The Cellular Oxygen Sensor PHD2 in Cancer Growth

Adequate supply of oxygen is essential for the survival of multicellular organisms. However, in several conditions the supply of oxygen can be disturbed and the tissue oxygenation is compromised. This condition is termed hypoxia. Oxygen homeostasis is maintained by the regulation of both the use and delivery of oxygen through complex, sensitive and cell-type specific transcriptional responses to hypoxia. This is mainly achieved by one master regulator, a transcription factor called hypoxiainducible factor 1 (HIF-1). The amount of HIF-1 is under tight oxygen-dependent control by a family of oxygen-dependent prolyl hydroxylase domain proteins (PHDs) that function as the cellular oxygen sensors. Three family members (PHD1-3) are known to regulate HIF of which the PHD2 isoform is thought to be the main regulator of HIF-1. The supply of oxygen can be disturbed in pathophysiological conditions, such as ischemic disorders and cancer. Cancer cells in the hypoxic parts of the tumors exploit the ability of HIF-1 to turn on the mechanisms for their survival, resistance to treatment, and escape from the oxygen- and nutrient-deprived environment. In this study, the expression and regulation of PHD2 were studied in normal and cancerous tissues, and its significance in tumor growth. The results show that the expression of PHD2 is induced in hypoxic cells. It is overexpressed in head and neck squamous cell carcinomas and colon adenocarcinomas. Although PHD2 normally resides in the cytoplasm, nuclear translocation of PHD2 was also seen in a subset of tumor cells. Together with the overexpression, the nuclear localization correlated with the aggressiveness of the tumors. The nuclear localization of PHD2 caused an increase in the anchorage-independent growth of cancer cells. This study provides information on the role of PHD2, the main regulator of HIF expression, in cancer progression. This knowledge may prove to be valuable in targeting the HIF pathway in cancer treatment.

The regulation and function of collagenase-3 (MMP-13) in cutaneous wound healing and squamous cell carcinoma

Matrix metalloproteinase-13 (MMP-13) is a potent proteolytic enzyme, whose expression has been previously associated with fetal bone development and postnatal bone remodeling and with adult gingival wound healing. MMP-13 is also known to be involved in the growth and invasion of various cancers including squamous cell carcinoma (SCC) of the skin. The aim of this study was to further elucidate the function and regulation of MMP-13 in wound repair and cancer. In this study, it was shown that fetal skin fibroblasts express MMP-13 in response to transforming growth factor-β in a p38 MAP kinase dependent manner. In addition, MMP-13 was found to be expressed in vivo by wound fibroblasts in human fetal skin grafted on SCID mice. Adenovirally delivered expression of MMP-13 enhanced collagen matrix contraction by fibroblasts in vitro in association with altered cytoskeletal structure, enhanced proliferation and survival. These results indicate that MMP-13 is involved in cell-mediated collagen matrix remodeling and suggest a role for MMP-13 in superior matrix remodeling and scarless healing of fetal skin wounds. Using an MMP-13 deficient mouse strain, it was shown that MMP-13 is essential for the normal development of experimental granulation tissue in mice. MMP-13 was implicated in the regulation of myofibroblast function and angiogenesis and the expression of genes involved in cellular proliferation and movement, immune response, angiogenesis and proteolysis. Finally, epidermal mitogen, keratinocyte growth factor (KGF) was shown to suppress the malignant properties of skin SCC cells by downregulating the expression of several target genes with potential cancer promoting properties, including MMP-13, and by reducing SCC cell invasion. These results provide evidence that MMP-13 potently regulates cell viability, myofibroblast function and angiogenesis associated with wound healing and cancer. In addition, fibroblasts expressing MMP-13 show high collagen reorganization capacity. Moreover, the results suggest that KGF mediates the anti-cancer effects on skin SCC

Cellular responses to stress and kinase signaling activation : apoptosis and differentiation

Stressignaler avkänns många gånger av membranbundna proteiner som översätter signalerna till kemisk modifiering av molekyler, ofta proteinkinaser Dessa kinaser överför de avkodade budskapen till specifika transkriptionsfaktorer genom en kaskad av sekventiella fosforyleringshändelser, transkriptionsfaktorerna aktiverar i sin tur de gener som behövs för att reagera på stressen. En av de mest kända måltavlorna för stressignaler är transkriptionsfaktor AP-1 familjemedlemen c-Jun. I denna studie har jag identifierat den nukleolära proteinet AATF som en ny regulator av c-Jun-medierad transkriptionsaktivitet. Jag visar att stresstimuli inducerar omlokalisering av AATF vilket i sin tur leder till aktivering av c-Jun. Den AATF-medierad ökningen av c-Jun-aktiviteten leder till en betydande ökning av programmerad celldöd. Parallellt har jag vidarekarakteriserat Cdk5/p35 signaleringskomplexet som tidigare har identifierats i vårt laboratorium som en viktig faktor för myoblastdifferentiering. Jag identifierade den atypiska PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5/p35-komplexet och visar att klyvning och aktivering av Cdk5 regulatorn p35 är av fysiologisk betydelse för differentieringsprocessen och beroende av PKCξ aktivitet. Jag visar att vid induktion av differentiering fosforylerar PKCξ p35 vilket leder till calpain-medierad klyvning av p35 och därmed ökning av Cdk5-aktiviteten. Denna avhandling ökar förståelsen för de regulatoriska mekanismer som styr c-Jun-transkriptionsaktiviteten och c-Jun beroende apoptos genom att identifiera AATF som en viktig faktor. Dessutom ger detta arbete nya insikter om funktionen av Cdk5/p35-komplexet under myoblastdifferentiering och identifierar PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5 aktivitet och myoblast differentiering.

Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.

A receptor for infectious and cellular prion protein

Prions are an unconventional form of infectious agents composed only of protein and involved in transmissible spongiform encephalopathies in humans and animals. The infectious particle is composed by PrPsc which is an isoform of a normal cellular glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) anchored protein, PrPc, of unknown function. The two proteins differ only in conformation, PrPc is composed of 40% a helix while PrPsc has 60% ß-sheet and 20% a helix structure. The infection mechanism is trigged by interaction of PrPsc with cellular prion protein causing conversion of the latter's conformation. Therefore, the infection spreads because new PrPsc molecules are generated exponentially from the normal PrPc. The accumulation of insoluble PrPsc is probably one of the events that lead to neuronal death. Conflicting data in the literature showed that PrPc internalization is mediated either by clathrin-coated pits or by caveolae-like membranous domains. However, both pathways seem to require a third protein (a receptor or a prion-binding protein) either to make the connection between the GPI-anchored molecule to clathrin or to convert PrPc into PrPsc. We have recently characterized a 66-kDa membrane receptor which binds PrPc in vitro and in vivo and mediates the neurotoxicity of a human prion peptide. Therefore, the receptor should have a role in the pathogenesis of prion-related diseases and in the normal cellular process. Further work is necessary to clarify the events triggered by the association of PrPc/PrPsc with the receptor.

Structure and function of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator

Cystic fibrosis (CF) is a lethal autosomal recessive genetic disease caused by mutations in the CF transmembrane conductance regulator (CFTR). Mutations in the CFTR gene may result in a defective processing of its protein and alter the function and regulation of this channel. Mutations are associated with different symptoms, including pancreatic insufficiency, bile duct obstruction, infertility in males, high sweat Cl-, intestinal obstruction, nasal polyp formation, chronic sinusitis, mucus dehydration, and chronic Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus lung infection, responsible for 90% of the mortality of CF patients. The gene responsible for the cellular defect in CF was cloned in 1989 and its protein product CFTR is activated by an increase of intracellular cAMP. The CFTR contains two membrane domains, each with six transmembrane domain segments, two nucleotide-binding domains (NBDs), and a cytoplasmic domain. In this review we discuss the studies that have correlated the role of each CFTR domain in the protein function as a chloride channel and as a regulator of the outwardly rectifying Cl- channels (ORCCs).

Cellular signaling with nitric oxide and cyclic GMP

During the past two decades, nitric oxide signaling has been one of the most rapidly growing areas in biology. This simple free radical gas can regulate an ever growing list of biological processes. In most instances nitric oxide mediates its biological effects by activating guanylyl cyclase and increasing cyclic GMP synthesis. However, the identification of effects of nitric oxide that are independent of cyclic GMP is also growing at a rapid rate. The effects of nitric oxide can mediate important physiological regulatory events in cell regulation, cell-cell communication and signaling. Nitric oxide can function as an intracellular messenger, neurotransmitter and hormone. However, as with any messenger molecule, there can be too much or too little of the substance and pathological events ensue. Methods to regulate either nitric oxide formation, metabolism or function have been used therapeutically for more than a century as with nitroglycerin therapy. Current and future research should permit the development of an expanded therapeutic armamentarium for the physician to manage effectively a number of important disorders. These expectations have undoubtedly fueled the vast research interests in this simple molecule.

Dimensions and dynamics in integrin function

Integrins play crucial roles in cell adhesion, migration, and signaling by providing transmembrane links between the extracellular matrix and the cytoskeleton. Integrins cluster in macromolecular complexes to generate cell-matrix adhesions such as focal adhesions. In this mini-review, we compare certain integrin-based biological responses and signaling during cell interactions with standard 2D cell culture versus 3D matrices. Besides responding to the composition of the matrix, cells sense and react to physical properties that include three-dimensionality and rigidity. In routine cell culture, fibroblasts and mesenchymal cells appear to use focal adhesions as anchors. They then use intracellular actomyosin contractility and dynamic, directional integrin movements to stretch cell-surface fibronectin and to generate characteristic long fibrils of fibronectin in "fibrillar adhesions". Some cells in culture proceed to produce dense, three-dimensional matrices similar to in vivo matrix, as opposed to the flat, rigid, two-dimensional surfaces habitually used for cell culture. Cells within such more natural 3D matrices form a distinctive class of adhesion termed "3D-matrix adhesions". These 3D adhesions show distinctive morphology and molecular composition. Their formation is heavily dependent on interactions between integrin alpha5ß1 and fibronectin. Cells adhere much more rapidly to 3D matrices. They also show more rapid morphological changes, migration, and proliferation compared to most 2D matrices or 3D collagen gels. Particularly notable are low levels of tyrosine phosphorylation of focal adhesion kinase and moderate increases in activated mitogen-activated protein kinase. These findings underscore the importance of the dimensionality and dynamics of matrix substrates in cellular responses to the extracellular matrix.

Molecular and cellular pathogenesis of autosomal dominant polycystic kidney disease

Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is one of the most common human life-threatening monogenic disorders. The disease is characterized by bilateral, progressive renal cystogenesis and cyst and kidney enlargement, often leading to end-stage renal disease, and may include extrarenal manifestations. ADPKD is caused by mutation in one of two genes, PKD1 and PKD2, which encode polycystin-1 (PC1) and polycystin-2 (PC2), respectively. PC2 is a non-selective cation channel permeable to Ca2+, while PC1 is thought to function as a membrane receptor. The cyst cell phenotype includes increased proliferation and apoptosis, dedifferentiation, defective planar polarity, and a secretory pattern associated with extracellular matrix remodeling. The two-hit model for cyst formation has been recently extended by the demonstration that early gene inactivation leads to rapid and diffuse development of renal cysts, while inactivation in adult life is followed by focal and late cyst formation. Renal ischemia/reperfusion, however, can function as a third hit, triggering rapid cyst development in kidneys with Pkd1 inactivation induced in adult life. The PC1-PC2 complex behaves as a sensor in the primary cilium, mediating signal transduction via Ca2+ signaling. The intracellular Ca2+ homeostasis is impaired in ADPKD, being apparently responsible for the cAMP accumulation and abnormal cell proliferative response to cAMP. Activated mammalian target for rapamycin (mTOR) and cell cycle dysregulation are also significant features of PKD. Based on the identification of pathways altered in PKD, a large number of preclinical studies have been performed and are underway, providing a basis for clinical trials in ADPKD and helping the design of future trials.

The role of water in determining structure and function of macromolecules and macromolecular assemblies /

The interaction of biological molecules with water is an important determinant of structural properties both in molecular assemblies, and in conformation of individual macromolecules. By observing the effects of manipulating the activity of water (which can be accomplished by limiting its concentration or by adding additional solutes, "osmotic stress"), one can learn something about intrinsic physical properties of biological molecules as well as measure an energetic contribution of closely associated water molecules to overall equilibria in biological reactions. Here two such studies are reported. The first of these examines several species of lysolipid which, while present in relatively low concentrations in biomembranes, have been shown to affect many cellular processes involving membrane-protein or membrane-membrane interactions. Monolayer elastic constants were determined by combining X-ray diffraction and the osmotic stress technique. Spontaneous radii of curvature of lysophosphatidylcholines were determined to be positive and in the range +30A to +70A, while lysophosphatidylethanolamines proved to be essentially flat. Neither lysolipid significantly affected the bending modulus of the monolayer in which it was incorporated. The second study examines the role of water in theprocess of polymerization of actin into filaments. Water activity was manipulated by adding osmolytes and the effect on the equilibrium dissociation constant (measured as the criticalmonomer concentration) was determined. As water activity was decreased, the critical concentration was reduced for Ca-actin but not for Mg-actin, suggesting that 10-12 fewer water molecules are associated with Ca-actin in the polymerized state. Thisunexpectedly small amount of water is discussed in the context of the common structural motif of a nucleotide binding cleft.

Response curves of deterministic and probabilistic cellular automata in one and two dimensions

One of the most important problems in the theory of cellular automata (CA) is determining the proportion of cells in a specific state after a given number of time iterations. We approach this problem using patterns in preimage sets - that is, the set of blocks which iterate to the desired output. This allows us to construct a response curve - a relationship between the proportion of cells in state 1 after niterations as a function of the initial proportion. We derive response curve formulae for many two-dimensional deterministic CA rules with L-neighbourhood. For all remaining rules, we find experimental response curves. We also use preimage sets to classify surjective rules. In the last part of the thesis, we consider a special class of one-dimensional probabilistic CA rules. We find response surface formula for these rules and experimental response surfaces for all remaining rules.

HIV-1 Vpr induces the K48-linked polyubiquitination and proteasomal degradation of target cellular proteins to activate ATR and promote G2 arrest

HIV-1 viral protein R (Vpr) induces a cell cycle arrest at the G2/M phase by a mechanism involving the activation of the DNA damage sensor ATR. We and others recently showed that Vpr performs this function by subverting the activity of the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase. Vpr could thus act as a connector between the E3 ligase and an unknown cellular factor whose ubiquitination would induce G2 arrest. While attractive, this model is solely based on the indirect observation that some mutants of Vpr retain their interaction with the E3 ligase but fail to induce G2 arrest. Using a tandem affinity purification approach, we observed that Vpr interacts with ubiquitinated cellular proteins and that this association requires the recruitment of an active E3 ligase given that depletion of VPRBP by RNA interference or overexpression of a dominant-negative mutant of CUL4A decreased this association. Importantly, G2-arrest-defective mutants of Vpr in the C-terminal putative substrate-interacting domain displayed decreased association with ubiquitinated proteins. We also found that inhibition of proteasomal activity increased this association and that the ubiquitin chains were at least in part constituted of classical K48 linkages. Interestingly, inhibition of K48 polyubiquitination specifically impaired Vpr-induced phosphorylation of H2AX, an early target of ATR, but did not affect UV-induced H2AX phosphorylation. Overall, our results provide direct evidence that association of Vpr with the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase induces the K48-linked polyubiquitination of yet-unknown cellular proteins resulting in their proteasomal degradation and ultimately leading to activation of ATR and G2 arrest.

CD40 signalling in platelet function

Le CD40 est un membre de la famille des récepteurs du facteur de nécrose tumorale ("Tumour necrosis factor", TNF), initialement identifié sur des cellules de carcinome de la vessie. L'interaction du CD40 avec son ligand (CD40L) est d'une importance cruciale pour le développement des cellules B et de la commutation d'isotype au cours de la réponse immunitaire acquise. L'expression du complexe CD40/CD40L était initialement cru d'être limiter aux cellules du système immunitaire, mais aujourd'hui il est bien connu que ce complexe est également exprimé sur les cellules du système circulatoire et vasculaire, et est impliqué dans diverses réactions inflammatoires; de sorte que le CD40L est maintenant considéré comme une molécule thrombo-inflammatoire prédictive des événements cardiovasculaires. Les plaquettes expriment constitutivement le CD40, alors que le CD40L n'est exprimé que suite à leur l'activation. Il est ensuite clivé en sa forme soluble (sCD40L) qui représente la majorité du sCD40L en circulation. Il fut démontré que le sCD40L influence l'activation plaquettaire mais son effet exact sur la fonction plaquettaire, ainsi que les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à son action demeurent inconnus. Ainsi, ce projet a été entrepris dans le but d’adresser les objectifs spécifiques suivants: 1) évaluer les effets in vitro du sCD40L sur l'activation et l'agrégation plaquettaire; 2) identifier les récepteurs plaquettaires impliqués dans l’action du sCD40L; 3) élucider les voies signalétiques intracellulaires induits par le sCD40L; 4) évaluer les effets du sCD40L sur la formation de thrombus in vivo. Nous avons trouvé que le sCD40L augmente fortement l'activation et l'agrégation des plaquettes en réponse à de faibles concentrations d'agonistes. Les plaquettes humaines traitées avec une forme mutante du sCD40L qui n'interagit pas avec le CD40, et les plaquettes de souris déficientes en CD40 ne furent pas en mesure d'induire de telles réponses, indiquant que le récepteur principal du sCD40L au niveau des plaquettes est le CD40. En plus, nous avons identifié la présence de plusieurs membres de la famille du facteur associé du récepteur du TNF ("TNF receptor-associated factor", TRAF) dans les plaquettes et nous avons montré que seulement le TRAF2 s'associe avec le CD40 suite à la stimulation par le sCD40L. Nos résultats indiquent aussi que le sCD40L agisse sur les plaquettes au repos par l'entremise de deux voies signalétiques distinctes. La première voie implique l'activation de la petite GTPase Rac1 et de sa cible en aval, soit la protéine kinase p38 activée par le mitogène ("p38 mitogen-activated protein kinase", p38 MAPK ), menant au changement de forme plaquettaire et à la polymérisation de l'actine; alors que la deuxième voie implique l'activation de la cascade signalétique du NF-kB. Par ailleurs, à la suite d'une lésion artérielle induite par le chlorure de fer, le sCD40L exacerbe la formation de thrombus et l'infiltration leucocytaire au sein du thrombus dans les souris du type sauvage, mais pas chez les souris déficientes en CD40. En conclusion, ce projet a permis d'identifier pour la première fois deux voies signalétiques distinctes en aval du CD40 plaquettaire et a permis d'établir leur implication dans l'activation et l'agrégation plaquettaire en réponse au sCD40L. De manière plus importante, ce projet nous a permis d'établir un lien direct entre les niveaux élevés du sCD40L circulant et la formation de thrombus in vivo, tout en soulignant l'importance du CD40 dans ce processus. Par conséquent, l'axe CD40/CD40L joue un rôle important dans l'activation des plaquettes, les prédisposant à une thrombose accrue en réponse à une lésion vasculaire. Ces résultats peuvent expliquer en partie la corrélation entre les taux circulants élevés du sCD40L et l'incidence des maladies cardiovasculaires.

Function of the immunoregulatory CD4-CD8- T cells in the context of autoimmune diabetes

La tolérance immunitaire dépend de la distinction entre le soi et le non soi par le système immunitaire. Un bris dans la tolérance immunitaire mène à l'auto-immunité, qui peut provoquer la destruction des organes, des glandes, des articulations ou du système nerveux central. Le diabète auto-immun, également connu sous le nom diabète juvénile et diabète de type 1, résulte d'une attaque auto-immune sur les cellules β pancréatiques sécrétrices d’insuline, localisées au niveau des îlots de Langerhans du pancréas. Bien que le diabète auto-immun soit traitable par une combinaison d’injections quotidiennes d’insuline d’origine exogène, de régime et d'exercices, beaucoup de complications chroniques peuvent se manifester chez les patients, y compris, mais non limitées à, la cécité, les maladies cardiovasculaires, l’insuffisance rénale et l'amputation. En raison des nombreuses complications liées au diabète auto-immun à long terme, la recherche continue afin de mieux comprendre tous les facteurs impliqués dans la progression de la maladie dans le but de développer de nouvelles thérapies qui empêcheront, renverseront et/ou traiteront cette maladie. Un rôle primordial dans la génération et l'entretien de la tolérance immunitaire a été attribué au nombre et à la fonction des sous-populations de cellules régulatrices. Une de ces populations est constituée de cellules T CD4-CD8- (double négatives, DN), qui ont été étudiées chez la souris et l'humain pour leur contribution à la tolérance périphérique, à la prévention des maladies et pour leur potentiel associé à la thérapie cellulaire. En effet, les cellules de T DN sont d'intérêt thérapeutique parce qu'elles montrent un potentiel immunorégulateur antigène-spécifique dans divers cadres expérimentaux, y compris la prévention du diabète auto-immun. D’ailleurs, en utilisant un système transgénique, nous avons démontré que les souris prédisposées au diabète auto-immun présentent peu de cellules T DN, et que ce phénotype contribue à la susceptibilité au diabète auto-immun. En outre, un transfert des cellules T DN est suffisant pour empêcher la progression vers le diabète chez les souris prédisposées au diabète auto-immun. Ces résultats suggèrent que les cellules T DN puissent présenter un intérêt thérapeutique pour les patients diabétiques. Cependant, nous devons d'abord valider ces résultats en utilisant un modèle non-transgénique, qui est plus physiologiquement comparable à l'humain. L'objectif principal de cette thèse est de définir la fonction immunorégulatrice des cellules T DN, ainsi que le potentiel thérapeutique de celles-ci dans la prévention du diabète auto-immun chez un modèle non-transgénique. Dans cette thèse, on démontre que les souris résistantes au diabète auto-immun présentent une proportion et nombre absolu plus élevés de cellules T DN non-transgéniques, lorsque comparées aux souris susceptibles. Cela confirme une association entre le faible nombre de cellules T DN et la susceptibilité à la maladie. On observe que les cellules T DN éliminent les cellules B activées in vitro par une voie dépendante de la voie perforine et granzyme, où la fonction des cellules T DN est équivalente entre les souris résistantes et prédisposées au diabète auto-immun. Ces résultats confirment que l'association au diabète auto-immun est due à une insuffisance en terme du nombre de cellules T DN, plutôt qu’à une déficience fonctionnelle. On démontre que les cellules T DN non-transgéniques éliminent des cellules B chargées avec des antigènes d'îlots, mais pas des cellules B chargées avec un antigène non reconnu, in vitro. Par ailleurs, on établit que le transfert des cellules T DN activées peut empêcher le développement du diabète auto-immun dans un modèle de souris non-transgénique. De plus, nous observons que les cellules T DN migrent aux îlots pancréatiques, et subissent une activation et une prolifération préférentielles au niveau des ganglions pancréatiques. D'ailleurs, le transfert des cellules T DN entraîne une diminution d'auto-anticorps spécifiques de l'insuline et de cellules B de centres germinatifs directement dans les îlots, ce qui corrèle avec les résultats décrits ci-dessus. Les résultats présentés dans cette thèse permettent de démontrer la fonction des cellules T DN in vitro et in vivo, ainsi que leur potentiel lié à la thérapie cellulaire pour le diabète auto-immun.

Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.