Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Melatonin reduces LH, 17 beta-estradiol and induces differential regulation of sex steroid receptors in reproductive tissues during rat ovulation

Background: Melatonin is associated with direct or indirect actions upon female reproductive function. However, its effects on sex hormones and steroid receptors during ovulation are not clearly defined. This study aimed to verify whether exposure to long-term melatonin is able to cause reproductive hormonal disturbances as well as their role on sex steroid receptors in the rat ovary, oviduct and uterus during ovulation. Methods: Twenty-four adult Wistar rats, 60 days old (+/-250 g) were randomly divided into two groups. Control group (Co): received 0.9% NaCl 0.3 mL + 95% ethanol 0.04 mL as vehicle; Melatonin-treated group (MEL): received vehicle + melatonin [ 100 mu g/100 g BW/day] both intraperitoneally during 60 days. All animals were euthanized by decapitation during the morning estrus at 4 a. m. Results: Melatonin significantly reduced the plasma levels of LH and 17 beta-estradiol, while urinary 6-sulfatoximelatonin (STM) was increased at the morning estrus. In addition, melatonin promoted differential regulation of the estrogen receptor (ER), progesterone receptor (PR), androgen receptor (AR) and melatonin receptor (MTR) along the reproductive tissues. In ovary, melatonin induced a down-regulation of ER-alpha and PRB levels. Conversely, it was observed that PRA and MT1R were up-regulated. In oviduct, AR and ER-alpha levels were down-regulated, in contrast to high expression of both PRA and PRB. Finally, the ER-beta and PRB levels were down-regulated in uterus tissue and only MT1R was up-regulated. Conclusions: We suggest that melatonin partially suppress the hypothalamus-pituitary-ovarian axis, in addition, it induces differential regulation of sex steroid receptors in the ovary, oviduct and uterus during ovulation.

LH surge in Nelore cows (Bos indicus), after induced estrus or after ovarian superestimulation

Considering, that there is limited information about the preovulatory LH surge in Zebu Cattle (Bos indicus). the purpose of the present work was to assess the LH surge in Nelore cows during the estrous cycle and after ovarian superestimulation of ovarian follicular development with FSH. This information is particularly important to improve superovulatory protocols associated with fixed-time artificial insemination. Nelore cows (n = 12) had their estrus synchronized with all intravaginal device containing progesterone (CIDR-B (R)) associated with estradiol benzoate administration (EB, 2.5 mg, i.m., Day 0). Eight days later all animals were treated with PGF2 alpha (Day 8) in the morning (8:00 h) and at night, when CIDR devices were removed (20:00 11). Starting 38 h after the first PGF2 alpha injection, blood sampling and ovarian ultrasonography took place every 4 h, during 37 consecutive hours. Frequent handling may have resulted in a stress-induced suppression of LH secretion resulting in only 3 of 12 cows having ovulations at 46.7 +/- 4.9 and 72.3 +/- 3.8 h, respectively, after removal of CIDR-B. Thirty days later, the same animals received the described hormonal treatment associated with FSH (Folltropin (R) total dose = 200 mg) administered twice a day, during 4 consecutive days, starting on Day 5. Thirty-six hours after the first injection of PGF2 alpha, to minimize stress. only seven blood samples were collected at 4 h interval each. and ultrasonography was performed every 12 h until ovulation. In 11 of 12 cows (92%) the LH surge and ovulation were observed 34.6 +/- 1.6 and 59.5 +/- 1.9 h. respectively. after removal of progesterone source. The maximum values for LH in those animals were 19.0 +/- 2.6 ng/ml (mean +/- S.E.M.). It is concluded that, in Nelore COWS submitted to a ovarian superstimulation Protocol, the LH surge occurs approximately 35 It after removal of intravaginal device containing progesterone, and approximately 12h before the LH surge observed after an induced estrus without ovarian superstimulation (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Acción de LH, HCG, FSH, Estrógenos, Ácido Retinoico y Tamoxifeno sobre especializaciones de membranas de células del ovario del pollo durante su embriogenesis

En trabajos previos analizamos los efectos de hormonas esteroideas y gonadotrofinas como factores determinantes de la progresión de un ovario funcionante y la atrofia del otro. Por otra parte se ha comprobado que las diferenciaciones de membranas juegan un rol importante en la migración, crecimiento y diferenciación durante la embriogénesis y en procesos carcinogénicos. Nosotros demostramos que los contactos intercelulares sufren modificaciones bajo la influencia de hormonas. También se postula que la inhibición de la comunicación intercelular a través de las uniones gap es el mecanismo de acción de diferentes agentes teratogénicos como así también de diversas clases de promotores tumorales. Se cree que los análogos de la vitamina A reducirían el riesgo del cáncer y por ello se utilizarían en la protección contra la inducción de tumores benignos o malignos. Sin embargo, los resultados son contradictorios. Algunos autores estudiaron el efecto del tamoxifeno sobre gónadas de embrión de pollo in ovo demostrando su efecto antiestrogénico. Actualmente, el mecanismo de acción está siendo revisado ante los efectos de resistencia observados en el tratamiento del cáncer de mama. Por ello nos propusimos estudiar in ovo e in vitro la acción de LH, HCG, FSH; 17-B-Estradiol, ácido retinoico y tamoxifeno sobre las diferenciaciones de membranas y contactos intercelulares en las gónadas femeninas del pollo durante su embriogénesis. Debemos destacar que en el pollo ocurren simultáneamente la diferenciación y crecimiento del ovario izquierdo y la atrofia del ovario derecho. Estos dos acontecimientos son frecuentes en el desarrollo normal de todos los embriones incluyendo el humano. Cuando el equilibrio de los mismos se altera por acción de diferentes inductores o inhibidores, se producen serias malformaciones. Por lo tanto, nuestros resultados podrían explicar algunos de los mecanismos probables que rigen su etiopatogenia. Además nos permitirá obtener información sobre los mecanismos de control y su extrapolación a las células tumorales. El cáncer de ovario es una frecuente causa de muerte en la mujer y en la mayoría de los casos proviene del epitelio superficial.

Trial of recombinant follicle-stimulating hormone pretreatment for gnrh-induced fertility in patients with congenital hypogonadotropic hypogonadism.

CONTEXT AND OBJECTIVE: The optimal strategy for inducing fertility in men with congenital hypogonadotropic hypogonadism (CHH) is equivocal. Albeit a biologically plausible approach, pretreatment with recombinant FSH (rFSH) before GnRH/human chorionic gonadotropin administration has not been sufficiently assessed. The objective of the study was to test this method. DESIGN AND SETTING: This was a randomized, open-label treatment protocol at an academic medical center. PATIENTS AND INTERVENTIONS: GnRH-deficient men (CHH) with prepubertal testes (<4 mL), no cryptorchidism, and no prior gonadotropin therapy were randomly assigned to either 24 months of pulsatile GnRH therapy alone (inducing endogenous LH and FSH release) or 4 months of rFSH pretreatment followed by 24 months of GnRH therapy. Patients underwent serial testicular biopsies, ultrasound assessments of testicular volume, serum hormone measurements, and seminal fluid analyses. RESULTS: rFSH treatment increased inhibin B levels into the normal range (from 29 ± 9 to 107 ± 41 pg/mL, P < .05) and doubled testicular volume (from 1.1 ± 0.2 to 2.2 ± 0.3 mL, P < .005). Histological analysis showed proliferation of both Sertoli cells (SCs) and spermatogonia, a decreased SC to germ cell ratio (from 0.74 to 0.35), and SC cytoskeletal rearrangements. With pulsatile GnRH, the groups had similar hormonal responses and exhibited significant testicular growth. All men receiving rFSH pretreatment developed sperm in their ejaculate (7 of 7 vs 4 of 6 in the GnRH-only group) and showed trends toward higher maximal sperm counts. CONCLUSIONS: rFSH pretreatment followed by GnRH is successful in inducing testicular growth and fertility in men with CHH with prepubertal testes. rFSH not only appears to maximize the SC population but also induces morphologic changes, suggesting broader developmental roles.

The reproductive response of rams to thyroidectomy: mediation by impaired inhibin feedback rather than a change in LH pulsatility

A series of experiments was conducted to examine the mechanism by which removal of the thyroid glands in seasonally suppressed rams brings about rapid testicular growth. In the first experiment, thyroidectomy at the nadir of the testicular cycle (late winter) initiated testis growth without any detectable change in the extent of spermatogenesis compared with sham-operated controls. The serum concentration of FSH, but not LH, was also markedly increased by thyroidectomy. In the second experiment, serum FSH concentration was again increased by thyroidectomy in late winter but there was no effect of thyroidectomy on LH concentration, LH pulses (measured in frequent blood samples) or testosterone concentration. Furthermore, there was no evidence of a change in central dopaminergic inhibition of GnRH, as measured by the pulsatile LH response to an i.m. injection of the dopaminergic D-2 agonist bromocriptine or antagonist sulpiride. The rapid increase in FSH concentration occurred despite a markedly increased serum inhibin A concentration in thyroidectomized rams. Therefore, the efficacy of inhibin feedback was examined by testing the FSH-suppressive effect of an inhibin preparation (5 ml charcoal-stripped bovine follicular fluid i.v.) in long-term thyroidectomized and thyroid intact castrated rams. Bovine follicular fluid suppressed FSH concentrations in control rams as expected but in marked contrast, was completely without effect in thyroidectomized animals. In castrated rams, the FSH concentration was only marginally increased by thyroidectomy, indicating that there is a major component of the mediation of the effects of thyroidectomy that is testicular in origin. It was concluded that a reduction in the ability of endogenous inhibin to inhibit FSH release at the pituitary, rather than a hypothalamic mechanism, is the primary cause of the stimulation of testis growth by thyroidectomy.

Melatonin reduces LH, 17 beta-estradiol and induces differential regulation of sex steroid receptors in reproductive tissues during rat ovulation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

POSSIBLE MECHANISMS FOR REDUCTION OF CIRCULATING CONCENTRATIONS OF PROGESTERONE BY INTERFERON-ALPHA IN COWS - EFFECTS ON HYPERTHERMIA, LUTEAL CELLS, METABOLISM OF PROGESTERONE AND SECRETION OF LH

Experiments were performed to determine the mechanism by which recombinant bovine interferon-alpha(I)1 (rbIFN-alpha) causes an acute reduction in plasma concentrations of progesterone. In experiment 1, administration of a prostaglandin synthesis inhibitor blocked rbIFN-alpha-induced hyperthermia but did not prevent the decline in plasma concentrations of progesterone. The decline in progesterone concentrations caused by rbIFN-alpha was, therefore, not a direct consequence of the associated hyperthermia or of pathways mediated through prostaglandin synthesis. It is also unlikely that rbIFN-alpha acts to increase the clearance of progesterone since injection of rbIFN-alpha did not decrease plasma concentrations of progesterone in ovariectomized cows given an intravaginal implant of progesterone (experiment 2). In experiment 3, rbIFN-alpha did not affect basal and LH-induced release of progesterone from cultured luteal slices, indicating that rbIFN-alpha is unlikely to affect luteal function directly. Injection of rbIFN-alpha did, however, cause a decrease in plasma concentrations of LH in ovariectomized cows (experiment 4) that coincided temporally with the decrease in progesterone concentrations seen in cows having a functional corpus luteum. The present results strongly suggest that rbIFN-alpha acts to reduce secretion of progesterone by interfering with pituitary support for luteal synthesis of progesterone. The finding that rbIFN-alpha can inhibit LH secretion implies that interferon-alpha molecules should be considered among the cytokines that can regulate hypothalamic or pituitary function.

LH and FSH concentration and follicular development in Nellore heifers submitted to fixed-time artificial insemination protocols with different progesterone concentrations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effects of gonadectomy on prolactin and LH secretion and the pituitary-thyroid axis in male dogs

The effects of gonadectomy on the secretion of prolactin, LH, TSH, and thyroxine were investigated. Blood serum hormone concentrations were analysed before and at 20, 120, and 180 min after a single iv TRH injection in each of eight healthy intact and castrated male beagle dogs before (control) and after 4-week treatment with the dopamine-2 receptor agonist cabergoline. Under control conditions the mean prolactin, TSH, and thyroxine concentrations were similar in intact and gonadectomised dogs, and administration of TRH provoked a significant (p < 0.01) increase in concentrations of the three hormones. The overall inhibitory effect of cabergoline treatment on prolactin secretion was more pronounced in the castrated dogs compared with the intact group. Cabergoline significantly suppressed the TRH-induced prolactin increase in each group (p < 0.01). Corresponding TRH-stimulated TSH concentrations were not affected by cabergoline. In the gonadectomised dogs, thyroxine concentrations before and at 120 and 180 min after TRH injection were significantly lower than under control conditions. LH concentrations were always higher (p < 0.01) in gonadectomised dogs compared with the intact dogs, but appeared to be affected neither by TRH nor by cabergoline administration. It can thus be concluded from the results, that gonadectomy does not result in hyperprolactinaemia in male dogs, while LH concentrations are significantly increased due to missing androgen feedback. Thyroid function remains unaffected by gonadectomy. Testicular steroids appear to interact with central dopaminergic and probably other neuroendocrine mechanisms regulating the secretion of prolactin, TSH, and thyroxine. Thus, long-term dopamine-2 receptor agonistic treatment may lead to a hypothyroid condition in castrated male dogs. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.