Endoglycan mediates malignant leukocyte rolling on e-selectin and signals through SYK and the MAPK pathway

Selectins play a key role regulating leukocyte migration into tissues by mediating leukocyte tethering (capture) and rolling on inflamed endothelium and/or on adherent leukocytes or platelets. During leukocyte rolling, endothelial E- or P-selectin bind to glycoprotein ligands carrying sialyl Lewis χ (sLex) determinant. P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1) is a common ligand for L-, P- and E-selectin, which sequentially cooperates with CD44 and E- selectin ligand-1 (ESL-1) to roll on E-selectin. During rolling on endothelial selectins, PSGL-1 and CD44 signal through Src family kinases and Syk, leading to αι_β2 integrin partial activation and slow rolling on intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1). Leukocyte exposure to chemokines then leads to firm adhesion. Little information is available on ligands that mediate malignant leukocyte rolling on E- selectin. We defined these ligands on U937 monoblasts by immunoadsorbtion and immunoblotting using mAb raised against CD43, CD44, PSGL-1, sLex/CLA determinants and E-selectin/IgM chimera. Immunoblotting and blot rolling assays demonstrated that PSGL-1, CD43, CD44 and a -125 kDa sLex/CLA positive ligand contribute to support E-seiectin- dependent rolling. This -125 kDa ligand is endoglycan, a member of the CD34 family of sialomucins. Endoglycan was frequently detected by flow cytometry on primary leukemia, lymphoma and multiple myeloma ceils (in -50% of cases). Endoglycan, immunopurified from U937 cells, as well as endoglycan/IgG chimera efficiently supported E-selectin dependent rolling. Membrane fractionation on sucrose gradient demonstrated that endoglycan is expressed in lipid rafts. We tested the hypothesis that it signals, like PSGL-1 and CD44, through Src kinases and the MAPK pathway. Indeed, endoglycan engagement induced Syk and ERK phosphorylation in a iipid raft-dependent manner. Syk activation was dependent on Src kinase activity. Downstream of Syk, endoglycan activated PI3K and Akt as well as Bruton's tyrosine kinase and p38 MAPK. Thus, endoglycan is a ligand for endothelial selectins which may contribute to regulate leukemia, lymphoma and multiple myeloma cell trafficking and interactions with bone marrow microenvironment. - Les sélectines contrôlent la migration tissulaire des leucocytes en assurant leur capture et leur roulement sur l'endothélium vasculaire enflammé et/ou sur des plaquettes ou des leucocytes adhérant à la paroi vasculaire. Lors du roulement leucocytaire, les sélectines endothéliales (E- et P-sélectine) se lient à des ligands porteurs du saccharide sialyl Lewis χ (sLex). PSGL-1 est un ligand commun des sélectines qui coopère avec CD44 et ESL-1 pour permettre la capture et le roulement des neutrophiles. Lorsque PSGL-1 et CD44 se lient aux sélectines endothéliales, elles induisent la phosphorylation des kinases Src et de Syk conduisant à l'activation partielle de l'intégrine aLp2 et au ralentissement des leucocytes sur les sélectines et ICAM-1. Les chimiokines induisent ensuite l'adhésion ferme des leucocytes. Les ligands des sélectines qui assurent le roulement, sur la E-sélectine, des cellules issues d'hémopathies malignes sont peu connus. Nous avons caractérisé ces ligands en les purifiant avec des anticorps dirigés contre CD43, CD44, PSGL-1, sLex/CLA et en utilisant la chimère E-sélectine/IgM. Des tests d'adhésion ont montré que PSGL-1, CD43, CD44 et une glycoprotéine de ~125 kDa soutiennent les interactions cellulaires dépendant de la E- sélectine. Le ligand de -125 kDa a été identifié comme étant l'endoglycan. Il a été détecté, par cytométrie de flux, sur les cellules leucémiques, les cellules de lymphomes ou de myélome multiple, dans ~50% des cas analysés. Sa forme membranaire, immunopurifiée, ou recombinante (endoglycan/lgG) soutient les interactions cellulaires dépendant de la E- sélectine. Nous avons montré qu'il réside dans les rafts lipidiques membranaires puis avons testé l'hypothèse que l'endoglycan, comme PSGL-1 et CD44, induit une signalisation via les kinases de type Src et la voie des MAPK. Nous avons pu observer que son engagement induit la phosphorylation de Syk et de ERK pour autant que la structure des rafts soit préservée. En aval de Syk, l'endoglycan active la PI3K, Akt, Btk et la MAPK p38. Ces résultats montrent que l'endoglycan est un ligand des sélectines endothéliales qui pourrait participer au contrôle du trafic et des interactions des cellules leucémiques, de lymphomes ou de myélomes multiples avec leur microenvironnement. - Le sang est un élément clé du fonctionnement de notre corps. La circulation sanguine permet la communication et le transfert de molécules et cellules entre divers organes. Lors d'une inflammation aiguë due à une réaction allergique, une infection ou une blessure, on observe un oedème local accompagné de rougeur, de chaleur et souvent de douleurs. Au sein des tissus enflammés, on observe des globules blancs (leucocytes) et diverses molécules inflammatoires qui attirent les leucocytes dans les tissus lésés (chimiokines). Le sang est composé de globules rouges, de plaquettes et de leucocytes spécialisés dans les défenses immunes. Pour atteindre le site d'inflammation, les leucocytes doivent quitter la circulation sanguine. Ils utilisent pour cela des molécules d'adhésion présentes à leur surface qui se lient à d'autres molécules d'adhésion de la paroi sanguine. Leurs interactions permettent aux leucocytes de rouler à la surface du vaisseau sanguin. Lorsqu'ils roulent au voisinage d'un site d'inflammation, les leucocytes sont exposés à des chimiokines qui induisent leur arrêt et les dirigent dans les tissus enflammés. Ce processus physiologique est aussi impliqué dans des pathologies telles que l'infarctus, l'artériosclérose ou la thrombose. Il peut être détourné à des fins moins louables par des cellules cancéreuses pour permettre leur dissémination (métastatisation). Dans ce travail de thèse, nous avons caractérisé une molécule d'adhésion qui soutient l'adhésion des leucocytes aux sélectines endothéliales: l'endoglycan. Nous avons observé que cette molécule d'adhésion est fréquemment exprimée par les cellules malignes de nombreuses maladies du sang comme les leucémies, les lymphomes et le myélome multiple. Nous avons également pu montrer que l'endoglycan envoie des signaux à l'intérieur des cellules malignes lorsqu'elles se lient aux sélectines endothéliales. Ces signaux pourraient jouer un rôle déterminant dans la régulation des interactions des cellules malignes avec leur microenvironnement. Elles pourraient peut-être aussi favoriser leur survie et leur prolifération.

Analysis of selectin ligands supporting hematologic malignancy cell interactions with their microenvironment : focus on leukemia and multiple myeloma

CONTEXTE: Les sélectines sont une famille de trois protéines qui règlent la capture et le roulement des leucocytes et qui initient la cascade d'adhésion. Elles contrôlent également la migration des leucocytes en réponse à un stimulus physiologique ou inflammatoire pour atteindre un organe cible. Le rôle des sélectines et des leurs ligands est bien connu dans l'adhésion des leucocytes normaux à l'endothélium; en revanche, la nature des ligands des sélectines exprimés par les cellules leucémiques et le myélome multiple est peu connue. La récente découverte que la E- et la P-sélectine sont exprimées par les cellules endothéliales et du stroma de la moelle osseuse, nous a incité à examiner leur rôle dans les interactions des cellules malignes avec leur environnement médullaire. RÉSULTATS: Les analyses ont été conduites sur les cellules du sang ou de la moelle osseuse prélevées à des patients atteints de leucémie aiguë ou de myélome multiple et sur des lignées cellulaires. Les ligands des sélectines qui ont été identifiés sur les blastes leucémiques ou les plasmocytes, sont « P-selectin glycoprotein ligand-1 » (PSGL-1), CD44, CD43 et l'endoglycan (EGC), ainsi que les saccharides fucosylés sLex et CLA. Nous avons vérifié dans des expériences d'adhésion cellulaire effectuées dans des conditions de flux que ces ligands sont fonctionnels, étant porteurs des sucres mentionnés, et qu'ils sont capables de supporter le roulement cellulaire dépendant des sélectines. De plus, nous avons montré que la liaison de ces ligands génère des signaux intracellulaires favorisant la prolifération et la survie des cellules de myélome. CONCLUSION. Les données présentées ici montrent que la E- et la P- sélectine du microenvironnement médullaire interagissent avec les cellules leucémiques et de myélome multiple, et que ces interactions activent des voies de signalisation contrôlant la prolifération et la survie cellulaire. Ces effets protecteurs sont impliqués dans la persistance de clones cellulaires malins résistant aux traitements et peuvent conduire à la récidive de la maladie. L'inhibition de ces interactions pourrait fournir de nouvelles options thérapeutiques pour le traitement de ces maladies de mauvais pronostic. - BACKGROUND: Selectins are a family of glycoproteins involved in the first steps of the adhesion cascade, tethering and rolling, during which leukocytes sense tissue specific signals and commit the cells to enter in a particular organ or inflammation site. While the role of selectins and their ligands is well established in supporting normal leukocyte adhesion to vascular endothelium, our knowledge of selectin ligands in two hematological malignancies, acute leukemia and multiple myeloma, is incomplete. The recent discovery that E- and P- selectin are also expressed on bone marrow (BM) endothelial and stromal cells, prompted us to investigate a potential role in selectin-mediated interaction of malignant cells with its protective BM microenvironment. RESULTS. Using cells obtained from blood or BM of patients affected by acute myeloid or lymphoblastic leukemia, or multiple myeloma, as well as cell lines, we characterized the expression of selectin ligands on blasts and plasma cells and identified P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), CD44, CD43 and endoglycan (EGC), as well as sLex/CLA determinants. Rolling assays under flow conditions allowed us to verify that these ligands are functional, i.e. correctly glycosylated and able to support selectin-mediated rolling. Moreover, we demonstrated that these ligands trigger proliferation and pro-survival signals upon engagement on myeloma cells. CONCLUSIONS. Data presented here demonstrate that E- and P-selectin in the BM microenvironment interact with leukemia and myeloma cells, and suggest that they have an impact on proliferation and survival of malignant plasma cells. These protective effects may induce drug resistance in malignant clones, leading to disease relapse. Interfering with these interactions could provide new therapeutic options. - Le corps humain dépend du système immunitaire pour sa protection face aux agressions, notamment des bactéries ou des virus, ou face à une dysfonction de l'organisme. Ce système est composé de plusieurs types cellulaires, regroupés sous le nom de leucocytes, qui participent à son fonctionnement. Ces cellules se développent à partir d'une cellule souche hématopo'iétique commune qui réside dans la moelle osseuse. Comme c'est le cas dans les autres tissus, les cellules du système immunitaire peuvent aussi développer des cancers, appelés tumeurs hématopoïétiques ou tumeurs du sang. Bien que ces maladies puissent être traitées avec succès grâce à de fortes doses de chimiothérapies ou à d'autres moyens comme les greffes, les patients connaissent un fort taux de rechute. La raison de ces récidives est la survie d'une partie des cellules malignes dans la moelle osseuse, où elles reçoivent une protection au traitement par le biais de l'interaction avec d'autres cellules. Les sélectines (E-, P- et L-sélectine) régulent l'interaction des leucocytes avec l'endothélium (la paroi des vaisseaux sanguins), d'autres leucocytes et les plaquettes ; ces interactions surviennent quand les leucocytes atteignent un site d'inflammation ou un organe cible. Dans la moelle osseuse, la E- et la P-sélectine se trouvent sur les cellules de l'endothélium et sur les macrophages, qui sont d'autres leucocytes faisant partie du stroma de la moelle. Elles pourraient être impliquées dans la protection des cellules cancéreuses évoquée plus haut. Les molécules d'adhésion avec lesquelles les sélectines s'associent, autrement dit les ligands des sélectines, sont des glycoprotéines. Ces protéines ont besoin de sucres spécifiques pour acquérir une telle capacité d'adhésion. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié deux types de cellules extraites du sang et de la moelle osseuse des patients atteints d'une leucémie aiguë (les blastes) ou de myélome multiple (les plasmocytes), et leur capacité à se lier aux sélectines. Nous avons démontré une interaction entre ces cellules malignes et la E- et/ou la P-sélectine, à condition que les ligands soient correctement décorés. De plus, lors que les plasmocytes se lient aux sélectines, une cascade de signaux à l'intérieur des cellules stimule leur prolifération et leur survie. L'ensemble de ces résultats permet l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles de ces hémopathies de mauvais pronostic.

Synthesis and Biological Evaluation of S-Neofucopeptides as E- and P-Selectin Inhibitors.

The synthesis of /-L-fucosylated cysteamine, 3-thiopropionic acid, and 3-thioacetic acid derivatives as building blocks for the preparation of S-neofucopeptides is shown. These compounds were used in the synthesis of new thiofucosides derivatives (8, 9, 9, 10, 22, 22, 24, 26) that show affinity towards E- and P-selectins. They constitute a new series of hydrolytically stable and low-molecular-weight mimetics of the natural SLex tetrasaccharide.

Initiation de l'adhésion leucocytaire : rôle des fucosyltransférases et des ligands des sélectines

RESUME La dissémination extramédullaire des cellules blastiques est une complication majeure des leucémies myéloïdes (LMA) ou lymphoïdes aiguës (LLA). La migration des cellules blastiques dépend de mécanismes semblables à ceux qui régulent la migration des leucocytes dans un site d'inflammation. Parmi ceux-ci, les oligosaccharides fucosylés décorant les ligands des sélectines jouent un rôle clé en interagissant avec les sélectines. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) est une protéine de 240 kD, exprimée à la surface des leucocytes, permettant de soutenir le roulement leucocytaire sur les sélectines, le long de la paroi vasculaire. L'interaction de PSGL-1 avec les sélectines nécessite des modifications post-traductionnelles de type sialylation, sulfatation , N et 0-glycosylation. Parmi les enzymes impliqués, les α1,3-fucosyltransférases jouent un rôle important dans la biosynthèse d'oligosaccharides fucosylés, ligands des sélectines (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Comme l'expression des α1,3-fucosyltransférases par les cellules blastiques leucémiques n'a pas été étudiée précédemment, nous l'avons recherchée dans 120 cas de leucémies aiguës. Les ARNm des FucT-IV et -VII ont été détectés, par RT-PCR, dans tous les cas testés. L'ARNm de la FucT-IX n'a été observé que dans 40% des leucémies aiguës (48/120). L'ARNm de la FucT-IX est détecté dans 65% des LMA (47/72) et, moins fréquemment, dans 26% des LLA (11/42). A noter que les cas de LLA exprimant la FucT-IX correspondent essentiellement à des LLA secondaires à la transformation d'une leucémie myéloïde chronique ou des LLA de la lignée B de type leucémie/lymphome de Burkitt. L'expression de PSGL-1 et des oligosaccharides fucosylés par les blastes varie significativement parmi les LMA et les LLA : Lex, VIM-2 et sLex étant exprimés plus fréquemment par les myéloblastes que par les lymphoblastes. Le rôle des FucT-IV, -VII et -IX dans la synthèse des Lex, VIM-2, CLA et sLex a été examiné en exprimant l'ADNc de chaque FucT dans des cellules CHO. L'immunophénotypisation des transfectants indique que la FucT-VII synthétise sLex et CLA, mais pas Lex et VIM-2. Lex et VIM-2 sont générés par la FucT-IV. La FucT-IX ne participe qu'à la synthèse de Lex, sa capacité de synthèse de VIM-2 dans les cellules CHO est très faible. Le rôle de la FucT-IX dans la régulation du roulement cellulaire dépendant des sélectines a été testé dans des conditions de flux. Les vitesses de roulement des cellules CHO co-exprimant la FucT-LX, la core-2 01,6-N-acetylglucosaminyltransferase et PSGL-1 sont très élevées sur la P-sélectine (médiane : 497.95 µm/s, n=96) alors qu'elles sont beaucoup plus lentes sur la E-sélectine (médiane 7 µm/s, n=64). Les recrutements sur la E-sélectine des cellules CHO-C2F9PSGL¬1 et des CHO-C2F7PSGL-1 sont similaires (moyenne ± SEM : 127.44 ± 4.38 vs. 151.16 ± 3.16 cellules/min/mm2, n=5). Celui des cellules CHO-C2F4PSGL-1 est par contre plus faible (54.20 ± 2.13 cellules/min/mm2, n=5). Ces résultats indiquent que la FucT-IX est impliquée dans la biosynthèse de Lex, VIM-2 et CLA et qu'elle régule l'interaction des cellules CHO avec la E-sélectine. Contrairement aux FucT-IV et -VII, la FucT-IX ne joue qu'un rôle mineur dans la régulation du roulement cellulaire sur la L- et la P-sélectine. L'expression fréquente de la FucT-IX par les myéloblastes suggère qu'elle pourrait participer avec les FucT-IV et -VII à la régulation de la migration cellulaire dépendant de la E-sélectine. Finalement, ce travail de thèse a été étendu à l'identification des protéines cytoplasmiques qui interagissent avec le domaine cytoplasmique de PSGL-1 et qui pourraient être impliquées dans la transmission de signaux intracellulaires. Les ligands intracellulaires de PSGL-1 seront identifiés par la technique du double hybride qui nous a déjà permis de confirmer que syk et la N-moésine se lient au domaine cytoplasmique de PSGL-1. Des ligands supplémentaires seront identifiés employant une librairie provenant des cellules souches hématopoïétiques comme proie. ABSTRACT Blast cell dissemination is a major complication of acute myeloblastic (AML) and lymphoblastic leukemia (ALL). Blast cell migration is dependent on mechanisms that are similar to those which regulate leukocyte migration into inflammatory lesions. Among them, fticosylated oligosaccharides that decorate selectin ligands play a key role by interacting with selectins. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) is a 240 kD glycoprotein constitutively expressed on leucocytes and which supports leukocyte rolling on selectins. PSGL-1 interaction with selectins is dependent on post-translational modifications such as sialylation, sulfation, N- and 0-glycosylation. Among the involved enzymes, the α1,3-fucosyltransferases (FucT) play a major role in generating cell surface glycoconjugates carrying fucosylated oligosaccharides which interact with selectins (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Since no information is available on the expression of α1,3-fucosyltransferases by leukemic blast cells, we examined it in 120 cases of acute leukemia. FucT-IV and -VII mRNAs were detected, by RT-PCR, in all tested cases. In contrast, the presence of FucT-IX mRNA was shown in only 40% of patients with acute leukemia (48/120). FucT-IX mRNA was detected in 65% of AML (47/72) and, less frequently, in 26% of ALL (11/42). Importantly, all ALL cases expressing FucT-IX were either secondary leukemia resulting from the transformation of chronic myelocytic leukemia in acute lymphoblastic leukemia or mature B-ALL (FAB L3 subtype or Burkitt lymphoma/leukemia according to WHO classification). FucT-IX was not detected in precursor B or T-ALL. The expression of PSGL-1 and fucosylated epitopes was significantly different among AML and ALL, Lex, VIM-2 and sLex being more frequently expressed by myeloblasts than by lymphoblasts. The role of FucT-IV, -VII and -IX in the biosynthesis of Lex, VIM-2, CLA and sLex was examined by expressing the cDNA of each α1,3-FucT in CHO cells. Immunophenotypic analysis of CHO transfectants indicated that FucT-VII synthesizes sLex and CLA but not Lex or VIM-2. Lex and CLA were generated by both FucT-IV and -IX. FucT-IV and FucT-IX differed in their ability to synthesize VIM-2, FucT-IX being less efficient than FucT-IV. The role of FucT-IX in regulating selectin-dependent rolling was assessed under hydrodynamic flow conditions. P-selectin-dependent interactions were transient and occurred at high velocities (median: 497.95 1,µm/s, n=96). In contrast, much slower rolling velocities were observed on E-selectin (median: 7 µm/s, n=64). The recruitment of CHO-C2F9PSGL-1 and CHO-C2F7PSGL-1 cells was similar on E-selectin (mean ± SEM: 127.44 ± 4.38, n=5 vs 151.16 ± 3.16 cells/min/mm2, n=5). In the other hand, CHO-C2F4PSGL-1 cells were less efficiently recruited on E-selectin (54.20 ± 2.13 cells/min/mm2, n=5). This results indicate that FucT-IX is involved in the biosynthesis of Lex, VIM-2 and CLA and that it confers E-selectin binding activity to CHO cells. By contrast to FucT-IV and -VII, FucT-IX had a minor role in regulating P- and L-selectin-dependent rolling on CHO transfectants. The frequent expression of FucT-IX in myeloblasts suggests that it may participate with FucT-IV and -VII in regulating E-selectin-dependent cell migration into tissues. Finally, this thesis work was extended to the identification of the cytoplasmic proteins interacting with cytoplasmic domain of PSGL-1 that may be involved in transducing intracellular signals. We planned to identify these intracellular ligands of PSGL-1 by using the double hybrid technique and already confirmed that syk and N-moesin bind to the cytoplasmic domain of PSGL-1. Additional PSGL-1 ligands will be sought by the same technique using a CD34+ stem cell library as pray. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC : L'adhésion et la migration leucocytaire sont nécessaires à de nombreux processus cellulaires comme la régulation de l'hématopoïèse, mais aussi dans la pathogenèse de l'artériosclérose, des maladies inflammatoires et de la métastatisation des cellules cancéreuses. Les molécules impliquées constituent depuis peu des cibles pour la thérapie du cancer. La migration leucocytaire vers un site d'inflammation dépend de mécanismes complexes, se déroulant en plusieurs étapes, nécessitant l'interaction séquentielle de molécules d'adhésion leucocytaires et endothéliales. Ainsi, chronologiquement, suite à un stimulus inflammatoire, les leucocytes « roulent » sur les cellules endothéliales, sont activées, s'arrêtent et traversent la paroi endothéliale (diapédèse) pour migrer dans les tissus environnants inflammés selon un gradient chimiotactique. La première étape de roulement met en jeu deux molécules principales : PSGL-1 (P-Sélectine Glycoprotéine Ligand-1) du coté des leucocytes et les sélectines du coté de l'endothélium de la paroi vasculaire. L'interaction entre ces deux molécules nécessite des décorations de ces protéines par des sucres, des résidus sulfates et des acides sialiques. Le sucre essentiel à la liaison demeure le fucose qui est attaché aux protéines grâce à des enzymes de la famille des fucosyltransferases. Actuellement, neuf fucosyltransférases humaines ont été identifiées et désignées sous FucT-I à IX. La FucT-IX, dernière fucosyltransférase clonée, a un faible degré d'homologie avec les autres fucosyltransférases mais sa séquence est extrêmement conservée entre les espèces. Ceci traduit son importance par une forte résistance à la pression évolutive. L'examen de son expression au sein de 120 cas de leucémies aiguës a mis en évidence son comportement atypique. En effet, alors que les autres FucTs sont toujours présentes, la FucT¬IX ne s'exprime que dans un cas sur deux en moyenne avec une préférence plus importante pour les leucémies myéloïdes. Ainsi, une étude plus approfondie de cet enzyme à mis en évidence sa capacité à induire une interaction cellulaire plus spécifique de la E-sélectine. Elle décore non seulement des protéines de surface, mais aussi certainement les glycolipides constituant la membrane cellulaire.