Bone marrow mesenchymal stem cells stabilize already-formed aortic aneurysms more efficiently than vascular smooth muscle cells in a rat model.

PURPOSE: Abdominal aortic aneurysms (AAAs) expand because of aortic wall destruction. Enrichment in Vascular Smooth Muscle Cells (VSMCs) stabilizes expanding AAAs in rats. Mesenchymal Stem Cells (MSCs) can differentiate into VSMCs. We have tested the hypothesis that bone marrow-derived MSCs (BM-MSCs) stabilizes AAAs in a rat model. MATERIAL AND METHODS: Rat Fischer 344 BM-MSCs were isolated by plastic adhesion and seeded endovascularly in experimental AAAs using xenograft obtained from guinea pig. Culture medium without cells was used as control group. The main criteria was the variation of the aortic diameter at one week and four weeks. We evaluated the impact of cells seeding on inflammatory response by immunohistochemistry combined with RT-PCR on MMP9 and TIMP1 at one week. We evaluated the healing process by immunohistochemistry at 4 weeks. RESULTS: The endovascular seeding of BM-MSCs decreased AAA diameter expansion more powerfully than VSMCs or culture medium infusion (6.5% ± 9.7, 25.5% ± 17.2 and 53.4% ± 14.4; p = .007, respectively). This result was sustained at 4 weeks. BM-MSCs decreased expression of MMP-9 and infiltration by macrophages (4.7 ± 2.3 vs. 14.6 ± 6.4 mm(2) respectively; p = .015), increased Tissue Inhibitor Metallo Proteinase-1 (TIMP-1), compared to culture medium infusion. BM-MSCs induced formation of a neo-aortic tissue rich in SM-alpha active positive cells (22.2 ± 2.7 vs. 115.6 ± 30.4 cells/surface units, p = .007) surrounded by a dense collagen and elastin network covered by luminal endothelial cells. CONCLUSIONS: We have shown in this rat model of AAA that BM-MSCs exert a specialized function in arterial regeneration that transcends that of mature mesenchymal cells. Our observation identifies a population of cells easy to isolate and to expand for therapeutic interventions based on catheter-driven cell therapy.

Breast stem cells and hormonal mechanisms in carcinogenesis

A woman's risk of breast cancer is strongly affected by her reproductive history. The hormonal milieu is also a key determinant of the course of the disease. Combining mouse genetics with tissue recombination techniques, we have established that the female reproductive hormones, estrogens, progesterone, and prolactin, act sequentially on the mammary epithelium to trigger distinct developmental steps. The hormones impinge directly on a subset of luminal mammary epithelial cells that express the respective hormone receptors and act as sensor cells translating and amplifying systemic signals into local stimuli. Local signaling is stage and age specific. During puberty, estrogens promote proliferation using the EGF family member, amphiregulin, as essential paracrine mediator. In adulthood, progesterone, rather than estrogen, is the major inducer of stem cell activation and cell proliferation of the mammary epithelium. Hormonal signaling modulates crucial developmental pathways that impinge on mammary stem cell populations, while Notch signaling, by inhibiting p63, is central to mammary cell fate determination. Cell proliferation occurs in two waves. The first results from direct stimulation of the small fraction of hormone receptor positive cells. It is followed by a second wave of progesterone-induced proliferation involving mostly hormone receptor negative cells, in which RANKL is a key mediator. A model in which repeated activation of paracrine signaling by progesterone with resulting stem cell activation promotes breast carcinogenesis is proposed.

IFN alpha activates dormant haematopoietic stem cells in vivo

Maintenance of the blood system is dependent on dormant haematopoietic stem cells (HSCs) with long-term self-renewal capacity. After injury these cells are induced to proliferate to quickly reestablish homeostasis(1). The signalling molecules promoting the exit of HSCs out of the dormant stage remain largely unknown. Here we show that in response to treatment of mice with interferon-alpha (IFN alpha), HSCs efficiently exit G(0) and enter an active cell cycle. HSCs respond to IFN alpha treatment by the increased phosphorylation of STAT1 and PKB/Akt (also known as AKT1), the expression of IFN alpha target genes, and the upregulation of stem cell antigen-1 (Sca-1, also known as LY6A). HSCs lacking the IFN alpha/beta receptor (IFNAR)(2), STAT1 (ref. 3) or Sca-1 (ref. 4) are insensitive to IFN alpha stimulation, demonstrating that STAT1 and Sca-1 mediate IFN alpha-induced HSC proliferation. Although dormant HSCs are resistant to the anti-proliferative chemotherapeutic agent 5-fluoro-uracil(1,5), HSCs pre-treated (primed) with IFN alpha and thus induced to proliferate are efficiently eliminated by 5-fluoro-uracil exposure in vivo. Conversely, HSCs chronically activated by IFN alpha are functionally compromised and are rapidly out-competed by non-activatable Ifnar(-/-) cells in competitive repopulation assays. Whereas chronic activation of the IFN alpha pathway in HSCs impairs their function, acute IFN alpha treatment promotes the proliferation of dormant HSCs in vivo. These data may help to clarify the so far unexplained clinical effects of IFN alpha on leukaemic cells(6,7), and raise the possibility for new applications of type I interferons to target cancer stem cells(8).

Interactions between cancer stem cells and their niche govern metastatic colonization.

Metastatic growth in distant organs is the major cause of cancer mortality. The development of metastasis is a multistage process with several rate-limiting steps. Although dissemination of tumour cells seems to be an early and frequent event, the successful initiation of metastatic growth, a process termed 'metastatic colonization', is inefficient for many cancer types and is accomplished only by a minority of cancer cells that reach distant sites. Prevalent target sites are characteristic of many tumour entities, suggesting that inadequate support by distant tissues contributes to the inefficiency of the metastatic process. Here we show that a small population of cancer stem cells is critical for metastatic colonization, that is, the initial expansion of cancer cells at the secondary site, and that stromal niche signals are crucial to this expansion process. We find that periostin (POSTN), a component of the extracellular matrix, is expressed by fibroblasts in the normal tissue and in the stroma of the primary tumour. Infiltrating tumour cells need to induce stromal POSTN expression in the secondary target organ (in this case lung) to initiate colonization. POSTN is required to allow cancer stem cell maintenance, and blocking its function prevents metastasis. POSTN recruits Wnt ligands and thereby increases Wnt signalling in cancer stem cells. We suggest that the education of stromal cells by infiltrating tumour cells is an important step in metastatic colonization and that preventing de novo niche formation may be a novel strategy for the treatment of metastatic disease.

Allele-specific silencing of mutant huntingtin in rodent brain and human stem cells.

Huntington's disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder resulting from polyglutamine expansion in the huntingtin (HTT) protein and for which there is no cure. Although suppression of both wild type and mutant HTT expression by RNA interference is a promising therapeutic strategy, a selective silencing of mutant HTT represents the safest approach preserving WT HTT expression and functions. We developed small hairpin RNAs (shRNAs) targeting single nucleotide polymorphisms (SNP) present in the HTT gene to selectively target the disease HTT isoform. Most of these shRNAs silenced, efficiently and selectively, mutant HTT in vitro. Lentiviral-mediated infection with the shRNAs led to selective degradation of mutant HTT mRNA and prevented the apparition of neuropathology in HD rat's striatum expressing mutant HTT containing the various SNPs. In transgenic BACHD mice, the mutant HTT allele was also silenced by this approach, further demonstrating the potential for allele-specific silencing. Finally, the allele-specific silencing of mutant HTT in human embryonic stem cells was accompanied by functional recovery of the vesicular transport of BDNF along microtubules. These findings provide evidence of the therapeutic potential of allele-specific RNA interference for HD.

Differential miRNA and IncRNA expression in embryonic stem cells lacking the Notch1 receptor

Embryonic stem (ES) cells-derived cardiomyocytes represent an attractive source of cells in cell replacement therapies for heart disease. However, controlled cardiogenic differentiation of ES cells requires a complete understanding of the complex molecular mechanisms regulating the differentiation process. We have previously shown that differentiation of ES cells into cardiomyocytes is favored by inactivation of the Notch 1 receptor pathway. In the present study, we therefore compared two ES cell lines, one with normal Notchl expression and one carrying deleted Notchl receptor alleles (Notchl-deleted ES cells) in order to identify genes responsible for the increased propensity of Notchl-deleted ES cells to produce cardiomyocytes. Using RNA-sequencing, we found approximately 300 coding and noncoding transcripts, which are differently expressed in undifferentiated Notchl-deleted ES cells. Since accumulating evidences indicate that long noncoding RNAs (IncRNAs) play important roles in ES cell pluripotency and differentiation, we focused our analysis on modulated IncRNAs. In particular, two IncRNAs, named here lnc 1230 and lnc 1335, are highly induced in the absence of Notchl receptor expression. These represent therefore prime candidates that could favor cardiogenic commitment in undifferentiated ES cells. Indeed, we demonstrate that forced expression of these two IncRNAs in wild-type ES cells result in a significant increase of the number of cardiac progenitor cells and cardiomyocytes in the differentiated progeny of these ES cells. Furthermore, we also identify several microRNAs that are differentially modulated in absence of Notchl expression. Among these are miR-142-5p and miR- 381-3p. Interestingly, both lncl230 and lncl335 are targets of these two microRNAs. Altogether, these data suggest that Notchl-dependent noncoding gene networks, implicating microRNAs and IncRNAs, control embryonic stem cell commitment into the mesodermal and cardiac lineages already at the undifferentiated state. - Les cardiomyocytes issus cellules souches embryonnaires sont une source très prometteuse pour les thérapies cellulaire de remplacement dans le cadre des maladies cardiaques. Cependant, l'utilisation de telles cellules requiert une compréhension poussée des mécanismes moléculaire régulant la différenciation. Nous avons par le passé démontré que la différenciation des cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes est favorisée par l'inactivation de la voie d'activation intracellulaire dépendante du récepteur Notch 1. Nous avons donc comparé deux lignées de cellules souches embryonnaires, une présentant une voie d'activation Notchl normale et une chez laquelle les allèles codant pour le récepteur Notchl avaient été invalidés, de façon à identifier les gènes impliqués dans la capacité augmentée des cellules déficientes à produire des cardiomyocytes. En utilisant du séquençage d'ARN à haut débit, nous avons trouvé environ 300 gènes différemment exprimés dans les cellules déficientes pour Notchl. Par ailleurs, des évidences de plus en plus nombreuses suggèrent qu'une nouvelle classe de molécules appelée « long noncoding RNAs » joue un rôle prépondérant dans la maintenance de l'état non différencié et de la capacité de différenciation des cellules souches embryonnaires. Nous avons trouvé que plusieurs « long noncoding RNAs » étaient modulés en l'absence de Notchl, et en particulier deux molécules que nous avons appelées lncl230 et lncl335. Ces derniers représentent des candidats potentiels devant permettre de favoriser la production de cardiomyocytes. Nous avons en effet démontré que la surexpression de ces deux candidats dans des cellules souches embryonnaires résultait en une surproduction de cardiomyocytes. De plus, nous avons également identifié plusieurs microRNAs dont l'expression était modulée dans les cellules souches embryonnaires déficientes dans la voie Notchl. De façon intéressante, parmi ces microRNAs, le miR-142-5p et le miR-381-3p sont capables de cibler lncl230 and lncl335. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent donc que des réseaux d'interaction dépendant de la voie d'activation Notch 1 et impliquant des ARNs non codant existent dans les cellules souches embryonnaires pour réguler leur différenciation en différent types cellulaires spécifiques.

Extensive microRNA-mediated crosstalk between lncRNAs and mRNAs in mouse embryonic stem cells.

Recently, a handful of intergenic long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to compete with mRNAs for binding to miRNAs and to contribute to development and disease. Beyond these reports, little is yet known of the extent and functional consequences of miRNA-mediated regulation of mRNA levels by lncRNAs. To gain further insight into lncRNA-mRNA miRNA-mediated crosstalk, we reanalyzed transcriptome-wide changes induced by the targeted knockdown of over 100 lncRNA transcripts in mouse embryonic stem cells (mESCs). We predicted that, on average, almost one-fifth of the transcript level changes induced by lncRNAs are dependent on miRNAs that are highly abundant in mESCs. We validated these findings experimentally by temporally profiling transcriptome-wide changes in gene expression following the loss of miRNA biogenesis in mESCs. Following the depletion of miRNAs, we found that >50% of lncRNAs and their miRNA-dependent mRNA targets were up-regulated coordinately, consistent with their interaction being miRNA-mediated. These lncRNAs are preferentially located in the cytoplasm, and the response elements for miRNAs they share with their targets have been preserved in mammals by purifying selection. Lastly, miRNA-dependent mRNA targets of each lncRNA tended to share common biological functions. Post-transcriptional miRNA-mediated crosstalk between lncRNAs and mRNA, in mESCs, is thus surprisingly prevalent, conserved in mammals, and likely to contribute to critical developmental processes.

Induced pluripotent stem cells as a promising tool to study the effect of interleukin-22 in multiple sclerosis

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante du système nerveux central (SNC) provoquant des pertes motrices, sensitives et cognitives. La SEP se déclare chez le jeune adulte ayant des prédispositions génétiques, mais semble induite, par des facteurs environnementaux. La SEP touche principalement les femmes et sa prévalence dans les zones à haut risque, tel que la Suisse, est de 0.1%. Bien que son étiologie exacte reste méconnue, nous savons que la maladie est médiée par des lymphocytes T autoréactifs périphériques, qui infiltrent le SNC où ils activent d'autres cellules immunitaires ainsi que les cellules du SNC elles-mêmes, créant un foyer inflammatoire, qui va attaquer et finir par tuer les oligodendrocytes et les neurones. Les épisodes inflammatoires sont entrecoupés par des phases de rémission associées à une guérison partielle des lésions. Cette première phase de la maladie, comprenant des épisodes inflammatoires et de rémissions est appelé SEP récurrente-rémittente (SEP-RR) et touche 90% des patients. Elle évolue, dans deux-tiers des cas, vers une SEP secondaire progressive (SEP-SP), qui est caractérisée par une progression constante de la maladie, associée à une réduction de l'inflammation mais une augmentation de la neurodégénérescence. Les patients souffrants de SEP primaire progressive (SEP-PP) développent directement les symptômes de la phase progressive de la maladie. Les thérapies disponibles ont considérablement amélioré l'évolution de la maladie des patients SEP-RR, en agissant sur une diminution de la réponse immunitaire et donc de l'inflammation. Cependant, ces traitements sont inefficaces chez les patients SEP-SP et SEP-PP, n'agissant pas sur la neurodégénérescence. IL-22, une cytokine sécrétée notoirement par les cellules Th17, a été associée à la SEP en contribuant à la perméabilisation de la barrière hémato-encéphalique et à l'inflammation du SNC, qui sont des étapes clés de la pathogenèse de la maladie. En outre, le gène codant pour un inhibiteur puissant d'IL- 22, 'IL-22 binding protein' (IL-22BP), a été démontré comme un facteur de risque de la SEP. Ces indices nous ont poussés à nous intéresser de plus près au rôle de l'IL-22 dans la SEP. Nous avons pu montrer qu'IL-22 et IL-22BP étaient augmentées dans le sang des patients SEP par rapport à des sujets sains. Nous avons trouvé qu'IL-22 cible spécifiquement les astrocytes dans le SNC et que son récepteur est particulièrement exprimé dans les lésions des patient SEP. Contre toute attente, nous avons pu montrer que l'IL-22 semble soutenir la survie des astrocytes. Cette découverte, suggérant qu'IL-22 serait protecteur pour le SNC et pour la SEP, confirme de récentes publications et ouvre la voie à de potentielles applications thérapeutiques. En parallèle, dans le but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP, nous avons développé les techniques de culture de cellules souches pluripotentes induites (iPSC). Nos iPSC sont dérivées du sang des donneurs et acquièrent toutes les propriétés des cellules souches embryonnaires après induction. Les iPSC peuvent ensuite être différenciées en différents types de cellules, dont les cellules du SNC. Nous avons ainsi pu obtenir avec succès des neurones, dérivés de cellules du sang, en passant par le stade des iPSC. La prochaine étape consiste à générer des cultures d'astrocytes et d'oligodendrocytes et ainsi obtenir les principales cellules du SNC, le but étant de former de véritables 'cerveaux-en-culture'. Cet outil semble particulièrement adapté à l'étude de l'activité de diverses molécules sur les cellules du SNC, comme par exemple l'IL-22 et d'autres molécules ayant un potentiel intérêt thérapeutique au niveau du SNC. Le but ultime étant de développer des co-cultures de cellules du SNC avec des cellules immunitaires autologues, de patients SEP et de sujets sains, afin de mettre en évidence l'attaque des cellules du SNC par des leucocytes autoréactifs. Ce projet prospectif a permis d'accroître nos connaissance sur des aspects immunitaires de la SEP et à pour but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP afin d'élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques. -- La sclérose en plaques est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central conduisant à la destruction de la myéline, indispensable à la conduction nerveuse, et finalement à la mort des neurones eux-mêmes. Cela a pour conséquence des pertes motrices, sensorielles et cognitives, qui ont tendance à s'aggraver au fil de la maladie. Elle se déclare chez le jeune adulte, entre l'âge de 20 et 40 ans, et prédomine chez la femme. En Suisse, environ une personne sur l'OOO est atteinte de sclérose en plaques. Les causes exactes de cette maladie, qui incluent des facteurs génétiques et environnementaux, sont encore mal connues. Des traitements de plus en plus efficaces ont été développés ces dernières années et ont permis de drastiquement améliorer l'évolution de la maladie chez les patients atteints de sclérose en plaques. Cependant, ces traitements ne sont efficaces que sur certaines catégories de patients et peuvent engendrer de lourds effets secondaires. Ces thérapies agissent presque exclusivement sur les cellules du système immunitaire en les désactivant partiellement, mais pas sur les cellules nerveuses, qui sont pourtant celles qui conditionnent le devenir du patient. Le développement de médicaments protégeant ou permettant la régénération des cellules du système nerveux central est donc primordial. L'étude de l'interleukine-22 nous a permis de montrer que cette cytokine ('hormone' du système immunitaire) pouvait cibler spécifiquement les astrocytes, des cellules gliales qui jouent un rôle central dans le maintien de l'équilibre du système nerveux central. Nos recherches ont montré que cette interleukine-22 permettrait une meilleure survie des astrocytes durant la phase aiguë de la maladie et aurait aussi des propriétés neuroprotectrices. En parallèle, nous sommes en train de développer un nouveau modèle in vitro d'étude de la sclérose en plaques grâce à la technologie des cellules souches pluripotentes induites. Ces cellules souches sont induites à partir de cellules du sang du donneur et acquièrent toutes les caractéristiques des cellules souches embryonnaires présentes dans un organisme en formation. Ainsi, ces cellules souches pluripotentes ont, par exemple, la capacité de se différencier en cellules du système nerveux central. Nous avons pu, de cette manière, obtenir des neurones. Le but ultime serait de pouvoir reconstituer une ébauche de cerveau in vitro, en cultivant ensemble différents types de cellules du système nerveux central, afin d'y réaliser des expériences avec des cellules immunitaires du même donneur. Ces travaux ont pour but d'améliorer notre compréhension de la pathogenèse de la sclérose en plaques et de permettre le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. --Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system leading to cognitive, sensitive and motor disabilities. MS occurs in genetically predisposed young adults with probable environmental triggers. MS affects predominantly women and its prevalence in high risk area such as Switzerland is 0.1%. Though its exact aetiology remains undetermined, we know that autoreactive T cells from de periphery are reactivated and recruited into the central nervous system (CNS) were they further activate other immune cells and resident cells, creating inflammatory foci, where oligodendrocytes and neurons are insulted and, eventually, killed. Inflammatory episodes, called relapses, are interspersed with remission phases where partial recovery of the lesions occurs. This first phase of the disease, occurring in 90% of the patients, is called relapsing-remitting MS (RR-MS) and is leading, in two-third of the cases, to secondary-progressive MS (SP-MS), where there is a continuous steady progression of the disease, associated with reduced inflammation but increased neurodegeneration. Primary-progressive MS (PP-MS) patients experience directly this progressive phase of the disease. Whereas disease modifying therapies have dramatically ameliorated the disease course of RR-MS patients by dampening immunity and, in turn, inflammation, treatments of SP-MS and PP-MS patients, who suffer primarily from the neurodegenerative aspect of the disease, are still inexistent. IL-22, a pro-inflammatory Th17 cell cytokine, has been associated with MS by participating to blood-brain barrier infiltration and CNS inflammation, which are crucial steps in MS pathogenesis. In addition, the gene coding for IL-22 binding protein (IL-22BP), which is a potent secreted IL-22 inhibitor, has been associated with MS risk. These findings call for further investigation on the role of IL-22 in MS. We detected increased IL-22 and IL-22BP in the blood of MS patients as compared to healthy controls. Acting exclusively on cells of nonhematopoietic origin, we found that IL-22 targets specifically astrocytes in the CNS and that its receptor is highly expressed in the lesion of MS patients. Unexpectedly, we found that IL-22 seems to promote survival of astrocytes. This finding, suggesting that IL-22 might be protective for the CNS in the context of MS, is consistent with recent publications and might open putative therapeutic applications at the CNS level. In parallel, with the aim of better understanding the immunopathogenesis of MS, we developed induced pluripotent stem cell (iPSC) techniques. IPSC are derived from blood cells of the donors and bear embryonic stem cell properties. IPSC can be differentiated into various cell types including CNS cells. We successfully obtained neurons derived from the donor blood cells, through iPSC. We further aim at developing astrocytes and oligodendrocytes cultures to recreate a 'brain-in-a-dish'. This would be a powerful tool to test the activity of various compounds on CNS cells, including IL-22 and other putative neuroprotective drugs. Ultimately, the goal is to develop co-cultures of CNS cells with autologous immune cells of MS patients as well as healthy controls to try to expose evidence of CNS cells targeted by autoreactive leukocytes. This prospective project has increased our knowledge of immune aspects of MS and further aims at better understanding the immunopathology of MS in order to pave the way to the elaboration of new therapeutic strategies.

Dominant-Negative Effects of Adult-Onset Huntingtin Mutations Alter the Division of Human Embryonic Stem Cells-Derived Neural Cells.

Mutations of the huntingtin protein (HTT) gene underlie both adult-onset and juvenile forms of Huntington's disease (HD). HTT modulates mitotic spindle orientation and cell fate in mouse cortical progenitors from the ventricular zone. Using human embryonic stem cells (hESC) characterized as carrying mutations associated with adult-onset disease during pre-implantation genetic diagnosis, we investigated the influence of human HTT and of an adult-onset HD mutation on mitotic spindle orientation in human neural stem cells (NSCs) derived from hESCs. The RNAi-mediated silencing of both HTT alleles in neural stem cells derived from hESCs disrupted spindle orientation and led to the mislocalization of dynein, the p150Glued subunit of dynactin and the large nuclear mitotic apparatus (NuMA) protein. We also investigated the effect of the adult-onset HD mutation on the role of HTT during spindle orientation in NSCs derived from HD-hESCs. By combining SNP-targeting allele-specific silencing and gain-of-function approaches, we showed that a 46-glutamine expansion in human HTT was sufficient for a dominant-negative effect on spindle orientation and changes in the distribution within the spindle pole and the cell cortex of dynein, p150Glued and NuMA in neural cells. Thus, neural derivatives of disease-specific human pluripotent stem cells constitute a relevant biological resource for exploring the impact of adult-onset HD mutations of the HTT gene on the division of neural progenitors, with potential applications in HD drug discovery targeting HTT-dynein-p150Glued complex interactions.

Directed integration of new insulated lentiviral vectors to heterochromatin towards safer gene transfer to stem cells

The need for better gene transfer systems towards improved risk=benefit balance for patients remains a major challenge in the clinical translation of gene therapy (GT). We have investigated the improvement of integrating vectors safety in combining (i) new short synthetic genetic insulator elements (GIE) and (ii) directing genetic integration to heterochromatin. We have designed SIN-insulated retrovectors with two candidate GIEs and could identify a specific combination of insulator 2 repeats which translates into best functional activity, high titers and boundary effect in both gammaretro (p20) and lentivectors (DCaro4) (see Duros et al, abstract ibid). Since GIEs are believed to shield the transgenic cassette from inhibitory effects and silencing, DCaro4 has been further tested with chimeric HIV-1 derived integrases which comprise C-ter chromodomains targeting heterochromatin through either histone H3 (ML6chimera) or methylatedCpGislands (ML10). With DCaro4 only and both chimeras, a homogeneous expression is evidenced in over 20% of the cells which is sustained over time. With control lentivectors, less than 2% of cells express GFP as compared to background using a control double-mutant in both catalytic and ledgf binding-sites; in addition, a two-times increase of expression can be induced with histone deacetylase inhibitors. Our approach could significantly reduce integration into open chromatin sensitive sites in stem cells at the time of transduction, a feature which might significantly decrease subsequent genotoxicity, according to X-SCIDs patients data.Work performed with the support of EC-DG research within the FP6-Network of Excellence, CLINIGENE: LSHB-CT-2006-018933

Adipose-derived stem cells enhance peripheral nerve regeneration.

Traumatic injuries resulting in peripheral nerve lesions often require a graft to bridge the gap. Although autologous nerve auto-graft is still the first-choice strategy in reconstructions, it has the severe disadvantage of the sacrifice of a functional nerve. Cell transplantation in a bioartificial conduit is an alternative strategy to create a favourable environment for nerve regeneration. We decided to test new fibrin nerve conduits seeded with various cell types (primary Schwann cells and adult stem cells differentiated to a Schwann cell-like phenotype) for repair of sciatic nerve injury. Two weeks after implantation, the conduits were removed and examined by immunohistochemistry for axonal regeneration (evaluated by PGP 9.5 expression) and Schwann cell presence (detected by S100 expression). The results show a significant increase in axonal regeneration in the group of fibrin seeded with Schwann cells compared with the empty fibrin conduit. Differentiated adipose-derived stem cells also enhanced regeneration distance in a similar manner to differentiated bone marrow mesenchymal stem cells. These observations suggest that adipose-derived stem cells may provide an effective cell population, without the limitations of the donor-site morbidity associated with isolation of Schwann cells, and could be a clinically translatable route towards new methods to enhance peripheral nerve repair.

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.

Differentiation of rat striatal embryonic stem cells in vitro: monolayer culture vs. three-dimensional coculture with differentiated brain cells.

Several groups have demonstrated the existence of self-renewing stem cells in embryonic and adult mouse brain. In vitro, these cells proliferate in response to epidermal growth factor, forming clusters of nestin-positive cells that may be dissociated and subcultured repetitively. Here we show that, in stem cell clusters derived from rat embryonic striatum, cell proliferation decreased with increasing number of passages and in response to elevated concentrations of potassium (30 mM KCl). In monolayer culture, the appearance of microtubule-associated protein type-5-immunoreactive (MAP-5(+)) cells (presumptive neurons) in response to basic fibroblast growth factor (bFGF) was reduced at low cell density and with increasing number of passages. In the presence of bFGF, elevated potassium caused a more differentiated neuronal phenotype, characterized by an increased proportion of MAP-5(+) cells, extensive neuritic branching, and higher specific activity of glutamic acid decarboxylase. Dissociated stem cells were able to invade cultured brain cell aggregates containing different proportions of neurons and glial cells, whereas they required the presence of a considerable proportion of glial cells in the host cultures to become neurofilament H-positive. The latter observation supports the view that astrocyte-derived factors influence early differentiation of the neuronal cell lineage.

The role of Pten in the Hematopoietic System and the Hematopoietic Stem Cells

Résumé Identification, localisation et activation des cellules souches hématopoiétiques dormantes in vivo Les cellules souches somatiques sont présentes dans la majorité des tissus régénératifs comme la peau, l'épithélium intestinal et le système hématopoiétique. A partir d'une seule cellule, elles ont les capacités de produire d'autres cellules souches du même type (auto-renouvellement) et d'engendrer un ensemble défini de cellules progénitrices différenciées qui vont maintenir ou réparer leur tissu hôte. Les cellules souches adultes les mieux caractérisées sont les cellules souches hématopoiétiques (HSC), localisées dans la moelle osseuse. Un des buts de mon travail de doctorat était de caractériser plus en profondeur la localisation des HSCs endogènes in vivo. Pour ce faire, la technique "label retaining assay", se basant sur la division peu fréquentes et sur la dormance des cellules souches, a été utilisée. Après un marquage des souris avec du BrdU (analogue à l'ADN) suivi d'une longue période sans BrdU, les cellules ayant incorporés le marquage ("label retaining cells" LCRs) ont pu être identifiées dans la moelle osseuse. Ces cellules LCRs étaient enrichies 300 fois en cellules de phenotype HSC et, en utilisant de la cytofluorométrie, il a pu être montré qu'environ 15% de toutes les HSCs d'une souris restent dormantes durant plusieures semaines. Ces HSCs dormantes à long terme ne sont probablement pas impliquées dans la maintenance de 'hématopoièse. Par contre, on assiste à l'activation rapide de ces HSCs dormantes lors d'une blessure, comme une ablation myéloide. Elles re-entrent alors en cycle cellulaire et sont essentielles pour une génération rapide des cellules progénitrices et matures qui vont remplacer les cellules perdues. De plus, la détection des LCRs, combinée avec l'utilisation du marqueur de HSCs c-kit, peut être utilisée pour la localisation des HSCs dormantes présentes dans la paroi endostéale de la cavité osseuse. De manière surprenante, les LCRs c-kit+ ont surtout étés trouvées isolées en cellule unique, suggérant que le micro-environement spécifique entourant et maintenant les HSCs, appelé niche, pourrait être très réduit et abriter une seule HSC par niche. Rôles complexes du gène supresseur de tumeur Pten dans le système hématopoiétique La phosphatase PTEN disparaît dans certains cancers héréditaires ou sporadiques humains, comme les gliomes, les cancers de l'utérus ou du sein. Pten inhibe la voie de signalisation de la PI3-kinase et joue un rôle clé dans l'apoptose, la croissance, la prolifération et la migration cellulaire. Notre but était d'étudier le rôle de Pten dans les HSC normale et durant la formation de leucémies. Pour ce faire, nous avons généré un modèle murin dans lequel le gène Pten peut être supprimé dans les cellules hématopoiétiques, incluant les HSCs. Ceci a été possible en croissant l'allèle conditionnelle ptenflox soit avec le transgène MxCre inductible par l'interféron α soit avec le transgène Scl-CreERt inductible par le tamoxifen. Ceci permet la conversion de l'allèle ptenflox en l'allèle nul PtenΔ dans les HSCs et les autres types cellulaires hématopoiétiques. Les souris mutantes Pten développent une splénomégalie massive causée par une expansion dramatiques de toutes les cellules myéloides. De manière interessante, alors que le nombre de HSCs dans la moelle osseuse diminue progressivement, le nombre des HSCs dans la rate augmente de manière proportionnelle. Etrangement, les analyses de cycle cellulaire ont montrés que Pten n'avait que peu ou pas d'effet sur la dormance des HSCs ou sur leur autorenouvellement. En revanche, une augmentation massive du niveau de la cytokine de mobilisation G-CSF a été détéctée dans le serum sanguin, suggérant que la suppression de Pten stimulerait la mobilisation et la migration des HSC de la moelle osseuse vers la rate. Finallement, la transplantation de moelle osseuse délétée en Pten dans des souris immuno-déficientes montre que Pten fonctionnerait comme un suppresseur de tumeur dans le système hématopoiétique car son absence entraîne la formation rapide de leucémies lymphocytaires. Summary Identification, localization and activation of dormant hematopoietic stun cells in vivo Somatic stem cells are present in most self-renewing tissues including the skin, the intestinal epithelium and the hematopoietic system. On a single cell basis they have the capacity to produce more stem cells of the same phenotype (self-renewal) and to give rise to a defined set of mature differentiated progeny, responsible for the maintenance or repair of the host tissue. The best characterized adult stem cell is the hematopoietic stem cell (HSC) located in the bone marrow. One goal of my thesis work was to further characterize the location of endogenous HSCs in vivo. To do this, a technique called "label retaining assay» was used which takes advantage of the fact that stem cells (including HSCs) divide very infrequently and can be dormant for months. After labeling mice with the DNA analogue BrdU followed by a long BrdU free "chase", BrdU "label retaining cells" (CRCs) could be identified in the bone marrow. These CRCs were 300-fold enriched for phenotypic HSCs and by using flow cytometry analysis it could be shown that about 15% of all HSCs in the mouse are dormant for many weeks. Our results suggest that these long-term dormant HSCs are unlikely to be involved in homeostatic maintenance. However they are rapidly activated and reenter the cell cycle in response to injury signals such as myeloid ablation. In addition, detection of LRCs in combination with the HSC marker c-Kit could be used to locate engrafted dormant HSCs close to the endosteal lining of the bone marrow cavities. Most surprisingly, c-Kit+LRCs were found predominantly as single cells suggesting that the specific stem cell maintaining microenvironment, called niche, has limited space and may house only single HSCs. Complex roles of the tumor suppressor gene Pten in the hematopoietic system. The phosphatase PTEN is lost in hereditary and sporadic forms of human cancers, including gliomas, endometrial and breast cancers. Pten inhibits the PI3-kina.se pathway and plays a key role in apoptosis, cell growth, proliferation and migration. Our aim was to study the role of Pten in normal HSCs and during leukemia formation. To do this, we generated a mouse model in which the Pten gene can be deleted in hematopoietic cells including HSCs. This was achieved by crossing the conditional ptenflox allele with either the interferona inducible MxCre or the tamoxifen inducible Scl-CreERT transgene. This allowed the conversion of the ptenflox allele into a pterr' null allele in HSCs and other hematopoietic cell types. As a result Pten mutant mice developed massive splenomegaly due to a dramatic expansion of all myeloid cells. Interestingly, while the number of bone marrow HSCs progressively decreased, the number of HSCs in the spleen increased to a similar extent. Unexpectedly, extensive cell cycle analysis showed that Pten had little or no effect on HSC dormancy or HSC self-renewal. Instead, dramatically increased levels of the mobilizing cytokine G-CSF were detected in the blood serum suggesting that loss-of Pten stimulates mobilization and migration of HSC from the BM to the spleen. Finally, transplantation of Pten deficient BM cells into immuno-compromised mice showed that Pten can function as a tumor suppressor in the hematopoietic system and that its absence leads to the rapid formation of T cell leukemia.

Identification of cancer stem cells in Ewing's sarcoma

Summary : Cancer stem cells (CSC) that display tumor-initiating properties have recently been identified in several distinct types of malignancies, holding promise for more effective therapeutic strategies. However, evidence of such cells in sarcomas, which include some of the most aggressive and therapy-resistant tumors, has not been demonstrated to date. Here, we .identify and characterize cancer stem cells in Ewing's sarcoma family tumors (ESPY), a highly aggressive pediatric malignancy believed to be of mesenchymal stem cell (MSC) origin. Using magnetic bead cell separation of primary ESFT, we have isolated a subpopulation of CD133+ tumor cells that display the capacity to initiate and sustain tumor growth through serial transplantation in NOD/SCID mice, re-establishing at each in vivo passage the parental tumor phenotype and hierarchical cell organization. Consistent with the plasticity of MSCs, in vitro differentiation assays showed that the CD133+ cell population retained the ability to differentiate along adipogenic, osteogenic and chondrogenic lineages. Quantitative Real-Time PCR analysis of genes implicated in stem cell maintenance revealed that CD133+ ESFT cells express significantly higher levels of OCT4 and NANOG than their CD133- counterparts. Taken together, our observations provide the first identification of ESFT cancer stem cells (ET-CSC) and demonstration of their mesenchymal stem cell properties, a critical step toward a better biological understanding and rational therapeutic targeting of these tumors. Résumé : Des cellules souches tumorales avec des propriétés exclusives d'initiation tumorale ont récemment été identifiées dans différents types de cancers, permettant ainsi d'espérer le développement de thérapies plus efficaces. Cependant, l'existence de telles cellules dans les sarcomes, un sous-groupe de cancers d'origine mésenchymateuse très agressifs, n'a pas encore été démontrée. Dans ce travail de recherche, nous identifions et caractérisons des cellules souches tumorales dans le sarcome d'Ewing, une tumeur pédiatrique très agressive vraisemblablement dérivée de cellules souches mésenchymateuses (MSC). Afin de séparer des populations cellulaires dans des échantillons primaires de sarcome d'Ewing, nous avons utilisé des billes magnétiques couplées à des anticorps monoclonaux. Ceci nous a permis d'isoler une sous-population de cellules tumorales CD133+ qui ont la capacité d'initier et de maintenir la croissance tumorale dans des xénotransplantations en série effectuées dans des souris immunodéficientes NOD/SCID. Ces cellules reétablissent à chaque passage in vivo le phénotype de la tumeur d'origine ainsi que son organisation hiérarchique. En accord avec la plasticité des MSC, des tests de différentiation in vitro ont montré que les cellules CD133+ maintiennent la capacité de se différentier en adipocytes, ostéocytes et chondrocytes. Une analyse par PCR quantitative de gènes impliqués dans le maintien des cellules souches a montré que les cellules CD133+ expriment un niveau beaucoup plus élevé de OCT4 and NANOG que les cellules CD133-. En résumé, nos observations constituent la première identification de cellules souches tumorales dans le sarcome d'Ewing et démontrent leur propriété de cellules souches mésenchymateuses. Ceci constitue une étape clé vers une meilleure compréhension biologique et une meilleure approche thérapeutique de ces tumeurs.