Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Small ubiquitin-like modifier conjugating enzyme with active site mutation acts as dominant negative inhibitor of SUMO conjugation in arabidopsis(F).

Small ubiquitin-like modifier (SUMO) conjugation affects a broad range of processes in plants, including growth, flower initiation, pathogen defense, and responses to abiotic stress. Here, we investigate in vivo and in vitro a SUMO conjugating enzyme with a Cys to Ser change in the active site, and show that it has a dominant negative effect. In planta expression significantly perturbs normal development, leading to growth retardation, early flowering and gene expression changes. We suggest that the mutant protein can serve as a probe to investigate sumoylation, also in plants for which poor genetic infrastructure precludes analysis via loss-of-function mutants.

Peroxisomal beta-oxidation--a metabolic pathway with multiple functions.

Fatty acid degradation in most organisms occurs primarily via the beta-oxidation cycle. In mammals, beta-oxidation occurs in both mitochondria and peroxisomes, whereas plants and most fungi harbor the beta-oxidation cycle only in the peroxisomes. Although several of the enzymes participating in this pathway in both organelles are similar, some distinct physiological roles have been uncovered. Recent advances in the structural elucidation of numerous mammalian and yeast enzymes involved in beta-oxidation have shed light on the basis of the substrate specificity for several of them. Of particular interest is the structural organization and function of the type 1 and 2 multifunctional enzyme (MFE-1 and MFE-2), two enzymes evolutionarily distant yet catalyzing the same overall enzymatic reactions but via opposite stereochemistry. New data on the physiological roles of the various enzymes participating in beta-oxidation have been gathered through the analysis of knockout mutants in plants, yeast and animals, as well as by the use of polyhydroxyalkanoate synthesis from beta-oxidation intermediates as a tool to study carbon flux through the pathway. In plants, both forward and reverse genetics performed on the model plant Arabidopsis thaliana have revealed novel roles for beta-oxidation in the germination process that is independent of the generation of carbohydrates for growth, as well as in embryo and flower development, and the generation of the phytohormone indole-3-acetic acid and the signal molecule jasmonic acid.

The clinical application of converting enzyme inhibitors.

Chronic blockade of the renin angiotensin system became possible when orally active inhibitors of angiotensin converting enzyme, the enzyme which catalyzes the transformation of angiotensin I into angiotensin II, were synthetized. Two compounds, captopril and enalapril, have been investigated in clinical studies. The decrease of the pressor response to exogenous angiotensin I and of the circulating levels of angiotensin II following administration of these inhibitors has been demonstrated to be directly related to the degree of suppression of plasma angiotensin converting enzyme activity. These inhibitors have been shown to normalize blood pressure alone in some hypertensive patients whereas in many others, satisfactory blood pressure control can be achieved only after the addition of a diuretic. Captopril and enalapril also markedly improve cardiac function of patients with chronic congestive heart failure. Chronic blockade of the renin angiotensin system has therefore provided an interesting new approach to the treatment of clinical hypertension and heart failure.

Evaluation of the anti-arenaviral activity of the subtilisin kexin isozyme-1/site-1 protease inhibitor PF-429242.

The cellular protease subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-1)/site-1 protease (S1P) is implicated in the proteolytic processing of the viral envelope glycoprotein precursor (GPC) of arenaviruses, a step strictly required for production of infectious progeny. The small molecule SKI-1/S1P inhibitor PF-429242 was shown to have anti-viral activity against Old World arenaviruses. Here we extended these studies and show that PF-429242 also inhibits GPC processing and productive infection of New World arenaviruses, making PF-429242 a broadly active anti-arenaviral drug. In combination therapy, PF-429242 potentiated the anti-viral activity of ribavirin, indicating a synergism between the two drugs. A hallmark of arenaviruses is their ability to establish persistent infection in vitro and in vivo. Notably, PF-429242 was able to efficiently and rapidly clear persistent infection by arenaviruses. Interruption of drug treatment did not result in re-emergence of infection, indicating that PF-429242 treatment leads to virus extinction.

The Peroxisomal Enzyme L-PBE Is Required to Prevent the Dietary Toxicity of Medium-Chain Fatty Acids.

Specific metabolic pathways are activated by different nutrients to adapt the organism to available resources. Although essential, these mechanisms are incompletely defined. Here, we report that medium-chain fatty acids contained in coconut oil, a major source of dietary fat, induce the liver ω-oxidation genes Cyp4a10 and Cyp4a14 to increase the production of dicarboxylic fatty acids. Furthermore, these activate all ω- and β-oxidation pathways through peroxisome proliferator activated receptor (PPAR) α and PPARγ, an activation loop normally kept under control by dicarboxylic fatty acid degradation by the peroxisomal enzyme L-PBE. Indeed, L-pbe(-/-) mice fed coconut oil overaccumulate dicarboxylic fatty acids, which activate all fatty acid oxidation pathways and lead to liver inflammation, fibrosis, and death. Thus, the correct homeostasis of dicarboxylic fatty acids is a means to regulate the efficient utilization of ingested medium-chain fatty acids, and its deregulation exemplifies the intricate relationship between impaired metabolism and inflammation.

BAFF binds to the tumor necrosis factor receptor-like molecule B cell maturation antigen and is important for maintaining the peripheral B cell population.

The tumor necrosis factor (TNF) family member B cell activating factor (BAFF) binds B cells and enhances B cell receptor-triggered proliferation. We find that B cell maturation antigen (BCMA), a predicted member of the TNF receptor family expressed primarily in mature B cells, is a receptor for BAFF. Although BCMA was previously localized to the Golgi apparatus, BCMA was found to be expressed on the surface of transfected cells and tonsillar B cells. A soluble form of BCMA, which inhibited the binding of BAFF to a B cell line, induced a dramatic decrease in the number of peripheral B cells when administered in vivo. Moreover, culturing splenic cells in the presence of BAFF increased survival of a percentage of the B cells. These results are consistent with a role for BAFF in maintaining homeostasis of the B cell population.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.