Surfaces biomimétiques pour caractériser les interactions induites par les glycosaminoglycanes aux niveaux moléculaire, supramoléculaire et cellulaire

par Dhruv Thakar

Thèse de doctorat en Chimie biologie

Sous la direction de Liliane Guérente.

Soutenue le 07-09-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de chimie moléculaire (Grenoble) (laboratoire) et de Département de Chimie Moléculaire (laboratoire) .

Le président du jury était Corinne Albiges-Rizo.

Le jury était composé de David Fernig, Ralf P. Richter, Didier Boturyn.

Les rapporteurs étaient Dorothe Spillmann, Sofia Svedhem.


  • Résumé

    L'adhésion contrôlée et la migration orientée des cellules est fondamentale pour plusieurs processus physiologiques et pathologiques. Une famille de polysaccharides linéaires, connus sous le nom de glycosaminoglycanes (GAG) est impliquée dans l'organisation et la présentation des protéines de signalisation, les chimiokines, à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire (ECM). Les travaux concernent le développement de surfaces biomimétiques bien définies aux niveaux moléculaires et supramoléculaires pour l‘étude des mécanismes d'intéractions protéines-GAG et l'analyse de la réponse cellulaire à des signaux biochimiques et biophysiques spécifiques. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre les communications cellule-cellule et cellule-matrice induites par les GAGs.En utilisant la ligation oxime, les GAGs peuvent être fonctionnalisés de manière stable par la biotine à leur extrémité réductrice, ce mode de couplage s'est avéré déterminant pour préparer des surfaces fonctionnalisées par les GAGs de manière stable. Une monocouche de streptavidine est utilisée comme plateforme modulable pour assembler séquentiellement les molécules biotinylées, avec une orientation et des densités de surface contrôlées. Des GAGs (les héparane sulfate (HS), en particulier), des chimiokines et d'autres composants de l'ECM (par exemple un ligand d'adhésion cellulaire, RGD) ont été assemblés reconstituant certains aspects des surfaces in vivo (cellules ou de l'ECM). La microbalance à quartz (QCM-D) et l'ellipsométrie spectroscopique nous ont permis de caractériser et de contrôler la présentation supramoléculaire du HS et du RGD. Ces surfaces modèles ont été utilisées pour étudier les interactions supramoléculaires entre le HS et la chimiokine SDF-1α/CXCL12α facteur d'origine stromale et pour analyser les réponses cellulaires aux signaux extracellulaires. Nos données apportent la preuve que la chimiokine, CXCL12α rigidifie les assemblages de HS, et que cet effet est dû à la réticulation des chaînes de HS induite par la protéine. La cinétique des interactions HS-chimiokine a été quantifiée en utilisant la résonance plasmonique de surface (SPR). Nous avons également démontré que le mode de présentation de la chimiokine sur la surface, en particulier la présence des HS, influence le comportement des myoblastes. Nos données montrent que les récepteurs cellulaires CXCR4 (récepteur de la CXCL12α) et l'intégrine (récepteur du RGD) peuvent agir en synergie pour contrôler l'adhésion et la migration cellulaire. Ces surfaces modèles fournissent des indications précieuses qui pourront être appliquées au domaine de la glycobiologie, par exemple, pour étudier le rôle des GAGs dans la migration cellulaire induite par les chimiokines.

  • Titre traduit

    Well-defined biomimetic surfaces to characterize glycosaminoglycan-mediated interactions on the molecular, supramolecular and cellular levels


  • Résumé

    The oriented migration and controlled adhesion of cells is fundamental to many physiological and pathological processes. A family of linear polysaccharides, known as glycosaminoglycans (GAGs), help organizing and presenting signaling proteins, so-called chemokines, on the cell surface and in the extracellular matrix thus regulating cellular behavior. The objective of this PhD thesis was to develop biomimetic surfaces that are highly defined and tunable, for mechanistic studies of GAG-protein interactions on the molecular and supramolecular levels, and to probe cellular responses to defined biochemical and biophysical cues to better understand GAG-mediated cell-cell and cell-matrix communications.Applying oxime ligation, GAGs could be stably functionalized with biotin at the reducing end, and these features proved crucial for the reliable preparation of GAG-functionalized surfaces. A streptavidin monolayer served as a ‘molecular breadboard' to sequentially assemble biotinylated molecules with controlled orientation and surface densities. GAGs (heparan sulfate (HS) in particular), chemokines and other ECM components (e.g. integrin ligands promoting cell adhesion, RGD) were assembled into multifunctional surfaces that recapitulate selected aspects of the in vivo situation. Quartz crystal microbalance (QCM-D) and spectroscopic ellipsometry permitted us to characterize and control the supramolecular presentation of HS and RGD. These model surfaces were used to study the supramolecular interactions between HS and the selected chemokine stromal derived factor SDF-1α/CXCL12α and to analyze cellular responses to extracellular cues. Our data provide evidence that CXCL12α binding rigidifies HS assemblies, and that this effect is due to protein-mediated cross-linking of HS chains. The kinetics of chemokine binding to HS was quantified using surface plasmon resonance (SPR). We also demonstrate that the way in which the chemokine is presented, and in particular the presence of HS, is important for regulating myoblast behavior. Our data shows that the cell surface receptors CXCR4 (the CXCL12α receptor) and integrins (the RGD receptor) can act synergistically in controlling cellular adhesion and migration. These surfaces can generate novel insights in the field of glycobiology, e.g. in dissecting the function of GAGs in chemokine-mediated cellular migration.

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