Development of Ewing's sarcoma from primary bone marrow-derived mesenchymal stem cells

SUMMARY : Ewing's sarcoma is a member of Ewing's family tumors (ESPY) and the second most common solid bone and soft tissue malignancy of children and young adults. It is associated in 85% of cases with the t(11;22)(q24:q12) chromosomal translocation that generates fusion of the 5' segment of the EWSR1 gene with the 3' segment of the ETS family gene FLI-1. The EWSR1-FLI-1 fusion protein behaves as an aberrant transcriptional activator and is believed to contribute to ESFT development. However, EWSR1-FLI-1 induces growth arrest and apoptosis in normal fibroblasts, and primary cells that are pemissive for its putative oncogenic properties have not been discovered, hampering basic understanding of ESFT biology. Here, we show that EWSR1-FLI-1 alone can transform mouse primary bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells and generate tumors that display hallmarks of Ewing's sarcoma, including a small round cell phenotype, expression of ESFT-associated markers, insulin like growth factor-I dependence, and induction or repression of numerous EWSR1-FLI-1 target genes. Consistent with this finding, we tested the possibility that human mesenchymal stem cells (hMSC) might also provide a permissive cellular environment for EWSR1-FLI-1, and could represent the first adequate primary human cellular background for the oncogenic properties of the fusion protein. Indeed, expression of EWSR1-FLI-1 in human mesenchymal stem cells (hMSC) was not only stably maintained without inhibiting proliferation, but induced a gene expression profile bearing striking similarity to that of ESFT, including genes that are among the highest ESFT discriminators. Expression of EWSR1-FLI-1 in hMSCs may recapitulate the initial steps of Ewing's sarcoma development, allowing identification of genes that play an important role early in its pathogenesis. Among relevant candidate transcripts induced by EWSR1-FL/-1 in hMSC we found the polycomb group gene EZH2 which we show to play a critical role in Ewing's sarcoma growth. These observations provide the first identification of candidate primary cells from which ESFTs originate and suggest that EWSR1-FLI-1 expression may constitute the initiating event in ESFT pathogenesis. Le sarcome d' Ewing est un membre de la famille des tumeurs Ewing (ESFT) et représente la deuxième tumeur maligne solide de l'os et des tissus mous chez les enfants et les jeunes adultes. Cette tumeur est associée dans 85% des cas avec la translocation chromosomique t(11;22)(g24:g12), qui génère la fusion entre le segment 5' du gène EWSR1 avec le segment 3' du gène FLI-1, appartenant à la famille des facteurs de transcription ETS. La protéine de fusion EWSR1-FLI-1 qui en dérive joue le rSle d'un facteur de transcription aberrant, et est supposée contribuer de manière décisive au processus de développement des ESFTs. Néanmoins, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des fibroblastes normaux induit un arrêt de croissance et leur apoptose, et les cellules primaires permissives pour les propriétés oncogéniques attribuées à la translocation n'ont pas encore été identifiées, empêchant la compréhension de la biologie de base du sarcome d'Ewing. Dans ce travail on montre que l'expression de EWSR1-FLI-1 uniquement est capable de transformer des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse de la souris, pour générer des tumeurs qui présentent les caractéristiques du sarcome d' Ewing humain, et notamment une morphologie de petites cellules bleues et rondes, l'expression de marqueurs associés aux ESFTs, une dépendance du facteur de croissance IGF-1, et l'induction ou la répression de nombreux gènes cibles connus de EWSR1-FLI-1. Sur la base de ces observations, on a testé la possibilité que les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) puissent aussi fournir un environnement cellulaire permissif pour EWSR1-FLI-1 ; et représenter le premier background cellulaire humain adéquat pour la manifestation du pouvoir oncogénique de la protéine de fusion. En effet, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des cellules souches mésenchymateuses humaines s'est révélée non seulement maintenue, mais elle a induit un profil d'expression génétique étonnamment similaire à celui des ESFTs humains, incluant les gènes qui ont été rapportés comme étant les plus discriminatifs pour ces tumeurs. L'expression de EWSR1-FLI-1 dans les hMSCs pourrait récapituler les étapes initiales du développement du sarcome d' Ewing, et de ce fait consentir à identifier les gènes qui jouent un rôle crucial dans sa pathogenèse précoce. Parmi les transcrits relevant indults par EWSR1-FL/-9 dans les hMSCs nous avons découvert le gène du groupe des polycomb EZH2, que nous avons par la suite démontré jouer un rôle essentiel dans la croissance du sarcome de Ewing. Ces observations apportent pour la première fois l'identification d'une cellule primaire candidate pour représenter la cellule d'origine des ESFTs, et en même temps suggèrent que l'expression de EWSR1-FLI-1 peut constituer l'événement initial dans la pathogenèse du sarcome d' Ewing.

A-kinase anchoring protein-Lbc promotes pro-fibrotic signaling in cardiac fibroblasts

In response to stress or injury the heart undergoes an adverse remodeling process associated with cardiomyocyte hypertrophy and fibrosis. Transformation of cardiac fibroblasts to myofibroblasts is a crucial event initiating the fibrotic process. Cardiac myofibroblasts invade the myocardium and secrete excess amounts of extracellular matrix proteins, which cause myocardial stiffening, cardiac dysfunctions and progression to heart failure. While several studies indicate that the small GTPase RhoA can promote profibrotic responses, the exchange factors that modulate its activity in cardiac fibroblasts are yet to be identified. In the present study, we show that AKAP-Lbc, an A-kinase anchoring protein (AKAP) with an intrinsic Rho-specific guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity, is critical for activating RhoA and transducing profibrotic signals downstream of type I angiotensin II receptors (AT1Rs) in cardiac fibroblasts. In particular, our results indicate that suppression of AKAP-Lbc expression by infecting adult rat ventricular fibroblasts with lentiviruses encoding AKAP-Lbc specific short hairpin (sh) RNAs strongly reduces the ability of angiotensin II to promote RhoA activation, differentiation of cardiac fibroblasts to myofibroblasts, collagen deposition as well as myofibroblast migration. Interestingly, AT1Rs promote AKAP-Lbc activation via a pathway that requires the α subunit of the heterotrimeric G protein G12. These findings identify AKAP-Lbc as a key Rho-guanine nucleotide exchange factor modulating profibrotic responses in cardiac fibroblasts.

The A-kinase anchoring protein (AKAP)-Lbc-signaling complex mediates alpha1 adrenergic receptor-induced cardiomyocyte hypertrophy.

In response to various pathological stresses, the heart undergoes a pathological remodeling process that is associated with cardiomyocyte hypertrophy. Because cardiac hypertrophy can progress to heart failure, a major cause of lethality worldwide, the intracellular signaling pathways that control cardiomyocyte growth have been the subject of intensive investigation. It has been known for more than a decade that the small molecular weight GTPase RhoA is involved in the signaling pathways leading to cardiomyocyte hypertrophy. Although some of the hypertrophic pathways activated by RhoA have now been identified, the identity of the exchange factors that modulate its activity in cardiomyocytes is currently unknown. In this study, we show that AKAP-Lbc, an A-kinase anchoring protein (AKAP) with an intrinsic Rho-specific guanine nucleotide exchange factor activity, is critical for activating RhoA and transducing hypertrophic signals downstream of alpha1-adrenergic receptors (ARs). In particular, our results indicate that suppression of AKAP-Lbc expression by infecting rat neonatal ventricular cardiomyocytes with lentiviruses encoding AKAP-Lbc-specific short hairpin RNAs strongly reduces both alpha1-AR-mediated RhoA activation and hypertrophic responses. Interestingly, alpha1-ARs promote AKAP-Lbc activation via a pathway that requires the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12. These findings identify AKAP-Lbc as the first Rho-guanine nucleotide exchange factor (GEF) involved in the signaling pathways leading to cardiomyocytes hypertrophy.

Characterization of the role of Rho activating signalling complexes in G protein-coupled receptor induced cardiac fibrosis

Dans certaines conditions pathologiques, telles que l'hypertension artérielle ou l'infarctus du myocarde, le coeur répond à une augmentation de la post-charge par des processus de remodelage aboutissant à une hypertrophie du ventricule gauche. L'hypertrophie cardiaque est caractérisée par une croissance hypertrophique des cardiomyocytes, ainsi que par une différenciation des fibroblastes en un phenotype présentant une capacité accrue de synthèse protéiques, nommés myofibroblastes. Ceci résulte en une accumulation excessive des constituants de la matrice extracellulaire, ou autrement dit fibrose. En raison de son effet délétère sur la contractilité du coeur, menant sur le long terme à une insuffisance cardiaque, de nombreux efforts ont été déployés, afin de définir les mécanismes moléculaires impliqués dans la réponse profibrotique. A ce jour, de nombreuses études indiquent que la petite GTPase RhoA pourrait être un médiateur important de la réponse profibrotique du myocarde. Cependant, les facteurs d'échanges impliqués dans la transduction de signaux profibrotiques, via la régulation de son activité au niveau des fibroblastes cardiaques, n'ont pas encore été identifiés. De précédentes études menées dans le laboratoire, ont identifiées une nouvelle protein d'ancrage de la PKA, exprimée majoritairement dans le coeur, nommée AKAP-Lbc. Il a été montré que cette protéine, en plus de sa fonction de protein d'ancrage, possédait une activité de facteur d'échange de nucléotide guanine (GEF) pour la petite GTPase RhoA. Au niveau des cardiomyocytes, il a été montré que l'AKAP-Lbc participe à une voie de signalisation pro-hypertrophique, incluant la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimerique G12 et RhoA. Chose intéressante, des observations antérieures à cette étude, indiquent que dans le coeur, l'AKAP-Lbc est également exprimée dans les fibroblastes. Cependant aucunes études n'a encore reporté de fonction pour ce facteur d'échange dans les fibroblastes cardiaques. Dans ce travail, les résultats obtenus indiquent que dans les fibroblastes cardiaques, I'activation de RhoA par l'AKAP-Lbc est impliquée dans la transmission de signaux profibrotiques, en aval des récépteurs à l'angiotensine II. En particulier, nous avons observé que la suppression de l'expression de l'AKAP-Lbc dans les fibroblastes ventriculaires de rat adultes, réduisait fortement Γ activation de Rho induite par l'angiotensine II, la déposition de collagène, la capacité migratoire des fibroblastes ainsi que leur différenciation en myofibroblastes. A notre connaissance, l'AKAP-Lbc est le premier RhoGEF identifié comme médiateur de la réponse profibrotique dans les fibroblastes cardiaques. - In pathological conditions such as chronic hypertension or myocardial infarction, the myocardium is subjected to various biomechanical and biochemical stresses, and undergoes an adverse ventricular remodelling process associated with cardiomyocytes hypertrophy and excess deposition of extracellular matrix proteins resulting in fibrosis. During the fibrotic response, cardiac fibroblasts differentiate into a more mobile and contractile phenotype termed myofibroblasts. These cells, possess a greater synthetic ability to produce ECM proteins and have been implicated in diseases with increased ECM deposition including cardiac fibrosis. Because fibrosis impairs myocardial contractility and is associated with the progression to heart failure, a major cause of lethality worldwide, many efforts have been made to define the molecular players involved in this process. During these last years, increasing evidence suggests a role for the small GTPase RhoA in mediating the fibrotic response in CFbs. However the identity of the exchange factors that modulate its activity and transduce fibrotic signals in CFbs is still unknown. Earlier work in our laboratory identified a novel PKA anchoring protein expressed in the heart termed AKAP-Lbc that has been shown to function as anchoring protein as well as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase RhoA. In response to several hypertrophic stimuli we have shown that RhoGEF activity of AKAP-Lbc mediated by Gan promotes the activation of a signaling pathway including RhoA, leading to cardiomyocytes hypertrophy. Within the heart, previous observations made in the laboratory indicated that AKAP-Lbc was also expressed in fibroblasts. However its role in cardiac fibroblasts remained to be determined. In the present study, we show that AKAP-Lbc is critical for activating RhoA and transducing profibrotic signals downstream of angiotensin II receptors in cardiac fibroblasts. In particular, our results indicate that suppression of AKAP-Lbc expression by infecting adult rat ventricular fibroblasts with lentiviruses encoding AKAP-Lbc specific short hairpin RNAs strongly reduces angiotensin II-induced RhoA activation, collagen deposition as well as cell migration and differentiation. These findings identify AKAP-Lbc as the first Rho-guanine nucleotide exchange factor involved in a profibrotic signalling pathway at the level of cardiac fibroblasts.

Regulation of frizzled receptor activity at the plasma membrane : an interplay of the receptor, the trimeric G protein Go, and RGS protein and a scaffolding protein Kermit

G-protein-signaling pathways convey extracellular signals inside the cells and regulate distinct physiological responses. This type of signaling pathways consists of three major components: G-protein-coupled receptors (GPCRs), heterotrimeric G proteins (G-proteins) and downstream effectors. Upon ligand binding, GPCRs activate heterotrimeric G proteins to initiate the signaling cascade. Dysfunction of GPCR signaling correlates with numerous diseases such as diabetes, nervous and immune system deficiency, and cancer. As the signaling switcher, G-proteins (Gs, Gq/11, G12/13, and Gi/o) have been an appealing topic of research for decades. A heterotrimeric G-protein is composed of three subunits, the guanine nucleotide associated a-subunit, ß and y subunits. In general, the duration of signaling is determined by the lifetime of activated (GTP bound) Ga subunits. Identification of novel communication partners of Ga subunits appears to be an attractive way to understand the machinery of GPCR signaling. In our lab, we mainly focus on Gao, which is abundantly expressed in the nervous system. Here we present two novel interacting partners of Drosophila Gao: Dhit and Kermit, identified through yeast two-hybrid screening and genetic screening respectively. Dhit is characterized by a small size with a conserved RGS domain and an N-terminal cysteine rich motif. The RGS domain possesses the GAP (GTPase activating protein) activity towards G proteins. However, we found that Dhit exerts not only the GAP activity but also the GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) activity towards Gao. The unexpected GDI activity is preserved in GAIP/RGS19 - a mammalian homologue of Dhit. Further experiments confirmed the GDI activity of Dhit and GAIP/RGS19 in Drosophila and mammalian cell models. Therefore, we propose that Dhit and its mammalian homologues modulate GPCR signaling by a double suppression of Ga subunits - suppression of their nucleotide exchange with GTP and acceleration of their hydrolysis of GTP. Kermit/GEPC was first identified as a binding partner of GAIP/RGS19 in a yeast two- hybrid screen. Instead of interacting with the Drosophila homologue of GAIP/RGS19 (Dhit), Kermit binds to Gao in vivo and in vitro. The functional consequence of Kermit/Gao interaction is the regulation of localization of Vang (one of the planar cell polarity core components) at the apical membrane. Overall, my work elaborated the action of Gao with its two interaction partners in Gao- mediated signaling pathway. Conceivably, the understanding of GPCR signaling including Gao and its regulators or effectors will ultimately shed light on future pharmaceutical research. - Les voies de signalisation médiées par les protéines G transmettent des signaux extracellulaires à l'intérieur des cellules pour réguler des réponses physiologiques distinctes. Cette voie de signalisation consiste en trois composants majeurs : les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs), les protéines G hétérotrimériques (G-proteins) et les effecteurs en aval. Suite à la liaison du ligand, les GPCRs activent les protéines G hétérotrimériques qui initient la cascade de signalisation. Des dysfonctions dans la signalisation médiée par les GPCRs sont corrélées avec de nombreuses maladies comme le diabète, des déficiences immunes et nerveuses, ainsi que le cancer. Puisque la voie de signalisation s'active et se désactive, les protéines G (Gs, Gq/11, G12/13 et Gi/o) ont été un sujet de recherche attrayant pendant des décennies. Une protéine G hétérotrimérique est composée de trois sous-unités, la sous-unité a associée au nucléotide guanine, ainsi que les sous-unités ß et y. En général, la durée du signal est déterminée par le temps de demi-vie des sous-unités Ga activées (Ga liées au GTP). Identifier de nouveaux partenaires de communication des sous-unités Ga se révèle être un moyen attractif de comprendre la machinerie de la signalisation par les GPCRs. Dans notre laboratoire nous nous sommes concentrés principalement sur Gao qui est exprimée de manière abondante dans le système nerveux. Nous présentons ici deux nouveaux partenaires qui interagissent avec Gao chez la drosophile: Dhit et Kermit, qui ont été identifiés respectivement par la méthode du yeast two-hybrid et par criblage génétique. Dhit est caractérisé par une petite taille, avec un domaine RGS conservé et un motif N- terminal riche en cystéines. Le domaine RGS contient une activité GAP (GTPase activating protein) pour les protéines G. Toutefois, nous avons découvert que Dhit exerce non seulement une activité GAP mais aussi une activité GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) à l'égard de Gao. Cette activité GDI inattendue est préservée dans RGS19 - un homologue de Dhit chez les mammifères. Des expériences supplémentaires ont confirmé l'activité GDI de Dhit et de RGS19 chez Drosophila melanogaster et les modèles cellulaires mammifères. Par conséquent, nous proposons que Dhit et ses homologues mammifères modulent la signalisation GPCR par une double suppression des sous-unités Ga - suppression de leur nucléotide d'échange avec le GTP et une accélération dans leur hydrolyse du GTP. Kermit/GIPC a été premièrement identifié comme un partenaire de liaison de RGS19 dans le criblage par yeast two-hybrid. Au lieu d'interagir avec l'homologue chez la drosophile de RGS19 (Dhit), Kermit se lie à Gao in vivo et in vitro. La conséquence fonctionnelle de l'interaction Kermit/Gao est la régulation de la localisation de Vang, un des composants essentiel de la polarité planaire cellulaire, à la membrane apicale. Globalement, mon travail a démontré l'action de Gao avec ses deux partenaires d'interaction dans la voie de signalisation médiée par Gao. La compréhension de la signalisation par les GPCRs incluant Gao et ses régulateurs ou effecteurs aboutira à mettre en lumière de futurs axes dans la recherche pharmacologique.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Anchoring of both PKA and 14-3-3 inhibits the Rho-GEF activity of the AKAP-Lbc signaling complex.

A-kinase anchoring proteins (AKAPs) target the cAMP-regulated protein kinase (PKA) to its physiological substrates. We recently identified a novel anchoring protein, called AKAP-Lbc, which functions as a PKA-targeting protein as well as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for RhoA. We demonstrated that AKAP-Lbc Rho-GEF activity is stimulated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12. Here, we identified 14-3-3 as a novel regulatory protein interacting with AKAP-Lbc. Elevation of the cellular concentration of cAMP activates the PKA holoenzyme anchored to AKAP-Lbc, which phosphorylates the anchoring protein on the serine 1565. This phosphorylation event induces the recruitment of 14-3-3, which inhibits the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. AKAP-Lbc mutants that fail to interact with PKA or with 14-3-3 show a higher basal Rho-GEF activity as compared to the wild-type protein. This suggests that, under basal conditions, 14-3-3 maintains AKAP-Lbc in an inactive state. Therefore, while it is known that AKAP-Lbc activity can be stimulated by Galpha12, in this study we demonstrated that it is inhibited by the anchoring of both PKA and 14-3-3.