Découvrez la Cystine Placentaire : Secrets des Mucines Gélifiantes et Leur Rôle Essentiel

Introduction

Le mucus, une substance viscoélastique complexe, joue un rôle crucial dans la protection des surfaces épithéliales de l'organisme. Sa structure et ses propriétés sont intimement liées à la diversité des mucines, des glycoprotéines sécrétées qui en constituent l'armature. Cette revue se concentre sur les mucines gélifiantes, en explorant leur structure, leurs interactions et leur impact sur les propriétés du mucus, tout en soulignant l'influence de facteurs physico-chimiques sur cette dynamique.

Structure des Mucines Gélifiantes

Les mucines sont une famille de O-glycoprotéines divisée en deux classes : les mucines membranaires, qui contribuent à la structure du glycocalyx, et les mucines gélifiantes, sécrétées par les cellules caliciformes, les glandes sous-muqueuses et les cellules séreuses [2]. Parmi les mucines gélifiantes, cinq ont été identifiées chez l'homme : MUC2, MUC5AC, MUC5B, MUC6 et MUC19. Chacune possède un orthologue murin. Les gènes MUC2, MUC5AC, MUC5B et MUC6 sont organisés en cluster au sein du locus 11p15.5 tandis que MUC19 est localisé en 12q12. Ces gènes codent les squelettes peptidiques des mucines, encore appelés apomucines, dont la structure comporte 3 régions subdivisées en domaines.

L'Apomucine : Architecture Modulaire

Les apomucines sont constituées de trois régions principales : amino-terminale, centrale et carboxy-terminale.

Régions Amino- et Carboxy-Terminales: Ces régions présentent une homologie avec le facteur von Willebrand [3]. La région amino-terminale est composée de trois domaines D du facteur von Willebrand (vWD1, vWD2 et vWD3) et d'un domaine D tronqué (vWD'), entre vWD2 et vWD3. La partie carboxy-terminale, moins conservée, comprend un domaine CK (cystine knot), de structure tridimensionnelle similaire à celle du TGF‑β (transforming growth factor b), ainsi qu'un quatrième domaine D (vWD4) retrouvé dans MUC2, MUC5AC et MUC5B, suivi d'un domaine B (vWB) et un domaine C (vWC) également présent dans le facteur von Willebrand. MUC19 ne possède pas de domaine vWB et MUC6 ne présente ni domaine vWB, ni domaine vWC, probablement à la suite d’une perte d’exon au cours de l’évolution.
Région Centrale S/T/P: Cette région est riche en résidus sérine, thréonine et proline, et porte les nombreuses chaînes O‑glycosidiques des mucines [9]. Chez l’homme, cette région est codée par des motifs répétés en tandem, organisés en un seul et unique grand exon de plusieurs kilobases. Ces motifs répétés, leurs tailles et leurs séquences, sont caractéristiques de chaque mucine. Ils ne sont pas toujours conservés entre espèces [4,5]. À l’exception de celle de MUC5B, cette région présente un polymorphisme de type VNTR (variable number of tandem repeats) intra- et inter-individuel [3].
Domaines CYS: MUC2, MUC5AC et MUC5B possèdent des régions S/T/P interrompues par des domaines CYS, constitués de 110 acides aminés dont 10 résidus cystéine conservés chez les vertébrés supérieurs [6]. Ces cystéines seraient engagées dans cinq ponts disulfures intra‑chaîne, qui confèrent à la protéine une structure secondaire globulaire [1]. Très conservé dans l’évolution, ce domaine est toujours présent en plusieurs copies dans les mucines : 2 dans MUC2, 9 dans MUC5AC et 7 dans MUC5B [6]. Sa séquence est majoritairement composée d’acides aminés hydrophobes. Ceci se traduit dans l’apomucine par une alternance entre les domaines CYS hydrophobes et les régions S/T/P glycosylées qui sont hydrophiles.

Glycosylation: Un Facteur de Diversité

La fraction glycannique représente plus de 80 % de la masse sèche des mucines. Ces sucres sont essentiellement des chaînes O‑glycosylées, dont la taille varie entre 6 et 18 monosaccharides. Elles sont majoritairement situées dans les régions S/T/P de la glycoprotéine [9]. Cette O‑glycosylation est en fait responsable de la structure en écouvillon qui est caractéristique des mucines. Elle est initiée dans l’appareil de Golgi par la liaison d’un résidu de N‑acétylgalactosamine (GalNac) sur les groupes hydroxyles libres des résidus sérine et thréonine. D’autres monosaccharides, comme le galactose et la N‑acétylglucosamine, sont ensuite greffés à la chaîne afin de former le « noyau » des chaînes glycanniques. Des sucres sont ensuite ajoutés, la chaîne se terminant alors par des déterminants sucrés variés, comme les antigènes de groupes sanguins [10]. L’ajout de fucose, d’acide sialique ou de groupements sulfate, participe aussi à la grande diversité intra- et inter-individuelle du profil de glycosylation des mucines.

Des sites de N‑glycosylation sont également présents dans les régions amino- et carboxy-terminales des mucines. La fonction de cette N‑glycosylation est de faciliter, sans être indispensable, l’étape d’oligomérisation des mucines [11].

La C‑mannosylation est une modification co-traductionnelle impliquant la liaison du carbone anomérique d’un α‑D‑mannose au carbone C2 du cycle indole du premier tryptophane (Trp) de la séquence consensus Trp-Xaa-Xaa-Trp (où Xaa représente un acide aminé). Cette mannosylation particulière a été mise en évidence sur différentes molécules, toutes sécrétées. Elle reste toutefois controversée dans le cas des mucines. Elle pourrait jouer un rôle dans le trafic intracellulaire des mucines.

Structure et Fonctions du Mucus

Le mucus n’est pas un compartiment statique : il peut subir des modifications de ses propriétés qui dépendent de l’état physiologique de l’individu. On parlera alors de plasticité du mucus. La formation du gel, aussi appelée gélification, est largement attribuée aux mucines gélifiantes, des macromolécules sécrétées sous la forme de polymères fortement glycosylés qui captent et retiennent l’eau. L’interactome des mucines gélifiantes est un facteur clé des propriétés viscoélastiques du mucus [1]. De nombreux paramètres physico-chimiques modulent cette viscoélasticité du mucus en agissant sur la structure du réseau de mucines.

L'Interactome des Mucines: Un Réseau Complexe

La structure du mucus est le résultat d'interactions complexes entre les mucines elles-mêmes et avec d'autres composants.

Liaisons Covalentes: La polymérisation des mucines est initiée dans le réticulum endoplasmique, où elles forment des dimères assemblés par des ponts disulfures entre leurs domaines carboxy-terminaux (CK) [12]. Ces dimères sont ensuite adressés au réseau trans-golgien où ils sont assemblés, via leur région amino-terminale, pour former de longs polymères linéaires. Le profil de multimérisation de cette région amino-terminale, déterminé in vitro à partir de cultures de cellules, pourrait être différent d’une mucine à l’autre. En effet, MUC5B et MUC5AC forment des dimères, alors que MUC2 des trimères [13 14 15]. Une fois polymérisées, les mucines sont condensées puis stockées dans des granules de sécrétion accumulés dans la région sous-apicale des cellules muco-sécrétantes. Cette conformation condensée est rendue possible après électro-neutralisation des glycannes électronégatifs grâce à l’environnement physico-chimique du granule, riche en calcium et au pH acide. La structure moléculaire des mucines peut être modifiée après leur sécrétion par des protéases extracellulaires [16] ou des enzymes, comme la transglutaminase 2 [17].
Liaisons Réversibles: Afin d’adapter les fonctions du mucus aux besoins physiologiques de l’individu, la structure du réseau de mucines peut être modifiée de manière réversible par des interactions de faible énergie. La nature de ces interactions entre mucines peut être déterminée par l’analyse de la réponse du mucus à une contrainte (un cisaillement ou une oscillation) de fréquence (entre généralement 10-2 et 102 radians par seconde) ou d’intensité contrôlée. La contrainte exercée sur le fluide tend à désorganiser sa structure. Cependant, dans le cas de fluides viscoélastiques comme le mucus, sa composante élastique tend à ramener sa structure moléculaire à sa conformation initiale. À de basses fréquences ou intensités de contrainte, le mucus est dominé par des forces élastiques. Ainsi, après chaque déformation, la structure moléculaire du mucus retrouve sa conformation initiale. En augmentant la fréquence ou l’intensité de la contrainte, la structure du mucus se désorganise mais ne peut se reformer ; la viscosité domine alors l’élasticité, et le gel s’écoule. Ce point de rupture a été évalué à 187 pascal (Pa) pour le mucus gastrique. En diminuant la fréquence ou l’intensité de la contrainte, le phénomène inverse se produit. Le mucus reforme alors un gel lorsque la force de cisaillement devient inférieure à 180 Pa. Ce processus est appelé recouvrement. Le fait que la force exercée pour obtenir le point de rupture et le recouvrement soient quasi-identiques montre que le mucus est un gel physique qui est en partie maintenu par des interactions réversibles [18, 19]. Des forces hydrophobes entre les régions amino-terminales de MUC5B, et des interactions avec les ions calcium ont récemment été mises en évidence. Ces interactions réversibles, car non covalentes, pourraient être impliquées dans le maintien de la structure compacte de la mucine au sein du granule de sécrétion [14, 20]. Le domaine CYS pourrait également participer à ces interactions réversibles entre mucines, en fonction par exemple de facteurs modulant leur structure comme la concentration calcique et le pH [21].
Composants Non-Mucine: De nombreuses molécules « non-mucine » semblent intervenir dans la structure supramoléculaire des mucines, les principales pouvant être des peptides en trèfle (TFF), des lipides, le FcGBP (Fc fragment of Ig[immunoglobulin]G binding protein) et les transglutaminases. Chez l’homme, les TFF forment une famille constituée de trois peptides (TFF1, TFF2 et TFF3), tous sécrétés par les cellules épithéliales. Leur nom vient de leur structure secondaire qui forme trois boucles maintenues par des ponts disulfures intra‑chaîne. TFF1 et TFF3 possèdent un seul domaine en trèfle, TFF2 deux. TFF1 et TFF3 sont retrouvés sous la forme d’homodimères ou de complexes, avec des protéines qui ne sont pas encore identifiées. Les peptides en trèfle sont surtout exprimés dans le tractus digestif où ils s’associent avec les mucines par l’intermédiaire de différents types d’interactions (hydrophobe, ionique). Ils participent ainsi aux propriétés viscoélastiques du mucus [22]. Le rôle de ces peptides n’est pas encore totalement compris, mais des études suggèrent des fonctions de protection et de réparation de l’épithélium intestinal. La fraction lipidique du mucus est estimée à 1 à 2 % de sa masse. Il s’agit surtout de lipides neutres et, dans une moindre mesure, de glycolipides et de phospholipides. Ces lipides créent une barrière hydrophobe protectrice à la surface du mucus. Ainsi, les lipides tensioactifs, comme la phosphatidylcholine, ont été associés avec une augmentation de la clairance mucociliaire dans l’arbre respiratoire. Ils fournissent également une meilleure protection contre une colite induite chimiquement [23]. À la surface de l’œil, les lipides forment une barrière protectrice en limitant l’évaporation du film lacrymal. La FcGBP est exprimé dans l’intestin, le placenta et l’appareil reproducteur féminin. Elle est constituée d’une répétition en tandem de douze domaines homologues de type vWD. Elle se lie de manière covalente à MUC2 [24], mais l’hydrophobicité de FcGBP suggère également la possibilité de liaisons réversibles non covalentes avec les peptides hydrophobes des mucines. FcGBP pourrait favoriser la réparation du tissu intestinal ou capter les virions de VIH (virus de l’immunodéficience humaine) présents au sein des muqueuses. Par ses propriétés structurales et fonctionnelles, FcGBP est ainsi impliquée dans l’immunité des muqueuses, apportant un point d’ancrage aux IgG spécifiques de pathogènes. Les transglutaminases constituent une famille d’enzymes ubiquitaires qui catalyse la formation de liaisons ε(γ-glutamyl)-lysine entre une lysine donneuse et une glutamine acceptrice. Ces enzymes permettent la formation de structures supramoléculaires en stabilisant les structures protéiques labiles. La transglutaminase 2 pourrait ainsi créer des liaisons isopeptidiques entre les domaines CYS de MUC2, au sein du granule de sécré…

Les Protéines CCN : Un Parallèle avec la Diversité des Mucines

Bien que cet article se concentre principalement sur les mucines, il est pertinent de mentionner brièvement une autre famille de protéines multimodulaires, les protéines CCN, en raison de certaines similitudes structurelles et fonctionnelles.

Les protéines CCN (cyr61, cef10, fisp12, ctfg, nov) sont une famille de régulateurs de la croissance et de la différenciation cellulaires [1]. Chez l’homme, on connaît actuellement six gènes (et protéines) CCN. Tableau I.Nomenclature des protéines CCN. Des résultats récents ont indiqué que les noms attribués aux différentes protéines CCN lors de leur découverte ne sont pas toujours en adéquation avec leur fonction biologique (par exemple, CTGF n’est pas un “ facteur de croissance ”, per se). Le comité directeur de l’International CCN Society, a proposé de dénommer ces protéines avec l’acronyme CCN, suivi d’un nombre, attribué selon l’ordre chronologique de leur découverte. Le gène ccn1 est un gène « immédiat-précoce » dont l’expression est stimulée par les facteurs de croissance [2], le TGFβ [4], ou la transformation oncogénique par le virus du sarcome de Rous (RSV) [5]. Le gène ccn2 est aussi induit par le TGFβ. La protéine pour laquelle il code possède une activité mitogénique et chimiotactique [6]. Le gène ccn3 [7] est un des sites d’intégration du virus auxiliaire de la myéloblastose aviaire (MAV) qui induit chez la poule des néphroblastomes dont les caractéristiques anatomopathologiques les apparentent aux tumeurs de Wilms [8]. La situation rencontrée avec CCN3 constituait le premier exemple d’une protéine CCN possédant des propriétés anti-prolifératives et dont l’expression était altérée lors de la tumorigenèse. L’analyse de gènes exprimés de manière différentielle dans des mélanomes murins à faible et haut pouvoir métastatique a permis l’isolement de ccn4, tandis que la caractérisation de gènes dont l’expression est abolie dans les fibroblastes embryonnaires murins transformés a conduit à l’identification de ccn5 [11]. Plus récemment, la caractérisation de gènes dont l’expression est stimulée dans des cellules épithéliales transformées par WNT-1 [9] a permis l’identification de wisp1 et wisp 2 et de ccn6 qui représentait un nouveau membre de la famille CCN.

Parenté Structurale et Modules des Protéines CCN

L’alignement des séquences primaires montre la très grande identité structurale des différentes protéines CCN. On remarque en particulier la conservation de 38 cystéines dont la distribution (12, 10, 6 et 10 résidus) au sein des quatre modules constituant les protéines CCN suggère qu’elles sont engagées dans des ponts disulfures attribuant aux protéines CCN une structure compacte. Les alignements ont été effectués avec le programme Interalign. Les résidus les plus conservés sont indiqués en blanc sur fond noir. Lorsque deux groupes de résidus différents sont conservés, le deuxième est surligné en gris. Les quatre cystéines absentes dans CCN6 sont indiquées par une astérisque. Le résidu situé en position terminale du peptide signal est indiqué en rouge pour chacune des protéines. Nous avons montré que les 38 cystéines qui sont maintenues dans la protéine CCN3 après sa maturation, le sont à une position qui est conservée, à la fois au sein des différentes protéines CCN humaines, et dans les différentes espèces (du xénope à l’homme) au cours de l’évolution. Une situation identique a été décrite dans le cas des protéines CCN1 et CCN2 [13-15]. La présence de blocs de résidus communs à toutes les protéines CCN suggère des parentés fonctionnelles. Les protéines CCN contiennent un peptide signal et sont formées de quatre modules structuraux présentant uneidentité partielle avec : (1) les IGFBP (IGF binding proteins : protéines se liant aux IGF [insulin-like growth factors]) ; (2) le facteur von Willebrand ; (3) la thrombospondine de type 1 ; et (4) des facteurs de croissance contenant un motif cystine knot. Cette organisation structurale constitue le critère d’appartenance à la famille CCN.

Module I: Ce module montre une identité partielle avec les IGFBP. Sur la base de la comparaison de la séquence des protéines CCN1 de souris, CCN2 humaine et CCN3 de poule, il avait été proposé que les protéines CCN se lient aux IGF. Par le jeu des espacements variables d’acides aminés effectués par les programmes de comparaison de séquences, il est possible d’aligner 11 cystéines des IGFBP avec 11 cystéines des protéines CCN [22]. Cependant, un examen attentif des séquences révèle que cet alignement ne correspond pas à une réalité structurale car il repose sur un décalage des séquences de CCN1 et de CCN2 qui ne respecte pas la conservation des résidus au sein des protéines CCN. Des expériences de pontage covalent ont suggéré que les protéines CCN2 et CCN3 entières puissent se lier aux IGF [24, 25]. Ces résultats sont en contradiction avec ceux que nous avions obtenus lors d’expériences de ligand blot et qui n’avaient pas permis de détecter d’interaction entre les IGF et CCN3 [26]. La très faible affinité des IGF vis-àvis de la protéine CCN3 intacte reste controversée et doit être confirmée. Nous avons proposé que les isoformes tronquées décrites par le groupe de Brigstock pour CCN2 [13] et par notre groupe pour CCN3 [21, 27] se lient efficacement aux IGF et que la protéolyse de ces protéines joue un rôle important dans la modulation de leur activité biologique. Il a maintenant été établi que l’extrémité amino-terminale de CCN3 est capable de se lier à l’insuline avec une affinité beaucoup plus grande que celle des protéines IGFBP1-6 [22]. La protéolyse de CCN3 démasquerait des activités de liaison vis-à-vis de ligands pour lesquels ces protéines manifestent une faible affinité dans leur conformation native.
Module II: Il présente une similitude importante avec le motif répété C de la protéine de von Willebrand. Quatre cystéines sont absentes dans le module II de CCN6. Il est probable que ces cystéines participent à la formation de ponts disulfures propres à cette région et que leur absence ait des conséquences importantes pour les propriétés biologiques des protéines CCN. Ce motif est également retrouvé dans plusieurs autres protéines telles que le collagène α, les thrombospondines 1 et 2, la protéine SOG (short gastrulation), de drosophile et des mucines. Le module II pourrait être impliqué dans des processus d’oligomérisation protéique précédés par une étape de dimérisation. Les résultats obtenus dans notre équipe avec la protéine CCN3 et par différents groupes pour les autres membres de la famille CCN [28] montrent que les protéines CCN forment des oligomères de haut poids moléculaire. L’implication du module IV dans la dimérisation homo- et hétérotypique des protéines CCN (voir plus loin) suggère que les modules II et IV coopèrent dans l’assemblage multimérique de ces protéines. Il est possible que la capacité d’oligomérisation de CCN6 soit affectée par l’absence des quatre cystéines du module II et que l’absence du module IV dans CCN5 compromette ses capacités de dimérisation et d’oligomérisation. La seconde partie du module II pourrait jouer le rôle de charnière entre les deux groupes de deux modules (I-II et III-IV) car elle ne contient aucune cystéine [14].
Module III: Il présente une grande similitude avec le motif WSXCSXXCG de la thrombospondine de type 1 qui jouerait un rôle important dans l’attachement cellulaire. Le module III présente également une similitude élevée (5 cystéines alignées sur les 6 du module) avec d’autres protéines (properdine, F-spondine, protéine circumsporozoïte) impliquées dans l’interaction des cellules avec la matrice extracellulaire et contenant une ou plusieurs répétitions de ce type. La présence de ce module dans les protéines CCN a fait penser qu’elles interagissent avec des constituants de la matrice extracellulaire et qu’elles interviennent dans les processus régulateurs de la prolifération.
Module IV: La conservation des résidus au sein de ce module est moins stricte que pour les autres modules. Six des cystéines présentes dans ce module sont susceptibles d’adopter une structure dite en « nœud à cystines » (cystin knot) qui permet la formation d’homo- et d’hétérodimères dans le cas de plusieurs facteurs de croissances tels que le NGF (nerve growth factor), le TGFβ (transforming growth factor β) et le PDGF (platelet derived growth factor). Nous avons établi que ce module est suffisant pour permettre l’interaction de CCN3 avec la fibuline 1C ainsi que les protéines CCN3 et CCN2 [27].

Fonctions des Protéines CCN

Dans des conditions normales, les protéines CCN participent à la régulation de processus biologiques. Elles interviennent aussi dans les conditions traumatiques, lors de la cicatrisation et dans les pathologies fibrotiques. Enfin, un nombre croissant d’observations expérimentales attribue aux protéines CCN un rôle important dans la tumorigenèse. La détection des protéines CCN1, CCN2 et CCN3 dans le système vasculaire au cours du développement a suggéré que ces protéines interviennent dans la régulation de l’angiogenèse [12, 14, 28, 29]. Cela a été confirmé par la capacité des deux premières d’induire la néovascularisation des cornées de rat [30] et l’interaction de ces protéines avec l’intégrine αvβ14. L’effet angiogénique des facteurs de croissance tels que le bFGF et le TGFβ met en jeu la production des protéines CCN [14]. L’invalidation du gène ccn1 chez la souris conduit à des altérations de la vascularisation des membranes extra-embryonnaires et du placenta, qui aboutisse…

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La Cystine Placentaire: Diversité et Fonctions des Mucines Gélifiantes