1. Les types de collagène

2. Bioynthèse des procollagènes et du tropocollagène

3. Hydrolyse des propeptides des procollagènes

4. Le tropocollagène

5. Les aggrégats de fibrilles et structure périodique des collagènes

6. Les séquences télopeptides (lysine et des hydroxylysine)

7. Modification des lysines par des oses

8. Hydroxyproline

9. La matrice extracellulaire

10. Liens Internet et références bibliographiques

1. Les types de collagène

Les collagènes sont les protéines majeures de la plupart des tissus conjonctifs.

Les collagènes sont les protéines prépondérantes chez les vertébrés (30% des protéines totales des Mammifères : peau, os, dents, tendons, vaisseaux sanguins).

Source : Aslan et al. (2008)

Source : Sherman et al. (2015)

Ontologie

• "skeletal system development"
• "cartilage condensation"
• "extracellular matrix disassembly"

Dans le génome humain, il existe 44 gènes qui codent une chaîne polypeptidique précurseur d'un type de collagène : ces chaînes polypeptidiques précurseurs se combinent de diverses façons pour créer 28 types différents de fibrilles de collagène (désignés par des chiffres romains).

2. Bioynthèse des procollagènes et du tropocollagène

Les collagènes fibrillaires (de types I, II, III, V et XI) sont synthétisés sous forme de précurseurs solubles, les procollagènes.

Ces chaînes précurseur sont transportées de manière co-traductionnelle dans le lumen du réticulum endoplasmique (RE) où elles subissent des modifications pour maturer les molécules des différents types de collagène. Ci-dessous, schéma général des principales étapes de biosynthèse et de maturation des chaînes polypeptidiques qui forment un type de collagène fibrillaire :

• le galactose et le glucose sont ajoutés (glycosylation) à l'hydroxylysine
• des oligosaccharides longs sont ajoutés à des asparagines à l'extrémité C-terminale du précurseur. Ce propeptide n'est plus présent dans la forme mature du collagène. Dans le réticulum endoplasmique, le propeptide C jouent un rôle clé dans l'association correcte des monomères lors de la trimérisation (en particulier dans les cellules qui synthétisent différents types de collagène).
• l'extrémité N-terminale du précurseur possède également un propeptide.
• des résidus proline et lysine spécifiques, situés au milieu de la chaîne polypeptidique, sont hydroxylés par des hydroxylases liées à la membrane.
• des ponts disulfures intracaténaires sont formés entre les pro-peptides N- et C-terminaux : ils permettent l'alignement des 3 chaînes avant que les parties centrales de ces chaînes se referment (du C-terminal vers le N-terminal) pour former la triple hélice dans le RE.

Source : Mouw et al. (2014)

La maturation continue dans l'appareil de Golgi puis le procollagène de type I est sécrétée par exocytose. Des procollagène peptidases hydrolysent les propeptides N- et C-terminaux dans le milieu extra-cellulaire :

• la protéine (triple hélice) obtenue est appelée tropocollagène.
• l'hydrolyse des propeptides permet la polymérisation de molécules de collagène pour former des fibrilles.

Le rythme de renouvellement du réseau de collagène est estimé à 80 - 120 jours (équilibre synthèse - dégradation des fibres de collagène).

Voir un schéma récapitulatif de ces évènements.

Figure ci-dessous : principales similitudes et différences dans les voies de synthèse et d'assemblage de plusieurs classes de collagène

• les collagènes fibrillaires de types I, II et III
• le collagène microfibrillaire de type VI. Les molécules de triple hélice du collagène de type VI ne sont pas sécrétées en tant que "monomère de triple hélice" : elles s'assemblent au préalable dans le milieu intracellulaire sous forme de "dimères antiparallèles de triple hélice" qui s'alignent alors pour former des "tétramères de triple hélice" de collagène de type VI.
• les collagènes de types VIII et X qui forment un réseau
• la protéine oligomérique de la matrice du cartilage ("Cartilage Oligomeric Matrix Protein" - COMP). Les monomères COMP s'associent via des séquences de reconnaissance N-terminales pour former des homopentamères qui, après sécrétion, peuvent interagir et faciliter la formation de collagènes fibrillaires de types I et II. Les pentamères COMP interagissent avec de nombreux autres composants de la matrice extracellulaire, y compris le collagène de type IX, les matrilines et l'aggrecane.

Source : Bateman et al. (2009)

3. Hydrolyse des propeptides des procollagènes

Les procollagènes sont constitués d'une région centrale en triple hélice en forme de tige (environ 300 kDa) avec des propeptides globulaires aux extrémités N-terminale (environ 50 kDa) et C-terminale (environ 90 kDa).

Ces domaines propeptides sont hydrolysés par des métalloendopetidases.

Source : Fan et al. (2012) "Fibrogenesis Tissue Repair"

Les protéases BTP ("Bone morphogenetic protein-1 (BMP-1)/Tolloid-like Proteinases") - EC 3.4.24.19

• Les BTP participent à la maturation des procollagènes de types I à III.
• Les BTP participent à la maturation (propeptides N- et C-terminaux) des procollagènes à fibrilles courtes de types V et XI, en association avec d'autres protéases de type "Subtilisin-like Proprotein Convertases" - SPC) et ADAMTS2. Celà induit la rétention du domaine variable et de la triple hélice courte qui peut se projeter à l'extérieur de la surface des fibrilles et limiter la croissance des fibrilles.
• Un autre mécanisme limitant la croissance latérale des fibrilles de collagène, avec des conséquences majeures sur le diamètre et l'espacement des fibrilles, est l'interaction entre les collagènes fibrillaires et les protéoglycanes riches en leucine ("Small Leucine-Rich Proteoglycans "  - SLRP).
• Les BTP contrôlent l'assemblage des membranes basales via la maturation du collagène de type VII (principal composant des fibrilles d'ancrage qui assurent la cohésion des membranes basales avec le stroma sous-jacent).

Source : Bekhouche & Colige (2015)

Hydrolyse du propeptide N-terminal : ADAM / ADAMTS

Les métalloendopeptidases ADAM2, 3 et 14 clivent le propeptide N-terminal des procollagènes fibrillaires.

Il existe une forte homologie de séquence des sites de clivage par ADAMTS2 des procollagènes fibrillaires de types I à III de différentes espèces de mammifères : PGMP₄₃₅/A₄₃₆NQD. Le site de clivage potentiel semble se situer à la position 435/436 en amont du domaine de la triple hélice.

ADAM / ADAMTS ("A Disintegrin And Metalloproteinase domain-containing protein" / "A Disintegrin And Metalloproteinase with ThromboSpondin type I domain") :

• EC 3.4.24.46
• MEROPS peptidase family M12B
• famille adamalysines ou reprolysines [clan (MA(M)]

Hydrolyse du propeptide C-terminal : BMP-1

La métalloendopetidase à zinc BMP-1 ("Bone Morphogenetic Protein-1") est constituée d'un domaine catalytique de type astacine suivi de plusieurs domaines CUB ("Complement C1r / C1s, uEGF, BMP-1") et de domaines EGF.

BMP-1 appartient au clan metzincine lui-même constitué :

• de la famille des astacines (qui comprend aussi les méprines, un sous-groupe de métalloprotéases à zinc)
• de la famille des métalloprotéases de la matrice (« matrix metalloproteinases »)
• de la famille ADAM / ADAMTS ("A Disintegrin And Metalloproteinase domain-containing protein" / "A Disintegrin And Metalloproteinase with ThromboSpondin type I domain")

Chez les vertébrés, BMP-1 est impliquée dans la maturation d'une grande variété de précurseurs de la matrice extracellulaire nécessaires à l'assemblage normal de la matrice extracellulaire et des tissus. Ces substrats incluent :

• les procollagènes fibrillaires
• la lysyl oxydase : enzyme de réticulation du collagène et de l'élastine
• la prolaminine-5 et le procollagène VII (protéines d'ancrage cellulaire)
• l'ostéoglycine et le probiglycane ("small leucine-rich proteoglycans")

La laminine-5 est un élément clé des filaments d'ancrage qui aident les kératinocytes à adhérer à la membrane basale. La laminine-5 est un trimère composé de chaînes α3, β3 et γ2 : BMP1 sépare les chaînes γ2 de la laminine-5 de l'homme et celle du rat.

4. Le tropocollagène

C'est l'unité de base du collagène. Dimensions : longueur : environ 300 nm - diamètre : 1.5 nm.

Le tropocollagène est composé de 3 chaînes polypeptidiques hélicoïdales gauches torsadées l'une autour de l'autre en une superhélice de pas droit.

Ces hélices ne sont pas comparables aux hélices α, incompatibles avec la présence d'une proline. En effet, la proline est un acide α-iminé (groupe aminé secondaire). Sa chaîne latérale est liée à la fois au groupe α-carboxyle et au groupe α-aminé.

Source : Protein Data Bank

Visualisation du tropocollagène de l'hommeà une résolution de 2 Å

Code PDB : 1BKV

Les 3 chaînes (A, B et C) sont colorées.

5. Les aggrégats de fibrilles et structure périodique des collagènes

Le tropocollagène compose une molécule bien plus grande : les aggrégats de fibrilles.

Source : Bertassoni et al. (2012)

Dans les fibrilles, les segments de triple hélices sont décalés les uns par rapport aux autres. Cette disposition créée :

• une région à trou ("gap region" - 0.54 D) : la section de cette région contient moins de segments de triple hélices
• une région de chevauchement ("overlaping region" - 0.46 D) : la section de cette région contient davantage de segments de triple hélices

Ces 2 régions ont une périodicité (appelée période D) de ≈ 67 nm. C'est la raison pour laquelle les fibrilles de collagène ont une apparence en forme de bandes.

Source : Andriotis et al. (2015)

• Figure a (ci-dessus) : vue de face et vue latérale d'une molécule de collagène qui montre la torsion droite de la triple hélice et les liaisons hydrogène qui stabilisent la triple hélice (structure PDB 1CAG).
• Figure b : auto-assemblage de molécules en microfibrilles de collagène avec une périodicité caractéristique de 67 nm (appelée "D-periodicity") qui résulte de de forte compaction ("overlap regions") et de régions de compaction moindre ("gap regions").
• Figure c : image obtenue par microscopie de force atomique d'une fibrille de collagène.
• Figure d : profil de topographie de hauteur qui montre la périodicité D.

Source : Sherman et al. (2015)

6. Les séquences télopeptides (lysine et hydroxylysine)

Le collagène de type I est un hétérotrimère (longueur ≈ 300 nm / épaisseur ≈ 1,5 nm) composée de deux chaînes α1 et d'une chaîne α2. Il existe une forme mineure homotrimérique α1.

Chaque chaîne polypeptidique se compose de trois domaines :

• le domaine N-terminal qui n'est pas impliqué dans la triple hélice : le télopeptide N-terminal
• le domaine central impliqué dans la formation de la triple hélice (≈ 1014 acides aminés - plus de 95% de la molécule de collagène)
• le domaine C-terminal qui n'est pas impliqué dans la triple hélice : le télopeptide C-terminal

Les télopeptides N- et C-terminaux jouent un rôle capital dans la formation des liaisons covalentes entre les 3 chaînes du tropocollagène pour la formation de fibrilles de collagène solides.

Source : Yamauchi & Sricholpech (2012)

Les télopeptides n'adoptent donc pas la conformation triple hélice et contiennent l'acide aminé inhabituel hydroxylysine.

Une liaison covalente aldol est établie entre 2 résidus lysine ou hydroxylysine de l'extrémité C-terminale d'une molécule de collagène avec 2 résidus identiques de l'extrémité N-terminale d'une molécule adjacente. Ces réticulations compactent les molécules de collagène et génèrent des fibrilles fortes.

Des résidus spécifiques de lysine et d'hydroxylysine dans les 2 télopeptides sont désaminés par oxydation par la lysyl oxidase ("Protein-lysine 6-oxidase" - LOX) pour former respectivement des dérivés aldéhyde (acide α-aminoadipique-δ-semialdéhyde) de ces résidus spécifiques, qui initient une série de réactions de condensation pour former des liaisons covalentes intra et inter-moléculaires.

Remarque : les pyridinolines sont relarguées de la matrice osseuse au cours de sa résorption par les ostéoclastes. Ces molécules ("aminoterminal cross-linked telopeptides of type I collagen" - NTX1" et "carboxyterminal cross-linked telopeptides of type I collagen" - CTX1) servent de marqueurs de dégradation du collagène.

La réaction catalysée par LOX est : R-CH₂NH₂ + H₂O + O₂ ---> R-CH=O + NH₃ + H₂O₂

Dans le collagène de type I, il y a 5 résidus lysine ou hydroxylysine des télopeptides qui fournissent le groupe aminé de cette réaction :

• K₁₆ dans le télopeptide C-terminal de chaque chaîne α1
• il n'y a pas de résidu oxydable dans le télopeptide C-terminal de la chaîne α2
• K₉ dans le télopeptide N-terminal de chaque chaîne α1
• K₅ dans le télopeptide N-terminal de la chaîne α2

Exemples de séquences de télopeptides du collagène de type I de bos taurus :

• N-terminal / chaîne α1 : Q₁LSYKYDEK₉STGISVP -[hélice : GPM]
• N-terminal / chaîne α2 : Q₁FDAK₅GGGP -[hélice : GPM]
• C-terminal / chaîne α1 : -E₉₂₄GDRGIK₉₃₀GHRGFSGLQGPP
• C-terminal / chaîne α2 : -K₉₂₄GPRGLPGLK₉₃₃GHNGLQGLP

Séquence du télopeptide C-terminal de la chaîne α1 de l'homme : -S₁AGFDFSFLPQPPQEK₁₆AHDGGRYYRA

7. Modification des lysines par des oses

Dans le collagène de type I de l'homme, il y a :

• 1 résidu lysine dans le domaine télopeptide N-terminal des chaînes α1 / 36 résidus lysine dans le domaine central hélicoïdal / 1 résidu lysine dans le domaine télopeptide C-terminal
• 1 résidu lysine dans le domaine télopeptide N-terminal des chaînes α2 / 30 résidus lysine dans le domaine central hélicoïdal / aucun résidu lysine dans le domaine télopeptide C-terminal

La lysyl hydroxylase ("Procollagen-lysine,2-oxoglutarate 5-dioxygenase 2" - EC 1.14.11.4) catalyse la formation d'hydroxylysine dans des séquences -X-K-G- en présence de Fe²⁺, de 2-oxoglutarate, d'O₂ et d'ascorbate.

Certains résidus hydroxylysine du domaine central hélicoïdal sont encore modifiés :

• formation de galactosyl-hydroxylysine) catalysée par la procollagène galactosyltransférase 2 (EC 2.4.1.50)
• puis formation de glucosyl-galactosyl-hydroxylysine catalysée par la procollagène glucosyltransférase (EC 2.4.1.66)

Structure du complexe 2-O-α-D-glucopyranosyl-O-β-D-galactopyranosyl-hydroxylysine :

• le galactose est attaché au groupe hydroxy- de l'hydroxylysine par une liaison β-glycosidique
• le glucose est attaché par une liaison α-glycosidique au C2 du galactose

Les deux réactions nécessitent la présence du groupe ε-aminé libre de l'hydroxylysine, de l'UDP-galactose et de l'UDP-glucose (donneurs de glucides) et le de cation bivalent Mn²⁺ (cofacteur).

Voir un cours sur la nomenclature et la structure des oses.

8. Hydroxyproline

Figure ci-dessous : séquence des 139 premiers résidus d'une chaîne de collagène de peau de rat.

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994) Ed. DeBoeck Universités

Le collagène est caractérisé par le motif général : Gly - X - Y - Gly. En conséquence, chacune des chaînes portent une glycine tous les 3 résidus (30% des résidus). En effet, sa petite chaîne latérale (H) peut s'insinuer dans les espaces interhélicaux.

Plus spécifiquement, on trouve les 2 motifs : Gly - Pro - X et Gly - X - Hyp. Pro et Hyp représentent 25% des résidus.

Figure ci-dessous : liaison hydrogène intercaténaire entre l'hydrogène amide d'une glycine de la chaîne centrale de l'hélice triple du collagène et l'oxygène carbonyle des Pro d'une chaîne adjacente.

Figure ci-dessous : formation de la 4-hydroxyproline (Hyp). Il s'agit de l'hydroxylation de résidus proline par la prolyl-hydroxylase.

L'un des 2 atomes de l'oxygène (préalablement activé) s'attache à la proline, l'autre est incorporé au succinate lors de la décarboxylation de l'α-cétoglutarate. L'ascorbate (forme ionisée de la vitamine C) sert d'agent réducteur pour cette modification post-traductionnelle.

Les étapes de maturation sont fondamentales pour la formation du procollagène et un déficit en ascorbate est léthal (scorbut des anciens marins - pas d'activité prolyl-hydroxylase).

9. La matrice extracellulaire

Une partie substantielle du volume des tissus s'appelle l'espace extracellulaire, qui est largement rempli par un réseau complexe de macromolécules constituant la matrice extracellulaire (MEC).

La MEC se compose de 3 grandes classes de macromolécules :

• les glycosaminoglycanes (longues chaines d'unités de disaccharides répétés) : le plus souvent liés par covalence aux protéines formant les protéoglycanes. Ils forment des complexes de masses molaires très élevées
• les protéines fibreuses de structure : les différents type de collagène, l'élastine, les fibrillines
• les protéines spécialisées : la fibronectine, les différents type de laminine et les différents type d'intégrines

Dans la plupart des tissus conjonctifs, les constituants de la MEC sont sécrétés principalement par les fibroblastes.

Cependant, dans certains types spécialisés de tissus conjonctifs tels que le cartilage et l'os, les constituants de la MEC sont sécrétés par des chondroblastes et des ostéoblastes, respectivement.

La collagénase 1 ("Matrix MetalloProteinase-1" - MMP-1 / EC 3.4.24.7)est synthétisée par une variété de cellules épithéliales et mésenchymateuses humaines (exemples : les kératinocytes, les fibroblastes et les macrophages). Elle hydrolyse le collagène de types I, II et III et la gélatine de types I, II, III, VI, VIII et X. Elle hydrolyse le collagène de type III plus rapidement.

La collagénase 2 hydrolyse le collagène de types I et III. Elle hydrolyse le type I plus rapidement. Elle est synthétisée uniquement dans les granules spécifiques de cellules de neutrophiles polymorphonucléaires.

La gélatinase A (MMP-2 / EC 3.4.24.24) : hydrolyse du collagène de types IV, V, VII et X et de la gélatine de type I.

La gélatinase B (EC 3.4.24.35) : hydrolyse du collagène de types IV et V et de la gélatine de types I et V. Elle est synthétisée produite par des éosinophiles, des macrophages, des kératinocytes et les granules de neutrophiles.

Les stromelysines [stromélysine1 (MMP-3), stromélysine2 (MMP-10) et stromélysine3 (MMP-11)] dégradent les protéoglycanes, la membrane basale, la laminine et la fibronectine en plus des collagènes.

La matrilysine (MMP-7) et la metalloelastase (MMP-12).

Voir un cours sur l'adhésion entre les cellules.

La bactérie anaérobie hautement pathogène, Clostridium perfringens, sécrète une enzyme qui hydrolyse la liaison peptidique suivante : X - Gly - Pro - Y ---> X-COO^- + ³⁺HN-Gly - Pro - Y

a. Comment la sécrétion de cette enzyme contribue-t-elle au caractère invasif de cette bactérie dans les tissus humains ?
b. Pourquoi cette enzyme n'affecte-t-elle pas la bactérie elle-même ?

a. La protéine dont la liaison peptidique est hydrolysée est le collagène.

b. L'enzyme sécrétée est donc une collagénase (EC 3.4.24.3). Les bactéries étant dépourvues de collagène, elles ne sont donc pas affectées par la collagénase.

La collagénase amplifie le phénomène en favorisant la propagation des germes bactériens dans les tissus.

Clostridium perfringens est une bactérie Gram+. Elle produit une toxine alpha (une lécithinase) impliquée dans des cas de gangrène (exemple : gangrène gazeuse) en anaérobiose dans les tissus.