Computational micromodel for epigenetic mechanisms

Characterization of the epigenetic profile of humans since the initial breakthrough on the human genome project has strongly established the key role of histone modifications and DNA methylation. These dynamic elements interact to determine the normal level of expression or methylation status of the constituent genes in the genome. Recently, considerable evidence has been put forward to demonstrate that environmental stress implicitly alters epigenetic patterns causing imbalance that can lead to cancer initiation. This chain of consequences has motivated attempts to computationally model the influence of histone modification and DNA methylation in gene expression and investigate their intrinsic interdependency. In this paper, we explore the relation between DNA methylation and transcription and characterize in detail the histone modifications for specific DNA methylation levels using a stochastic approach.

Identification of a novel AMPK-PEA15 axis in the anoikis-resistant growth of mammary cells

Introduction: Matrix detachment triggers anoikis, a form of apoptosis, in most normal epithelial cells, while acquisition of anoikis resistance is a prime requisite for solid tumor growth. Of note, recent studies have revealed that a small population of normal human mammary epithelial cells (HMECs) survive in suspension and generate multicellular spheroids termed `mammospheres'. Therefore, understanding how normal HMECs overcome anoikis may provide insights into breast cancer initiation and progression. Methods: Primary breast tissue-derived normal HMECs were grown as adherent monolayers or mammospheres. The status of AMP-activated protein kinase (AMPK) and PEA15 signaling was investigated by immunoblotting. Pharmacological agents and an RNA interference (RNAi) approach were employed to gauge their roles in mammosphere formation. Immunoprecipitation and in vitro kinase assays were undertaken to evaluate interactions between AMPK and PEA15. In vitro sphere formation and tumor xenograft assays were performed to understand their roles in tumorigenicity. Results: In this study, we show that mammosphere formation by normal HMECs is accompanied with an increase in AMPK activity. Inhibition or knockdown of AMPK impaired mammosphere formation. Concomitant with AMPK activation, we detected increased Ser(116) phosphorylation of PEA15, which promotes its anti-apoptotic functions. Inhibition or knockdown of AMPK impaired PEA15 Ser(116) phosphorylation and increased apoptosis. Knockdown of PEA15, or overexpression of the nonphosphorylatable S116A mutant of PEA15, also abrogated mammosphere formation. We further demonstrate that AMPK directly interacts with and phosphorylates PEA15 at Ser(116) residue, thus identifying PEA15 as a novel AMPK substrate. Together, these data revealed that AMPK activation facilitates mammosphere formation by inhibition of apoptosis, at least in part, through Ser(116) phosphorylation of PEA15. Since anoikis resistance plays a critical role in solid tumor growth, we investigated the relevance of these findings in the context of breast cancer. Significantly, we show that the AMPK-PEA15 axis plays an important role in the anchorage-independent growth of breast cancer cells both in vitro and in vivo. Conclusions: Our study identifies a novel AMPK-PEA15 signaling axis in the anchorage-independent growth of both normal and cancerous mammary epithelial cells, suggesting that breast cancer cells may employ mechanisms of anoikis resistance already inherent within a subset of normal HMECs. Thus, targeting the AMPK-PEA15 axis might prevent breast cancer dissemination and metastasis.

The role of pea3 group transcription factors in esophageal squamous cell carcinoma.

The transcription factors Pea3, Erm, and Er81 can promote cancer initiation and progression in various types of solid tumors. However, their role in esophageal squamous cell carcinoma (ESCC) has not been elucidated. In this study, we found that the expression levels of Pea3 and Erm, but not that of Er81, were significantly higher in ESCC compared with nontumor esophageal epithelium. A high level of Pea3 expression was significantly correlated with a shorter overall survival in a cohort of 81 patients with ESCC and the subgroup with N1 stage tumor (Wilcoxon-Gehan test, P = 0.016 and P = 0.001, respectively). Pea3 was overexpressed in seven ESCC cell lines compared with two immortalized esophageal cell lines. Pea3 knockdown reduced cell proliferation and suppressed nonadherent growth, migration, and invasion in ESCC cells in vitro. In addition, Pea3 knockdown in ESCC cells resulted in a down-regulation of phospho-Akt and matrix metalloproteinase 13, whereas a significant positive correlation in the expression levels was observed between Pea3 and phospho-Akt (r = 0.281, P

Inactivation of Rb in stromal fibroblasts promotes epithelial cell invasion

Stromal-derived growth factors are required for normal epithelial growth but are also implicated in tumour progression. We have observed inactivation of the retinoblastoma protein (Rb), through phosphorylation, in cancer-associated fibroblasts in oro-pharyngeal cancer specimens. Rb is well known for its cell-autonomous effects on cancer initiation and progression; however, cell non-autonomous functions of Rb are not well described. We have identified a cell non-autonomous role of Rb, using three-dimensional cultures, where depletion of Rb in stromal fibroblasts enhances invasive potential of transformed epithelia. In part, this is mediated by upregulation of keratinocyte growth factor (KGF), which is produced by the depleted fibroblasts. KGF drives invasion of epithelial cells through induction of MMP1 expression in an AKT- and Ets2-dependent manner. Our data identify that stromal fibroblasts can alter the invasive behaviour of the epithelium, and we show that altered expression of KGF can mediate these functions. © European Molecular Biology Organization.

Low dose effects of ionizing radiation on normal tissue stem cells

In recent years, there has been growing evidence for the involvement of stem cells in cancer initiation. As a result of their long life span, stem cells may have an increased propensity to accumulate genetic damage relative to differentiated cells. Therefore, stem cells of normal tissues may be important targets for radiation-induced carcinogenesis.

Knowledge of the effects of ionizing radiation (IR) on normal stem cells and on the processes involved in carcinogenesis is very limited. The influence of high doses of IR (>5 Gy) on proliferation, cell cycle and induction of senescence has been demonstrated in stem cells. There have been limited studies of the effects of moderate (0.5–5 Gy) and low doses (<0.5 Gy) of IR on stem cells however, the effect of low dose IR (LD-IR) on normal stem cells as possible targets for radiation-induced carcinogenesis has not been studied in any depth. There may also be important parallels between stem cell responses and those of cancer stem cells, which may highlight potential key common mechanisms of their response and radiosensitivity.

This review will provide an overview of the current knowledge of radiation-induced effects on normal stem cells, with particular focus on low and moderate doses of IR.

Étude de Necdin par un modèle de carcinogénèse lié à l’antigène grand T du Virus du polyome

Les virus sont utilisés depuis longtemps dans la recherche sur le cancer et ont grandement contribué à l’avancement des connaissances de même qu’à l’établissement de préceptes importants encore valables aujourd’hui dans le domaine. L’un des défis actuels est de mieux définir les étapes menant à la transition d’une cellule normale à une cellule transformée et c’est sur cette problématique que nous nous sommes penchés. Pour ce faire, nous avons tiré profit de l’utilisation de l’antigène grand-T du virus de polyome (PyLT), un virus capable d’induire des tumeurs chez les rongeurs. Cet oncogène viral à lui seul possède des propriétés intéressantes qui suggèrent que, en plus de l’immortalisation, il peut également contribuer aux événements précoces de la carcinogénèse. Ceci repose principalement sur la capacité de PyLT à induire des tumeurs en souris transgéniques et ce, avec une certaine latence ce qui suggère que des événements supplémentaires sont nécessaires. Ainsi, l’utilisation de PyLT dans un modèle de culture cellulaire permet de disséquer les changements qui lui sont attribuables. Dans un premier temps, l’établissement du profil d'expression génique associé à l'expression de PyLT dans un modèle murin nous a permis de sélectionner un bon nombre de gènes, parmi lesquels figurait Necdin. Nous avons choisi d’étudier Necdin plus en détail puisque peu d’attention était accordée à cette protéine dans le domaine du cancer, malgré que différentes données de la littérature lui suggèrent à la fois des fonctions suppresseurs de tumeur et oncogéniques. Nous avons démontré que, malgré sa fonction proposée de suppresseur de croissance, l’expression de Necdin n’est pas incompatible avec la prolifération dans la lignée cellulaire de souris NIH 3T3 et les cellules primaires humaines (IMR90), bien que l’inhibition de son expression par shARN confère un avantage prolifératif. Nous avons confirmé que Necdin est un gène cible de p53 induit par différents agents génotoxiques, toutefois son expression peut également être régulée de façon p53-indépendante. De plus, Necdin agit négativement sur l’arrêt du cycle cellulaire en réponse à l’activation de p53. Ceci suggère que Necdin est impliqué dans une boucle de régulation négative de la voie de p53 et que l’augmentation anormale de l’expression de Necdin pourrait contribuer à la perturbation la voie du suppresseur de tumeur p53. L’activation de p53 permet l’arrêt transitoire du cycle cellulaire en condition de stress, mais est aussi impliquée dans l’établissement d’un arrêt permanent nommé sénescence. La sénescence est un mécanisme de protection contre l’accumulation de mutations qui peut contribuer à l’initiation du cancer. Vu l’intéressante implication de Necdin dans la régulation de l’activité de p53, nous avons transposé les connaissances acquises du modèle murin à un modèle humain, plus adapté pour l’étude de la sénescence. La caractérisation de l’expression de Necdin dans des fibroblastes primaires humains à différents passages montre que les jeunes cellules en prolifération active expriment Necdin et que son niveau diminue avec l’établissement de la sénescence réplicative. Le même phénomène est observé lors de la sénescence prématurée provoquée par l’expression d’un oncogène et par l’exposition aux radiations ionisantes. De plus, dans des conditions normales de prolifération, la modulation de Necdin par des essais de gain et de perte de fonction n’affecte pas la durée de vie des cellules primaires. Toutefois, en condition de stress génotoxique dû à l’exposition aux irradiations, les cellules surexprimant Necdin présentent une radiorésistance accrue de la même façon que lorsque p53 est inactivé directement. Ce résultat en cellules humaines vient appuyer l’effet observé dans les cellules de souris sur l’impact qu’aura le niveau de Necdin sur la réponse de p53 en condition de stress. Un bref survol a été fait pour aborder de quelle façon nos résultats en culture cellulaire pouvaient se traduire dans des modèles de cancer chez l’humain. Nous avons caractérisé l’expression de Necdin dans deux types différents de cancer. D’abord, dans le cancer de l’ovaire, le niveau élevé de Necdin dans les tumeurs à faible potentiel de malignité (LMP) en comparaison aux cancers agressifs de l’ovaire de type séreux suggère que l’expression de Necdin se limite aux cellules de cancer LMP, qui présente généralement un p53 de type sauvage. Son expression est aussi retrouvée dans deux lignées cellulaires du cancer de l’ovaire non-tumorigéniques en xénogreffe de souris, dont l’une possède un p53 fonctionnel. De plus, la caractérisation de Necdin dans les lignées cellulaires du cancer de la prostate suggère une relation entre son expression et la présence de p53 fonctionnel. Dans le cancer de la prostate, tout comme pour le cancer de l’ovaire, Necdin semble être présent dans les lignées représentant un stade moins avancé de la maladie. L’utilisation de l’oncoprotéine virale PyLT nous a permis de révéler des propriétés intéressantes de Necdin. Nous proposons que dans certains contextes, l’expression constitutive de Necdin pourrait contribuer au cancer en retardant une réponse par p53 appropriée et possiblement en participant à l’augmentation de l’instabilité génomique. La fonction potentiellement oncogénique de Necdin quant à sa relation avec p53 que nous avons révélée requiert davantage d’investigation et les cancers caractérisés ici pourraient constituer de bons modèles à cette fin.

Fonctions antitumorales de la voie ERK/MAPK et développement rationnel de nouvelles stratégies thérapeutiques

Les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) régulent une multitude de processus cellulaires, incluant la prolifération, la survie et la différenciation. Ces kinases représentent l’élément terminal de la voie ERK/MAPK, laquelle est activée dans près de 30% de tous les cancers humains et donc généralement perçue comme étant un effecteur critique de la progression tumorale. Cependant, une accumulation d’observations suggèrent que les kinases ERK pourraient également induire la suppression tumorale. Le but premier de cette thèse est de démontrer comment la signalisation par ERK peut contribuer à la suppression tumorale et de concilier les mécanismes impliqués avec son rôle dans la progression du cancer. Puisque nos travaux ont une incidence sur les bénéfices attendus de certaines thérapies actuellement en développement, le deuxième objectif de la thèse est de proposer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour combattre le cancer. Nous avons démontré qu’une hyperactivation des kinases ERK induit la sénescence cellulaire. Le mécanisme implique la dégradation sélective et dépendante du protéasome de nombreuses protéines, ce que nous avons nommé le SAPD (Senescence-Associated Protein Degradation). Ce processus cible des protéines requises pour différentes fonctions cellulaires, incluant la progression du cycle cellulaire, les fonctions mitochondriales et la biogenèse des ribosomes. Ensuite, nos résultats montrent qu’en plus d’inhiber l’établissement de la sénescence, une diminution de la signalisation par les kinases ERK favorise la reprogrammation cellulaire, laquelle permet aux cellules précancéreuses de développer leur tumorigénicité et aux cellules cancéreuses d’acquérir des propriétés attribuables aux cellules souches. Ces observations suggèrent que les mécanismes qui inhibent la voie ERK/MAPK pourraient favoriser l’initiation du cancer, la formation de métastases et la résistance à diverses thérapies. Enfin, nous avons démontré que la metformine, utilisée pour le traitement du diabète, inhibe le facteur de transcription NF-kB. Ce dernier joue un rôle central dans la reprogrammation cellulaire et dans la production de cytokines pro-inflammatoires nocives par les cellules sénescentes. Ainsi, nous émettons l’hypothèse que la metformine pourrait être utilisée en combinaison avec certaines thérapies afin d’éviter les effets secondaires tant d’une inhibition des kinases ERK que d’une hyperactivation. Globalement, les résultats présentés démontrent que l’effet de la voie ERK/MAPK dépend de la force de son activation. Alors qu’une activation modérée peut contribuer à la prolifération de la plupart des cellules, une forte activation induit la sénescence tandis qu’au contraire, une faible activation favorise la reprogrammation des cellules cancéreuses et donc une augmentation de l’agressivité de la tumeur. Cette polyvalence de la voie suggère une certaine prudence face à l’usage des inhibiteurs de la voie ERK/MAPK. Cependant, elle nous motive à travailler au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques, lesquelles pourraient inclure la metformine.

Identification of a microRNA signature associated with progression of leukoplakia to oral carcinoma

MicroRNAs (miRs) are non-coding RNA molecules involved in cancer initiation and progression. Deregulated miR expression has been implicated in cancer; however, there are no studies implicating an miR signature associated with progression in oral squamous cell carcinoma (OSCC). Although OSCC may develop from oral leukoplakia, clinical and histological assessments have limited prognostic value in predicting which leukoplakic lesions will progress. Our aim was to quantify miR expression changes in leukoplakia and same-site OSCC and to identify an miR signature associated with progression. We examined miR expression changes in 43 sequential progressive samples from 12 patients and four non-progressive leukoplakias from four different patients, using TaqMan Low Density Arrays. The findings were validated using quantitative RT-PCR in an independent cohort of 52 progressive dysplasias and OSCCs, and five non-progressive dysplasias. Global miR expression profiles distinguished progressive leukoplakia/OSCC from non-progressive leukoplakias/normal tissues. One hundred and nine miRs were highly expressed exclusively in progressive leukoplakia and invasive OSCC. miR-21, miR-181b and miR-345 expressions were consistently increased and associated with increases in lesion severity during progression. Over-expression of miR-21, miR-181b and miR-345 may play an important role in malignant transformation. Our study provides the first evidence of an miR signature potentially useful for identifying leukoplakias at risk of malignant transformation.

Potential quimioprotetor do DIM (3, 3' - Di-indolil-metano) e da Genisteína em linhagens de células tumorais prostáticas humanas LNCaP e PC-3 expostas ao Bisfenol A

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

MYC activity mitigates response to rapamycin in prostate cancer through eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1-mediated inhibition of autophagy.

Loss of PTEN and activation of phosphoinositide 3-kinase are commonly observed in advanced prostate cancer. Inhibition of mammalian target of rapamycin (mTOR), a downstream target of phosphoinositide 3-kinase signaling, results in cell cycle arrest and apoptosis in multiple in vitro and in vivo models of prostate cancer. However, single-agent use of mTOR inhibition has limited clinical success, and the identification of molecular events mitigating tumor response to mTOR inhibition remains a critical question. Here, using genetically engineered human prostate epithelial cells (PrEC), we show that MYC, a frequent target of genetic gain in prostate cancers, abrogates sensitivity to rapamycin by decreasing rapamycin-induced cytostasis and autophagy. Analysis of MYC and the mTOR pathway in human prostate tumors and PrEC showed selective increased expression of eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1 (4EBP1) with gain in MYC copy number or forced MYC expression, respectively. We have also found that MYC binds to regulatory regions of the 4EBP1 gene. Suppression of 4EBP1 expression resulted in resensitization of MYC-expressing PrEC to rapamycin and increased autophagy. Taken together, our findings suggest that MYC expression abrogates sensitivity to rapamycin through increased expression of 4EBP1 and reduced autophagy.

Implication de MEK1 et MEK2 dans l'initiation et la progression du cancer colorectal

Une dérégulation de la voie de signalisation Ras/Raf/MEK/ERK1/2 est observée dans plus de 30% des cancers et des mutations activatrices de RAS sont observées dans 30% à 50% des adénomes colorectaux. À la suite d’une analyse extensive de biopsies de tumeurs colorectales humaines par micromatrices tissulaires (TMA), nous avons observé que 44% des tissus cancéreux exprimaient MEK1/2 phosphorylés, contre 10% des tissus normaux. L'analyse des TMA a également révélé que 79% des tumeurs arboraient un marquage nucléaire de MEK1/2 phosphorylés, contre 4 % pour les tissus normaux. Bien que la voie MEK/ERK1/2 soit fréquemment activée dans les cancers, le rôle précis des isoformes de MEK1 et de MEK2 n'a jamais été clairement établie. De même, l'impact de cette localisation nucléaire aberrante de phospho-MEK1/2, dans l'initiation et la progression des cancers colorectaux, est inconnu. Lors d'un premier projet, nous avons démontré, que l’expression de MEK1 ou MEK2 activé est suffisante pour transformer in vitro des cellules intestinales épithéliales de rat (IEC-6). L'expression des mutants actifs de MEK1 ou MEK2 est suffisante pour induire une dérégulation de la prolifération cellulaire et engendrer la formation d'adénocarcinomes invasifs dans un modèle de greffe orthotopique du côlon chez la souris. Nous avons également démontré que l'inhibition de MEK2 par shRNA supprime complètement la prolifération des lignées humaines de cancer du côlon, alors que la suppression de MEK1 a peu d'effet sur la capacité de prolifération. Le deuxième projet, nous a permis d'observer que l'expression d'un mutant nucléaire de MEK1 dans les cellules IEC-6 transforme drastiquement les cellules. Une augmentation de prolifération, une résistance à l'anoikose, un dérèglement du cycle cellulaire, de l'instabilité chromosomique (CIN), de la tétra/aneuploïdie sont observés. La caractérisation des mécanismes responsables de cette localisation aberrante de MEK1/2 phosphorylés, a permis d'identifier la protéine Sef, un régulateur de la localisation cytoplasmique de MEK/ERK1/2. Nous avons démontré que l'expression d'une forme oncogénique de Ras (H-RasV12) inhibe l'expression de Sef, engendrant alors une accumulation nucléaire de MEK1/2 activés. Plus encore, la réexpression de Sef restaure la localisation cytoplasmique de MEK1/2 et renverse les propriétés tumorigéniques ainsi que l'aneuploïdie induite par Ras activé. Un troisième projet, visant la caractérisation des mécanismes associés à la CIN et à l'aneuploïde engendrés par l'activation aberrante de la voie de Ras-ERK1/2, a permis d'observer que l'hyperactivation de ERK1/2 induit des anomalies mitotiques menant à la binucléation. Une localisation erronée et une surexpression de la kinase Aurora A, de même que des protéines de passage du complexe chromosomique (CPC), Aurora B, Survivine et INCENP, sont observées. L'inhibition partielle de l'activation de ERK1/2 par de faible dose de PD184352, un inhibiteur de MEK1/2, est suffisante pour renverser la surexpression de ces régulateurs mitotiques, de même que corriger les anomalies de la mitose et réduire la tétra/aneuploïdie engendrée par Ras oncogénique. Ainsi, nous avons démontré, pour la première fois, que la voie des MAP kinases ERK1/2 est impliquée dans la CIN, la tétraploïdie et l'aneuploïdie. Nos résultats suggèrent que la perte de Sef est un événement oncogénique précoce, qui contribue à la localisation nucléaire aberrante de MEK1/2 qui est observée dans les tumeurs colorectales. Cette localisation anormale de MEK1/2 est associée à l'initiation de la transformation, la progression tumorale et la CIN, via l'activité soutenue de ERK1/2. Ces informations sont capitales et démontrent l’importance de la voie de signalisation Ras/Raf/MEK/ERK1/2 dans le processus de tumorigénèse colorectale.

Genetic analysis of tumour initiation and progression in a Drosophila model of epithelial cancer

Neoplastic overgrowth depends on the cooperation of several mutations ultimately leading to major rearrangements in cellular behaviour. The molecular crosstalk occurring between precancerous and normal cells strongly influences the early steps of the tumourigenic process as well as later stages of the disease. Precancerous cells are often removed by cell death from normal tissues but the mechanisms responsible for such fundamental safeguard processes remain in part elusive. To gain insight into these phenomena I took advantage of the clonal analysis methods available in Drosophila for studying the phenotypes due to loss of function of the neoplastic tumour suppressor lethal giant larvae (lgl). I found that lgl mutant cells growing in wild-type imaginal wing discs are subject to the phenomenon of cell competition and are eliminated by JNK-dependent cell death because they express very low levels of dMyc oncoprotein compared to those in the surrounding tissue. Indeed, in non-competitive backgrounds lgl mutant clones are able to overgrow and upregulate dMyc, overwhelming the neighbouring tissue and forming tumourous masses that display several cancer hallmarks. These phenotypes are completely abolished by reducing dMyc abundance within mutant cells while increasing it in lgl clones growing in a competitive context re-establishes their tumourigenic potential. Similarly, the neoplastic growth observed upon the oncogenic cooperation between lgl mutation and activated Ras/Raf/MAPK signalling was found to be characterised by and dependent on the ability of cancerous cells to upregulate dMyc with respect to the adjacent normal tissue, through both transcriptional and post-transcriptional mechanisms, thereby confirming its key role in lgl-induced tumourigenesis. These results provide first evidence that the dMyc oncoprotein is required in lgl mutant tissue to promote invasive overgrowth in developing and adult epithelial tissues and that dMyc abundance inside versus outside lgl mutant clones plays a key role in driving neoplastic overgrowth.

Increased expression of phosphorylated forms of RNA-dependent protein kinase and eukaryotic initiation factor 2 alpha may signal skeletal muscle atrophy in weight-losing cancer patients

Previous studies suggest that the activation (autophosphorylation) of dsRNA-dependent protein kinase (PKR) can stimulate protein degradation, and depress protein synthesis in skeletal muscle through phosphorylation of the translation initiation factor 2 (eIF2) on the alpha-subunit. To understand whether these mediators are important in muscle wasting in cancer patients, levels of the phospho forms of PKR and eIF2alpha have been determined in rectus abdominus muscle of weight losing patients with oesophago-gastric cancer, in comparison with healthy controls. Levels of both phospho PKR and phospho eIF2alpha were significantly enhanced in muscle of cancer patients with weight loss irrespective of the amount and there was a linear relationship between phosphorylation of PKR and phosphorylation of eIF2alpha (correlation coefficient 0.76, P=0.005). This suggests that phosphorylation of PKR led to phosphorylation of eIF2alpha. Myosin levels decreased as the weight loss increased, and there was a linear relationship between myosin expression and the extent of phosphorylation of eIF2alpha (correlation coefficient 0.77, P=0.004). These results suggest that phosphorylation of PKR may be an important initiator of muscle wasting in cancer patients.

Kallikrein-related peptidase 4 activation of protease-activated receptor family members and association with prostate cancer

Two areas of particular importance in prostate cancer progression are primary tumour development and metastasis. These processes involve a number of physiological events, the mediators of which are still being discovered and characterised. Serine proteases have been shown to play a major role in cancer invasion and metastasis. The recently discovered phenomenon of their activation of a receptor family known as the protease activated receptors (PARs) has extended their physiological role to that of signaling molecule. Several serine proteases are expressed by malignant prostate cancer cells, including members of the kallikreinrelated peptidase (KLK) serine protease family, and increasingly these are being shown to be associated with prostate cancer progression. KLK4 is highly expressed in the prostate and expression levels increase during prostate cancer progression. Critically, recent studies have implicated KLK4 in processes associated with cancer. For example, the ectopic over-expression of KLK4 in prostate cancer cell lines results in an increased ability of these cells to form colonies, proliferate and migrate. In addition, it has been demonstrated that KLK4 is a potential mediator of cellular interactions between prostate cancer cells and osteoblasts (bone forming cells). The ability of KLK4 to influence cellular behaviour is believed to be through the selective cleavage of specific substrates. Identification of relevant in vivo substrates of KLK4 is critical to understanding the pathophysiological roles of this enzyme. Significantly, recent reports have demonstrated that several members of the KLK family are able to activate PARs. The PARs are relatively new members of the seven transmembrane domain containing G protein coupled receptor (GPCR) family. PARs are activated through proteolytic cleavage of their N-terminus by serine proteases, the resulting nascent N-terminal binds intramolecularly to initiate receptor activation. PARs are involved in a number of patho-physiological processes, including vascular repair and inflammation, and a growing body of evidence suggests roles in cancer. While expression of PAR family members has been documented in several types of cancers, including prostate, the role of these GPCRs in prostate cancer development and progression is yet to be examined. Interestingly, several studies have suggested potential roles in cellular invasion through the induction of cytoskeletal reorganisation and expression of basement membrane-degrading enzymes. Accordingly, this program of research focussed on the activation of the PARs by the prostate cancer associated enzyme KLK4, cellular processing of activated PARs and the expression pattern of receptor and agonist in prostate cancer. For these studies KLK4 was purified from the conditioned media of stably transfected Sf9 insect cells expressing a construct containing the complete human KLK4 coding sequence in frame with a V5 epitope and poly-histidine encoding sequences. The first aspect of this study was the further characterisation of this recombinant zymogen form of KLK4. The recombinant KLK4 zymogen was demonstrated to be activatable by the metalloendopeptidase thermolysin and amino terminal sequencing indicated that thermolysin activated KLK4 had the predicted N-terminus of mature active KLK4 (31IINED). Critically, removal of the pro-region successfully generated a catalytically active enzyme, with comparable activity to a previously published recombinant KLK4 produced from S2 insect cells. The second aspect of this study was the activation of the PARs by KLK4 and the initiation of signal transduction. This study demonstrated that KLK4 can activate PAR-1 and PAR-2 to mobilise intracellular Ca2+, but failed to activate PAR-4. Further, KLK4 activated PAR-1 and PAR-2 over distinct concentration ranges, with KLK4 activation and mobilisation of Ca2+ demonstrating higher efficacy through PAR-2. Thus, the remainder of this study focussed on PAR-2. KLK4 was demonstrated to directly cleave a synthetic peptide that mimicked the PAR-2 Nterminal activation sequence. Further, KLK4 mediated Ca2+ mobilisation through PAR-2 was accompanied by the initiation of the extra-cellular regulated kinase (ERK) cascade. The specificity of intracellular signaling mediated through PAR-2 by KLK4 activation was demonstrated by siRNA mediated protein depletion, with a reduction in PAR-2 protein levels correlating to a reduction in KLK4 mediated Ca2+mobilisation and ERK phosphorylation. The third aspect of this study examined cellular processing of KLK4 activated PAR- 2 in a prostate cancer cell line. PAR-2 was demonstrated to be expressed by five prostate derived cell lines including the prostate cancer cell line PC-3. It was also demonstrated by flow cytometry and confocal microscopy analyses that activation of PC-3 cell surface PAR-2 by KLK4 leads to internalisation of this receptor in a time dependent manner. Critically, in vivo relevance of the interaction between KLK4 and PAR-2 was established by the observation of the co-expression of receptor and agonist in primary prostate cancer and prostate cancer bone lesion samples by immunohistochemical analysis. Based on the results of this study a number of exciting future studies have been proposed, including, delineating differences in KLK4 cellular signaling via PAR-1 and PAR-2 and the role of PAR-1 and PAR-2 activation by KLK4 in prostate cancer cells and bone cells in prostate cancer progression.