Identification et caractérisation des principaux fragments du collagène de type II du cartilage équin, produit in vitro par l'enzyme cathepsine K

Abstract

La dégradation protéolytique du collagène de type II est considérée comme étant un facteur majeur dans le processus irréversible de dégradation de la matrice cartilagineuse lors d’ostéoarthrose. Outre les collagénases de la famille des métaloprotéinases de la matrice (MMP-1, -8, -13), la cathepsine K est parmi les seules enzymes susceptibles de dégrader la triple hélice intacte du collagène de type II, devenant ainsi un élément pertinent pour les recherches sur l’ostéoarthrose. L’objectif à court terme de notre étude consiste en l’identification et la caractérisation de sites de clivage spécifiques de la cathepsine K sur le collagène de type II équin. La technique d’électrophorèse SDS-PAGE 1D permet la visualisation des produits de digestion et la validation des résultats de la caractérisation moléculaire des fragments protéolytiques. La caractérisation est réalisée en combinant la digestion trypsique précédant l’analyse HPLC-ESI/MS. Les résultats ont permis d’établir les sites, présents sur la carte peptidique de la molécule de collagène de type II équin, des 48 résidus prolines (P) et 5 résidus lysines (K) supportant une modification post-traductionnelle. De plus, 6 fragments majeurs, différents de ceux produits par les MMPs, sont observés par SDS-PAGE 1D puis confirmés par HPLC-ESI/MS, correspondant aux sites suivants : F1 [G189-K190], F2 [G252-P253], F3 [P326-G327], F4 [P428-G429], F5 [P563-G564] et F6 [P824-G825]. Le fragment F1 nouvellement identifié suggère un site de clivage différent de l’étude antérieure sur le collagène de type II bovin et humain. L’objectif à long terme serait le développement d’anticorps spécifiques au site identifié, permettant de suivre l’activité protéolytique de la cathepsine K par immunohistochimie et ÉLISA, dans le cadre du diagnostic de l’ostéoarthrose.

The proteolytic degradation of type II collagen is believed to be mainly an irreversible event in the process of cartilage matrix degradation in osteoarthritis. Cathepsin K is the most active enzyme protease outside the matrix metalloproteinase (MMP) family (MMP 13, -8, -1) capable of degrading the intact triple helical type II collagen. The short term objective of our study was to characterize the specific cleavage sites of CK on type II collagen. Our long term goal is to develop antibodies specific to these sites to develop biomarkers to detect it’s cleavage, for the early diagnosis of OA. Thus, in order to achieve our first goal, Cathepsin K cleavage of equine type II collagen was first examined by SDS-PAGE electrophoresis. Molecular characterization of proteolytic fragments, and therefore cleavage sites, was performed using tryptic digestion followed by LC-ESI/MS analysis to establish a comprehensive peptide map which was used as a template to identify specific proteolytic cleavage by cathepsin K. Comprehensive peptide mapping provided information on post-translational modifications and permitted the identification of 48 proline (P) and 5 lysine (K) residues that were subject to post translational modification. Six major fragments were observed on 1D SDS-PAGE and confirmed by HPLC-ESI/MS including F1 [189-190], F2 [252-253], F3 [326-327], F4 [428-429], F5 [563-564] and F6 [824-825]. The observed F1 fragment showed that cleavage was three residues N-terminal to the site reported previously for bovine type II collagen. These new findings will be used to develop new analytical methods to quantify biomarkers associate to equine type II collagen degradation in osteoarthritis patient and/or to support the development of new treatments.