Deimination is regulated at multiple levels including auto-deimination of peptidylarginine deiminases

Abstract

Peptidylarginine deiminases (PADs) catalyze deimination, converting arginyl to citrullyl residues. Only three PAD isotypes are detected in the epidermis where they play a crucial role, targeting filaggrin, a key actor for the tissue hydration and barrier functions. Their expression and activation depends on the keratinocyte differentiation state. To investigate this regulation, we used primary keratinocytes induced to differentiate either by increasing cell-density or by treatment with vitamin D. High cell-density increased PAD1 and 3, but not PAD2, at the mRNA and protein levels, and up-regulated protein deimination. By contrast, vitamin D increased PAD1-3 mRNA amounts, with distinct kinetics, but neither the proteins nor the deimination rate. Furthermore, auto-deimination was shown to decrease PAD activity, increasing the distances between the four major amino acids of the active site. In summary, deimination can be regulated at multiple levels: transcription of the PADI genes, translation of the corresponding mRNAs, and auto-deimination of PADs.

Peptidylarginine Deiminases and Protein Deimination in Skin Physiopathology

“…Local calcium ion concentrations could also regulate the subcellular localization of PADs, and their activity (Ying et al, 2009). In addition, high NHEK density increases PAD1 (threefold) and 3 (fivefold), but not PAD2, at the mRNA and protein levels, and up-regulates protein deimination (Méchin et al, 2010). By contrast, vitamin D increases PAD1-3 mRNA amounts, with distinct kinetics, but neither the corresponding enzymes nor the deimination rate (Méchin et al, 2010).…”

La désimination ou citrullination

“…Nous avons montré que PAD1 et PAD3 sont les isotypes qui interviennent dans le catabolisme de la filaggrine, protéine-clé de la différenciation terminale des kératinocytes (cellules majoritaires souris ou de rat (72 à 94 %). Pourtant nous avons démontré que les isotypes 1 à 3 des PAD présentent des spécificités de substrat différentes et des sensibilités au calcium et au pH distinctes [7] et, plus récemment, qu'elles sont régulées de façon différentielle et à de multiples niveaux [8][9][10][11]. Des tests utilisant l'activité luciférase, réalisés dans des kéra-tinocytes humains en culture primaire, ont montré que les gènes PADI1, 2 et 3 sont contrôlés au niveau transcriptionnel par des facteurs ubiquistes comme Sp1, Sp3, NF-Y et MZF1 qui se lient à leurs promoteurs minimaux, longs respectivement de 195, 132 et 129 paires de bases (pour revue voir [8]).…”

“…Parallèlement, nous avons montré qu'une stimulation transcriptionnelle de PADI1-3 par la vitamine D n'est pas suffisante pour induire l'augmentation des enzymes PAD1-3 correspondantes, ni la désimination des protéines des kératinocytes. En revanche, l'augmentation de la densité cellulaire, autre modèle d'induction de la différenciation des kératinocytes, induit l'expression des gènes PADI1 et 3, des enzymes PAD1 et 3 et de l'activité de désimination (accrue d'un facteur 12 environ) [11]. De plus, nous avons observé que les PAD1-3 sont capables de s'auto-désiminer in vitro et que cette auto-désimination de l'épiderme).…”

“…Les cinq gènes PADI dérivent d'un ancêtre commun et ont divergé au fil de l'évolution ( [1], et pour revue [6]). Leur organisation exons/introns est similaire et selon un alignement multiple global réalisé avec l'algorithme ClustalW, les séquences primaires des cinq PAD humaines présentent des pourcentages élevés d'identité entre paralogues (36 à 55 %) et encore plus élevés avec les séquences des Pad orthologues de Couche basale réduit leur capacité à modifier la filaggrine [11]. Une approche in silico, utilisant des modèles tridimensionnels de PAD3 sur lesquels les arginines les plus accessibles ont été substituées par des citrullines, nous a permis d'évaluer l'effet de l'auto-désimination sur le site actif ( Figure 3A-B).…”

“…Celle-ci induit des changements de distance entre les quatre acides aminés majeurs (Asp-350, His-470, Asp-472 et Cys-646) du site actif, de l'ordre de 100 pm (jusqu'à 38 %), et des changements du volume de celui-ci d'environ 200 pm 3 (environ 20 %) ( Figure 3C). Ces changements structuraux sont vraisemblablement responsables de la réduction de l'activité PAD observée [11]. La désimination est donc une modification post-traductionnelle très étroitement contrôlée, non seulement via la transcription des gènes PADI, mais aussi au niveau post-transcriptionnel et certainement au niveau post-traductionnel, par auto-désimination.…”