Control of ligand-receptor interaction by tuning molecular environment

par Valentina Lo schiavo

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Pierre Bongrand.

Le président du jury était Philippe Dumas.

Le jury était composé de Pierre Bongrand, Philippe Dumas, Frédéric Pincet, Olivier Thoumine, Hai-Tao He, Laurent Limozin.

Les rapporteurs étaient Frédéric Pincet, Olivier Thoumine.


  • Résumé

    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 structurelles. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 - anti ICAM-1 pouvait être modifié 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 et 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. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et bivalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules.Les expériences d'adhésions ont été effectuées en variant la topographie du substrat 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. Pour interpréter ces résultats, un modèle qui prend en compte la zone de contact réel devrait être construit à partir des images AFM des échantillons.Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un minimum de temps 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, la simulation numérique 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, réduisant fortement la valeur de koff pour une 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.


  • Résumé

    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 – anti ICAM-1 interaction can be modified by playing i) on the multivalency of molecules involved in the bond ii) on the topography of surface and iii) on the mobility of ligands. The main technique used for this purpose was the laminar flow chamber, completed by single-particle tracking in fluorescence.The study on multivalency effects, using monomeric and dimeric ICAM-1, was performed in absence and presence of mechanical force, showing 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 subsequent rupture of bonds. The adhesion frequency of monovalent and divalent bonds exhibit different values accounted by difference in length of these molecules.Adhesion experiments were performed varying the topography of the substrate for the investigated molecules. A comparison of bond kinetics on these surfaces did not show differences either in attachment or in rupture. To interpret these results, a model which takes into account the real contact area should be built from the AFM images of the samples.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. While, numerical simulation predicted an effect on bond formation even at low ligand diffusion. The diffusion seemed to play a role in bond dissociation, strongly reducing the value of koff for fluid bilayer. This effect can be explained by the possible presence of multiple bonds due to ligand accumulation on the contact area.


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