du perlecan dans cette condition. Dans un test de l'effet des acides gras non estérifiés circulants (symptomatique du diabète et de l'athérogenèse) sur l'expression du perlecan par les CMLV, l'expression n'a pas changé par rapport aux cellules témoins. Cela contraste avec une augmentation de 2 à 10 fois de l'expression d'autres protéoglycanes de la membrane basale. La thrombine est un autre marqueur associé à l'athérogenèse et à la procoagulation, et elle régule sélectivement à la hausse la production de perlecan mais pas d'autres protéoglycanes dans les CMLV humaines en culture. Il est suggéré que cet effet n'est visible que lorsque les CMLV atteignent la confluence, mais pas avant la confluence. Ce concept est similaire aux études mentionnées précédemment montrant que le perlecan n'est produit par les CMLV qu'une fois qu'ils ont cessé de proliférer au cours du développement. Un autre marqueur de la voie athéroscléreuse est l'angiotensine II, qui régule également à la hausse l'expression du perlecan dans les CMLV en culture. Compte tenu de l'importance de l'expression du perlecan dans l'athérosclérose, il existe un potentiel de thérapie basée sur l'expression du perlecan et la recherche pourrait éventuellement aller dans cette direction.

Maladie génétique

Des mutations du gène HSPG2 , qui code pour le perlecan, provoquent une dysplasie dyssegmentaire, de type Silverman-Handmaker et un syndrome de Schwartz-Jampel .

Interactions

Il a été démontré que Perlecan interagit avec

Les références

Liens externes