Communication scientifique
Séance du 24 octobre 2006

Les glycosyltransférases chondrocytaires : nouvelles cibles pharmacologiques pour les atteintes dégénératives du cartilage articulaire ?

MOTS-CLÉS : chondrocyte. glycosaminoglycane. glycosyltransférase. maladies articulaires. protéoglycanes. thérapeutique.
Chondrocyte glycosyltransferases : new pharmacological targets for degenerative diseases of articular cartilage ?
KEY-WORDS : chondrocytes. glycosaminoglycans. glycosyltransferases. joint diseases. proteoglycans. therapeutics.

Jacques Magdalou, Mohamed Ouzzine, Patrick Netter*, Sylvie FournelGigleux

Résumé

L’arthrose, les arthrites et autres maladies dégénératives du cartilage sont des pathologies invalidantes, parfois sévères qui affectent une grande partie de la population. La fréquence de ces pathologies va crescendo du fait de l’allongement de l’espérance de vie, ce qui constitue un enjeu majeur de santé publique pour les années à venir. D’où l’importance du diagnostic et dépistage précoces, mais aussi de la mise en place de nouvelles voies thérapeutiques efficaces pour traiter ces pathologies liées au vieillissement. Notre objectif est de développer de nouvelles thérapeutiques pour les maladies ostéo-articulaires en gardant présent à l’esprit que le cartilage est un des rares tissus de l’organisme qui se régénère peu. Dans ce contexte, notre groupe vise à rechercher, identifier et caractériser des protéines-clés impliquées dans la biosynthèse des composés de la matrice cartilagineuse. Une stratégie originale de bio-ingénierie du cartilage consiste à surexprimer, par transfert de gènes, au niveau du tissu déficient des facteurs natifs ou recombinants susceptibles de stimuler l’activité anabolique du chondrocyte, de manière à promouvoir la régénérescence matricielle. La perte des constituants matriciels, en particulier celle des glycosaminoglycanes (GAG), constitue un facteur déterminant et le plus précoce de détérioration du cartilage. Ainsi, nous nous sommes intéressés aux glycosyltransférases impliquées dans la biosynthèse de l’amorce tétrasaccharidique commune à l’ensemble des GAG, plus particulièrement à la galactose β 1,3-glucuronosyltransférase-I (GlcAT-I) qui catalyse une étape limitante de la biosynthèse des GAG matriciels. Nous avons pu montrer que toute variation de l’activité de la GlcAT-l dans les chondrocytes et les explants de cartilage soit par surexpression, soit, au contraire par répression de l’ADNc au moyen d’ARN antisens, provoquait une augmentation et une diminution de la teneur en GAG matriciels, respectivement. De façon intéressante, la surexpression de cette enzyme dans ces systèmes biologiques est capable de s’opposer complètement à une déplétion des GAG provoquée expérimentalement par une cytokine proinflammatoire, l’interleukine 1- β . Les GAG néoformés sont qualitativement similaires à ceux présents dans la matrice cartilagineuse originale. Cette étude ouvre des perspectives thérapeutiques prometteuses privilégiant des stratégies de transfert de gènes. De façon complémentaire, nous avons effectué une étude structurale et fonctionnelle de la GlcAT-I recombinante humaine après expression dans la levure méthylotrophe Pichia pastoris, qui a permis de définir les bases moléculaires de la reconnaissance des substrats donneur et accepteur de l’enzyme. Cette étude, faisant appel à des techniques de génie génétique et protéique, ainsi qu’à la modélisation moléculaire et à la glycochimie, doit permettre de proposer des glycomimétiques originaux capables de stimuler la biosynthèse des GAG. En conclusion, les deux approches que nous utilisons, transfert de gènes codant pour des glycosyltransférases sélectionnées, conception de glycomimétiques, constituent de nouvelles voies thérapeutiques axées sur la réparation du cartilage arthrosique.

Summary

Arthritis, osteoarthritis and other degenerative diseases characterized by cartilage deterioration are the most prevalent chronic human health disorders. Despite their major socioeconomic impact there is still no satisfactory treatment. Their frequency is increasing with the lengthening of life expectancy, creating a major public health challenge for coming years. It is important to diagnose such diseases at an early stage and to develop new effective therapies. We are attempting to develop new therapeutic approaches in this context, keeping in mind that cartilage is one of the few human tissues which is unable to regenerate. We intend to identify and characterize key proteins involved in the biosynthesis of cartilage matrix components. One innovative strategy consists of gene transfer, triggering overexpression of native or recombinant factors that can stimulate chondrocyte anabolic activity in order to promote cartilage repair. The loss of matrix components, and especially glycosaminoglycans (GAG), is the earliest event in cartilage degeneration. We therefore looked at glycosyltransferases, and especially galactose β 1,3-glucuronosyltransferase-I (GlcAT-1), which catalyses one of the first steps in GAG biosynthesis. We found that any variation in GlcAT-I activity in chondrocytes or cartilage explants (overexpression, or repression with antisense RNA) affected the GAG content of cartilage. Interestingly, overexpression of this enzyme completely counteracted the GAG depletion produced by the proinflammatory cytokine interleukin 1- β . The neosynthesized GAG was qualitatively identical to that present in the original cartilage matrix. These results are encouraging for therapeutic approaches based on gene transfer. We also investigated the structure-function relationship of human recombinant GlcAT-I upon expression in the methyltrophic yeast Pichia pastoris. This allowed us to determine the molecular basis of the recognition of the donor and acceptor substrates of the enzyme. This multidisciplinary research, based on genetic and protein engineering, molecular modelling and glycochemistry will lay the groundwork for designing original glycomimetics able to stimulate GAG synthesis.

INTRODUCTION

Le développement de nouvelles thérapeutiques pour les maladies ostéo-articulaires caractérisées par une altération progressive du cartilage, avec perte de ses propriétés mécaniques, est un enjeu médical et économique de premier plan. L’arthrose, rhumatisme dégénératif, et les arthrites rhumatismales, de nature inflammatoire, arrivent au tout premier rang des maladies articulaires. Ces maladies à la fois chroniques et évolutives, dont la prévalence peut dépasser 90 % chez les personnes de plus de 65 ans, altèrent leur qualité de vie et sont une des principales causes de consultation médicale, de consommation médicamenteuse et d’handicap. On estime que 4,6 millions de personnes souffrent d’une arthrose symptomatique en France, ce qui génère un coût annuel de 2,6 milliards d’euros pour leur prise en charge et leur hospitalisation, incluant la mise en place de 120 000 prothèses de hanche ou de genou.

La fréquence de ces pathologies augmente du fait de l’allongement de l’espérance de vie, ce qui constitue un problème majeur de santé publique pour les années à venir.

Ceci souligne l’importance de leur diagnostic et dépistage précoces, et nécessite de développer de nouvelles thérapeutiques pour ces pathologies associées au vieillissement.

En dépit de leur impact socio-économique important, il n’existe pas actuellement de prise en charge globalement satisfaisante des lésions dégénératives du cartilage.

Parmi les traitements non médicamenteux, la mise en place de prothèses est réservée aux formes évoluées de la maladie arthrosique. Les autres options incluent la rééducation, la prescription de substances réputées chondroprotectrices, et dans certains cas, l’ingénierie du cartilage (biomatériaux, greffes…). Cependant la prescription de médicaments antalgiques, voire anti-inflammatoires, au prix parfois d’effets indésirables, soulage la symptomatologie sans enrayer significativement la progression de la maladie.

Le cartilage est un tissu avasculaire dans lequel les chondrocytes sont isolés les uns des autres par une matrice extracellulaire dense composée de fibres (notamment du collagène de type II), des polymères solubles (principalement des protéoglycanes (PG)) et de l’eau (Fig. 1). Le cartilage articulaire contient également des protéines non-PG et non collagéniques (principalement des glycoprotéines comme la fibronectine) qui interagissent avec d’autres constituants matriciels et avec des protéines de surface cellulaires, comme les intégrines, pour former un réseau garantissant l’homéostasie de ce tissu.

L’arthrose, la maladie la plus fréquente du système musculo-squelettique, est la conséquence de processus mécaniques et biologiques qui rompent l’homéostasie du cartilage, de la synoviale et de l’os sous-chondral. Cette perte d’homéostasie est provoquée principalement par une production locale de cytokines inflammatoires comme l’interleukine-1β (IL-1β), par les chondrocytes et les synoviocytes qui favo-

FIG. 1. — L’agrécane du cartilage articulaire : sa structure et les glycosyltransférases impliquées dans sa biosynthèse.

risent à la fois la dégradation des constituants matriciels par les métalloprotéases et l’inhibition de leur biosynthèse. Durant les phases précoces de la dégénérescence cartilagineuse, il y a une augmentation transitoire de l’anabolisme des composants matriciels qui est suivie immédiatement par une perte importante de ces substances.

Cette perte qui concerne surtout les PG est l’évènement le plus précoce conduisant à l’érosion éventuellement complète de la surface articulaire.

Plusieurs approches ont été proposées pour stimuler la réparation du cartilage. La plupart de ces stratégies ont pour but de s’opposer au phénomène de dégradation.

Par exemple, des agents biologiques tels que les inhibiteurs de TNFα (anticorps, récepteurs solubles) ou de l’IL-1β (IL-1-Ra) sont certes capables de s’opposer aux effets destructeurs de ces cytokines sur le cartilage, mais leurs effets sont limités aux pathologies inflammatoires comme la polyarthrite rhumatoïde et ne s’accompagnent pas d’une stimulation de la synthèse des composants matriciels [1]. Pour le traitement de l’arthrose, des facteurs de croissance ont été utilisés à titre expérimental. L’administration locale de TGFβ augmente certes la biosynthèse des PG [2].

Toutefois, le transfert du gène codant pour ce facteur de croissance doit être pratiqué avec précaution, compte-tenu de ses effets multiples. Ces résultats décevants incitent donc à identifier d’autres facteurs plus efficaces et plus spécifiques, et à développer conjointement de nouvelles approches pour stimuler la synthèse des PG et la réparation cartilagineuse.

Nos travaux visent à maintenir ou à rétablir l’homéostasie du cartilage en privilé- giant l’étude des enzymes de biosynthèse des constituants matriciels, en particulier
les PG. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux glycosyltransférases chondrocytaires. Ces enzymes réalisent l’assemblage étape par étape et de façon coordonnée des glycosaminoglycanes (GAG), macromolécules polysaccharidiques contituants des PG [3].

Structure des protéoglycanes et les glycosyltransférases

Les PGs sont des macromolécules constituées d’une protéine centrale sur laquelle sont attachées de façon covalente plusieurs chaînes de GAG. Les GAG sont des polymères hétéropolysaccharidiques linéaires constitués de répétition d’unités disaccharidiques. Ils diffèrent par la composition de leur unité disaccharide élémentaire, le type de liaison glycosidique entre ces motifs et la nature de leurs composants.

Ces chaînes peuvent être modifiées par l’introduction de résidus d’ester de sulfate, phosphate ou acétyle, conduisant ainsi à une grande diversité structurale de ces polysaccharides. Ces groupements permettent aux GAG tels que les héparanes sulfates (HS) et les chondroïtines sulfates (CS) de posséder de nombreuses charges négatives leur permettant d’interagir avec d’autres molécules et avec l’eau. Les HS sont des glucosaminoglycanes constitués d’une répétition d’unité disaccharidique formée par un acide glucuronique (GlcA) lié à une glucosamine N -acétylée (Glc-

NAc), [GlcNAcα1-4GlcAβ1-4], tandis que l’unité disaccharidique constitutive des CS (galactosaminoglycanes) correspond à un GlcA fixée à une galactosamine N -acétylée (GalNAc), [GalNAcβ1-4GlcAβ1-3], (Fig. 1).

Le PG le plus abondant de la matrice cartilagineuse est l’agrécane. Cette macromolécule d’une masse moléculaire d’environ 2500 kDa est constituée d’une protéine centrale de 210-250 kDa sur laquelle est fixé un très grand nombre de chaînes GAG constituées de kératane sulfate et de façon majoritaire, de CS (Fig. 1). L’agrécane interagit via la protéine centrale à l’acide hyaluronique, constituant ainsi un réseau dense propice à l’hydratation de la matrice cartilagineuse. D’un autre côté, les chaînes de CS interagissent avec de nombreuses substances assurant l’homéostasie du cartilage, en particulier des facteurs de croissance.

La bioynthèse des GAGs fait intervenir de façon séquentielle et synchrone un grand nombre de glycosyltransférases (GTs) (Fig. 1). Elle nécessite au préalable la formation d’une amorce tétrasaccharidique commune à l’ensemble des GAG (GlcAβ1,3Galβ1,3Galβ1,4Xyl-O-Sérine) permettant l’ancrage de la chaîne glycosaminoglycanique à la protéine core via un résidu sérine [4]. La formation de cette amorce débute dans le réticulum endoplasmique et se termine dans le Golgi [5]. Elle fait intervenir une xylosyltransférase (Xyl-T) qui fixe un résidu xylose à partir du nucléotide UDP-Xyl, sur certains résidus sérine de la protéine porteuse [6]. Ensuite, deux galactosyltransférases, la β4-galactosyltransférase 7 (GalT-I) et la β4-galatosyltransférase 6 (GalT-II), vont assurer la fixation de deux résidus galactose sur le xylose [7]. Enfin la galactose β1,3-glucuronosyltransférase-I (GlcAT-I) catalyse l’étape finale de la synthèse de l’amorce tétrasaccharidique par l’addition d’un acide glucuronique (GlcA) à partir de substrat donneur, l’UDP-GlcA [8] (Fig. 1). A partir
de cette amorce commune, la polymérisation des chaînes de GAGs est effectuée par de nombreuses GTs telles que EXT1 et EXT2 lors de la polymérisation des HS et par des chondroïtine sulfate synthase dans le cas des CS. C’est à ce niveau que s’effectue l’aiguillage vers la formation de CS ou de HS selon qu’un résidu N -acétylgalactosamine ou

N -acétylglucosamine est attaché au GlcA terminal, respectivement.

Les chaînes de CS sont modifiées par l’action conjuguée d’épimérases et de sulfotransférases, ce qui contribue à augmenter la complexité et la fonctionnalité de ces macromolécules. Récemment des modifications de l’amorce tétrasaccharidique par sulfation sur les galactoses et phosphorylation sur le 2-OH du xylose ont été observées. Bien que le rôle de ces substitutions ne soit pas compris précisément, il a été suggéré que la sulfatation et la phosphorylation pourraient réguler la biosynthèse et la maturation des chaînes GAG.

La GlcAT-I : importance stratégique et fonctionnelle

Parmi les multiples glycosyltransférases impliquées dans la biosynthèse des GAG, la GlcAT-1 a retenu notre attention. Ce choix est supporté par une série d’arguments :

— La GlcAT-I participe à la construction de l’amorce tétrasaccharidique commune à l’ensemble des chaînes GAG en catalysant l’étape finale par addition d’un GlcA. Cette position apparaît stratégique au niveau d’un aiguillage conduisant à la formation des HS ou des CS.

— Il a été montré que la GlcAT-I constitue un facteur limitant de la biosynthèse des GAG dans des cellules CHO [9]. De façon complémentaire, les mutations du gène sqv-8 codant pour l’équivalent de la GlcAT-1 dans C. elegans affectent cette formation [10].

— Enfin, nous avons récemment montré chez le rat que la cytokine proinflammatoire, IL-1β, produite au cours de la pathologie arthrosique réprime l’expression de la GlcAT-I. De façon intéressante, la diminution de l’activité enzymatique observée s’accompagne d’une réduction significative de la production des GAG [11].

Compte-tenu des propriétés de la GlcAT-I et dans l’optique de stimuler la biosynthèse des GAG dans des situations de pathologies dégénératives du cartilage, cette enzyme constitue une cible protéique prometteuse en vue du développement de nouvelles thérapeutiques basées sur la restauration de la matrice cartilagineuse.

Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons entrepris une étude approfondie des caractéristiques de la GlcAT-I en privilégiant simultanément deux approches :

— Surexpression de la GlcAT-I au niveau du cartilage par transfert de gène. Cette stratégie originale de bioingénierie tissulaire est susceptible de stimuler l’activité anabolique du chondrocyte, de manière à promouvoir la régénérescence matricielle.

— Etude structurale et fonctionelle de l’enzyme humaine après clonage et expression dans des systèmes hétérologues. La détermination des bases moléculaires de la reconnaissance des substrats de la GlcAT-I au niveau du site actif et du mécanisme catalytique impliqué constitue un préalable à la conception de glycomimétiques capables de s’incorporer dans les chaînes de GAG et d’initier leur biosynthèse. Ces études doivent déboucher sur le développement de substances pharmacologiquement actives.

La GlcAT-I est capable de s’opposer à la déplétion en PG provoquée par IL-1 β dans le cartilage

Dans un premier temps, afin de démontrer l’importance physiologique de la GlcAT-I humaine dans la biosynthèse des GAG, nous avons réalisé des expériences de répression ou au contraire de surexpression de l’enzyme dans des chondrocytes et des explants de cartilage de rat [12]. Nous avons synthétisé des oligonucléotides anti-sens capables d’inhiber l’expression de la GlcAT-1. Cette répression s’accompagne d’une diminution importante de la biosynthèse des PG matriciels estimée par mesure de l’incorporation de 35S-sulfate dans la fraction GAG et par analyse histologique et immunohistochimique. Au contraire, la surexpression de la GlcAT-I au moyen d’un système de transfert de gène non viral dans des chondrocytes ou des explants de cartilage provoque une augmentation significative de la biosynthèse et de l’accumulation des PG mesurée par les mêmes techniques. Une analyse détaillée de la composition et de la taille des GAG néosynthétisés par la technique FACE (fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis [13], et par immunohistochimie au moyen d’anticorps monoclonaux dirigés contre les chondroitin-4 et —6 sulfates a révélé que la GlcAT-1 augmente la teneur en GAG, en particulier les CS, mais pas la taille des chaînes qui est comparable à celle des GAG naturellement présents. De façon intéressante, la surexpression de la GlcAT-I stimule l’initiation des chaînes de CS. Ces expériences démontrent le rôle crucial de l’enzyme dans l’anabolisme des GAG. Il était donc intéressant de déterminer l’impact de la surexpression de l’enzyme sur des explants de cartilage dont la teneur en PG a été déplétée par traitement des chondrocytes et des explants de cartilage par IL-Iβ. Dans ces conditions, l’enzyme est capable de restaurer la quantité en PG à des niveaux similaires au contrôle. De plus, la surexpression de la GlcAT-I dans des explants de cartilage exerce un effet protecteur contre la déplétion des PG provoquée par IL-1β.

En conclusion, cette étude qui montre que la GlcAT-1 contrôle et réverse les effets délétères provoqués par la cytokine en termes de teneur de GAG jette les bases pour une approche de thérapie cellulaire visant à promouvoir la réparation du cartilage dans les maladies dégénératives articulaires.

La GlcAT-I : étude structurale et mécanistique

La conception de glycomimétiques capables de s’incorporer dans les chaînes GAG et d’initier leur biosynthèse constitue une stratégie ambitieuse pouvant déboucher sur des substances pharmacologiquement actives. Un traitement combinant l’administration de ces composés à la thérapie cellulaire précédemment décrite pourrait accélérer la restauration de la matrice cartilagineuse. Le développement de telles substances passe par la détermination des mécanismes moléculaires qui sont responsables de la reconnaissance des substrats donneur et accepteur de la GlcAT-I et qui gouvernent la stéréospécificité de la réaction enzymatique. Dans ce contexte, notre groupe s’est fortement investi dans l’analyse structurale de la GlcAT-I recombinante humaine après clonage de l’ADNc et production en masse de la protéine enzymatique dans la levure méthyltrophique Pichia pastoris [14, 15]. Utilisant essentiellement des techniques de mutagénèse dirigée et de modélisation moléculaire, prenant comme modèle la structure tri-dimensionnelle de la GlcAT-1 cristallisée [16] et faisant appel à un partenariat avec des glycochimistes et de biostatisticiens, nous avons contribué à apporter des informations nouvelles sur l’organisation structurale et le fonctionnement de cette enzyme :

la spécificité stricte de la GlcAT-I vis-à-vis du substrat donneur, UDP-GlcA est régie par His 308

Nous avons déterminé les acides aminés gouvernant la spécificité de la GlcAT-I vis-à-vis du substrat donneur, l’acide UDP-glucuronique. Une modélisation molé- culaire du site actif à partir des éléments structuraux disponibles sur la structure 3-D de l’enzyme a permis de postuler l’implication des résidus His308 et Arg277 au niveau du site de fixation de l’acide glucuronique par l’intermédiaire d’un réseau de liaisons hydrogènes. Leur rôle a été analysé par mutagenèse dirigée. Plusieurs mutants ont été construits (H308A, H308R, R277A, H308R/R308A). Un des résultats les plus marquants de cette étude porte sur la mutation de l’His308 en arginine. Cette mutation modifie profondément la spécificité de substrat de l’enzyme vis à vis de UDP-GlcA ; la protéine étant rendue capable d’accepter des UDPhexoses (UDP-glucose, UDP-mannose, UDP- N -acétylglucosamine). L’activité mesurée avec ces substances est comparable à celle obtenue avec le substrat donneur naturel. Cette propriété est intéressante car elle suggère la possibilité de biosynthé- tiser des chaînes oligosaccharidiques nouvelles susceptibles de présenter des activités pharmacologiques potentiellement intéressantes [17]. Très récemment, l’organisation structurale du site de fixation de l’UDP-GlcA, en particulier de la partie UDP a été affinée, notamment à partir d’études phylogénétiques prenant en compte la séquence de glycosyltransférases du monde animal et végétal. Une telle approche a permis d’identifier des acides aminés qui interagissent avec l’uridine [18].

la sulfatation des deux galactoses de l’amorce module l’activité de la GlcAT-I

Des études structurales des chaînes GAG ont établi la présence de modifications de l’amorce tétrasaccharidique par sulfatation et par phosphorylation des groupements hydroxyles. Les substitution par du sulfate sont rencontrées aux positions C-4 et/ou C-6 des deux galactoses, tandis que la présence du phosphate est observée exclusivement sur la position C-2 du xylose. En particulier la sulfatation en position C-6 du galactose 2 (vicinal au GlcA) constitue une modification majeure des chaînes de CS de l’agrécane chez l’homme [19].

Nous avons déterminé l’importance de la modification structurale de l’amorce tétrasaccharidique au niveau des deux résidus galactose par sulfatation et au niveau du xylose par phosphorylation sur la régulation de l’activité de la GlcAT-I et la GalT-I. Pour ce faire, une « chimiothèque » comportant un ensemble des motifs saccharidiques modifiés ou non a été établie [20]. Nous avons ainsi pu montré que, parmi les dérivés isomères de position sulfatés des galactoses en positions C-4 et C-6, seul le dérivé sulfaté en C-6 du galactose 1 est substrat de la GlcAT-I. De façon interessante, l’efficacité de l’enzyme est largement supérieure vis-à-vis du dérivé sulfaté, comparé à l’analogue non sulfaté. Le xylose phosphorylé en C-2 n’est pas subtrat de la GalT-I. Au vu de ces résultats, il est donc possible que ces modifications soient des signaux d’arrêt de la biosynthèse des chaînes GAG, ou au contraire de stimulation de la machinerie enzymatique. Il n’est cependant pas exclu, compte tenu de la présence de sulfate sur le C-6 du galactose 2, que ces modifications interviennent une fois la chaîne polysaccharidique constituée. Cette étude démontre l’importance de ces modifications dans le contrôle de l’activité des GT, un processus qui pourrait réguler la biosynthèse et la maturation des chaines GAG [21]. La sulfatation en position C-6 du galactose 1 pourrait être mise à profit pour stimuler l’anabolisme des GAG.

Quelles sont les retombées thérapeutiques pour l’arthrose ?

Les résultats que nous venons de décrire démontrent l’importance de la contribution de la GlcAT-I dans l’anabolisme des GAG. Ces travaux soulignent son intérêt comme cible protéique potentielle permettant d’envisager de nouvelles thérapeutiques basées sur la restauration de la matrice cartilagineuse. La Figure 2 illustre trois stratégies susceptibles d’être utilisées à cette fin.

— Surexpression de la GlcAT-I dans des chondrocytes. Cette approche consiste à prélever un fragment de cartilage sain afin de récupérer les chondrocytes. Par transfert de gène, l’ADNc codant pour la GlcAT-I est ensuite introduit dans la cellule, afin de surexprimer la protéine. Les chondrocytes ainsi modifiés sont associés à des biomatériaux de type polysaccharidique développés dans l’UMR 7568 CNRS-INPL (E. Dellacherie, Nancy) qui sont connus pour améliorer la prolifération des cellules ainsi que leurs potentialités chondrogéniques. L’ensemble est ensuite implanté au niveau des lésions de l’articulation.

FIG. 2. — Stratégies de réparation de la matrice cartilagineuse. (Structure de la GlcAT-I, PDB code IFGG).

— Transfert du gène codant pour la GlcAT-I dans l’articulation à l’aide de vecteurs non viraux ou par électroporation. Notre laboratoire a développé cette dernière technique de vectorisation originale et non toxique en collaboration avec L.M. Mir (IGR, Villejuif). Des impulsions électriques courtes et contrôlées modifient la membrane cellulaire de façon réversible et la rendent perméable à des agents modifiant l’expression génique, comme des ADNc ou des ARN. L’intérêt d’une telle technique a été démontré pour la vectorisation articulaire d’une substance chondroprotectrice, HSP70 [22, 23].

— Conception de glycomimétiques capables d’initier la biosynthèse des GAG. Les études structurales et fonctionnelles entreprises sur la GlcAT-I, notamment l’élucidation des mécanismes de reconnaissances des substrats donneur et accepteur, constituent des bases rationnelles pour la synthèse de substances pouvant stimuler la production de ces oligosaccharides.

Conclusions et perspectives

Les glycosyltransférases chondrocytaires impliquées dans les phases précoces de la biosynthèse des GAG sont de nouvelles cibles protéiques peu explorées à ce jour pour le développement de nouvelles thérapeutiques pour l’arthrose. Les résultats prometteurs issus de ce travail soulignent l’intérêt d’étudier de tels systèmes enzymatiques.

Compte tenu du rôle de plus en plus prépondérant joué par les oligosaccharides dans les évènements cellulaires essentiels (différenciation, croissance, communication, …), les glycosyltransférases apparaissent comme des acteurs incontournables de ces mécanismes. Une meilleure connaissance de leur structure et leur fonction doit déboucher sur la conception de molécules pharmacologiquement actives non seulement pour les arthropathies, mais également dans le domaine des cancers et des maladies dégénératives. De façon complémentaire, les progrès récents réalisés dans les domaines de la glycobiologie et de la glycochimie liés à l’intérêt grandissant que représentent les oligosaccharides devrait déboucher sur une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires faisant intervenir de tels composés.

REMERCIEMENTS

Cette étude a bénéficié du soutien de la Région Lorraine et de la Communauté Urbaine du Grand Nancy (CUGN). Elle a été financée par les contrats Ingénierie Tissulaire Biomécanique-Biomatériaux (IT2B) CNRS-INSERM, Programme National sur les Maladies Ostéoarticulaires (INSERM Pro-A 0401), Agence Nationale de la Recherche (ANR-05-Blanc-0198-02), et Action Concertée Incitative « Biologie Cellulaire, Moléculaire et Structurale » BMCS 152.

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DISCUSSION

M. Louis DOUSTE-BLAZY

Quels sont les régulateurs des glycosyltransférases, susceptibles d’activer ou d’inhiber la biosynthèse des glycosaminoglycanes ?

Il est en effet important de connaître les substances capables de réguler l’expression des glycosyltransférases chondrocytaires, ainsi que les mécanismes moléculaires qui les régissent car c’est un moyen de moduler l’activité de ces enzymes et, du même coup, la biosynthèse des protéoglycanes matriciels. Dans ce contexte nous nous sommes intéressés à la régulation de la GlcAT-I par l’interleukine 1-beta. Nous avons montré que cette cytokine proinflammatoire produite au cours des pathologies articulaires est capable de réprimer l’activité du gène qui code pour cette enzyme, avec pour conséquence une diminution du taux de protéoglycanes. De façon intéressante nous avons pu montrer que la glucosamine, substance utilisée fréquemment pour lutter contre la dégénérescence cartilagineuse est capable de s’opposer à cette répression. Ce résultat constitue un mécanisme d’action susceptible d’expliquer en partie les effets bénéfiques de ce sucre aminé. Plus récemment nous avons établi le rôle du calcium dans la régulation de l’activité de la GlcAT-I afin d’expliquer pourquoi cet élément est capable de moduler la biosynthèse des protéoglycanes. Nous avons pu montrer, au moyen d’ionophores ou de chélates calciques, que l’expression du gène codant pour la GlcAT-I est induite par une augmentation du calcium intracellulaire. Cette régulation fait appel au facteur de transcription Sp1 se fixant sur le promoteur du gène après activation de la voie de signalisation impliquant les MEK/ERK kinases.

M. Jean-Paul GIROUD

Comment pourrait-on concevoir des glycomimétiques capables d’initier la biosynthèse des glycosaminoglycanes ? Les résultats sont-ils transposables chez l’homme ?

Le développement d’une substance capable d’initier la biosynthèse des glycosaminoglycanes constituerait un progrès indéniable dans la recherche de nouveaux médicaments contre l’arthrose. A cette fin, nous avons entrepris des études structurales de glycosyltransférases chondrocytaires humaines, en particulier la GlcAT-I, afin de mieux comprendre les mécanismes de reconnaissance des substrats de cette enzyme. Ces études fondamentales ont conduit à une représentation réaliste de l’organisation spatiale du site actif. Cette information importante a été utilisée pour concevoir, par des expériences de docking in silico des substances susceptibles d’être acceptées comme substrats et de
promouvoir la biosynthèse des glycosaminoglycanes. Plusieurs structures chimiques ont été postulées sur ce principe. Après synthèse, nous testerons sur des systèmes cellulaires leur capacité à stimuler la production de glycosaminoglycanes. Nous travaillons sur des enzymes humaines et nous avons privilégié l’utilisation de matériel biologique humain, grâce à une collaboration avec le Service d’Orthopédie du CHU de Nancy (D. Mainard).

Ainsi les résultats obtenus sont directement exploitables chez l’homme.


* Physiopathologie et Pharmacologie Articulaires, UMR 7561 CNRS — Université Henri Poincaré — Nancy-1, Faculté de Médecine, BP 184, F-54505 Vandœuvre-lès-Nancy, cedex. Tirés-à-part : Docteur Jacques MAGDALOU, même adresse. Article reçu et accepté le 9 octobre 2006.

Bull. Acad. Natle Méd., 2006, 190, no 7, 1385-1398, séance du 24 octobre 2006