Les immunoglobulines ne sont pas les seules protéines capables de reconnaissance spécifique. D’autres systèmes d’immunité adaptative existent et beaucoup d’autres protéines peuvent aussi générer des ...interactions spécifiques de hautes affinités. Ce sont des ossatures/squelettes protéiques intéressants pour concevoir de nouveaux interacteurs.Une nouvelle famille de protéines synthétiques, appelées AlphaReps, basée sur la famille des protéines à HEAT repeat contenant un motif structural répété en double hélice alpha, a été construite au laboratoire. Le motif répété, d’abord identifié chez une archée thermostable, a été idéalisé en concevant une séquence consensus, grâce à l’alignement de séquences de motifs naturels. Une banque de protéines a alors été construite à partir de ce motif. Toutes les protéines de la banque ont une structure générale similaire mais elles diffèrent par le nombre de motifs insérés et par les cinq résidus hautement diversifiés situés sur la face externe de la seconde hélice de chacun des motifs. Ces nouvelles protéines sont exprimées très efficacement chez E. Coli, solubles, sans pont disulfure et très stables (50-100 mg. L-1 de culture, Tm > 70°C).Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s’intéresse à l’utilisation de ces nouvelles protéines synthétiques comme outils de reconnaissance moléculaire. Pour cela, plusieurs applications ont été développées. Dans la première partie, à l’aide de la technique du phage display, des interacteurs de hautes affinités pour la Green Fluorescent Protein ont pu être isolés au sein de la banque. Les interactions des protéines partenaires ont été caractérisées par la détermination des constantes d’affinité, ainsi que la résolution des structures cristallographiques de deux complexes contenant une AlphaRep spécifique et la GFP. Avec cette cible modèle, la possibilité d’utiliser les AlphaReps sélectionnées à l’intérieur des cellules eucaryotes vivantes pour reconnaître spécifiquement une cible protéique dans un milieu complexe a aussi été démontrée. L’utilisation des AlphaReps comme outils de diagnostique a été développée pour la détection de la cible membranaire FSHr (récepteur de l’hormone folliculo-stimulante), protéine surexprimée dans de nombreuses tumeurs. Ce projet a permis d’expérimenter des approches de sélections sur cellules entières, soulignant les progrès restant encore à accomplir pour la sélection contre des cibles plus complexes.La seconde partie de ce travail s’est intéressée à l’ingénierie et à l’évolution des AlphaReps. Ainsi, l’insertion de résidus variables sur le dernier motif (C-cap) de protéines de la banque a pu être validé. Une approche innovante de shuffling modulaire, adaptée à l’ossature AlphaRep a permis de cerner les limites de cette méthode et les améliorations à apporter pour être en mesure d’augmenter l’affinité d’interacteurs présélectionnés. La banque d’AlphaReps de phage display a également été transférée dans un vecteur de PCA (Protein Fragment Complementation Assay) utilisant la protéine scindée DHFR (Dihydrofolate Reductase) comme protéine rapportrice. Cela a permis de sélectionner des AlphaReps spécifiques pour des cibles non exploitables en phage display. L’utilisation de la cis-fusion entre une AlphaRep et sa cible, combinée à la technique de PCA, s’est révélée très efficace pour la sélection et la cristallisation de protéines réfractaires telles que la protéine ComD, ici présentée comme preuve de la réussite de cette approche.Les AlphaReps sont donc des protéines artificielles, parmi lesquelles des interacteurs spécifiques peuvent être isolés pour des cibles variées. Un large panel d’applications peut être envisagé comme le développement d’outils d’aide à la cristallogenèse ou celui d’outils de reconnaissance moléculaire in vivo.
Immunoglobulin fold is not the only basis for specific recognition proteins. Other adaptive immunity systems exist and many other proteins are also able to mediate specific high-affinity interactions. These are interesting scaffolds to generate alternative binding molecules.A new family of artificial proteins, named AlphaRep, based on HEAT repeat proteins containing an alpha-helical repeated motif, was designed in the laboratory. The repeated motif, first identified in a thermostable archae protein of unknown function was refined and idealized using a consensus design strategy. A library of artificial proteins based on this design was then constructed. All proteins from this library share the same general fold but differ both in the number of repeats and in a set of five highly randomized positions per repeat. The randomized side chains are located on the outside surface of the second helix. Sequences from this library are efficiently expressed as soluble, folded and very stable proteins (50-100 mg. L-1 of culture, Tm > 70°C).The work presented in this manuscript is focused on the use of those new synthetic proteins as molecular recognition tools. Then, different applications have been developed.In a first part, binders with high affinity for the green fluorescent protein were selected by phage display. Complexes were characterized. Affinity between partners was measured and structures of two of those complexes containing a specific AlphaRep and the protein target were solved by X-ray crystallography. Thanks to this model target, it was demonstrated that AlphaReps could be used in living cells for the specific recognition of the protein they have been selected for. AlphaReps have also been developed as a diagnostic tool to detect the membrane protein FSHr (Follicle stimulating Hormone receptor), shown to be overexpressed in various tumors. In this project, selections on entire cells have been performed, showing the limit of the selections approaches with complex targets.The second part of this work focused on engineering and evolutions of AlphaRep proteins. The insertion of randomized residues at specific positions in the last motif (C-cap) was validated. An innovative approach of modular shuffling, adjusted to the AlphaRep scaffold, was assessed. Limitations of this approach to perform affinity maturation of AlphaReps could then be understood. Finally, the AlphaRep Library was transferred to a PCA (Protein Fragment Complementation Assay) vector using the split DHFR (Dihydrofolate Reductase) as reporter protein. With this new selection system, specific Alphareps could be selected for protein targets not suitable for phage display selection. A cis-fusion strategy was employed to express the AlphaRep fused to its partner in order to increase the stability and solubility of the target as well as helping for its crystallogenesis. This approach, combined with the PCA selection, was successful to obtain crystals of the ComD protein (unstable protein), shown here as an example of success for this new method.AlphaReps are thus artificial proteins, among which specific binders can be isolated for various targets, showing a strong potential for a large range of applications from crystallogenesis helpers to in vivo molecular recognition tools.
Le choc septique est une défaillance circulatoire aiguë déclenchée par un agent infectieux, entraînant des désordres hémodynamiques, métaboliques et viscéraux, en raison notamment de la libération de ...cytokines proinflammatoires. Le taux de mortalité est élevé (environ 40 %). L’évolution des sepsis sévères est souvent compliquée par des phénomènes thrombotiques qui résultent en partie de l’activation de la coagulation par les agents infectieux, mais aussi de la libération de Neutrophil Extracellular Traps (NETs) par les polynucléaires neutrophiles. Ainsi, chez ces patients, une coagulation intravasculaire disséminée (CIVD) est souvent observée, caractérisée par un état d’équilibre instable, où co-existent un risque thrombotique et un risque hémorragique, dû à la consommation des facteurs de coagulation.Plusieurs études ont suggéré que l’administration d’antithrombine (AT) ou de Protéine C activée diminuait la mortalité, non seulement en diminuant l’activation de la coagulation, mais aussi en ayant des effets cytoprotecteurs et anti-inflammatoires indépendants de leur activité anti-coagulante. Toutefois, leurs effets cytoprotecteurs nécessitent l’administration de doses élevées, responsables d’hémorragies.L’inhibiteur dépendant de la protéine Z (ZPI), appartient à la superfamille des serpines, comme l’AT, mais n’inhibe que les facteurs Xa (FXa) et XIa (FXIa). L’inhibition du FXa est potentialisée par la Protéine Z (PZ), un facteur vitamine K-dépendant, qui circule dans le plasma lié au ZPI. Dans un modèle en sang total, j’ai observé que le ZPI exerce un effet inhibiteur sur la production de cytokines pro-inflammatoires (IL-6 et TNF-α) en réponse au lipopolysaccharide (LPS). A forte concentration (4 fois la concentration physiologique), l’effet anti-inflammatoire (EAI) du ZPI n’est pas modifié par l’ajout de PZ ou d’héparine non fractionnée, qui majorent l’effet anticoagulant du ZPI. De plus, l’EAI persiste avec un variant de ZPI muté sur son site actif (ZPI Y387A), suggérant que le ZPI possède un EAI indépendant de son activité anticoagulante. In vitro, en sang total, le ZPI augmente précocement la production de CCL-5, une chimiokine ayant des propriétés anti-inflammatoires. Ces observations ont été confirmées dans un modèle d’endotoxinémie in vivo, chez la souris, en injectant par voie intra-péritonéale du LPS. Les souris qui avaient reçu simultanément du ZPI recombinant humain ont un taux plasmatique plus faible d’IL-6 et de TNF α que les souris contrôles et un taux plus élevé de CCL-5 dans le lavage péritonéal.De plus, nous avons mis en évidence, en milieu purifié, que l’élastase neutrophile, une enzyme libérée à la surface des NETs induisait plusieurs clivages du ZPI. Le premier clivage se produit au niveau de la boucle réactive du ZPI, qui perd alors son activité inhibitrice sur les FXa et FXIa. La PZ ne protège pas le ZPI de sa dégradation par l’élastase. La dégradation du ZPI induite par les NETs pourrait participer à leurs propriétés procoagulantes.Enfin, en collaboration avec l’équipe du Service de Réanimation du CHU de Strasbourg, nous avons étudié les variations des taux plasmatiques de PZ et ZPI chez 100 patients atteints de sepsis sévère. Dans les premières 24 heures, nous avons observé une diminution du taux de PZ par rapport à une groupe de sujets sains, et à l’inverse, une augmentation d’environ 2,5 fois du taux de ZPI. Ce taux élevé de ZPI persiste à J3 et J7, alors que le taux de PZ augmente. Les variations de PZ ou ZPI ne sont pas prédictifs de la mortalité à 30 jours ni de l’apparition d’une CIVD.Ces résultats suggèrent que des doses élevées de ZPI (4 fois la concentration physiologique) pourraient constituer un traitement adjuvant du choc septique, en diminuant la production de cytokines pro-inflammatoires, avec un risque hémorragique faible, puisque l’inhibition du FXIa a des activités antithrombotiques dépourvues de risque hémorragique.
Septic shock is an acute circulatory failure caused by an infectious agent, resulting in hemodynamic, metabolic and visceral disorders, in particular due to pro-inflammatory cytokines. The mortality rate is high (about 40 %). Progression of severe sepsis is often complicated by thrombotic events, in part because of a direct coagulation activation by bacteria, but also because of Neutrophil Extracellular Traps (NETs) released by polymorphonuclear neutrophils. Disseminated intravascular coagulation (DIC) is frequently present in these patients, characterized by an unstable equilibrium, where thrombotic and bleeding risks coexist, due to the consumption of coagulation factors.Several studies suggested that administration of coagulation inhibitors, such as antithrombin (AT) or activated Protein C, decreased mortality, not only by preventing the activation of coagulation, but also through their cytoprotective and anti-inflammatory effects, independent of their anticoagulant activity. However, the cytoprotective effects require the administration at very high doses, leading to a bleeding tendency.The protein Z-dependent protease inhibitor (ZPI) belongs to the serpin superfamily, as AT, but in contrast to AT, inhibits only factors Xa (FXa) and XIa (FXIa) of coagulation. FXa inhibition by ZPI is potentiated by Protein Z (PZ), a vitamin K-dependent factor, which circulates in plasma in a complex with ZPI. In a whole blood model, I observed that ZPI exerts an inhibitory effect on lipopolysaccharide (LPS)-induced pro-inflammatory cytokines production (IL-6 and TNF-α). At high concentration (4 times physiological concentration), ZPI anti-inflammatory effect (AIE) is not modified by PZ or unfractionned heparin, which increase ZPI anticoagulant activity. Moreover, this AIE is still present using a reactive center loop variant of ZPI (ZPI Y387A), suggesting that the AIE of ZPI is independent of its anticoagulant activity. In vitro, in whole blood, ZPI induced an early increased of CCL-5, a chemokine with anti-inflammatory properties. These data are confirmed in vivo in a murine model of endotoxin shock where LPS is injected intraperitoneally. Simultaneously injection of recombinant human ZPI (rhZPI) with LPS led to lower plasma levels of IL-6 and TNF-α than in control mice, whereas higher CCL-5 levels were observed in peritoneal lavages.In addition, using purified proteins, we have shown that neutrophil elastase, an enzyme which decorates NETs, induces several cleavages of rhZPI. A quick and first cleavage is observed on the reactive centre loop of ZPI, inducing a loss of inhibitory activity towards FXa and FXIa. PZ does not protect ZPI from elastase degradation. ZPI proteolysis induced by NETs could contribute to their procoagulant activity.Lastly, in collaboration with the intensive care unit of Strasbourg Hospital, we studied plasma levels of PZ and ZPI in 100 patients with severe sepsis. During the first 24 hours, there was a significant decrease of plasma PZ levels, compared to levels of healthy subjects, whereas an approximately 2.5 times increase was observed for ZPI levels. These high levels of ZPI were still present at D3 and D7, whereas PZ levels regularly increased. Variations of PZ and ZPI levels were not predictive of the 30-day mortality rate, and not associated with DIC development.These results suggest that elevated concentrations of ZPI (4 times physiological concentration) could be an adjuvant therapy to septic shock, by decreasing pro-inflammatory cytokines production, but devoid of bleeding risk, since FXIa inhibition has antithrombotic activity without inducing haemorrhages.
Actualités sur les allergènes du pollen de cyprès Sénéchal, H.; Couderc, R.; Selva, M.-A. ...
Revue française d'allergologie (2009),
October 2018, 2018-10-00, Volume:
58, Issue:
6
Journal Article
Peer reviewed
Les cyprès comprennent 160 espèces dont les principaux représentants sont Cupressus et Hesperocyparis autour du bassin méditerranéen, Juniperus aux États-Unis et Cryptomeria au Japon. Leur pollen, ...abondant en saison est très allergénique et responsable de rhinoconjonctivite, asthme et toux chronique. Quatre groupes d’allergènes, agréés WHO/IUIS, sont décrits : le groupe 1, une pectate lyase, allergène majeur, marqueur spécifique de l’allergie au cyprès, le groupe 2, des polygalacturonases, le groupe 3, des protéines thaumatin-like et le groupe 4 correspondant à des protéines fixant le calcium. En 2010, un allergène cationique de petite taille, BP14, sensibilisant principalement les patients allergiques au pollen de cyprès du sud-est de la France a été décrit. L’allergène, de pertinence clinique, appartient à une famille de protéine non décrite comme allergène dans le pollen, les snakin/gibberellin regulated proteins (GRP), petites protéines cationiques possédant des propriétés antimicrobiennes. La gibbérelline est une phytohormone qui contrôle différentes voies métaboliques, dont la réponse au stress biotique et abiotique. Des allergènes de la famille snakin/GRP ont été caractérisés dans la pêche (Pru p 7), les agrumes (Cit s 7), l’abricot du Japon (Pru m 7) et la grenade (Pun g 7). BP14 croise avec Pru p 7 et Cit s 7, ce qui explique les syndromes cliniques associés décrits cyprès/pêche et cyprès/agrumes. Une vingtaine d’autres allergènes est, par ailleurs, répertoriée dans la littérature. Les études d’allergologie moléculaire sur ce pollen permettent de comprendre les réactions croisées soutenues par les données cliniques et ainsi d’accroître la précision du diagnostic et du traitement immunothérapeutique.
Cypresses comprise 160 species with the main ones being Cupressus and Hesperocyparis, found around the Mediterranean basin, Juniperus in the USA and Cryptomeria in Japan. Atmospheric pollen, levels of which are very high in the pollinating season, is highly allergenic and induces rhinoconjunctivitis, asthma and chronic cough. Four groups of allergens are listed in the WHO/IUIS allergen data bank: group 1, pectate lyase; group 2, polygalacturonase; group 3, thaumatin-like protein; group 4, calcium-binding protein. In 2010, a small cationic allergen, BP14, was described and mainly concerned sensitized patients allergic to cypress pollen in south-eastern France. This allergen is clinically relevant and belongs to an unusual pollen allergen protein family, the snakin/gibberellin-regulated proteins (GRP). Gibberellin is a phytohormone that mediates several metabolic pathways in plants, including those of biotic and abiotic stress. Snakin/GRP are small cationic proteins with antimicrobial properties. Certain allergens belonging to this protein family have been described in peach (Pru p 7), sweet orange (Cit s 7), Japanese apricot (Pru m 7) and pomegranate (Pun g 7). BP14 is cross-reactive with Pru p 7 and Cit s 7. These results account for the clinically described associated cypress/peach and cypress/citrus syndromes. Further, around 20 more allergens have been characterized in the literature. Molecular allergology studies on cypress pollen provide an understanding of cross reactions supported by clinical data, thus improving the precision of diagnosis and of immunotherapeutic management.
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