REGULATION OF PHAGOCYTE NADPH OXYDASE ACTIVITY BY ENZYMES REGULATING GLUCOSE METABOLISM AND S100A8/S100A9 HETEROCOMPLEX : APPLICATION TO RHEUMATOID ATRHRITIS

Rheumatoid Arthritis (RA) is the more frequent inflammatory arthritis. This disease is caused by an inflammation of the synovial membrane leading to progressive joint destruction and deformation. During joint inflammation flares, polymorphonuclear neutrophils (PMN) have a huge potential to directly inflict damage to tissue, bone and cartilage via the production NADPH oxidase related-reactive oxygen species (ROS). The phagocyte NADPH oxidase is a key enzyme of the innate immunity involved in superoxide anions O2* − production. It is a multi-protein complex formed by a catalytic core, i.e. the transmembrane cytochrome b558 and cytosolic regulators (p67phox, p47phox, p40phox and Rac1/2). Upon cell stimulation and association with cytosolic regulatory factors, the phagocyte NADPH oxidase becomes activated and produces a huge amount of superoxide anions O2* −. In a previous work, the characterization of the whole NADPH oxidase complex isolated, in a constitutively active form, from PMN [Paclet et al. 2007] revealed the presence of the 6-phosphofructo-2-kinase (PFK2) heart isoenzyme and the 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH). Since both enzymes were absent in the oxidase complex prepared with B-lymphocyte cytosol it was hypothesized that the interaction between PFK2 or 6PGDH and the phagocyte NADPH oxidase was specific. In another study, the S100A8/S100A9 heterodimer, constituting about 40% of the protein content of PMN cytosol, was shown to enhance phagocyte NADPH oxidase activity in vitro. Given the importance of PMN activation in RA pathogenesis, we aimed at better analyzing the molecular mechanisms of phagocyte NADPH oxidase activation through the evaluation of the specificity of the interaction with 6PGDH or PFK2 and through the further analysis of the association with the S100A8/A9 heterocomplex. The RA-specific protein profiling was conducted, using a proteomic approach, in order to, firstly, determine whether a PMN activation fingerprint could be revealed among RA specific proteins and, secondly, characterize RA biomarkers. Upon PMA stimulation, both 6PGDH and PFK2 co-imunoprecipitated with cytosolic factors p67phox, p47phox and p40phox. At the plasma membrane level, confocal microscopy experiments suggested a co-localization of either 6PGDH or PFK2 with the phagocyte NADPH oxidase in lipid rafts. 6PGDH enhanced the phagocyte NADPH oxidase activity by both improving the availability of cytosolic NADPH content and by increasing the affinity of the NADPH oxidase for its substrate. PFK2 also augmented the NADPH oxidase activity. PFK2 modulated the ATP concentration available for the phosphorylation of the phagocyte NADPH oxidase components and for the NDP Kinase related-Rac activation. The generation of truncated S100A8/S100A9 heterodimer chimera could reveal that the C-terminal region of S100A8 is involved in both the interaction and the activation of the phagocyte NADPH oxidase. In vivo, synovial fluid of RA patients was remarkably labelled with the PMN activation fingerprint. S100A8, S100A9 and S100A12 proteins clearly distinguished RA synovial fluid from osteoarthritis and non RA-synovial fluids. Of note, an ectopic production of S100A8/S100A9 was depicted in fibroblast like synoviocyte suggesting a potential involvement of these danger signals in RA etiopathogenesis. In conclusion, 6PGDH, PFK2 and S100A8/A9 proteins are surrogate activating partners of the phagocyte NADPH oxidase. In RA, the activation of PMNs leads to the release of S100A8/A9 proteins which may constitute
La Polyarthrite Rhumatoïde, caractérisée par une synovite à l'origine de lésions progressives ostéo-articulaires, est le plus fréquent des rhumatismes inflammatoires. Les formes réactives de l'oxygène (ROS) produites par la NADPH oxydase des polynucléaires neutrophiles (PMN) infiltrant le pannus rhumatoïde, sont responsables de lésions tissulaires. La NADPH oxydase des phagocytes, est formée d'un centre catalytique membranaire, le cytochrome b558, sur lequel vient s'associer des protéines cytosoliques régulatrices (p67phox, p47phox, p40phox et Rac1/2). L'étude du complexe NADPH oxydase isolé et constitutivement actif, à partir de PMN activés, a révélé la présence de deux enzymes impliquées dans la régulation du métabolisme du glucose. Il s'agit de la PFK2 (6-phosphofructokinase 2) et de la 6PGDH (6-phosphogluconate déshydrogénase) [Paclet et al. 2007]. De plus, l'étude des protéines cytosoliques retenues sur une matrice d'affinité ciblant p47phox, a établi que les protéines S100A8 et S100A9, constituant 40% des protéines cytosoliques du PMN, participent à l'activation de l'oxydase [Berthier et al. 2003]. L'hétérocomplexe S100A8/A9, augmente l'activité de la NADPH oxydase phagocytaire et induit un changement conformationnel du cytochrome b558. Au regard de l'importance de la stimulation du PMN dans la physiopathologie de la PR, notre objectif, à terme, est d'analyser les mécanismes de l'activation de la NADPH oxydase dans cette pathologie. D'une part, nous avons étudié la spécificité de l'interaction entre la 6PGDH ou la PFK2 et la NADPH oxydase des PMN. D'autre part, nous avons caractérisé les domaines de l'hétérocomplexe S100A8/A9 impliqués dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. Par ailleurs, une étude de la signature protéique dans le liquide synovial a été menée afin de rechercher l'empreinte de l'activation du PMN dans la PR et de caractériser des biomarqueurs spécifiques de cette pathologie. Après stimulation par le PMA, la 6PGDH et la PFK2 co-imunoprécipitent avec les facteurs cytosoliques p67phox, p47phox and p40phox. Les expériences de microscopie confocale suggèrent une co-localisation de ces deux enzymes du métabolisme du glucose avec la NADPH oxydase, dans des micro-domaines membranaires : les radeaux lipidiques. La 6PGDH est impliquée dans l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire en élevant la concentration du NADPH cytosolique mais également en augmentant l'affinité de cette enzyme pour son substrat, le NADPH. PFK2 est l'enzyme majeure de la régulation de la glycolyse. Dans les neutrophiles, cette voie est essentielle pour la production d'ATP disponible, d'une part, pour la phosphorylation des facteurs cytosoliques de la NADPH oxydase et d'autre part, pour la NDP Kinase. Cette dernière enzyme pourrait, secondairement, activer Rac en formant du GTP à partir d'ATP. Les protéines S100A8/A9 sont directement impliquées dans les mécanismes de régulation de la NADPH oxydase. L'utilisation du complexe S100A8/A9 et de protéines chimères de fusion nous a permis de révéler que la partie C-terminale de S100A8 est impliquée dans la liaison avec le cytochrome b558 et l'activation de la NADPH oxydase phagocytaire. In vivo, le profil protéique du liquide articulaire de PR a mis en évidence l'empreinte de l'activation du PMN dans cette pathologie. Les protéines S100A8, S100A9 permettraient de différencier le liquide synovial rhumatoïde de celui de patients arthrosiques ou souffrant d'arthrites non rhumatoïdes. De manière intéressante, une production ectopique de S100A8/A9 par les synoviocytes de type fibroblastique a été mise en évidence, suggérant une implication potentielle de ces protéines dans la physiopathologie de la PR. En conclusion, la 6PGDH, la PFK2 et l'hétérodimère S100A8/A9 sont de nouveaux partenaires d'activation de la NADPH oxydase des phagocytes. Dans la Polyathrite Rhumatoïde, l'activation des PMNs conduit à la sécrétion de S100A8/A9 qui semblent constituer à la fois des biomarqueurs pertinents, mais également des cibles thérapeutiques potentielles.