Identification of extracellular matrix biomarkers and targets in Dystrophic epidermolysis bullosa
Identification de biomarqueurs et de cibles matriciels de l'épidermolyse bulleuse dystrophique
Résumé
Dystrophic epidermolysis bullosa (DEB) is an inherited disease caused by mutations in the COL7A1 gene encoding collagen VII. This protein assembles into anchoring fibrils and is key for the stability of basement membranes, especially in the dermo-epidermal junction (DEJ) of the skin. In patients suffering from the most severe forms of the disease (recessive DEB or RDEB), the deficiency in collagen VII is responsible for epidermal blistering, progressively evolving into slow-healing wounds, soft-tissue fibrosis and aggressive cancers. To monitor disease progression and develop novel therapies, there is a crucial need to identify new biomarkers and targets. The main goal of this study was to meet these needs using an extracellular matrix (ECM)-centered approach. Thus, we aimed at describing ECM alterations in RDEB skin to propose new therapeutic tools in clinic. We first defined the ECM enrichment protocols which were most well-suited to the characterization of mouse skin matrisome by mass spectrometry-based proteomics. Using a RDEB mouse model, we next applied the developed methods to quantitatively compare the skin matrisome of control and RDEB mice. Imaging by transmission electron microscopy was also performed to evaluate ECM damages at the tissue level. Finally, the biosynthesis of procollagen α1(I), a major ECM constituent, was analyzed in more detail. The skin of RDEB mice displayed strong dysregulations at the molecular and tissue levels. On the DEJ epidermal side, a decrease in the size of hemidesmosomes and impairments in their distribution along the basement membrane were detected. In the dermal ECM, decreases in the abundance of some proteoglycans and fibrillar collagens, especially collagen I, were surprisingly detected, combined with a reduction in the diameter of collagen fibrils and a less compact organization of collagen bundles. When the biosynthesis of procollagen α1(I) was investigated more thoroughly, diminutions in the expression of Col1a1 and in the abundance of the collagen-specific chaperone heat shock protein-47 (HSP-47) were observed. In the ECM, a global decrease in the amount of secreted procollagen α1(I) was also evidenced. In addition, the abundance of bone morphogenetic protein-1 (BMP-1), a protease involved in the elaboration of the collagen network, and of its regulator procollagen C-proteinase enhancer-1 (PCPE-1) were decreased at the RNA and protein levels. If defects in the C-terminal processing of procollagen α1(I) by the protease could not be conclusively demonstrated due to technical limitations, the impairment in BMP-1 activity is likely to affect additional molecules involved in collagen fibrillogenesis such as proteoglycans and cross-linking enzymes. Taken together, our data underlined strong damages in the composition and in the organization of the DEJ and dermal ECM in RDEB skin and demonstrated the relevance of our ECM-centered strategy. The fibrillar collagen network, which acts as a scaffolding component for the whole skin ECM, was massively affected. Even if additional analyses are now needed to understand these dysregulations, the reported alterations already indicate some collagen-related proteins and proteolytic fragments with biomarker or therapeutic target potential.
L’Epidermolyse bulleuse dystrophique (EBD) est une maladie génétique causée par des mutations du gène COL7A1 codant le collagène VII. Dans les tissus, cette protéine forme des fibrilles d’ancrage indispensables à la stabilité des lames basales, en particulier au niveau de la jonction dermo-épidermique (JDE) de la peau. Chez les patients souffrant des formes les plus sévères de la maladie (EBD récessive, ou EBDR), la déficience en collagène VII est responsable d’un décollement de l’épiderme, qui évolue progressivement vers des plaies à cicatrisation lente, une fibrose du derme et des cancers agressifs. Afin de suivre la progression de la maladie et de développer de nouveaux traitements, il est aujourd’hui crucial d’identifier de nouveaux biomarqueurs et de nouvelles cibles thérapeutiques. Le principal objectif de la présente étude était de répondre à ces besoins en adoptant une approche centrée sur la matrice extracellulaire (MEC). Ainsi, notre travail a visé à décrire les altérations de la MEC dans la peau EBDR afin de proposer de nouveaux outils thérapeutiques d’utilité clinique. Nous avons d’abord évalué des protocoles d’enrichissement de la MEC afin de déterminer les plus adaptés à l’étude du matrisome de la peau par spectrométrie de masse. Par l’utilisation d’un modèle murin d’EBDR, nous avons ensuite appliqué les méthodes préalablement développées afin de comparer de façon quantitative le matrisome des peaux de souris saine et EBDR. Les défauts de la MEC ont également été évalués à l’échelle tissulaire par microscopie électronique à transmission. Enfin, la biosynthèse du procollagène α1(I), un constituant majeur de la MEC, a été analysée. De fortes dérégulations de la MEC ont été mises en évidence à l’échelle moléculaire comme tissulaire dans la peau de souris EBDR. Dans la JDE, une diminution de la longueur des hémidesmosomes et une baisse de leur abondance le long de la lame basale a été détectée. De façon surprenante, dans la MEC du derme, une réduction de l’abondance de certains protéoglycanes et collagènes fibrillaires, en particulier le collagène I, a été observée, ainsi qu’une diminution du diamètre des fibrilles de collagène et une organisation moins compacte des fibres de collagène. L’étude spécifique de la biosynthèse du procollagène α1(I) a révélé une baisse de l’expression de Col1a1 et de l’abondance de la chaperonne des collagènes HSP-47 (heat-shock protein-47). De façon cohérente, une baisse des quantités de procollagène α1(I) sécrété a été mise en évidence dans l’espace extracellulaire. De plus, l’abondance de BMP-1 (bone morphogenetic protein-1), une protéase impliquée dans l’élaboration du réseau des collagènes fibrillaires, et celle de son régulateur PCPE-1 (procollagen C-proteinase enhancer-1) étaient réduites, à l’échelle des transcrits ARN et des protéines elles-mêmes. Si un défaut dans la maturation C-terminale du procollagène α1(I) par la protéase n’a pu être démontré avec certitude, la dérégulation du taux de BMP-1 est susceptible d’affecter d’autres molécules matricielles aussi impliquées dans la fibrillogénèse des collagènes, telles que les protéoglycanes ou encore les enzymes de cross-linking. Dans leur ensemble, nos données ont permis de mettre en évidence de fortes altérations dans la composition mais aussi l’organisation de la JDE et de la matrice du derme dans la peau EBDR, et ainsi démontré la pertinence de notre stratégie centrée sur la MEC. Le réseau des collagènes fibrillaires, qui constitue l’architecture de la MEC de la peau, s’est révélé massivement impacté. Des études additionnelles sont maintenant nécessaires à la compréhension poussée de ces dérégulations. Cependant, les défauts rapportés dans ce travail indiquent déjà que certaines protéines impliquées dans la fibrillogénèse des collagènes, mais aussi des fragments générés par protéolyse des collagènes eux-mêmes, pourraient constituer des biomarqueurs et/ou cibles thérapeutiques pertinents en clinique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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