Rôle des Smads lors du processus de régénération chez Ambystoma mexicanum

Les capacités de guérison humaine étant limitées et grandement associées à la fibrose, la possibilité de régénérer tous tissus contribueraient grandement à l’amélioration de la santé des patients. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons publié un article montrant les limitations de certains modèles de recherche en ce qui a trait à la guérison des plaies. Ces limitations sont d’autant plus importantes lorsque la recherche traite de régénération tissulaire. Aussi, cette publication positionne l’axolotl (Ambystoma mexicanum) comme un excellent modèle pour étudier le processus de régénération épimorphique ainsi que l’importance de la signalisation TGF-β.  La cytokine multifonctionnelle TGF-β est impliquée dans la guérison, l’induction des cicatrices, la différenciation, la croissance et la migration cellulaire. Cette cytokine est responsable de la guérison quasi parfaite des muqueuses buccales chez les mammifères, mais est aussi liée à la cicatrisation de plusieurs autres types tissulaires. La famille des TGF-β est aussi impliquée dans la régénération épimorphique chez l’échinoderme, ainsi que dans la régénération hépatique (hyperplasie compensatoire), ce qui confirme son rôle régulateur de la guérison parfaite.  Des travaux précédents ont montré que l’utilisation d’un inhibiteur spécifique de la signalisation des TGF-β (SB-431542) empêche la régénération (Lévesque et al., 2007). Comme la voie canonique de signalisation de TGF-β s’opère via les protéines Smads (Smad2 & 3), l’étude de ces deux protéines est au cœur du second article. Lors du processus de régénération, Smad2 est phosphorylé entre 6h et 48h post-amputation (pa), ce qui correspond à la phase de migration cellulaire et au début de la prolifération. D’un autre côté, Smad3 est phosphorylé plus tôt, entre 3h et 6h pa, alors que la quantité de protéine totale diminue lors de la phase de préparation. L’administration de l’inhibiteur SB-431542 au moment de l’amputation bloque l’activation de Smad2 et de Smad3. Aucun blastème ne se forme, bien que la plaie ferme normalement. L’utilisation des inhibiteurs SIS3 et Naringenin (spécifique à Smad3) réduisent la phosphorylation de Smad3 d’environ 50 % (lorsque mesurée par immunobuvardage). Le processus de régénération ne semble toutefois pas affecté. La régulation différentielle des Smads est donc centrale au processus de régénération de l’axolotl. Dans le cadre de ce projet, nous avons aussi tenté de bloquer spécifiquement l’expression, ainsi que l’activation de Smad2. J’ai premièrement établi que Smad2 et Smad3 étaient présents dans la lignée cellulaire AL-1 et qu’ils peuvent être phosphorylés. J’ai ensuite tenté, par différentes techniques, de réduire l’activation spécifique de Smad2, sans succès. D’autre part, plusieurs expériences complémentaires confirment que l’activation de Smad3 est difficilement détectable et est peu importante pour la formation du blastème.  La capacité exceptionnelle de régénération de l’axolotl est intimement liée à une activation différentielle des protéines Smad2 et Smad3. L’activation de Smad2 est associée à une prolifération cellulaire importante. D’autre part, l’absence de fibrose est potentiellement due à la faible activation de Smad3 au cours du processus de régénération. Since wound healing in human is imperfect and associated with fibrosis, understanding how regeneration works would be a great asset to improve patient’s health. During this PhD project, we have published a paper exposing the weaknesses of certain research models when studying wound healing. Those limitations are even more striking when studying regeneration. This publication sets the stage for the use of the axolotl (Ambystoma mexicanum) as an excellent model to study regeneration and the importance of TGF- for the process. The multifunctional cytokine TGF-β is involved in healing, scarring, cellular differentiation, growth and migration. This cytokine is associated with the near perfect healing of oral tissues in humans, but is also associated with scarring of multiple tissue types. TGF-β is also associated with epimorphic regeneration in echinoderm and liver hyperplasia.  Previous work had shown that treatment of regenerating axolotl limbs with a specific inhibitor of TGF-β canonical signalling (SB-431542) prevents regeneration (Lévesque et al., 2007). Since canonical signaling goes through Smad2 and Smad3, those two proteins are at the center of the second publication. During limb regeneration, Smad2 is phosphorylated at 6h-48h post-amputation (pa), which corresponds to the cellular migration phase and the beginning of the proliferative phase. On the other hand, Smad3 phosphorylation happens earlier (3h-6h pa), while the total protein expression is lower. Treatment with SB-421543 blocks the phosphorylation of both Smad2 and Smad3. No blastema is formed, but the wound closes at the same rate. Treatment with other inhibitors, SIS3 or Naringenin (specifically targeting Smad3), blocks approximately 50% of Smad3 phosphorylation (as determined by western blotting), but regeneration is not affected. Differential regulation of Smads is essential for proper regeneration to occur. Lastly, we have tried multiple approaches to diminish specifically the activation of Smad2. Using the only axolotl cell line available (AL-1), we have tried inhibition with LNA molecules, long antisense and overexpression of a competitor. None of these approaches specifically reduced the levels of Smad2. In addition, other experiments confirmed that activation of Smad3 during the regeneration process is limited.  The extraordinary ability to regenerate that the axolotl possesses is tightly linked to a differential activation of Smad2 and Smad3 proteins. Smad2 phosphorylation is associated with cellular proliferation and migration, hence blastema formation, while the apparent lack of Smad3 activity might partly explain why these animals do not form scar tissues.

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