Activin enhances skin tumourigenesis and malignant progression by inducing a pro-tumourigenic immune cell response.

Activin is an important orchestrator of wound repair, but its potential role in skin carcinogenesis has not been addressed. Here we show using different types of genetically modified mice that enhanced levels of activin in the skin promote skin tumour formation and their malignant progression through induction of a pro-tumourigenic microenvironment. This includes accumulation of tumour-promoting Langerhans cells and regulatory T cells in the epidermis. Furthermore, activin inhibits proliferation of tumour-suppressive epidermal γδ T cells, resulting in their progressive loss during tumour promotion. An increase in activin expression was also found in human cutaneous basal and squamous cell carcinomas when compared with control tissue. These findings highlight the parallels between wound healing and cancer, and suggest inhibition of activin action as a promising strategy for the treatment of cancers overexpressing this factor.

Mast cells are dispensable for normal and activin-promoted wound healing and skin carcinogenesis.

The growth and differentiation factor activin A is a key regulator of tissue repair, inflammation, fibrosis, and tumorigenesis. However, the cellular targets, which mediate the different activin functions, are still largely unknown. In this study, we show that activin increases the number of mature mast cells in mouse skin in vivo. To determine the relevance of this finding for wound healing and skin carcinogenesis, we mated activin transgenic mice with CreMaster mice, which are characterized by Cre recombinase-mediated mast cell eradication. Using single- and double-mutant mice, we show that loss of mast cells neither affected the stimulatory effect of overexpressed activin on granulation tissue formation and reepithelialization of skin wounds nor its protumorigenic activity in a model of chemically induced skin carcinogenesis. Furthermore, mast cell deficiency did not alter wounding-induced inflammation and new tissue formation or chemically induced angiogenesis and tumorigenesis in mice with normal activin levels. These findings reveal that mast cells are not major targets of activin during wound healing and skin cancer development and also argue against nonredundant functions of mast cells in wound healing and skin carcinogenesis in general.

Activin a inhibits antigen-induced allergy in murine epicutaneous sensitization.

Activin A, a member of the TGFβ superfamily, is involved in physiological processes such as cell differentiation, tissue homeostasis, wound healing, reproduction, and in pathological conditions, such as fibrosis, cancer, and asthma. Activin enhances mast cell maturation, as well as regulatory T-cell and Langerhans cell differentiation. In this study we investigated the potential role of activin in epicutaneous sensitization with ovalbumin (OVA), notably with respect to its effect on known Th2-polarization. For this purpose, transgenic mice overexpressing activin in keratinocytes and their wild-type (WT) controls were sensitized epicutaneously with OVA. Skin biopsies were analyzed with regard to histopathological features and mRNA expression of pro-inflammatory and Th1/Th2 cytokines, and Ig levels were measured in the serum. Unexpectedly, activin overexpressing animals were protected from Th2-cytokine expression and induction of OVA-specific IgE levels compared to WT animals. On the other hand, transgenic mice were more susceptible to inflammation compared to WT littermates after tape-stripping and saline (vehicle) or OVA application, as shown by increased pro-inflammatory cytokine mRNA levels and neutrophil accumulation at the site of the treatment. We conclude that activin protects from antigen-induced cutaneous Th2-polarization through modulation of the immune response. These findings highlight the role of activin in cutaneous sensitization, allergy, and in skin homeostasis.

Formation of the long range Dpp morphogen gradient.

The TGF-β homolog Decapentaplegic (Dpp) acts as a secreted morphogen in the Drosophila wing disc, and spreads through the target tissue in order to form a long range concentration gradient. Despite extensive studies, the mechanism by which the Dpp gradient is formed remains controversial. Two opposing mechanisms have been proposed: receptor-mediated transcytosis (RMT) and restricted extracellular diffusion (RED). In these scenarios the receptor for Dpp plays different roles. In the RMT model it is essential for endocytosis, re-secretion, and thus transport of Dpp, whereas in the RED model it merely modulates Dpp distribution by binding it at the cell surface for internalization and subsequent degradation. Here we analyzed the effect of receptor mutant clones on the Dpp profile in quantitative mathematical models representing transport by either RMT or RED. We then, using novel genetic tools, experimentally monitored the actual Dpp gradient in wing discs containing receptor gain-of-function and loss-of-function clones. Gain-of-function clones reveal that Dpp binds in vivo strongly to the type I receptor Thick veins, but not to the type II receptor Punt. Importantly, results with the loss-of-function clones then refute the RMT model for Dpp gradient formation, while supporting the RED model in which the majority of Dpp is not bound to Thick veins. Together our results show that receptor-mediated transcytosis cannot account for Dpp gradient formation, and support restricted extracellular diffusion as the main mechanism for Dpp dispersal. The properties of this mechanism, in which only a minority of Dpp is receptor-bound, may facilitate long-range distribution.

Qualitative modeling identifies IL-11 as a novel regulator in maintaining self-renewal in human pluripotent stem cells.

Pluripotency in human embryonic stem cells (hESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) is regulated by three transcription factors-OCT3/4, SOX2, and NANOG. To fully exploit the therapeutic potential of these cells it is essential to have a good mechanistic understanding of the maintenance of self-renewal and pluripotency. In this study, we demonstrate a powerful systems biology approach in which we first expand literature-based network encompassing the core regulators of pluripotency by assessing the behavior of genes targeted by perturbation experiments. We focused our attention on highly regulated genes encoding cell surface and secreted proteins as these can be more easily manipulated by the use of inhibitors or recombinant proteins. Qualitative modeling based on combining boolean networks and in silico perturbation experiments were employed to identify novel pluripotency-regulating genes. We validated Interleukin-11 (IL-11) and demonstrate that this cytokine is a novel pluripotency-associated factor capable of supporting self-renewal in the absence of exogenously added bFGF in culture. To date, the various protocols for hESCs maintenance require supplementation with bFGF to activate the Activin/Nodal branch of the TGFβ signaling pathway. Additional evidence supporting our findings is that IL-11 belongs to the same protein family as LIF, which is known to be necessary for maintaining pluripotency in mouse but not in human ESCs. These cytokines operate through the same gp130 receptor which interacts with Janus kinases. Our finding might explain why mESCs are in a more naïve cell state compared to hESCs and how to convert primed hESCs back to the naïve state. Taken together, our integrative modeling approach has identified novel genes as putative candidates to be incorporated into the expansion of the current gene regulatory network responsible for inducing and maintaining pluripotency.

Tolerogenic dendritic cells and their role in induction of immune tolerance

Les cellules dendritiques sont des cellules du système immunitaire qui permettent d'instruire les lymphocytes T, autres cellules de ce système, pour mettre en place une réponse immunitaire adaptée afin de combattre et vaincre une infection. Ces cellules dendritiques vont reconnaître des motifs spécifiquement exprimés par des pathogènes par l'intermédiaire de récepteurs exprimés à leur surface. En détectant ces molécules, elles vont s'activer et subir diverses modifications pour pouvoir activer les lymphocytes T. Elles vont alors interagir avec les lymphocytes Τ et transférer les informations nécessaires pour que ces cellules s'activent à leur tour et produisent différentes protéines de façon à éliminer le pathogène. En fonction du type de pathogène, les informations transférées entre les cellules dendritiques et les lymphocytes seront différentes de manière à produire la réponse immunitaire la mieux adaptée pour supprimer l'élément infectieux. Dans le corps, les cellules dendritiques circulent continuellement afin de détecter les éléments étrangers. Quand elles reconnaissent une protéine étrangère, elles la phagocytent, c'est-à-dire qu'elles la mangent afin de pouvoir la présenter aux lymphocytes T. Mais quand elles phagocytent un élément étranger, elles peuvent également prendre des éléments du soi, comme par exemple quand elles phagocytent une cellule infectée par un virus. Les cellules dendritiques doivent alors être capables de différentier les molécules du soi et du non-soi de façon à ne pas induire une réponse en présentant un antigène du soi aux lymphocytes T. D'autant plus que lors de leur développement, les lymphocytes Τ qui sont capables de reconnaître le soi sont éliminés mais ce système n'est pas parfait et donc certains lymphocytes Τ auto-reactifs peuvent se trouver dans le corps. Il existe ainsi d'autres mécanismes en périphérie du site de développement pour inhiber ces lymphocytes Τ auto-reactifs. Ce sont les mécanismes de tolérance. Quand les lymphocytes Τ induisent une réponse aux antigènes du soi, cela résulte à des maladies auto-immunes. Dans mon projet de recherche, nous avons travaillé avec des lignées de cellules dendritiques, c'est-à-dire des cellules dendritiques semblables à celles que l'on peut trouver in vivo mais qui sont immortalisées, elles peuvent donc être cultiver et manipuler in vitro. Nous avons génétiquement modifiées ces lignées cellulaires pour qu'elles expriment des molécules immunosuppressives afin d'étudier comment induire une tolérance immunitaire, c'est-à-dire si l'expression de ces molécules permet d'éviter de générer une réponse immunitaire. Pour cela, nous avons utilisé des modèles murins de tumeurs et de maladies auto-immunes. Nous avons démontré que ces lignées de cellules dendritiques peuvent être un grand outil de recherche pour étudier les bénéfices de différentes molécules immuno-modulatrices afin d'induire une tolérance immunitaire à différents antigènes. - Les cellules dendritiques sont responsables de l'induction des réponses immunitaires adaptatives. Suite à une infection microbienne, les cellules dendritiques s'activent, elles induisent l'expression de molécules de costimulation à leur surface, sécrètent des cytokines et induisent la différentiation des cellules Τ effectrices et mémoires. De plus, les cellules dendritiques ont un rôle important dans l'induction et la maintenance de la tolérance immunitaire au niveau du thymus et en périphérie, en induisant l'anergie, la délétion ou la conversion des cellules Τ naïves en cellules régulatrices. Dans notre groupe, une nouvelle lignée de cellules dendritiques appelée MuTu a été crée par la culture de cellules dendritiques tumorales isolées à partir d'une rate d'une souris transgénique, dans laquelle l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP sont sous le contrôle du promoteur CD1 le, et sont ainsi spécifiquement exprimés dans les cellules dendritiques. Ces nouvelles lignées appartiennent au sous-type des cellules dendritiques conventionnelles exprimant CD8a. Elles ont conservé leur capacité d'augmenter l'expression des marqueurs de costimulation à leur surface ainsi que le production de cytokines en réponse à des ligands des récepteurs Toll, ainsi que leur capacité à présenter des antigènes associés aux molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe I ou II pour activer la prolifération et la différentiation des lymphocytes T. En utilisant un système de transduction de lentivirus de seconde génération, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques ont été génétiquement modifiées pour sur-exprimer des molécules immunosuppressives (IL-10, TGFP latent, TGFp actif, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC et CTLA4). Ces lignées permettent d'étudier de manière reproductible le rôle de ces molécules potentiellement tolérogènes sur les réponses immunitaires in vitro et in vivo. Ces lignées potentiellement tolérogènes ont été testées, tout d'abord, in vitro, pour leur capacité à inhiber l'activation des cellules dendritiques, à bloquer la prolifération des cellules Τ ou à modifier leur polarisation. Nos résultats démontrent qu'en réponse à une stimulation, la sur-expression des molécules costimulatrices et la sécrétion de molécules pro- inflammatoires est réduite quand les cellules dendritiques sur-expriment l'IL-10. La sur¬expression de TGFp sous sa forme active induit le développement de cellules régulatrices CD4+ CD25+ Foxp3+ et bloque la réponse CD8 cytotoxique tandis que la sur-expression de CTLA4 à la surface des cellules dendritiques inhibe une réponse Thl et induit des lymphocytes Τ anergiques. Ces lignées ont également été utilisées pour étudier l'induction de tolérance in vivo. Tout d'abord, nous avons étudié l'induction de tolérance dans un modèle de développement de tumeurs. En effet, quand les lignées tumorales sont transférées dans les lignées de souris C57BL/6, elles sont reconnues comme du non-soi du à l'expression de l'oncogène SV40 et du GFP et sont éliminées. Ce mécanisme d'élimination a été étudié en utilisant une lignée de cellules dendritiques modifiée pour exprimer la luciférase et qui a permis de suivre le développement des tumeurs par de l'imagerie in vivo dans des animaux vivants. Ces lignées de cellules dendritiques MuTu sont éliminées dans la souris C57BL/6 par les lymphocytes CD8 et l'action cytotoxique de la perforine. Après plusieurs injections, les cellules dendritiques sur-exprimant CTLA4 ou l'actif TGFp peuvent casser cette réponse immunitaire inhérente aux antigènes de la lignée et induire le développement de la tumeur dans la souris C57BL/6. Le développement tumoral a pu être suivi en mesurant la bioluminescence émise par des cellules dendritiques modifiées pour exprimer à la fois l'actif TGFp et la luciférase. Ces tumeurs ont pu se développer grâce à la mise en place d'un microenvironnement suppressif pour échapper à l'immunité en recrutant des cellules myéloïde suppressives, des lymphocytes CD4 régulateurs et en induisant l'expression d'une molécule inhibitrice PD-1 à la surface des lymphocytes CD8 infiltrant la tumeur. Dans un deuxième temps, ces lignées tolérogènes ont également été testées dans un modèle murin de maladies auto-immunes, appelé l'encéphalomyélite auto-immune expérimental (EAE), qui est un modèle pour la sclérose en plaques. L'EAE a été induite dans la souris par le transfert de cellules de ganglions prélevées d'une souris donneuse préalablement immunisée avec une protéine du système nerveux central, la glycoprotéine myéline oligodendrocyte (MOG) émulsifiée dans de l'adjuvant complet de Freund. La vaccination des souris donneuses et receveuses avec les cellules sur-exprimant l'actif TGFP préalablement chargées avec la protéine MOG bloque l'induction de l'EAE. Nous sommes actuellement en train de définir les mécanismes qui permettent de protéger la souris du développement de la maladie auto-immune. Dans cette étude, nous avons ainsi démontré la possibilité d'induire la tolérance in vivo et in vitro à différents antigènes en utilisant nos nouvelles lignées de cellules dendritiques et en les modifiant pour exprimer des molécules immunosuppressives. En conséquence, ces nouvelles lignées de cellules dendritiques représentent un outil pour explorer les bénéfices de différentes molécules ayant des propriétés immuno-modulatrices pour manipuler le système immunitaire vers un phénotype tolérogène. - Dendritic cells (DC) are widely recognized as potent inducers of the adaptive immune responses. Importantly, after microbial infections, DC become activated, induce co- stimulation, secrete cytokines and induce effector and memory Τ cells. DC furthermore play an important role in inducing and maintaining central and peripheral tolerance by inducing anergy, deletion or commitment of antigen-specific naïve Τ cells into regulatory Τ cells. In our group, stable MuTu DC lines were generated by culture of splenic DC tumors from transgenic mice expressing the SV40 large Τ oncogene and the GFP under DC-specific CDllc promoter. These transformed DC belong to the CD8a+ conventional DC subtype and have fully conserved their capacity to upregulate co-stimulatory markers and produce cytokines after activation with Toll Like Receptors-ligands, and to present Major Histocompatibility class-I or MHCII-restricted antigens to activate Τ cell expansion and differentiation. Using a second- generation lentiviral transduction system, these newly developed MuTu DC lines were genetically modified to overexpress immunosuppressive molecules (IL-10, latent TGFp, active TGFp, Activin A, Arginase 1, IDO, B7DC and CTLA4). This allows to reproducibly investigate the role of these potentially tolerogenic molecules on in vitro and in vivo immune responses. These potentially tolerogenic DC were tested in vitro for their ability to inhibit DC activation, to prevent Τ cell proliferation and to modify Τ cell polarization. Our results show that the upregulation of costimulatory molecules and the secretion of pro-inflammatory cytokines were reduced upon stimulation of DC overexpressing IL-10. The overexpression of active TGFP induced the development of CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and inhibited the cytotoxic CD8 Τ cell response as shown by using the OT-II Τ cell system whereas the surface expression of CTLA-4 on DC prevented the Thl response and prompted an anergic antigen-specific Τ cell response. These MuTu DC lines were also used in vivo in order to study the induction of tolerance. First we addressed the induction of tolerance in a model of tumorogenesis. The adoptively transferred tumor cell lines were cleared in C57BL/6 mice due to the foreign expression of SV40 LargeT and GFP. The mechanism of clearance of MuTu DC line into C57BL/6 mice was investigated by using luciferase-expressing DC line. These DC line allowed to follow, by in vivo imaging, the tumor development in living animals and determined that MuTu DC lines were eliminated in a perforin-mediated CD8 Τ cell dependent and CD4 Τ cell independent response. After multiple injections, DC overexpressing CTLA4 or active TGFp could break the immune response to these inherent antigens and induced DC tumorogenesis in wild type mice. The tumor outgrowth in C57BL/6 mice was nicely observed by double-transduced DC lines to express both luciferase and active TGFp. actTGFp-DC tumor was shown to recruit myeloid-derived suppressor cells, induce CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory Τ cells and induce the expression of the inhibitory receptor PD-1 on tumor- infiltrating CD8+ Τ cells in order to escape tumor immunity. Tolerogenic DC lines were also tested for the induction of tolerance in a murine model of autoimmune disease, the experimental autoimmune encephalitis (EAE) model for human multiple sclerosis. EAE was induced in C57BL/6 mice by the adoptive transfer of lymph node cells isolated from donor mice previously immunized by a protein specific to the central nervous system, the myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) emulsified in the complete freund adjuvant. The vaccination of donor and recipient mice with MOG-pulsed actTGFP-DC line prevented EAE induction. We are still investigating how the active TGFP protect mice from EAE development. We generated tolerogenic DC lines inducing tolerance in vitro and in vivo. Thereby these MuTu DC lines represent a great tool to explore the benefits of various immuno-modulatory molecules to manipulate the immune system toward a tolerogenic phenotype.