Organisation spatiale et ségrégation des récepteurs BMP2 dans les sites d'adhésion impliquant l'intégrine β3
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
How cells integrate biochemical and physical input from the extracellular matrix to achievespecific cell differentiation through adhesive receptor signaling is a big challenge in cellbiology. BMP2 is a crucial molecule for normal bone development in vertebrates andinduces osteoblastic differentiation of pluripotent mesenchymal cells likely troughcoordination with matrix elements such as fibronectin. The host lab has previously shownthat BMP receptors and β3 integrin work together to control Smad signaling and tensionalhomeostasis (Fourel, 2016), thereby coupling cell adhesion and fate commitment -twofundamental aspects of developmental biology and regenerative medicine. However, stillrequire to indentify whether their spatial arrangement affects the cellular response toreceptor signaling. Whether dynamics between integrin and BMP receptors is controlled inspace and time to guide pivotal intracellular processes remains to be elucidated.My work during this Ph.D. consisted of investigating the distribution of BMP2 receptors(ALK3 and BMPRII) and β3 integrin at the cell surface and the impact of their physicalproximity on cell behavior by combining live imaging, fluorescent recovery afterphotobleaching (FRAP), biomimetic substrates, and an optogenetic approach.My results showed that BMP receptors (BMPR) are discretely organized into segregatedspatial domains at the cell surface. I have shown that ALK3 is enriched at β3-integrin focaladhesions after BMP2 stimulation. Unlike ALK3, BMPRII is often excluded from these sitesand never enriched. Furthermore, the use of specific matrix protein reveals that therecruitment of ALK3 in focal adhesion is visible when β3 integrin is prone to form focaladhesions upon its engagement. The activated form of ALK3 is able to be localized inadhesion sites independently on BMP2. These results suggested that ALK3 organization atadhesion sites is dependent on integrin activity and ALK3 activation by BMP2 stimulation.FRAP experiments support the BMPR segregation model showing a distinct pattern oflateral movement of ALK3 and BMPRII upon BMP2 treatment through trapping of ALK3within focal adhesions.For a reversible and light-controlled interaction between BMPR and β3 integrin in space andtime, an optogenetic approach is based on the Venus-iLID (improved Light Inducer Dimer)system (Guntas, 2016) has been developed. These approaches mimic BMP2 stimulation bytargeting ALK3, but not BMPRII, into β3 integrin containing focal adhesions. Additionally,the optogenetic approach allows us to apply or withdraw the light signal to induce theproximity between ALK3 and β3 integrin offering the opportunity to induce rapid and localsignal activation. My results show that this light-induced proximity of ALK3 and β3 integrinis sufficient to induce cell spreading on a soft substrate independently on matrix-boundBMP2. Moreover, the targeting of ALK3 into β3 integrin containing focal adhesion uponBMP2 treatment is responsible for cell migration induced by matrix-bound BMP2.These results show that the cooperation between β3 integrin and ALK3 converges alreadyat the cell surface upon BMP2 stimulation. These data demonstrate that the microdomainclustering of ALK3 with β3 integrins is highly regulated by both BMP2 stimulation and β3integrin engagement, indicating that the spatial control of ALK3 might have specificfunctional implications for mechanotransduction or BMP signaling.From a broader perspective, this coupling between Integrins and BMP signaling pathwaysis of great relevance in developmental processes and regenerative medicine, where cellrecruitment is a prerequisite to cell differentiation to form a specific organ or repairdamaged tissue. Identification of signaling will provide new therapeutic strategies foroptimizing bone repair and regeneration.
Abstract FR:
Comprendre comment les cellules intègrent les signaux biochimiques et physiques de la matrice extracellulaire pour spécifier une différenciation cellulaire au travers de la signalisation des récepteurs adhésifs est un défi majeur en biologie cellulaire. Le BMP2 est un facteur de croissance crucial pour le développement osseux normal chez les vertébrés en induisant une différenciation ostéoblastique des cellules mésenchymateuses pluripotentes. Le laboratoire hôte a précédemment montré que les récepteurs BMP (BMPR) et l'intégrine β3 collaborent pour contrôler la signalisation Smad et l'homéostasie tensionale (Fourel, 2016), couplant ainsi l'adhésion cellulaire et le devenir de la cellule deux aspects fondamentaux de la biologie du développement et de la médecine régénérative. Il reste à déterminer si la dynamique entre l'intégrine et les BMPR sont contrôlée dans l'espace et dans le temps pour guider les processus intracellulaires.Mon travail pendant ce doctorat a consisté à étudier la distribution des récepteurs BMP2 (ALK3 et BMPRII) et de l'intégrine β3 à la surface cellulaire et l'impact de leur proximité physique sur le comportement cellulaire en combinant l'imagerie, la technique de FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), les substrats biomimétiques et une approche optogénétique.Mes résultats ont montré que les BMPR sont discrètement organisés dans des domaines membranaires distincts dévoilant une ségrégation entre ALK3 et BMPRII à la surface cellulaire. J'ai montré que ALK3 est enrichi au niveau des adhérences focales contenant l’intégrine β3 après stimulation BMP2. Contrairement à ALK3, le BMPRII est souvent exclude ces sites d’adhésion. De plus, le recrutement de ALK3 au niveau des sites d’adhésion requiert l’engagement des intégrines 3 sur leur matrice extracellulaire. Par ailleurs, la forme activée d'ALK3 est recrutée dans les sites d'adhésion indépendamment de la stimulation par le BMP2. Ces résultats suggèrent que le recrutement de ALK3 au niveau des sites d'adhésion dépend de l'activité de l'intégrine et de l'activation d'ALK3. Les expériencesde FRAP supportent le modèle de ségrégation des BMPR montrant non seulement desmobilités latérales différentes entre les BMPR mais un aussi un piégeage de ALK3 dans les sites adhésifs résultant de la stimulation BMP2.Pour contrôler de manière réversible l’interaction entre le BMPR et l'intégrine β3 une approche optogénétique basée sur le système Venus iLID (improved Light Inducer Dimer) (Guntas, 2016) a été développée. Ces approches imitent la stimulation BMP2 en ciblant ALK3, mais pas BMPRII, dans les sites d’adhésion contenant l'intégrine β3. Mes résultats montrent que cette proximité entre l'intégrine β3 et ALK3 induite par la lumière est suffisante pour induire l'étalement cellulaire sur un substrat mou. De plus, le ciblage d'ALK3 dans les sites adhésifs est responsable de la migration cellulaire induite par le BMP2présenté par la matrice.Tous ces résultats montrent que la coopération entre l'intégrine b3 et ALK3 converge déjà à la surface cellulaire de par la proximité physique lors de la stimulation BMP2. Ces données démontrent que le regroupement de ALK3 sous forme de microdomaines avec les intégrines β3 est fortement régulé à la fois par la stimulation BMP2 et l'engagement des intégrines β3 à la matrice extracellulaire. Ces résultats suggérent que le contrôle spatial d'ALK3 pourrait avoir des implications fonctionnelles spécifiques pour la mécanotransduction ou la signalisation.Dans une perspective plus large, ce couplage entre les intégrines et les voies de signalisation BMP pourrait être exploité dans les processus de développement et de médecine régénérative, où le recrutement cellulaire est une condition préalable à la différenciation cellulaire pour former un organe spécifique ou réparer un tissu endommagé. L'identification de la signalisation fournira de nouvelles stratégies thérapeutiques pour optimiser la réparation et la régénération osseuse.