Role of T cells in malnutrition and obesity.

Nutritional status is critically important for immune cell function. While obesity is characterized by inflammation that promotes metabolic syndrome including cardiovascular disease and insulin resistance, malnutrition can result in immune cell defects and increased risk of mortality from infectious diseases. T cells play an important role in the immune adaptation to both obesity and malnutrition. T cells in obesity have been shown to have an early and critical role in inducing inflammation, accompanying the accumulation of inflammatory macrophages in obese adipose tissue, which are known to promote insulin resistance. How T cells are recruited to adipose tissue and activated in obesity is a topic of considerable interest. Conversely, T cell number is decreased in malnourished individuals, and T cells in the setting of malnutrition have decreased effector function and proliferative capacity. The adipokine leptin, which is secreted in proportion to adipocyte mass, may have a key role in mediating adipocyte-T cell interactions in both obesity and malnutrition, and has been shown to promote effector T cell function and metabolism while inhibiting regulatory T cell proliferation. Additionally, key molecular signals are involved in T cell metabolic adaptation during nutrient stress; among them, the metabolic regulator AMP kinase and the mammalian target of rapamycin have critical roles in regulating T cell number, function, and metabolism. In summary, understanding how T cell number and function are altered in obesity and malnutrition will lead to better understanding of and treatment for diseases where nutritional status determines clinical outcome.

The liver kinase B1 is a central regulator of T cell development, activation, and metabolism.

T cell activation leads to engagement of cellular metabolic pathways necessary to support cell proliferation and function. However, our understanding of the signal transduction pathways that regulate metabolism and their impact on T cell function remains limited. The liver kinase B1 (LKB1) is a serine/threonine kinase that links cellular metabolism with cell growth and proliferation. In this study, we demonstrate that LKB1 is a critical regulator of T cell development, viability, activation, and metabolism. T cell-specific ablation of the gene that encodes LKB1 resulted in blocked thymocyte development and a reduction in peripheral T cells. LKB1-deficient T cells exhibited defects in cell proliferation and viability and altered glycolytic and lipid metabolism. Interestingly, loss of LKB1 promoted increased T cell activation and inflammatory cytokine production by both CD4(+) and CD8(+) T cells. Activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK) was decreased in LKB1-deficient T cells. AMPK was found to mediate a subset of LKB1 functions in T lymphocytes, as mice lacking the α1 subunit of AMPK displayed similar defects in T cell activation, metabolism, and inflammatory cytokine production, but normal T cell development and peripheral T cell homeostasis. LKB1- and AMPKα1-deficient T cells each displayed elevated mammalian target of rapamycin complex 1 signaling and IFN-γ production that could be reversed by rapamycin treatment. Our data highlight a central role for LKB1 in T cell activation, viability, and metabolism and suggest that LKB1-AMPK signaling negatively regulates T cell effector function through regulation of mammalian target of rapamycin activity.

hVps34 is a nutrient-regulated lipid kinase required for activation of p70 S6 kinase

Mammalian cells respond to nutrient deprivation by inhibiting energy consuming processes, such as proliferation and protein synthesis, and by stimulating catabolic processes, such as autophagy. p70 S6 kinase (S6K1) plays a central role during nutritional regulation of translation. S6K1 is activated by growth factors such as insulin, and by mammalian target of rapamycin (mTOR), which is itself regulated by amino acids. The Class IA phosphatidylinositol (PI) 3-kinase plays a well recognized role in the regulation of S6K1. We now present evidence that the Class III PI 3-kinase, hVps34, also regulates S6K1, and is a critical component of the nutrient sensing apparatus. Overexpression of hVps34 or the associated hVps15 kinase activates S6K1, and insulin stimulation of S6K1 is blocked by microinjection of inhibitory anti-hVps34 antibodies, overexpression of a FYVE domain construct that sequesters the hVps34 product PI(3) P, or small interfering RNA-mediated knock-down of hVps34. hVps34 is not part of the insulin input to S6K1, as it is not stimulated by insulin, and inhibition of hVps34 has no effect on phosphorylation of Akt or TSC2 in insulin-stimulated cells. However, hVps34 is inhibited by amino acid or glucose starvation, suggesting that it lies on the nutrient-regulated pathway to S6K1. Consistent with this, hVps34 is also inhibited by activation of the AMP-activated kinase, which inhibits mTOR/S6K1 in glucose-starved cells. hVps34 appears to lie upstream of mTOR, as small interfering RNA knock- down of hVps34 inhibits the phosphorylation of another mTOR substrate, eIF4E-binding protein-1 (4EBP1). Our data suggest that hVps34 is a nutrient-regulated lipid kinase that integrates amino acid and glucose inputs to mTOR and S6K1.

Enhanced lymphocyte interferon (IFN)-γ responses in a PTEN mutation-negative Cowden disease kindred.

Identification of immune modifiers of inherited cancer syndromes may provide a rationale for preventive therapy. Cowden disease (CD) is a genetically heterogeneous inherited cancer syndrome that arises predominantly from germline phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10 (PTEN) mutation and increased phosphoinositide 3-kinase/mammalian target of rapamycin (PI3K/mTOR) signalling. However, many patients with classic CD diagnostic features are mutation-negative for PTEN (PTEN M-Neg). Interferon (IFN)-gamma can modulate the PI3K/mTOR pathway, but its association with PTEN M-Neg CD remains unclear. This study assessed IFN-gamma secretion by multi-colour flow cytometry in a CD kindred that was mutation-negative for PTEN and other known susceptibility genes. Because IFN-gamma responses may be regulated by killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR) and respective human leucocyte antigen (HLA) ligands, KIR/HLA genotypes were also assessed. Activating treatments induced greater IFN-gamma secretion in PTEN M-Neg CD peripheral blood lymphocytes versus healthy controls. Increased frequency of activating KIR genes, potentially activating KIR/HLA compound genotypes and reduced frequency of inhibitory genotypes, were found in the PTEN M-Neg CD kindred. Differences of IFN-gamma secretion were observed among PTEN M-Neg CD patients with distinct KIR/HLA compound genotypes. Taken together, these findings show enhanced lymphocyte secretion of IFN-gamma that may influence the PI3K/mTOR CD causal molecular pathway in a PTEN mutation-negative CD kindred.

Impact of oncogenic driver mutations on feedback between the PI3K and MEK pathways in cancer cells

Inhibition of the PI3K (phosphoinositide 3-kinase)/Akt/mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1) and Ras/MEK [MAPK (mitogen-activated protein kinase)/ERK (extracellular-signal-regulated kinase) kinase]/ERK pathways for cancer therapy has been pursued for over a decade with limited success. Emerging data have indicated that only discrete subsets of cancer patients have favourable responses to these inhibitors. This is due to genetic mutations that confer drug insensitivity and compensatory mechanisms. Therefore understanding of the feedback mechanisms that occur with respect to specific genetic mutations may aid identification of novel biomarkers that predict patient response. In the present paper, we show that feedback between the PI3K/Akt/mTORC1 and Ras/MEK/ERK pathways is cell-line-specific and highly dependent on the activating mutation of K-Ras or overexpression c-Met. We found that cell lines exhibited differential signalling and apoptotic responses to PD184352, a specific MEK inhibitor, and PI103, a second-generation class I PI3K inhibitor. We reveal that feedback from the PI3K/Akt/mTORC1 to the Ras/MEK/ERK pathway is present in cancer cells harbouring either K-Ras activating mutations or amplification of c-Met but not the wild-type counterparts. Moreover, we demonstrate that inhibition of protein phosphatase activity by OA (okadaic acid) restored PI103-mediated feedback in wild-type cells. Together, our results demonstrate a novel mechanism for feedback between the PI3K/Akt/mTORC1 and the Ras/MEK/ERK pathways that only occurs in K-Ras mutant and c-Met amplified cells but not the isogenic wild-type cells through a mechanism that may involve inhibition of a specific endogenous phosphatase(s) activity. We conclude that monitoring K-Ras and c-Met status are important biomarkers for determining the efficacy of PI103 and other PI3K/Akt inhibitors in cancer therapy.

Unspliced X-box-binding Protein 1 (XBP1) Protects Endothelial Cells from Oxidative Stress through Interaction with Histone Deacetylase 3

It is well-known that atherosclerosis occurs geographically at branch points where disturbed flow predisposes to the development of plaque via triggering of oxidative stress and inflammatory reactions. In this study, we found that disturbed flow activated anti-oxidative reactions via up-regulating heme oxygenase 1 (HO-1) in an X-box binding protein 1 (XBP1) and histone deacetylase 3 (HDAC3)-dependent manner. Disturbed flow concomitantly up-regulated the unspliced XBP1 (XBP1u) and HDAC3 in a vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR) and PI3K/Akt dependent manner. The presence of XBP1 was essential for the up-regulation of HDAC3 protein. Over-expression of XBP1u and/or HDAC3 activated Akt1 phosphorylation, Nrf2 protein stabilization and nuclear translocation, and HO-1 expression. Knockdown of XBP1u decreased the basal level and disturbed flow-induced Akt1 phosphorylation, Nrf2 stabilization and HO-1 expression. Knockdown of HDAC3 ablated XBP1u-mediated effects. The mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2) inhibitor, AZD2014, ablated XBP1u or HDAC3 or disturbed flow-mediated Akt1 phosphorylation, Nrf2 nuclear translocation and HO-1 expression. Neither actinomycin D nor cycloheximide affected disturbed flow-induced up-regulation of Nrf2 Protein. Knockdown of Nrf2 abolished XBP1u or HDAC3 or disturbed flow-induced HO-1 up-regulation. Co-immunoprecipitation assays demonstrated that XBP1u physically bound to HDAC3 and Akt1. The region of amino acids 201 to 323 of the HDAC3 protein was responsible for the binding to XBP1u. Double immunofluorescence staining revealed that the interactions between Akt1 and mTORC2, Akt1 and HDAC3, Akt1 and XBP1u, HDAC3 and XBP1u occurred in the cytosol. Thus, we demonstrate that XBP1u and HDAC3 exert a protective effect on disturbed flow-induced oxidative stress via up-regulation of mTORC2-dependent Akt1 phosphorylation and Nrf2-mediated HO-1 expression.

PRL-3 activates mTORC1 in Cancer Progression

PRL-3, a metastasis-associated phosphatase, is known to exert its oncogenic functions through activation of PI3K/Akt, which is a key regulator of the rapamycin-sensitive mTOR complex 1 (mTORC1), but a coherent link between PRL-3 and activation of mTOR has not yet been formally demonstrated. We report a positive correlation between PRL-3 expression and mTOR phospho-activation in clinical tumour samples and mouse models of cancer and demonstrate that PRL-3 increased downstream signalling to the mTOR substrates, p70S6K and 4E-BP1, by increasing PI3K/Akt-mediated activation of Rheb-GTP via TSC2 suppression. We also show that PRL-3 increases mTOR translocation to lysosomes via increased mTOR binding affinity to Rag GTPases in an Akt-independent manner, demonstrating a previously undescribed mechanism of action for PRL-3. PRL-3 also enhanced matrix metalloproteinase-2 secretion and cellular invasiveness via activation of mTOR, attributes which were sensitive to rapamycin treatment. The downstream effects of PRL-3 were maintained even under conditions of environmental stress, suggesting that PRL-3 provides a strategic survival advantage to tumour cells via its effects on mTOR.

Autophagy in hypothalamic cells: role of Neuropeptide Y

Dissertação de mest.Ciências Biomédicas. Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Univ. do Algarve, 2011

Caspase-mediated cleavage of raptor participates in the inactivation of mTORC1 during cell death.

The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a highly conserved protein complex regulating key pathways in cell growth. Hyperactivation of mTORC1 is implicated in numerous cancers, thus making it a potential broad-spectrum chemotherapeutic target. Here, we characterized how mTORC1 responds to cell death induced by various anticancer drugs such rapamycin, etoposide, cisplatin, curcumin, staurosporine and Fas ligand. All treatments induced cleavage in the mTORC1 component, raptor, resulting in decreased raptor-mTOR interaction and subsequent inhibition of the mTORC1-mediated phosphorylation of downstream substrates (S6K and 4E-BP1). The cleavage was primarily mediated by caspase-6 and occurred at two sites. Mutagenesis at one of these sites, conferred resistance to cell death, indicating that raptor cleavage is important in chemotherapeutic apoptosis.

Signaling of angiotensin II-induced vascular protein synthesis in conduit and resistance arteries in vivo

Affiliation: Faculté de pharmacie, Université de Montréal & Institut de recherches cliniques de Montréal

The role of the peptidyl prolyl isomerase Rrd1 in the transcriptional stress response

La régulation de la transcription est un processus complexe qui a évolué pendant des millions d’années permettant ainsi aux cellules de s’adapter aux changements environnementaux. Notre laboratoire étudie le rôle de la rapamycine, un agent immunosuppresseur et anticancéreux, qui mime la carence nutritionelle. Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réponse a la rapamycine, nous recherchons des mutants de la levure Saccaromyces cerevisiae qui ont un phenotype altérée envers cette drogue. Nous avons identifié le gène RRD1, qui encode une peptidyl prolyl isomérase et dont la mutation rend les levures très résistantes à la rapamycine et il semble que se soit associé à une réponse transcriptionelle alterée. Mon projet de recherche de doctorat est d’identifier le rôle de Rrd1 dans la réponse à la rapamycine. Tout d’abord nous avons trouvé que Rrd1 interagit avec l’ARN polymérase II (RNAPII), plus spécifiquement avec son domaine C-terminal. En réponse à la rapamycine, Rrd1 induit un changement dans la conformation du domaine C-terminal in vivo permettant la régulation de l’association de RNAPII avec certains gènes. Des analyses in vitro ont également montré que cette action est directe et probablement liée à l’activité isomérase de Rrd1 suggérant un rôle pour Rrd1 dans la régulation de la transcription. Nous avons utilisé la technologie de ChIP sur micropuce pour localiser Rrd1 sur la majorité des gènes transcrits par RNAPII et montre que Rrd1 agit en tant que facteur d’élongation de RNAPII. Pour finir, des résultats suggèrent que Rrd1 n’est pas seulement impliqué dans la réponse à la rapamycine mais aussi à differents stress environnementaux, nous permettant ainsi d’établir que Rrd1 est un facteur d’élongation de la transcription requis pour la régulation de la transcription via RNAPII en réponse au stress.

Développement de méthodes analytiques pour la protéomique et l'identification de peptides MHC I issus de cellules leucémiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La Rapamycine inhibe l’expression de l’ARNm de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines dans les chondrocytes articulaires

Introduction: Durant la pathogenèse d’ostéoarthrose (OA), les cytokines pro-inflammatoires IL-1β (Interleukin-1 beta) et TNF-α (Tumor necrosis factor alpha) stimulent la dégradation des agrécanes par l’aggrécanase-1 ou ADAMTS-4 (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif). Ces cytokines peuvent stimuler plusieurs voies de signalisation conduisant ainsi à l’augmentation de l’expression des ADAMTS dans les chondrocytes humains. Les TIMPs (tissue inhibitor of metalloproteinases) présentent des inhibiteurs endogènes de l’ADAMTS. Nous avons démontré que la Rapamycine (un immunosuppresseur et un inhibiteur du mamalian target of Rapamycin (mTOR)) peut avoir des effets bénéfiques dans cette pathologie. Notre étude examine l’effet de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines, son implication dans certaines voies de signalisation, et son effet sur l’expression du TIMP-3. Méthodes: Des chondrocytes normaux sont traités avec la Rapamycine seule ou stimulés aussi avec l’IL-1β et le TNF-α. Les effets de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 et du TIMP-3 ont été étudiés par l’analyse RT-PCR et l’activité enzymatique a été étudiée par la technique d’ELISA. Les effets de la Rapamycine sur certaines voies de signalisation ont été étudiés par le Western blot. Résultats: Nous avons trouvé que la Rapamycine inhibe l’expression de l’ARNm de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines pro-inflammatoires dans les chondrocytes humains. L’activité enzymatique de l’ADAMTS-4 induit par l’IL-1β a été légèrement diminuée par la Rapamycine. En plus, cette dernière a montré de différents effets sur plusieurs voies de signalisation stimulées par l’IL-1β et le TNF-α telles que les voies des MAPKs (Mitogen activated protein kinase), de l’AKT, et de la p70 S6 kinase. La Rapamycine a inhibé partiellement l’activation de la phosphorylation de l’ERK1/2 MAPK (extracellular signal-regulated protein kinase MAPK) en présence du TNF-α seulement. En outre, la Rapamycine a inhibé la phosphorylation des protéines p38 MAPK, JNK (c-Jun N-terminal kinase), et AKT activée par l’IL-1β seulement. En plus, la phosphorylation de la protéine p70 S6K stimulée par l’IL-1β et le TNF-α a été inhibée par la Rapamycine. D’autre part, nous avons démontré que le niveau du TIMP-3 a été augmenté en présence de la Rapamycine. Conclusion: Ces résultats suggèrent que la Rapamycine peut bloquer l’action de l’ADAMTS-4 via l’inhibition de l’activation des MAPKs, de l’AKT, et de la p70 S6K. La Rapamycine pourrait ainsi être considérée pour la prévention de la perte du cartilage chez les patients ostéoarthritiques.

Genèse de l’immunopeptidome du CMH de classe I

La différentiation entre le « soi » et le « non-soi » est un processus biologique essentiel à la vie. Les peptides endogènes présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité de classe I (CMH I) représentent le fondement du « soi » pour les lymphocytes T CD8+. On donne le nom d’immunopeptidome à l’ensemble des peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du CMH I. Nos connaissances concernant l’origine, la composition et la plasticité de l’immunopeptidome restent très limitées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une nouvelle approche par spectrométrie de masse permettant de définir avec précision : la nature et l’abondance relative de l’ensemble des peptides composant l’immunopeptidome. Nous avons trouvé que l’immunopeptidome, et par conséquent la nature du « soi » immun, est surreprésenté en peptides provenant de transcrits fortement abondants en plus de dissimuler une signature tissu-spécifique. Nous avons par la suite démontré que l’immunopeptidome est plastique et modulé par l’activité métabolique de la cellule. Nous avons en effet constaté que les modifications du métabolisme cellulaire par l’inhibition de mTOR (de l’anglais mammalian Target Of Rapamycin) provoquent des changements dynamiques dans la composition de l’immunopeptidome. Nous fournissons également la première preuve dans l’étude des systèmes que l’immunopeptidome communique à la surface cellulaire l’activité de certains réseaux biochimiques ainsi que de multiples événements métaboliques régulés à plusieurs niveaux à l’intérieur de la cellule. Nos découvertes ouvrent de nouveaux horizons dans les domaines de la biologie des systèmes et de l’immunologie. En effet, notre travail de recherche suggère que la composition de l’immunopeptidome est modulée dans l’espace et le temps. Il est par conséquent très important de poursuivre le développement de méthodes quantitatives au niveau des systèmes qui nous permettront de modéliser la plasticité de l’immunopeptidome. La simulation et la prédiction des variations dans l’immunopeptidome en réponse à différents facteurs cellulaires intrinsèques et extrinsèques seraient hautement pertinentes pour la conception de traitements immunothérapeutiques.

Investigating the role of the isomerase Rrd1/PTPA : from yeast to human

Chez Saccharomyces cerevisiae, les souches mutantes pour Rrd1, une protéine qui possède une activité de peptidyl prolyl cis/trans isomérase, montrent une résistance marquée à la rapamycine et sont sensibles au 4-nitroquinoline 1-oxide, un agent causant des dommages à l’ADN. PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères, est reconnu en tant qu’activateur de protéine phosphatase 2A. Notre laboratoire a précédemment démontré que la surexpression de PTPA mène à l’apoptose de façon indépendante des protéines phosphatase 2A. La fonction moléculaire de Rrd1/PTPA était encore largement inconnue au départ de mon projet de doctorat. Mes recherches ont d’abord montré que Rrd1 est associé à la chromatine ainsi qu’à l’ARN polymérase II. L’analyse in vitro et in vivo par dichroïsme circulaire a révélé que Rrd1 est responsable de changements au niveau de la structure du domaine C-terminal de la grande sous-unité de l’ARN polymérase II, Rpb1, en réponse à la rapamycine et au 4-nitroquinoline 1-oxide. Nous avons également démontré que Rrd1 est requis pour modifier l’occupation de l’ARN polymérase II sur des gènes répondant à un traitement à la rapamycine. Finalement, nous avons montré que suite à un traitement avec la rapamycine, Rrd1 médie la dégradation de l’ARN polymérase II et que ce mécanisme est indépendant de l’ubiquitine. La dernière partie de mon projet était d’acquérir une meilleure connaissance de la fonction de PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères. Nos résultats montrent que le «knockdown» de PTPA n’affecte pas la sensibilité des cellules à différentes drogues telles que la rapamycine, le 4-nitroquinoline 1-oxide ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Nous avons également tenté d’identifier des partenaires protéiques pour PTPA grâce à la méthode TAP, mais nous ne sommes pas parvenus à identifier de partenaires stables. Nous avons démontré que la surexpression de la protéine PTPA catalytiquement inactive n’induisait pas l’apoptose indiquant que l’activité de PTPA est requise pour produire cet effet. Finalement, nous avons tenté d’étudier PTPA dans un modèle de souris. Dans un premier lieu, nous avons déterminé que PTPA était exprimé surtout au niveau des tissus suivants : la moelle osseuse, le thymus et le cerveau. Nous avons également généré avec succès plusieurs souris chimères dans le but de créer une souris «knockout» pour PTPA, mais l’allèle mutante ne s’est pas transférée au niveau des cellules germinales. Mes résultats ainsi que ceux obtenus par mon laboratoire sur la levure suggèrent un rôle général pour Rrd1 au niveau de la régulation des gènes. La question demeure toujours toutefois à savoir si PTPA peut effectuer un rôle similaire chez les mammifères et une vision différente pour déterminer la fonction de cette protéine sera requise pour adresser adéquatement cette question dans le futur.