Bepaalde cellen, zoals rode bloedcellen en spiercellen, moeten aanzienlijke vervormingen kunnen weerstaan. Bij ziekten waarbij sprake is van kwetsbare membranen, zoals erfelijke sferocytose (dat de rode bloedcellen aantast) en de ziekte van Duchenne (die de spiercellen treft), leiden de vervomingen tot problemen. Om de vervormbaarheid van de cellen en de ontregeling ervan te begrijpen willen we beter inzicht krijgen in de organisatie van de lipiden, vetachtige stoffen die de belangrijkste bestanddelen zijn van de membranen.


Belangen en cellulaire modellen

Bepaalde cellen dwingen hun membraan tot aanzienlijke vervormingen tijdens essentiële fysiologische processen; dat is onder andere het geval bij rode bloedcellen tijdens filtratie door de erg nauwe poriën van de milt, bij spiercellen tijdens spiercontracties, bij bloedplaatjes tijdens bloedstolling, bij de macrofagen tijdens het omsluiten van bacteriën, bij gisten tijdens hun splitsing, etc. Lipiden zijn de belangrijkste bestanddelen van de membranen. In ons onderzoek proberen we inzicht te krijgen in de organisatie van de lipiden om zo de vervormbaarheid van de membranen te begrijpen.

Als model hebben we de rode bloedcel gekozen, één van de eenvoudigste en best gekaraktiseerde menselijke cellen. De rode bloedcel is bijzonder vervormbaar en kan door de nauwe poriën van de milt worden geperst, zelfs meer dan 10 duizend keer in zijn leven. Dat is te danken aan de sterke verankering van het membraan aan het cytoskelet, een eiwitstructuur die zorgt dat de cel zijn vorm behoudt. De stevigheid van deze verankering wordt getest bij elke doorgang door de poriën.

Bij erfelijke sferocytose leidt het gebrek aan vervormbaarheid van rode bloedcellen tot vroegtijdige vernietiging van de cellen in de milt. Dit veroorzaakt bloedarmoede en de chirurgische verwijdering van de milt kan noodzakelijk zijn.

 

Organisatie van de membraanlipiden in domeinen

Lange tijd ging men ervan uit dat de membraanlipiden homogeen, twee-laags verdeeld waren, met uitzondering van zeer kleine, onstabiele domeinen die rijk zijn aan specifieke lipiden (nanometrische lipidenrafts genoemd). Dankzij confocale microscopie met hoge resolutie van levende rode bloedcellen heeft ons team ontdekt dat er veel grotere en stabielere lipidendomeinen bestaan dan de nanometrische rafts. Deze worden nu micrometrische domeinen genoemd. De domeinen hangen af van de temperatuur, de cholesterolinhoud van het membraan, de membraanspanning en de verankering van het membraan in het onderliggende cytoskelet. Deze domeinen zijn sterk aangetast bij patiënten met sferocytose. Onze doelstellingen zijn (i) de interne moleculaire organisatie van deze micrometrische domeinen definiëren; (ii) er de globale moleculaire lipiden- en de proteïnesamenstelling van bepalen; (iii) evalueren hoe ze bijdragen tot de fysiopathologie van de sferocytose.

 

Bijdrage van de membraanlipidendomeinen aan ziekten die het gevolg zijn van de fragiliteit van het membraan

We weten al dat de organisatie van het membraan van rode bloedcellen in de micrometrische domeinen is aangetast bij patiënten met sferocytose. We bekijken twee hypotheses die kunnen verklaren hoe de micrometrische domeinen een impact hebben op de vervormbaarheid van het membraan. De eerste hypothese beschouwt deze domeinen als kwetsbare sites die het afbreken van de abnormale rode bloedcellen bevorderen. De tweede hypothese gaat uit van een membraanreservoir, met daarin de micrometrische domeinen, dat de vervormbaarheid van de rode bloedcellen bevordert. Ons onderzoek zou de fysiopathologie moeten ophelderen van ziekten die te maken hebben met de kwetsbaarheid van de rode bloedcellen en zou preventieve vooruitzichten kunnen bieden voor de hemolyse bij patiënten met sferocytose.

De uitbreiding van ons onderzoek naar de ziekte van Duchenne is voorzien. Ook de spiercel beschikt over een goed gestructureerd cytoskelet dat sterk verankerd zit in het membraan. Dit is essentieel om niet te breken tijdens de spiersamentrekking. Een gebrek aan cellulaire vervorming leidt bij de ziekte van Duchenne tot degeneratie van de spiervezels, die al snel gepaard gaat met spierzwakte en progressieve verlamming.

 

Cell deformation is critical for numerous pathophysiological processes. Our group explores how plasma membrane biophysical properties contribute with the cytoskeleton and membrane bending proteins to cell deformation and how this interplay is deregulated in diseases. This is the first step before considering to use membrane properties as diagnostic biomarker and/or manipulation for therapeutical benefit.

In their environment, cells face a variety of stimuli and stresses inducing cell deformation. Typical examples are shear stress by squeezing of red blood cells (RBCs) in the narrow pores of spleen sinusoïds, stretching of muscle cells during contraction or pressure exerted by tumors on surrounding cells. We aim at elucidating how plasma membrane lipid composition and biophysical properties contribute to cell deformation, as a prerequisite towards understanding diseases.

We mainly use RBCs, as the simplest and best-characterized human cell model with remarkable deformability. Using high-resolution confocal imaging and atomic force microscopy (coll. D. Alsteens, UCLouvain), we discovered the existence of stable submicrometric lipid domains at the living RBC plasma membrane. Three types of domains coexist, showing differential composition, membrane curvature association, lipid order and role in RBC deformation. Cholesterol-enriched domains contribute to RBC deformation through their gathering in highly curved membrane areas. The two other domains, coenriched in cholesterol and sphingolipids, increase in abundance upon calcium influx and efflux respectively, suggesting they could provide platforms for the recruitment and/or activation of proteins involved in calcium exchanges.

At the end of their lifetime, RBCs become less deformable and lose part of their membrane by extracellular vesicle (EV) release. In blood tubes stored at 4°C, EV release is high and accompanied by the loss of cholesterol-enriched domains, suggesting they could represent sites susceptible to vesiculation. Despite a lower extent of vesiculation, this relationship is also relevant to RBC concentrates intended for blood transfusion (coll. Croix-Rouge de Belgique), opening the possibility of targeting cholesterol to limit EV release in RBC concentrates before transfusion and therefore improving RBC concentrate storage.

Membrane lipid domains and biophysical properties are deregulated in RBC-related diseases, including spherocytosis, elliptocytosis, hypobetalipoproteinemia and neuroacanthocytosis. Extension to erythroleukemia, a rare type of acute myeloid leukemia with poor prognosis (coll. V. Havelange), is ongoing.

We recently started to explore the contribution of plasma membrane lipids for myoblast migration and fusion into myotubes and for breast cancer cell invasion. Both myoblasts and mammary cells exhibit different types of lipid domains with distinct roles in cell migration. Moreover, the comparison of malignant with pre- and non-malignant cells reveals that cholesterol-enriched domains and plasma membrane biophysical properties are deregulated in breast cancer (coll. D. Alsteens) and that the decrease of cholesterol content specifically inhibits invasion of the malignant cells. Our data open the possibility to target cholesterol by a pharmaceutical approach in breast cancer.

Our group works in tandem with the Platform for Imaging Cells and Tissues (PICT). PICT is not only a core facility providing access and training to high-throughput, high-resolution, super-resolution and multiphoton confocal imaging, but also a source of expertise, advice and collaborations within the DDUV Institute, the health research campus of the UCLouvain, as well as national and international partnerships, both academic and industrial. For additional information on equipments and expertise, please see https://www.deduveinstitute.be/pict-platform-imaging-cells-and-tissues

Complete list on PubMed
Donatienne Tyteca
Institut de Duve
Avenue Hippocrate 75 - B1.75.05
B-1200 Bruxelles
Tel:
+32 2 764 75 91
Fax:
+32 2 764 75 43
Ons onderzoeksrapport van 2021 is beschikbaar ​"icone" Download