Targeting anticancer therapy : clinical and preclinical approaches

AbstractCancer treatment has shifted from cytotoxic and nonspecific chemotherapy to chronic treatment with targeted molecular therapies. These new classes of drugs directed against cancer-specific molecules and signaling pathways, act at a particular level of the tumor cell development. However, in both types of therapeutic approaches (standard cytotoxic chemotherapy and targeted signal transduction inhibitions), toxicity and side effects can occur. The aim of this thesis was to investigate various approaches to improve the activity and tolerability of cancer treatment, in a clinical setting, a) by molecular targeting through the use of tyrosine kinase inhibitors (TKIs), whose dosage can be adapted to each patient according to plasma levels, and, b) in a preclinical model, by tissue targeting with locoregional administration of cytotoxic chemotherapy to increase drug exposure in the target tissue while reducing systemic toxicity of the treatment.A comprehensive program for the Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of the new class of targeted anticancer drugs of TKIs in patient's blood has been therefore initiated comprising the setting up, validation and clinical application of a multiplex assay by liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry of TKIs in plasma from cancer patients. Information on drugs exposure may be clinically useful for an optimal follow-up of patients' anticancer treatment, especially in case of less than optimal clinical response, occurrence of adverse drug reaction effects and the numerous risks of drug-drug interactions. In this context, better knowledge of the potential drug interactions between TKIs and widely prescribed co- medications is of critical importance for clinicians, to improve their daily care of cancer patients. For one of the first TKI imatinib, TDM interpretation is nowadays based on total plasma concentrations but, only the unbound (free) form is likely to enter cell to exert its pharmacological action. Pharmacokinetic analysis of the total and free plasma level of imatinib measured simultaneously in patients have allowed to refine and validate a population pharmacokinetic model integrating factors influencing in patients the exposure of pharmacological active species. The equation developed from this model may be used for extrapolating free imatinib plasma concentration based on the total plasma levels that are currently measured in TDM from patients. Finally, the specific influence of Pglycoprotein on the intracellular disposition of TKIs has been studies in cell systems using the siRNA silencing approach.Another approach to enhance the selectivity of anticancer treatment may be achieved by the loco-regional administration of a cytostatic agent to the target organ while sparing non- affected tissues. Isolated lung perfusion (ILP) was designed for the treatment of loco-regional malignancies of the lung but clinical results have been so far disappointing. It has been shown in a preclinical model in rats that ILP with the cytotoxic agent doxorubicin alone allows a high drug uptake in lung tissue, and a low systemic toxicity, but was characterized by a high spatial tissular heterogeneity in drug exposure and doxorubicin uptake in tumor was comparatively smaller than in normal lung tissue. Photodynamic therapy (PDT) is a new approach for the treatment of superficial tumors, and implies the application of a sensitizer activated by a laser light at a specific wavelength, that disrupts endothelial barrier of tumor vessels to increase locally the distribution of cytostatics into the tumor tissue. PDT pre-treatment before intravenous administration of liposomal doxorubicin was indeed shown to selectively increase drug uptake in tumors in a rat model of sarcoma tumors to the lung.RésuméLe traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et est passé de la chimiothérapie, cytotoxique et non spécifique, au traitement chronique des patients avec des thérapies moléculaires ciblées. Ces médicaments ont une action ciblée en interférant à un niveau spécifique du développement de la cellule tumorale. Dans les deux types d'approches thérapeutiques (chimiothérapie cytotoxique et traitements ciblés), on est confronté à la présence de toxicité et aux effets secondaires du traitement anticancéreux. Le but de cette thèse a donc été d'étudier diverses approches visant à améliorer l'efficacité et la tolérabilité du traitement anticancéreux, a) dans le cadre d'une recherche clinique, par le ciblage moléculaire grâce aux inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs) dont la posologie est adaptée à chaque patient, et b) dans un modèle préclinique, par le ciblage tissulaire grâce à l'administration locorégionale de chimiothérapie cytotoxique, afin d'augmenter l'exposition dans le tissu cible et de réduire la toxicité systémique du traitement.Un programme de recherche sur le suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) des inhibiteurs de tyrosine kinases a été ainsi mis en place et a impliqué le développement, la validation et l'application clinique d'une méthode multiplex par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem des TKIs chez les patients souffrant de cancer. L'information fournie par le TDM sur l'exposition des patients aux traitements ciblés est cliniquement utile et est susceptible d'optimiser la dose administrée, notamment dans les cas où la réponse clinique au traitement des patients est sous-optimale, en présence d'effets secondaires du traitement ciblé, ou lorsque des risques d'interactions médicamenteuses sont suspectés. Dans ce contexte, l'étude des interactions entre les TKIs et les co-médications couramment associées est utile pour les cliniciens en charge d'améliorer au jour le jour la prise en charge du traitement anticancéreux. Pour le premier TKI imatinib, l'interprétation TDM est actuellement basée sur la mesure des concentrations plasmatiques totales alors que seule la fraction libre (médicament non lié aux protéines plasmatiques circulantes) est susceptible de pénétrer dans la cellule pour exercer son action pharmacologique. L'analyse pharmacocinétique des taux plasmatiques totaux et libres d'imatinib mesurés simultanément chez les patients a permis d'affiner et de valider un modèle de pharmacocinétique de population qui intègre les facteurs influençant l'exposition à la fraction de médicament pharmacologiquement active. L'équation développée à partir de ce modèle permet d'extrapoler les concentrations libres d'imatinib à partir des concentrations plasmatiques totales qui sont actuellement mesurées lors du TDM des patients. Finalement, l'influence de la P-glycoprotéine sur la disposition cellulaire des TKIs a été étudiée dans un modèle cellulaire utilisant l'approche par la technologie du siRNA permettant de bloquer sélectivement l'expression du gène de cette protéine d'efflux des médicaments.Une autre approche pour augmenter la sélectivité du traitement anticancéreux consiste en une administration loco-régionale d'un agent cytostatique directement au sein de l'organe cible tout en préservant les tissus sains. La perfusion isolée du poumon (ILP) a été conçue pour le traitement loco-régional des cancers affectant les tissus pulmonaires mais les résultats cliniques ont été jusqu'à ce jour décevants. Dans des modèles précliniques chez le rat, il a pu être démontré que l'ILP avec la doxorubicine, un agent cytotoxique, administré seul, permet une exposition élevée au niveau du tissu pulmonaire, et une faible toxicité systémique. Toutefois, cette technique est caractérisée par une importante variabilité de la distribution dans les tissus pulmonaires et une pénétration du médicament au sein de la tumeur comparativement plus faible que dans les tissus sains.La thérapie photodynamique (PDT) est une nouvelle approche pour le traitement des tumeurs superficielles, qui consiste en l'application d'un agent sensibilisateur activé par une lumière laser de longueur d'onde spécifique, qui perturbe l'intégrité physiologique de la barrière endothéliale des vaisseaux alimentant la tumeur et permet d'augmenter localement la pénétration des agents cytostatiques.Nos études ont montré qu'un pré-traitement par PDT permet d'augmenter sélectivement l'absorption de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration i.v. de doxorubicine liposomale dans un modèle de sarcome de poumons de rongeurs.Résumé large publicDepuis une dizaine d'année, le traitement de certains cancers s'est progressivement transformé et les patients qui devaient jusqu'alors subir des chimiothérapies, toxiques et non spécifiques, peuvent maintenant bénéficier de traitements chroniques avec des thérapies ciblées. Avec les deux types d'approches thérapeutiques, on reste cependant confronté à la toxicité et aux effets secondaires du traitement.Le but de cette thèse a été d'étudier chez les patients et dans des modèles précliniques les diverses approches visant à améliorer l'activité et la tolérance des traitements à travers un meilleur ciblage de la thérapie anticancéreuse. Cet effort de recherche nous a conduits à nous intéresser à l'optimisation du traitement par les inhibiteurs de tyrosines kinases (TKIs), une nouvelle génération d'agents anticancéreux ciblés agissant sélectivement sur les cellules tumorales, en particulier chez les patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeurs stromales gastro-intestinales. L'activité clinique ainsi que la toxicité de ces TKIs paraissent dépendre non pas de la dose de médicament administrée, mais de la quantité de médicaments circulant dans le sang auxquelles les tumeurs cancéreuses sont exposées et qui varient beaucoup d'un patient à l'autre. A cet effet, nous avons développé une méthode par chromatographie couplée à la spectrométrie de masse pour mesurer chez les patients les taux de médicaments de la classe des TKIs dans la perspective de piloter le traitement par une approche de suivi thérapeutique (Therapeutic Drug Monitoring, TDM). Le TDM repose sur la mesure de la quantité de médicament dans le sang d'un patient dans le but d'adapter individuellement la posologie la plus appropriée: des quantités insuffisantes de médicament dans le sang peuvent conduire à un échec thérapeutique alors qu'un taux sanguin excessif peut entraîner des manifestations toxiques.Dans une seconde partie préclinique, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de la chimiothérapie loco-régionale dans un modèle de sarcome du poumon chez le rat, afin d'augmenter l'exposition dans la tumeur tout en réduisant la toxicité dans les tissus non affectés.La perfusion isolée du poumon (ILP) permet d'administrer un médicament anticancéreux cytotoxique comme la doxorubicine, sélectivement au niveau le tissu pulmonaire où sont généralement localisées les métastases de sarcome. L'administration par ILP de doxorubicine, toxique pour le coeur, a permis une forte accumulation des médicaments dans le poumon, tout en épargnant le coeur. Il a été malheureusement constaté que la doxorubicine ne pénètre que faiblement dans la tumeur sarcomateuse, témoignant des réponses cliniques décevantes observées avec cette approche en clinique. Nous avons ainsi étudié l'impact sur la pénétration tumorale de l'association d'une chimiothérapie cytotoxique avec la thérapie photodynamique (PDT) qui consiste en l'irradiation spécifique du tissu-cible cancéreux, après l'administration d'un agent photosensibilisateur. Dans ce modèle animal, nous avons observé qu'un traitement par PDT permet effectivement d'augmenter de façon sélective l'accumulation de doxorubicine dans les tumeurs lors d'administration intraveineuse de médicament.

Study of drug tolerance mechanisms and of the calcineurin pathway in the opportunistic pathogen "Candida albicans"

ABSTRACT :Azole antifungal drugs possess fungistatic activity in Candida albicans making this human pathogen tolerant to these agents. The conversion of azoles into fungicidal agents is of interest since their fungistatic properties increase the ability of C. albicans to develop drug resistance. In C. albicans, the phosphatase calcineurin (calcineurin) is essential for antifungal drug tolerance. Up to now, the only known target of calcineurin is Crzl, which is a transcription factor (TF) involved in responses to ionic stress. Thus, most of the components of the calcineurin signaling remain to be identified in C. albicans.In this work, the calcineurin pathway was investigated in order to i) characterize the role of calcineurin in the biology of C. albicans, ii) identify putative targets of calcineurin and iii) characterize the phenomenon of tolerance to antifungal drugs. Towards these aims, four different approaches were used.First, using C. albicans microarrays, an attempt was made to identify a set of calcineurindependent genes (CDGs). Since CDGs were highly dependent upon the external stimulus used to activate calcineurin (Ca2+ or terbinafine), this stimulus bias was bypassed by the construction of strains expressing a truncated autoactive form of calcineurin (Cmp1tr) in a doxycyclinedependent manner. The characterization of Cmpltr was undertaken and results showed that it mimicked awild-type activated calcineurin for all tested phenotypes (i.e. Cnbl-dependence, inhibition by FK506, phosphatase 2B activity, ability to dephosphorylate Crzl and to regulate Crz1-and calcineurin-dependent genes, role in antifungal drug tolerance and susceptibility, role in colony formation on Spider agar). Cmp1tr was therefore considered as a valid tool to study the calcineurin signaling pathway. In silico analysis of CDGs allowed the identification of i) a significant overlap between CDGs and genes regulated by the Cyrl signalíng pathway, ii) putative interactions between calcineurin activation and cell wall reorganization and phospholipid transport, iii) a putative interactión between calcineurin and the regulation of translation and iv) a putative relation between calcineurin and proteasome regulation. Further in silico analyses of the promoters of Crz1-independent CDGs were performed to identify TFs (other than Crz1) that were likely to regulate CDGs and therefore to be a direct target of calcineurin. The analyses revealed that Rpn4 and Mnl1 were TFs likely to be regulated by calcineurin.Second, in order to better characterize azole tolerance, an attempt was made to i) confirm the role of Hsp90 in fluconazole tolerance with a doxycycline-dependent Hsp90 expression system and ii) assess its calcineurin-dependence. Hsp90 was found to be significantly involved in fluconazole tolerance. However, results were not in agreement with the hypothesis that Hsp90 mediates fluconazole tolerance by the only downstream effector calcineurin. Rather Hsp90 is interacting with numerous components for fluconazole tolerance.Third, a collection of C. albicans TFs mutants were screened for loss of tolerance to terbinafine and fluconazole in order to identify TFs involved in antifungal drug tolerance. Out of the 265 TFs mutants screened, only the upc2Δ/Δ mutant showed a loss of fluconazole and terbinafine tolerance. Interestingly, no relation between Upc2 and calcineurin activity was found. These results suggested that the tolerance to antifungal drugs must not be only considered as a calcineurin-dependent phenomenon in C. albicans.Fourth, using FRCS analyses, an attempt was made to identify putative signs of programmed cell death (PCD) in calcineurin mutant cells upon loss of tolerance to terbinafine. A high proportion of cells died from both RO5-dependent (which is a sign of PCD) and ROS-independent (which is a sign of loss of homeostasis) processes in the calcineurin mutant. While these results suggest that calcineurin represses both loss of homeostasis and PCD, the role of calcineurin in PCD is still an open question.In conclusion, this work allowed i) the identification of several putative calcineurin targets, ii) the discovery of several links between calcineurin and signaling pathways and important biological processes and iii) the identification of novel components of calcineurin-independent mechanisms that participate in tolerance to antifungal drugs in C. albicans.RÉSUME :Les azoles sont des antifongiques qui présentent une activité fongistatique contre Candida albicans et rendent cette levure tolérante à ces agents. La conversion des azoles en agents fongicides est d'intérêts car leurs propriétés fongistatiques favorisent le développement de résistance aux drogues chez C. albicans. La calcineurine (calcineurin) est une phosphatase essentielle pour la tolérance aux antifongiques chez C. albicans. La seule cible connue de la calcineurin est Crz1, un facteur de transcription (FT) impliqué dans la réponse aux stress ionique. Ainsi, la plupart des constituants de la voie de signalisation de la calcineurin restent encore à être identifiés chez C. albicans.Dans ce travail de thèse, la voie de signalisation de la calcineurin a été étudiée de sorte à i) caractériser le rôle de la calcineurin dans la biologie de C. albicans, ii) identifier de nouvelles cibles de la calcineurin et iii) caractériser le phénomène de tolérance aux antifongiques. A ce propos, quatre approches ont été entreprises.Premièrement, des puces à ADN de C. albicans ont été utilisées afin d'identifier les gènes dépendants de la calcineurin (GDCs). Les GDCs étant étroitement dépendants du stimulus utilisé pour activer la calcineurin, le biais «stimulus» a été évité via la construction d'une souche exprimant une forme tronquée et autoactive de la calcineurin (Cmp1tr), en présence de doxycycline. La caractérisation de Cmp1tr a été entreprise et les résultats ont montré qu'elle mimait une calcineurin sauvage et activée pour la plupart des phénotypes testés (i.e. dépendance à Cnb1, inhibition par le FK506, activité phosphatase 2B, déphosphorylation de Crz1 et régulation de gènes dépendant de la calcineurin, rôle dans la tolérance et la susceptibilité aux antifongiques, rôle dans la formation des colonies sur milieu Spider). Cmp1tr a donc été considéré comme un outil pertinent pour l'étude de la voie de signalisation de la calcineurin. Les analyses in silico des GDCs ont permis l'identification i) d'un chevauchement entre les GDCs èt les gènes régulés par la voie de signalisation de Cyrl, ii) d'une interaction entre la calcineurin et la réorganisation de la paroi cellulaire ainsi que le transport des phospholipides, iii) d'une interaction entre calcineurin et la régulation de la traduction et iv) une relation entre la calcineurin et la régulation du protéasome. De plus, une analyse in silico des promoteurs des GDCs avec une régulation indépendante de Crz1 a permis d'identifier deux FTs qui pourraient être des cibles directes de la calcineurin, Rpn4 et Mnll.Deuxièmement, afin de caractériser la tolérance aux azoles, il a été entrepris i) de confirmer le rôle de Hsp90 dans la tolérance au fluconazole en utilisant un système d'expression dépendant de la doxycycline et ii) de caractériser sa dépendance à la calcineurin. Hsp90 a été montré impliqué dans la tolérance aux azoles. Cependant, les résultats n'ont pas corroboré une hypothèse expliquant le rôle d'Hsp90 dans la tolérance aux antifongiques par son unique. interaction avec la calcineurin. Il a été proposé que le rôle d'Hsp90 dans la tolérance aux antifongiques soit dû à ces multiples interactions avec le protéome de C. albicans plutôt que par son interaction avec un partenaire unique.Troisièmement, une collection de mutant pour des FTs de C. albicans a été criblée pour une perte de tolérance au fluconazole ou à la terbinafine, de sorte à identifier les FTs impliqués dans la tolérance aux antifongiques. Sur les 265 FTs passés au crible, seul le mutant upc2Δ/Δ a montré une perte de tolérance au fluconazole et à la terbinafine. Aucune relation n'a été trouvée entre la calcineurin et l'activité d'Upc2. Ces résultats suggèrent que la perte de tolérance aux antifongiques ne doit pas être considérée comme un phénomène exclusivement lié à la voie de signalisation de la calcineurin.Quatrièmement, en utilisant la cytométrie de flux, la présence de signes de mort cellulaire programmée (MCP) a été recherchée lors de la perte de tolérance du mutant calcineurin incubé avec de la terbinafine. Une grande proportion de cellules mortes incluant ou non une production de ROS (un signe de MCP) a été détectée dans le mutant calcineurin. Ces résultats préliminaires suggèrent que la calcineurin réprime autant la perte d'homéostasie qu'elle régule l'entrée en MCP. Cependant d'autres analyses sont nécessaires pour démontrer clairement le rôle de la calcineurin dans la régulation de la MCP.En conclusion, ce travail de thèse a permis i) l'identification de plusieurs cibles possibles de la calcineurine, ii) la découverte de plusieurs interactions entre la calcineurine et d'autres voies de signalisation et processus biologiques importants et iii) de démontrer la présence de voies indépendantes de la calcineurine impliquées dans la tolérance aux antifongiques chez C. albicans.

Remodelage des canaux potassiques dépendants de l'ATP lors de l'hypertrophie et de l'insuffisance cardiaque

RESUME :Introduction. Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays développés et l'insuffisance cardiaque (IC) est la plus fréquente. Suite à un infarctus, le coeur des patients subit un remodelage ventriculaire pouvant évoluer vers un état d'IC. L'IC se définit comme un état dans lequel le coeur n'est plus capable d'approvisionner suffisamment les organes et cet état s'accompagne souvent de troubles du rythme cardiaque. Le remodelage ventriculaire touche de nombreux gènes codant à la fois pour les voies métaboliques et pour des canaux ioniques favorisant ainsi l'apparition des arythmies responsables de la mort subite des patients atteints d'IC. Comprendre ce passage entre remodelage et IC est crucial afin de pouvoir un jour prévenir l'IC et les complications médicales qui l'accompagnent. Nous nous sommes intéressés aux canaux potassiques dépendants de l'ATP (KATP) car ces canaux ont la capacité de coupler le métabolisme de la cellule à son activité électrique. En effet, les canaux KATP s'ouvrent quand la charge énergétique (rapport ATP/ ADP) de la cellule chute. Dans les cardiomyocytes, l'ouverture des KATP induit une hyperpolarisation de la membrane cellulaire ce qui diminue indirectement la surcharge calcique et de ce fait préserve la cellule. Les canaux KATp sont formés de 4 sous-unités Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal associées à 4 sous-unités régulatrices SUR. Les propriétés électrophysiologiques ainsi que la sensibilité pharmacologique des canaux KATP dépendent de leur composition et seuls les canaux KATP formés par la sous-unité Kirô.l sont activés par le diazoxyde.Méthodes et résultats. Nous avons d'abord montré dans un modèle in vivo d'IC chez le rat adulte que les sous-unités Kir6.1 et SUR sont surexprimées dans ces conditions pathologiques. Par ailleurs, les cardiomyocytes issus des coeurs infarcis deviennent sensibles au diazoxyde reflétant la surexpression de Kir6.1. Les potentiels d'action qui sont prolongés dans l'IC et qui sont à l'origine d'arythmies majeures sont normalisés par l'ouverture des canaux KATp induite par le diazoxyde. Ainsi, l'ouverture pharmacologique des canaux KATp contribuerait à la cardio-protection. Dans une seconde partie, nous avons déterminé quels étaient les facteurs de transcription responsables de ce changement d'expression des sous-unités formant les KATP. Dans notre modèle, nous avons pu montrer que la surexpression de Kirô.l est due aux facteurs de transcription Fox03 et FoxF2 qui est aussi responsable de la surexpression des sous-unités SUR. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons mis au point un modèle d'IC in vitro en cultivant les cardiomyocytes de rats adultes en présence d'angiotensine II (Angll) ou de TNFa. Ce modèle expérimental nous a non seulement permis de mettre en relation l'importance de L'AnglI et du TNFa sur le remodelage des canaux KATP mais aussi de développer un modèle in vitro présentant les mêmes caractéristiques que le modèle in vivo concernant le remodelage des KATP lors de l'IC. Ce dernier modèle expérimental ouvre des perspectives afin de mieux caractériser les voies de signalisation impliquées dans le remodelage des canaux KATp lors de l'IC.Conclusion. Les canaux KATp subissent un remodelage lors de l'IC et les résultats obtenus montrent le potentiel cardio-protecteur de ces canaux.ABSTRACT :Background and aim. Cardiovascular disease is the leading cause of death in developed countries and heart failure (HF) is the most common. Following myocardial infarction, the heart of the patient undergoes ventricular remodeling which may evolve toward a state of HF. HF is defined as a state in which heart is unable to supply enough blood to organs and this state is often accompanied by cardiac arrhythmias. Ventricular remodeling involves many genes coding for both metabolic enzymes and ion channels. Changes in ion channel expression can promote arrhythmias responsible for sudden death in patients with HF. A better understanding of the transition between remodeling and HF is crucial in order to prevent the complications associated to HF We were interested in ATP-dependent potassium channels (KATp) because they couple cell metabolism to electrical activity of the cell. Indeed, KATP channels open when the energy charge (ratio of ATP / ADP) of the cell collapses. In cardiomyocytes, the opening of KATP channels induces hyper- polanzation of the cell membrane which reduces calcium overload and thereby protects the cell. KATp channels are composed by 4 Kir6.x subumts (Kir6.1 or Kir6.2) forming the pore channel associated with 4 regulatory subunits SUR. The electrophysiological properties as well as pharmacological sensitivity of KATp channels depend on their composition and only KATP channels formed by Kir6.1 subunit are activated by diazoxide.Methods and results. Firstly, using an in vivo model of HF in adult rats, we showed that Kir6.1 and SUR subunits are overexpressed in HF. In addition, cardiomyocytes from post-infarction hearts became sensitive to diazoxide reflecting the overexpression of the Kir6.1 subunit. The opening of KATP by diazoxide tended to reduce the action potential duration (APD) which is extended in HF. This increase in APD is known to be a major source of arrhythmias during HF. Therefore, the opening of KATP channels by diazoxide would be cardio-protective. Secondly, we wanted to determine which transcription factors were responsible for this KATP remodeling. In our model of HF, we showed that overexpression of Kir6.1 is due to the transcription factors Fox03 and FOXF2 which is also responsible for SUR subunits overexpression. Thirdly, we developed an in vitro model of HF by cultivation of adult rat cardiomyocytes in the presence of angiotensin II (Angll) or TNFa. This model is very interesting not only because it underlines the importance of Angll and TNFa in KATp remodeling but also because this in vitro model presents the same KATP remodeling as the in vivo model of HF. These findings show that our in vitro model of HF opens up many possibilities to investigate more precisely the signaling pathways involved in remodeling of the KATP channels in HF.Conclusion. KATP channels undergo remodeling during HF and our results show the cardio¬protective potential of KATP channels in this disease.

The ubiquitin-proteasome system and signal transduction pathways regulating Epithelial Mesenchymal transition of cancer.

Epithelial to Mesenchymal transition (EMT) in cancer, a process permitting cancer cells to become mobile and metastatic, has a signaling hardwire forged from development. Multiple signaling pathways that regulate carcinogenesis enabling characteristics in neoplastic cells such as proliferation, resistance to apoptosis and angiogenesis are also the main players in EMT. These pathways, as almost all cellular processes, are in their turn regulated by ubiquitination and the Ubiquitin-Proteasome System (UPS). Ubiquitination is the covalent link of target proteins with the small protein ubiquitin and serves as a signal to target protein degradation by the proteasome or to other outcomes such as endocytosis, degradation by the lysosome or specification of cellular localization. This paper reviews signal transduction pathways regulating EMT and being regulated by ubiquitination.

Role of Sam68 in post-transcriptional gene regulation.

The STAR family of proteins links signaling pathways to various aspects of post-transcriptional regulation and processing of RNAs. Sam68 belongs to this class of heteronuclear ribonucleoprotein particle K (hnRNP K) homology (KH) single domain-containing family of RNA-binding proteins that also contains some domains predicted to bind critical components in signal transduction pathways. In response to phosphorylation and other post-transcriptional modifications, Sam68 has been shown to have the ability to link signal transduction pathways to downstream effects regulating RNA metabolism, including transcription, alternative splicing or RNA transport. In addition to its function as a docking protein in some signaling pathways, this prototypic STAR protein has been identified to have a nuclear localization and to take part in the formation of both nuclear and cytosolic multi-molecular complexes such as Sam68 nuclear bodies and stress granules. Coupling with other proteins and RNA targets, Sam68 may play a role in the regulation of differential expression and mRNA processing and translation according to internal and external signals, thus mediating important physiological functions, such as cell death, proliferation or cell differentiation.

Genetic dissection of sodium and potassium transport along the aldosterone-sensitive distal nephron: Importance in the control of blood pressure and hypertension.

In this review, we discuss genetic evidence supporting Guyton's hypothesis stating that blood pressure control is critically depending on fluid handling by the kidney. The review is focused on the genetic dissection of sodium and potassium transport in the distal nephron and the collecting duct that are the most important sites for the control of sodium and potassium balance by aldosterone and angiotensin II. Thanks to the study of Mendelian forms of hypertension and their corresponding transgenic mouse models, three main classes of diuretic receptors (furosemide, thiazide, amiloride) and the main components of the aldosterone- and angiotensin-dependent signaling pathways were molecularly identified over the past 20years. This will allow to design rational strategies for the treatment of hypertension and for the development of the next generation of diuretics.

Role of estrogen receptor signaling in mammary gland development

Abstract : Breast cancer incidence rates have increased over the past hundred years, in particular, in Western industrial countries and they continue to rise worldwide. Breast cancer risk has been linked to life exposure to endogenous and exogenous estrogens, and there is increasing concern that exposure to endocrine disruptors which are increasingly accumulating in our environment may also have a role. Using the mouse as model, I have analyzed the physiological role of estrogen signaling in mammary gland development. I have shown that estrogen signaling through the estrogen receptor alpha (ERα) in the mammary epithelium is required for ductal morphogenesis during puberty. Moreover, I have demonstrated that estrogens induce proliferation of mammary epithelial cells through a paracrine mechanism. The presence of estrogen signaling is essential cell intrinsically via ERα or ERβ for the terminal differentiation into milk secreting cells during pregnancy. Furthermore, I have examined how perinatal exposure to the estrogenic plasticizer bisphenol A (BPA) found ubiquitously in consumer goods such as baby bottles formula and beverage containers affects the normal mammary gland development and possibly predispose the mammary gland to tumorigenesis. I have found that C57b16 mice that were exposed, via their drinking water, to several BPA doses ranging from 0.025µg/kg/day to 250µg/kg/day exhibits delayed terminal end bud formation and consequently the ductal outgrowth. Later in life, the mice that were exposed in utero to BPA displayed an increased number of mammary epithelial cells. Acute exposure of 3-week-old mice to BPA can alter gene expression levels of an important estrogen target gene, amphiregulin. Taken together these data are compatible with a scenario in which perinatal BPA exposure may alter mammary gland development by affecting developmental signaling pathways. Résumé : Les taux d'incidence des cancers du sein ont augmenté au cours des cent dernières années en particulier dans les pays industriels occidentaux et ils continuent d'augmenter dans le monde entier. Le risque du cancer du sein a été corrélé à l'exposition au cours de la vie aux oestrogènes endogènes et exogènes. Il y a une préoccupation croissante concernant l'exposition aux perturbateurs endocriniens qui ne cessent de s'accumulent dans notre environnement et qui peuvent également avoir un rôle dans l'augmentation des cancers du sein. En utilisant le modèle de souris, j'ai analysé le rôle physiologique de la voie de signalisation à l'oestrogène dans le développement mammaire. J'ai prouvé que l'oestrogène par l'intermédiaire de son récepteur alpha (ERα) est indispensable dans l'épithélium pour la morphogénèse du système canalaire pendant la puberté. De plus, j'ai démontré que les oestrogènes induisent la prolifération des cellules épithéliales mammaires par un mécanisme paracrine. La présence de la voie de signalisation à l'oestrogène est essentielle de manière intrinsèque à la cellule par l'intermédiaire d'ERα ou ERβ pour la différentiation terminale des cellules épithéliales en cellules sécrétrices de lait pendant la grossesse. En outre, j'ai examiné comment l'exposition périnatale au bisphénol A (BPA), un plastifiant présentant des propriétés ostrogéniques et omniprésent dans divers produits d'usage courant tels que les biberons des bébés et les récipients en plastique, affecte le développement de la glande mammaire et prédispose probablement celle-ci à la tumorigénèse. J'ai constaté que l'exposition périnatale à BPA retarde la formation des bourgeons terminaux et par conséquent la croissance du système canalaire. Plus tard dans la vie, les souris qui ont été exposées dans l'utérus au BPA ont montré un plus grand nombre de cellules épithéliales mammaires. L'exposition aiguë de souris âgées de 3 semaines au BPA perturbe le niveau d'expression d'un gène cible important de l'oestrogène, l'amphiregulin. Ces données sont compatibles avec un scénario dans lequel l'exposition périnatale au BPA peut changer le développement de la glande mammaire en affectant des voies de signalisation développementales.

CD44 attenuates activation of the hippo signaling pathway and is a prime therapeutic target for glioblastoma.

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive brain tumor that, by virtue of its resistance to chemotherapy and radiotherapy, is currently incurable. Identification of molecules whose targeting may eliminate GBM cells and/or sensitize glioblastoma cells to cytotoxic drugs is therefore urgently needed. CD44 is a major cell surface hyaluronan receptor and cancer stem cell marker that has been implicated in the progression of a variety of cancer types. However, the major downstream signaling pathways that mediate its protumor effects and the role of CD44 in the progression and chemoresponse of GBM have not been established. Here we show that CD44 is upregulated in GBM and that its depletion blocks GBM growth and sensitizes GBM cells to cytotoxic drugs in vivo. Consistent with this observation, CD44 antagonists potently inhibit glioma growth in preclinical mouse models. We provide the first evidence that CD44 functions upstream of the mammalian Hippo signaling pathway and that CD44 promotes tumor cell resistance to reactive oxygen species-induced and cytotoxic agent-induced stress by attenuating activation of the Hippo signaling pathway. Together, our results identify CD44 as a prime therapeutic target for GBM, establish potent antiglioma efficacy of CD44 antagonists, uncover a novel CD44 signaling pathway, and provide a first mechanistic explanation as to how upregulation of CD44 may constitute a key event in leading to cancer cell resistance to stresses of different origins. Finally, our results provide a rational explanation for the observation that functional inhibition of CD44 augments the efficacy of chemotherapy and radiation therapy.

Identification of potential small molecule binding pockets on Rho family GTPases

Rho GTPases are conformational switches that control a wide variety of signaling pathways critical for eukaryotic cell development and proliferation. They represent attractive targets for drug design as their aberrant function and deregulated activity is associated with many human diseases including cancer. Extensive high-resolution structures (.100) and recent mutagenesis studies have laid the foundation for the design of new structure-based chemotherapeutic strategies. Although the inhibition of Rho signaling with drug-like compounds is an active area of current research, very little attention has been devoted to directly inhibiting Rho by targeting potential allosteric non-nucleotide binding sites. By avoiding the nucleotide binding site, compounds may minimize the potential for undesirable off-target interactions with other ubiquitous GTP and ATP binding proteins. Here we describe the application of molecular dynamics simulations, principal component analysis, sequence conservation analysis, and ensemble small-molecule fragment mapping to provide an extensive mapping of potential small-molecule binding pockets on Rho family members. Characterized sites include novel pockets in the vicinity of the conformationaly responsive switch regions as well as distal sites that appear to be related to the conformations of the nucleotide binding region. Furthermore the use of accelerated molecular dynamics simulation, an advanced sampling method that extends the accessible time-scale of conventional simulations, is found to enhance the characterization of novel binding sites when conformational changes are important for the protein mechanism.

Analysis of the transcriptional activity of endogenous NFAT5 in primary cells using transgenic NFAT-luciferase reporter mice

Background: The transcription factor NFAT5/TonEBP regulates the response of mammalian cells to hypertonicity. However, little is known about the physiopathologic tonicity thresholds that trigger its transcriptional activity in primary cells. Wilkins et al. recently developed a transgenic mouse carrying a luciferase reporter (9xNFAT-Luc) driven by a cluster of NFAT sites, that was activated by calcineurin-dependent NFATc proteins. Since the NFAT site of this reporter was very similar to an optimal NFAT5 site, we tested whether this reporter could detect the activation of NFAT5 in transgenic cells.Results: The 9xNFAT-Luc reporter was activated by hypertonicity in an NFAT5-dependent manner in different types of non-transformed transgenic cells: lymphocytes, macrophages and fibroblasts. Activation of this reporter by the phorbol ester PMA plus ionomycin was independent of NFAT5 and mediated by NFATc proteins. Transcriptional activation of NFAT5 in T lymphocytes was detected at hypertonic conditions of 360–380 mOsm/kg (isotonic conditions being 300 mOsm/kg) and strongly induced at 400 mOsm/kg. Such levels have been recorded in plasma in patients with osmoregulatory disorders and in mice deficient in aquaporins and vasopressin receptor. The hypertonicity threshold required to activate NFAT5 was higher in bone marrow-derived macrophages (430 mOsm/kg) and embryonic fibroblasts (480 mOsm/kg). Activation of the 9xNFAT-Luc reporter by hypertonicity in lymphocytes was insensitive to the ERK inhibitor PD98059, partially inhibited by the PI3-kinase inhibitor wortmannin (0.5 μM) and the PKA inhibitor H89, and substantially downregulated by p38 inhibitors (SB203580 and SB202190) and by inhibition of PI3-kinase-related kinases with 25 μM LY294002. Sensitivity of the reporter to FK506 varied among cell types and was greater in primary T cells than in fibroblasts and macrophages.Conclusion: Our results indicate that NFAT5 is a sensitive responder to pathologic increases in extracellular tonicity in T lymphocytes. Activation of NFAT5 by hypertonicity in lymphocytes was mediated by a combination of signaling pathways that differed from those required in other cell types. We propose that the 9xNFAT-Luc transgenic mouse model might be useful to study the physiopathological regulation of both NFAT5 and NFATc factors in primary cells.

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

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

Vaccination-induced functional competence of circulating human tumor-specific CD8 T-cells.

T-cells specific for foreign (e.g., viral) antigens can give rise to strong protective immune responses, whereas self/tumor antigen-specific T-cells are thought to be less powerful. However, synthetic T-cell vaccines composed of Melan-A/MART-1 peptide, CpG and IFA can induce high frequencies of tumor-specific CD8 T-cells in PBMC of melanoma patients. Here we analyzed the functionality of these T-cells directly ex vivo, by multiparameter flow cytometry. The production of multiple cytokines (IFNγ, TNFα, IL-2) and upregulation of LAMP-1 (CD107a) by tumor (Melan-A/MART-1) specific T-cells was comparable to virus (EBV-BMLF1) specific CD8 T-cells. Furthermore, phosphorylation of STAT1, STAT5 and ERK1/2, and expression of CD3 zeta chain were similar in tumor- and virus-specific T-cells, demonstrating functional signaling pathways. Interestingly, high frequencies of functionally competent T-cells were induced irrespective of patient's age or gender. Finally, CD8 T-cell function correlated with disease-free survival. However, this result is preliminary since the study was a Phase I clinical trial. We conclude that human tumor-specific CD8 T-cells can reach functional competence in vivo, encouraging further development and Phase III trials assessing the clinical efficacy of robust vaccination strategies.

Regulation of phosphate starvation responses in plants: signaling players and cross-talks.

Phosphate (Pi) availability is a major factor limiting growth, development, and productivity of plants. In both ecological and agricultural contexts, plants often grow in soils with low soluble phosphate content. Plants respond to this situation by a series of developmental and metabolic adaptations that are aimed at increasing the acquisition of this vital nutrient from the soil, as well as to sustain plant growth and survival. The development of a comprehensive understanding of how plants sense phosphate deficiency and coordinate the responses via signaling pathways has become of major interest, and a number of signaling players and networks have begun to surface for the regulation of the phosphate-deficiency response. In practice, application of such knowledge to improve plant Pi nutrition is hindered by complex cross-talks, which are emerging in the face of new data, such as the coordination of the phosphate-deficiency signaling networks with those involved with hormones, photo-assimilates (sugar), as well as with the homeostasis of other ions, such as iron. In this review, we focus on these cross-talks and on recent progress in discovering new signaling players involved in the Pi-starvation responses, such as proteins having SPX domains.

Pathogenic Vibrio activate NLRP3 inflammasome via cytotoxins and TLR/nucleotide-binding oligomerization domain-mediated NF-kappa B signaling.

Vibrio vulnificus and Vibrio cholerae are Gram-negative pathogens that cause serious infectious disease in humans. The beta form of pro-IL-1 is thought to be involved in inflammatory responses and disease development during infection with these pathogens, but the mechanism of beta form of pro-IL-1 production remains poorly defined. In this study, we demonstrate that infection of mouse macrophages with two pathogenic Vibrio triggers the activation of caspase-1 via the NLRP3 inflammasome. Activation of the NLRP3 inflammasome was mediated by hemolysins and multifunctional repeat-in-toxins produced by the pathogenic bacteria. NLRP3 activation in response to V. vulnificus infection required NF-kappaB activation, which was mediated via TLR signaling. V. cholerae-induced NLRP3 activation also required NF-kappaB activation but was independent of TLR stimulation. Studies with purified V. cholerae hemolysin revealed that toxin-stimulated NLRP3 activation was induced by TLR and nucleotide-binding oligomerization domain 1/2 ligand-mediated NF-kappaB activation. Our results identify the NLRP3 inflammasome as a sensor of Vibrio infections through the action of bacterial cytotoxins and differential activation of innate signaling pathways acting upstream of NF-kappaB.

Genome-wide association analyses identify 18 new loci associated with serum urate concentrations.

Elevated serum urate concentrations can cause gout, a prevalent and painful inflammatory arthritis. By combining data from >140,000 individuals of European ancestry within the Global Urate Genetics Consortium (GUGC), we identified and replicated 28 genome-wide significant loci in association with serum urate concentrations (18 new regions in or near TRIM46, INHBB, SFMBT1, TMEM171, VEGFA, BAZ1B, PRKAG2, STC1, HNF4G, A1CF, ATXN2, UBE2Q2, IGF1R, NFAT5, MAF, HLF, ACVR1B-ACVRL1 and B3GNT4). Associations for many of the loci were of similar magnitude in individuals of non-European ancestry. We further characterized these loci for associations with gout, transcript expression and the fractional excretion of urate. Network analyses implicate the inhibins-activins signaling pathways and glucose metabolism in systemic urate control. New candidate genes for serum urate concentration highlight the importance of metabolic control of urate production and excretion, which may have implications for the treatment and prevention of gout.