Role of the Leucine Rich Amelogenin Peptide in enamel formation and mineralization

L'émail dentaire est la couche de tissu externe calcifié recouvrant la couronne de la dent; c’est la structure la plus minéralisée du corps humain. L'émail est synthétisé par l’améloblaste au cours du développement de la dent, mais cette population cellulaire dégénère et régresse totalement lorsque la dent devient fonctionnelle. L'émail mature est donc complètement dépourvu de cellules et de contenu protéique. L’amélogénine, la principale protéine de l’émail a la capacité de s’assembler en structures très organisées de type nanochaînes qui vont guider et réguler les cristaux d’hydroxyapatite de l’émail en formation. Le Leucine Rich Amelogenin Peptide (LRAP) est un produit de l'épissage alternatif du gène de l'amélogénine ; c’est un peptide court (56kDa), composée des séquences actives et N- et C-terminales de la protéine d’amélogénine complète. Dans ce travail, nous avons cherché à comprendre le rôle de LRAP dans l’amélogenèse. Nous avons montré 1) que LRAP présentait les mêmes propriétés d’auto-assemblage que la forme complète d’amélogénine et ses produits de clivage ; 2) que LRAP possédait les même propriétés de régulation des phosphates de calcium que la protéine complète ; et 3) que la conformation de la forme phosphorylée de LRAP était modifiée par une augmentation de la concentration de calcium dans le milieu environnant contrairement à la forme déphosphorylée de LRAP. Dans un second temps, nous avons étudié les propriétés de signalisation du peptide et confirmé nos résultats de minéralisation sur des modèles de culture de cellules de type améloblastique LS8 et ALC in vitro et sur un modèle de culture de germe de première molaire de souris ex vivo. Nous avons montré que la présence des deux formes de LRAP, active la cinétique de différenciation des cellules LS8 et ALC in vitro et favorise la formation de cristaux d’HAP organisés et allongés. Dans les germes en culture, la présence de LRAP(+P) dans un milieu minéralisant permet une augmentation de la densité et du volume de minéral formé alors que dans un milieu standard, il favorise la différenciation des germes. LRAP(-P) entraine en revanche, la synthèse par les améloblastes sécréteurs de longs et fins cristaux d’HAP bien organisés. Ce travail pourrait ouvrir de nouvelles stratégies de régénération des tissus de l'émail afin de traiter des altérations de la couche d'émail résultant de lésions carieuses à l’aide du LRAP(-P) ou de troubles génétiques comme l’amélogenèse imparfaite en utilisant plutôt le LRAP(+P).Tooth enamel is the outer calcified layer covering the crown of the tooth; it is the most mineralized tissue of the human body. Enamel is synthesized by ameloblast during tooth development, but this cell population degenerates and regresses when the tooth becomes fully functional. The mature enamel is completely devoid of cells and protein content. The amelogenin, the main protein of the enamel has the ability to assemble into highly organized nanochains, which will guide and regulate the deposition of hydroxyapatite crystals during enamel formation. The Leucine Rich Amelogenin Peptide (LRAP) is a product of alternative splicing of the amelogenin gene; it is a short peptide (56kDa), composed of the active N- and C-terminal sequences of the complete amelogenin protein. The aim of this work is to understand is to understand the role of LRAP in enamel formation. We have shown 1) that LRAP presents the same self-assembling properties as the full-length form of amelogenin and its cleavage products; 2) that LRAP exhibits the same calcium phosphate regulating properties as the full-length protein; and 3) that the conformation of the phosphorylated form of LRAP was modified by increasing concentration of calcium in the surrounding medium unlike the dephosphorylated form of LRAP. In the second part of this work, we have studied the peptide signaling properties and confirmed our mineralization results on ameloblast lineage cell culture models (LS8 and ALC) in vitro and on mice first molar germ culture model ex vivo. We have shown that the presence of both forms of LRAP activate the kinetic of differentiation of LS8 and ALC cells in vitro, and results in the formation of organized elongated HAP crystals. In the germ culture experiments, addition of LRAP(+P) in a mineralizing medium induces an increase in the density and volume of the mineral formed whereas in the standard medium, it promotes differentiation of the germs. LRAP(-P) leads to the synthesis by secretory ameloblasts of well organized long and fine HAP crystals. This work may lead the way toward new strategies for enamel tissue regeneration in order to treat alterations in the enamel layer resulting from carious lesions with the LRAP(-P) or genetic disorders such as amelogenesis imperfecta using LRAP(+P)