Dans l’organisme, le fer assure le transport d’oxygène jusqu’à tous les organes, via l’hémoglobine des globules rouges. L’hepcidine, une hormone hépatique hyposidérémiante, contrôle le taux de fer sérique mis à disposition pour la synthèse de nouveaux globules rouges. La régulation de l’hepcidine implique un grand nombre de protéines, dont l’expression et l’activité répondent à la charge en fer de l’organisme. Récemment, la sérine protéase membranaire Matriptase-2 (MT2), synthétisée par le foie, a été identifiée comme actrice clé dans l’inhibition de la synthèse d’hepcidine. En effet, des mutations du gène Tmprss6 causent la synthèse de MT2 inactives, chez l’Homme et la souris, menant à une hyperhepcidinémie ; cet excès d’hormone génère une anémie de cause génétique, résistante à l’apport en fer (IRIDA: Iron-Refractory Iron Deficiency Anemia ; OMIM: 609862). Suite à des expériences in vitro, il a été proposé que MT2 inhibe l’expression de l’hepcidine en dégradant l’hémojuvéline (HJV), une protéine appartenant à la voie principale activant la synthèse de l’hormone ; le clivage d’HJV par MT2 bloquerait ainsi le signal passant par cette voie. Toutefois, des études in vivo ont montré que la protéine HJV exprimée par le foie diminue en absence de MT2. Le rôle de la protéase dans l’inhibition de l’hepcidine ne semble donc pas se limiter à l’interaction et au clivage de HJV par MT2. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de MT2 pour réguler l’homéostasie du fer, nous avons donc étudié son rôle in vivo, en absence de Bmp6 (Bone Morphogenetic Protein 6), l’activateur principal de la voie de régulation de l’hepcidine (double knock-out Bmp6 Tmprss6), et durant le développement embryonnaire et post-natal. L’analyse de ces modèles murins nous a ensuite incités à observer la conséquence d’une surexpression de MT2 in vivo et in vitro : l’excès d’activité catalytique dans ces conditions montre l’importance cruciale de réguler finement l’expression et l’activité des protéases. La synthèse de MT2 s’effectuant presque exclusivement au niveau des hépatocytes, nous avons finalement cherché à identifier les partenaires et cibles potentielles de MT2 dans ces cellules exclusivement, en isolant des hépatocytes primaires de souris WT pour les comparer à ceux de souris Tmprss6-/-, par transfection, mais également en utilisant différentes techniques de protéomique. Ces études ont permis de préciser l’importance de MT2 dans la régulation de l’hepcidine, mais aussi à quel point il est nécessaire de contrôler l’expression et l’activité catalytique de cette protéase, et donc que ses partenaires sont indispensables à sa fonction. / In the organism, iron takes care of oxygen transport until every organ, via haemoglobin of red blood cells. Hepcidin, a hepatic hyposideremic hormone, controls plasmatic iron levels at diposal for new erythroblasts synthesis. Hepcidin regulation implies a huge amount of proteins, whose activity and expression answer to iron body. Recently, membrane serine protease Matriptase-2 (MT2), synthetised by liver, has been identified as a key factor in hepcidin synthesis inhibition. Indeed, mutations of the Tmprss6 gene lead to synthesis of inactive MT2, in human and mouse, and result in hyperhepcidinemia: this excess of hormone generates an anemia of genetic cause, that resists to iron oral therapy (IRIDA: Iron-Refractory Iron Deficiency Anemia ; OMIM: 609862). Following in vitro experiments, it was suggested that MT2 inhibits hepcidin expression by degrading hemojuvelin (HJV), a protein part of the main signaling pathway positively regulating hepcidin synthesis; HJV cleavage by MT2 would then stop the signal. However, in vivo studies have shown that HJV expressed by the liver decreases in case of MT2 loss. The protease role in hepcidin inhibition seems to not be limited to HJV-MT2 interaction and cleavage. In order to better understand MT2 function in iron metabolism, we studied its role in vivo, when Bmp6 (Bone Morphogenetic Protein 6), the main activator of hepcidin regulatory pathway, is missing (double knock-out Bmp6 Tmprss6 mice), and during embryonic and postnatal development. Analysis of these mice models incited us to study the consequences of MT2 overexpression, in vivo and in vitro: excess of catalytic activity in these conditions show how crucial it is to tightly regulate proteases expression and activity. MT2 expression is almost exclusively restricted to hepatocytes; we then decided to identify its potential partners and targets in these cells, by isolating primary hepatocytes from WT mice, to compare them to Tmprss6-/- ones. These cells were transfected, and analysed by proteomic. These studies allowed us to precise MT2 importance in hepcidin regulation, but also how crucial it is to regulate expression and catalytic activity of this protease, and how its partners are essential for its role.

L’hémochromatose est une maladie héréditaire caractérisée par une surcharge de fer dans l’organisme. Chez une personne saine, l’excès de fer est excrété au niveau des intestins, mais une personne souffrant d’hémochromatose accumule le fer au niveau de la circulation, du foie, du cœur, et également au niveau des autres organes. Ceci donne lieu à différents problèmes comme des maladies cardiaques et du foie, du diabète, de la fatigue chronique et également des douleurs articulaires. Deux traitements sont disponibles pour traiter l’hémochromatose. Le premier consiste à des saignées (phlébotomies) pouvant durer plusieurs mois (ou années) à des fréquences hebdomadaires. Il est également possible d’utiliser un agent chélatant du fer pour faciliter son élimination à l’extérieur de l’organisme. L’agent chélatant le plus utilisé est la déferoxamine (également connu sous le nom de desferrioxamine B) qui s’administre par injection sous-cutanée pendant plusieurs heures à une fréquence journalière. Ces deux traitements sont longs et très invasifs. C’est pourquoi notre groupe de recherche s’intéresse à la matriptase-2, une protéase à sérine transmembranaire de type II (TTSP), dont le rôle dans l’homéostasie du fer a préalablement été démontré. Dans une précédente étude, nous nous sommes intéressés à une autre TTSP, la matriptase. La matriptase est l’une des plus étudiées, notamment à cause de ses rôles dans le cancer,[indice supérieur 1–3] l’influenza[indice supérieur 4] et l’arthrose.[indice supérieur 5] Comme toutes les TTSP, la matriptase est synthétisée sous forme inactive (zymogène). Elle nécessite un premier clivage après l’acide aminé Gly[indice supérieur 149] et un second clivage autoprotéolytique après Arg[indice supérieur 614] pour libérer son domaine catalytique actif. Sa séquence d’autoactivation RQAR-VVGG a été le point de départ pour la synthèse du premier inhibiteur de la matriptase dans le laboratoire, soit RQAR. À ce peptide, un piège à sérine a été ajouté sous forme de cétobenzothiazole (Kbt).[indice supérieur 6] En 2014, après une étude de modélisation et plusieurs modifications en P4-P1, un inhibiteur sélectif et puissant sur la matriptase-2 a été obtenu, soit YYVR-Kbt.[indice supérieur 7] Le but de ma maîtrise était de remplacer les différents acides aminés aux positions P4, P3 et P2 sur YYVR-Kbt pour obtenir un inhibiteur encore plus puissant et plus sélectif pour la matriptase-2. Une librairie de 29 analogues a été produite dans le but de comprendre la relation structure-activité de cette classe d’inhibiteurs semi-peptidiques sur la matriptase-2. Pour ce faire, des acides aminés naturels et non-naturels ayant différentes fonctions (polaires, apolaires, aromatiques, etc.) ont été utilisés. Les composés ont été caractérisés selon leur constante d’inhibition (Ki) sur matriptase-2 et également sur matriptase. Les inhibiteurs les plus puissants ont été testés sur l’hepsine, une autre TTSP exprimée dans le foie, dans le but de comprendre la sélectivité pour matriptase-2. La sélectivité pour la matriptase-2 (vis-à-vis d’autres TTSP) est importante pour éviter de potentiels effets secondaires. Une recherche conformationnelle sur les composés synthétisés a été réalisée dans le but de comprendre les interactions importantes entre l’inhibiteur et les protéases. Les constantes cinétiques d’association/dissociation, le temps de résidence des trois meilleurs inhibiteurs ont été déterminés. La stabilité des meilleurs inhibiteurs dans du plasma de souris a été également testée. Cette étude a permis la rédaction d’un article scientifique intitulé « Modulating the Selectivity of Matriptase-2 Inhibitors with Unatural Amino Acids », soumis à l’European Journal of Medicinal Chemistry le 2 décembre 2016, qui est inclus dans ce mémoire.

Les protéases à sérine transmembranaires de type II (TTSP) forment une famille d'enzymes protéolytiques nouvellement identifiée dont les rôles physiologiques restent encore peu connus. Ces enzymes seraient, entre autres, impliqués dans la formation des tissus et leur dérégulation est reliée à de nombreux types de cancers. Récemment, une fonction essentielle dans la régulation de l'homéostasie du fer a été attribuée à l'un de ses membres, la matriptase-2 (TMPRSS6). Cet enzyme exerce ce rôle en contrôlant l'expression de l'hepcidine, une hormone importante dans la régulation du fer. Afin de mieux comprendre cette fonction de la matriptase-2, dans ce travail nous avons comparé ses propriétés enzymatiques à celles de trois autres TTSP ainsi qu'analyser son mécanisme de régulation fonctionnel. Nous démontrons que la matriptase-2 possède des préférences de substrats distinctes. Sa spécificité a été comparée à celles de la matriptase, de l'hepsine et de DESC1 en utilisant des peptides-substrats à fluorescence séquestrée. La séquence des peptides utilisés est basée sur la région P4 à P4' de la séquence d'activation de la matriptase (RQARTWGG). Les positions P4, P3, P2 et PI' ont été substituées par des acides aminés de natures différentes (non-polaire, aromatique, acide et basique) alors que la position PI a été fixée à Arg. Des quatre TTSP étudiées, la matriptase-2 est la plus permissive alors que la matriptase est la plus discriminante. DESC1 possède une préférence similaire à celle de la matriptase, mais avec une tendance pour les petits acides aminés non-polaires (Ala) en PI'. En présence de serpines, seulement AT III démontre une activité d'inhibition robuste. La matriptase-2 ainsi que l'hepsine et DESC1 sont aussi fortement inhibées en présence de PAI-1 et de [alpha][indice inférieur 2]-AP. La matriptase-2 est aussi la seule à présenter une inhibition par certains des substrats. Nous démontrons aussi l'importance de la régulation de la matriptase-2 à la membrane plasmique dans le contrôle de l'expression de l'hepcidine. Nous rapportons que la matriptase-2 subit une internalisation constitutive dans les cellules HEK293 transfectées ainsi que dans deux lignées cellulaires hépatiques humaines, les HepG2 et les hépatocytes primaires, tous les deux exprimant la matriptase-2 endogènement. La matriptase-2 marquée à la surface cellulaire est internalisée puis détectée dans des vésicules contenant de la clathrine et la protéine AP-2 pour ensuite se retrouver dans les endosomes précoces puis les lysosomes. L'internalisation de la matriptase-2 dépend de résidus spécifiques situés dans la portion amino-terminale de sa queue cytoplasmique, comme le démontre [i.e. démontrent] les résultats de la mutagénèse dirigée de ces résidus. Les cellules qui expriment ces mutants produisent des niveaux significativement diminués d'hepcidine comparées à celles exprimant la forme sauvage car les formes mutantes s'accumulent à la surface cellulaire et clivent davantage l'hémojuvéline.

Systemic iron homeostasis is maintained by regulation of iron absorption in the duodenum, iron recycling from erythrocytes, and iron mobilization from the liver and is controlled by the hepatic hormone hepcidin. Hepcidin expression is induced via the bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway that preferentially uses two type I (ALK2 and ALK3) and two type II (ActRIIA and BMPR2) BMP receptors. Hemojuvelin (HJV), HFE, and transferrin receptor-2 (TfR2) facilitate this process presumably by forming a plasma membrane complex with BMP receptors. Matriptase-2 (MT2) is a protease and key suppressor of hepatic hepcidin expression and cleaves HJV. Previous studies have therefore suggested that MT2 exerts its inhibitory effect by inactivating HJV. Here, we report that MT2 suppresses hepcidin expression independently of HJV. In Hjv(-/-) mice, increased expression of exogenous MT2 in the liver significantly reduced hepcidin expression similarly as observed in wild-type mice. Exogenous MT2 could fully correct abnormally high hepcidin expression and iron deficiency in MT2(-/-) mice. In contrast to MT2, increased Hjv expression caused no significant changes in wild-type mice, suggesting that Hjv is not a limiting factor for hepcidin expression. Further studies revealed that MT2 cleaves ALK2, ALK3, ActRIIA, Bmpr2, Hfe, and, to a lesser extent, Hjv and Tfr2. MT2-mediated Tfr2 cleavage was also observed in HepG2 cells endogenously expressing MT2 and TfR2. Moreover, iron-loaded transferrin blocked MT2-mediated Tfr2 cleavage, providing further insights into the mechanism of Tfr2's regulation by transferrin. Together, these observations indicate that MT2 suppresses hepcidin expression by cleaving multiple components of the hepcidin induction pathway.

Iron is a metal element with crucial roles in human organism. Both iron deficiency and iron overload are important pathologies. Hepcidin, a peptide synthetized in the liver, is a key iron regulatory hormone. Increased amount of iron and inflammation stimulate its expression while iron deficiency and activated erythropoiesis cause hepcidin downregulation. The regulation of hepcidin expression on the molecular level and its hierarchy and interactions are not completely known. The main regulatory pathway is BMP/ SMAD which reacts to the iron amount in the organism. Several molecules, including hemojuvelin and HFE, are involved in this pathway and their mutations are linked to inappropriately low hepcidin production, iron overload and hereditary hemochromatosis. Erythroid regulation with suppressive action on hepcidin expression is known only partially as well as its connection to the BMP/ SMAD pathway. Recently, two new negative regulators of hepcidin expression have been described. Membrane enzyme present in hepatocytes - matriptase-2 (MT-2, TMPRSS6) and soluble factor secreted by erythroblasts - erythroferrone (ERFE). The aim of our work was to investigate how MT-2 is involved in the erythroid regulatory pathway, and whether it can represent the molecule where various regulatory pathways interact....