Insights into the molecular mechanism modulating the proapoptotic activity of human galectin-7

Pham, Ngoc Thu Hang (2022). Insights into the molecular mechanism modulating the proapoptotic activity of human galectin-7 Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 168 p.

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Résumé

La galectine humaine 7 (GAL-7) est à la fois une protéine protumorale (sein, ovaires, etc.) et antitumorale (côlon, prostate, etc.) prototypique caractérisée par une architecture moléculaire homodimérique et un site de liaison pour les β-galactosides (GBS). En formant un réseau extracellulaire de galectines-glycoprotéines via le GBS ou en établissant des interactions indépendantes du GBS avec d'autres protéines intracellulaires, GAL-7 régule l'apoptose, l'adhésion et la migration cellulaire, la différenciation cellulaire et la prolifération. Depuis plusieurs années, de nombreux efforts ont été consacrés à la conception d'inhibiteurs de galectines se liant au GBS en utilisant des molécules à base de glycanes, afin de perturber l'interaction entre GAL-7 et les récepteurs glycosylés dans le traitement de cancers associés à son rôle protumoral. Cependant, cette stratégie s’est avérée inefficace pour cibler les fonctions indépendantes du GBS de GAL-7, en plus de comporter un risque élevé d'effets hors cible en raison de la grande homologie entre les GBS de différentes galectines homologues. Ainsi, de nouvelles approches visant le développement d’inhibiteurs sélectifs de GAL-7 sont souhaitables. La modulation allostérique étant reconnue comme étant plus sélective et parfois plus efficace que l’inhibition orthostérique traditionnelle, elle s’avère une approche prometteuse dans l’optique d’une modulation fonctionnelle des galectines. Or, la conception d’inhibiteurs allostériques rationnelle requiert le développement et l’application de méthodes permettant la caractérisation de sites allostériques potentiels. Une étude précédente a révélé l'existence d'une coopérativité positive à longue distance entre chaque GBS des deux protomères de GAL-7, maintenue par des interactions électrostatiques entre les résidus opposés de l'interface homodimérique. Nous avons ainsi soulevé l’hypothèse que l'activité protumorale de GAL-7 puisse être allostériquement modulée par des résidus de l’interface dimérique. Ainsi, l’objectif de la présente recherche vise à prédire et à caractériser les potentiels sites de modulation allostérique situés à l’interface dimérique de GAL-7 en lien avec son activité apoptotique. Pour ce faire, des tests d’apoptose cellulaire, de résolution de structure par cristallographie aux rayons X, de caractérisation biophysique et de prédictions bioinformatiques ont été effectués. En étudiant trois régions physicochimiques différentes de l'interface homodimérique de GAL-7, nous avons démontré que différentes positions de l'interface dimérique peuvent être ciblées pour moduler négativement ou positivement l'activité pro-apoptotique de GAL-7. La déstabilisation de l’interface homodimérique, la perturbation de la communication inter-protomérique et la régulation dynamique sont autant de mécanismes moléculaires distincts qui modulent la structure et la fonction de cette protéine ix tumorale. À la lumière de ces connaissances, des pistes pertinentes pourront être établies dans le but d’améliorer la conception de modulateurs allostériques négatifs ou positifs visant le traitement personnalisé de pathologies selon l’effet souhaité. Mots-clés: galectine-7 humaine, modulation allostérique, site de liaison des β-galactosides (GBS), activité pro-tumorale, activité anti-tumorale, interface dimérique, apoptose, caractérisation biophysique, modélisation moléculaire, cristallographie aux rayons X, dynamique des protéines.

Human galectin 7 (GAL-7) is both a prototypical protumoral (breast, ovarian, etc.) and antitumoral (colon, prostate, etc.) protein characterized by a homodimeric molecular architecture and a binding site for β-galactosides (GBS). By forming an extracellular galectin-glycoprotein network via its GBS or by establishing GBS-independent interactions with other intracellular proteins, GAL-7 regulates apoptosis, cell adhesion and migration, cell differentiation, and proliferation. For several years, numerous efforts have been devoted to the design of GBS-binding galectin inhibitors using glycan-based molecules to disrupt the interaction between GAL-7 and glycosylated receptors in the treatment of cancers associated with its protumoral function. However, this strategy has proven ineffective for targeting GBS-independent functions of GAL-7, in addition to carrying a high risk of off-target effects due to the high homology between GBSs of different homologous galectins. Thus, new approaches aimed at the development of selective GAL-7 inhibitors are desirable. As allosteric modulation is known to be more selective and sometimes more efficient than traditional orthosteric inhibition, it is a promising approach for functional modulation of galectins. However, the design of rational allosteric inhibitors requires the development and application of methods to characterize potential allosteric sites. A previous study revealed the existence of positive long-range cooperativity between each GBS of the two GAL-7 protomers, maintained by electrostatic interactions between opposite residues at the homodimeric interface. We thus hypothesized that the protumoral activity of GAL-7 may be allosterically modulated by residues of the dimer interface. Therefore, the objective of the present research is to predict and characterize potential allosteric modulation sites located at the dimer interface of GAL-7 in relation to its apoptotic activity. To this end, cellular apoptosis, structure resolution by X-ray crystallography, biophysical characterization, and bioinformatics predictions were performed. By studying three different physicochemical regions of the GAL-7 homodimeric interface, we demonstrated that different positions of the dimer interface can be targeted to negatively or positively modulate the pro-apoptotic activity of GAL-7. Destabilization of the homodimeric interface, disruption of inter-protomeric communication, and dynamic regulation are distinct molecular mechanisms that modulate the structure and function of this tumor protein. In light of this knowledge, relevant avenues can be established to improve the design of negative or positive allosteric modulators for the development of personalized treatment of pathologies with desired effects.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Doucet, Nicolas
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Calmettes, Charles
Mots-clés libres:	human galectin-7; allosteric modulation; galactoside glycan binding site (GBS); pro-tumorigenic activity; anti-tumorigenic activity; dimer interface; apoptosis; biophysical characterization; molecular simulation; X-ray crystallography; protein dynamics
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	02 juill. 2024 13:53
Dernière modification:	02 juill. 2024 13:53
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15743

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