Importance de la désimination dans l'homéostasie de l'épiderme et du follicule pileux

Importance of deimination in epidermis and hair follicle homeostasis

• Auteur / Autrice : Laura Cau
• Direction : Michel Simon, Hidenari Takahara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et fonctionnelle
• Date : Soutenance le 06/01/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité différenciation épidermique et auto-immunité rhumatoïde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épiderme

Follicule du poil

Homéostasie

Mots clés libres

Peptidyl-arginine désiminase

Peau

Cheveu

Filaggrine

Trichohyaline

Différenciation

Peptidylarginine deiminase

Skin

Hair

Filaggrin

Trichohyalin

Differentiation

Résumé

Les peptidyl-arginine désiminases (PADs) catalysent une modification post-traductionnelle, appelée désimination, qui correspond à la transformation des résidus arginine en résidus citrulline. À ce jour, leur rôle est encore mal compris, bien qu'elles aient été impliquées dans divers processus physiologiques et pathologiques. Dans l'épiderme et le follicule pileux, trois d'entre elles sont exprimées, les PAD1, 2 et 3. La désimination de la filaggrine (FLG), protéine essentielle de la différenciation épidermique, semble conduire à sa dissociation des filaments de kératines et permettre sa protéolyse totale. Les acides aminés libres ainsi générés sont nécessaires à la fonction de barrière que remplit la couche cornée, couche cellulaire la plus externe de l'épiderme. Dans le follicule pileux, la désimination de la trichohyaline (TCHH), protéine apparentée à la FLG, augmente sa solubilité et permet sa liaison covalente aux kératines par la transglutaminase 3 (TGase 3), ce qui participe à la formation de la tige pilaire. La description du rôle des PADs au cours de la différenciation des kératinocytes est cependant encore incomplète, et leurs implications dans les maladies de peau peu explorée. L'objectif de mon travail de thèse a été de mieux comprendre le rôle des PADs dans le métabolisme de la FLG et, plus généralement, dans l'homéostasie de l'épiderme et du follicule pileux. Tout d'abord, j'ai montré que la désimination de la FLG humaine par la PAD1 et/ou 3 est une étape majeure qui permet de réguler sa dégradation complète en fonction du taux d'humidité extérieure. Pour cela, j'ai utilisé comme modèle expérimental des épidermes reconstruits humains (ERHs). La diminution de l'humidité relative lors de leur production, de 95% à 30-50%, augmente la protéolyse de la FLG et la genèse des acides aminés correspondants. En parallèle, l'expression de la PAD1 et le taux de désimination de la FLG sont fortement accrus alors que ni l'expression ni l'activité des protéases impliquées dans cette protéolyse ne varient. De plus, le traitement d'ERHs pendant 24 heures avec un inhibiteur des PADs, le Cl-amidine, bloque en partie l'effet de la sécheresse sur le métabolisme de la FLG. J'ai ensuite recherché si la désimination joue un rôle plus global au cours de la différenciation des kératinocytes. J'ai traité des ERHs avec différentes concentrations de Cl-amidine pendant 48 heures et analysé l'effet du traitement sur leur morphologie. L'inhibition de la désimination est dose-dépendante et non toxique. À la plus forte concentration, le Cl-amidine entraîne un amincissement de la couche cornée, une augmentation importante du nombre de cellules transitionnelles, et l'accumulation de mitochondries et de vésicules dans le cytoplasme des kératinocytes granuleux. Ceci permet de proposer que la cornification, dernière étape de la différenciation kératinocytaire, est retardée. De plus, la protéine LC3B-II, marqueur des autophagosomes, étant plus fortement détectée dans les ERHs traités, les PAD1 et/ou 3 pourraient être impliquées dans le processus d'autophagie associé à la cornification.Enfin, j'ai participé à un nouveau projet collaboratif qui a permis de découvrir l'origine d'une maladie génétique rare, le syndrome des cheveux incoiffables. Des mutations des gènes de la TCHH, de la PAD3 ou de la TGase 3 ont été identifiées dans 11 familles et sont responsables de ce syndrome. La mutation non-sens du gène de la TCHH aboutit à la synthèse, si elle a lieu, d'une forme très courte, probablement incapable d'interagir avec les kératines. Les mutations des gènes de la PAD3 et de la TGase 3 induisent des changements structuraux et une quasi-absence de l'activité des enzymes correspondantes. De plus, les souris dont le gène de la Pad3 a été inactivé présentent des anomalies de la forme des poils. Ces résultats ont permis de comprendre la physiopathologie de cette maladie des cheveux et ont prouvé que la PAD3 est essentielle à leur morphogenèse.

Peptidylarginine deiminases (PADs) catalyze a post-translational modification, named deimination, corresponding to the transformation of arginine residues into citrulline. So far, their role is still poorly understood even if they have been associated with numerous physiological and pathological processes. In the epidermis and the hair follicle, three PADs are expressed, namely PAD1, 2 and 3. Deimination of filaggrin (FLG), a major protein of epidermal differentiation, would lead to its detachment from keratin filaments and allow its full proteolysis. The resulting free amino acids contribute to the barrier function of the cornified layer, the outmost cellular layer of the epidermis. In the hair follicle, deimination of trichohyalin (TCHH), a FLG-related protein, increases its solubility and improves its crosslinking by transglutaminase 3 (TGase 3) to keratins, contributing to the hair shaft formation. However, the function of PADs during keratinocyte differentiation is incompletely described and their involvements in skin diseases have been poorly investigated. The objective of my work was to better understand the role of PADs in the metabolism of FLG, and more generally in the epidermis and hair follicle homeostasis. First of all, I demonstrated that a major step in the metabolism of human FLG is its deimination by PAD1 and/or PAD3. This regulates its complete degradation according to the external humidity level. For this purpose, I used reconstructed human epidermis (RHEs) as an experimental model. Lowering relative humidity from 95 to 30-50% during RHE generation enhanced FLG proteolysis as well as the resulting amino acid amount. In parallel, PAD1 expression and FLG deimination were highly increased while the expression or activity of proteases known to target FLG did not vary. Moreover, treatment of RHEs during 24 hours with Cl-amidine, a PAD inhibitor, partially blocked the effect of dryness on FLG metabolism. Then, I investigated whether deimination could play a more general role during keratinocyte differentiation. I treated RHEs with various concentrations of Cl-amidine during 48 hours and I analyzed the effect of treatments on the epidermis morphology. The inhibition of deimination was dose-dependent and not cytotoxic. At the strongest concentration, Cl-amidine was shown to cause thinning of the cornified layer, to highly increase the number of transitional cells and to induce accumulation of mitochondria and vesicles in the cytoplasm of granular keratinocytes. This suggested that cornification, the ultimate stage of keratinocyte differentiation, is slowed down by Cl-amidine treatment. Besides, as the autophagosome marker LC3B-II was up-regulated in Cl-amidine treated RHEs, PAD1 and/or PAD3 could be involved in the cornification-associated process of autophagy. Finally, I participated in a new collaborative work that led to discover the cause of uncombable hair syndrome, a rare genetic disorder. Mutations of the genes encoding TCHH, PAD3 and TGase 3 were identified in 11 families and were shown to be responsible for the disease. The nonsense mutation in TCHH gene results in the synthesis, if any, of a very short protein, probably not able to interact with keratins. Mutations in PAD3 and TGase3 genes were shown to induce structural changes and almost total absence of activity of the corresponding enzymes. Moreover, examination of Pad3 deficient mice revealed alterations in the hair morphology. These results allowed a better understanding of this hair disease physiopathology and proved that PAD3 is essential for the hair shaft morphogenesis.