The role of WNT singling activation and its blockage in the focal retinal lesion of Ccl2-/-/Cx3cr1-/- mice with and without rd8 background

Purpose: The canonical Wnt signaling is activated by retinal injury. Under disease conditions, the Wnt mediates inflammatory responses. Inflammation has been detected in age-related macular degeneration (AMD) retinas and Ccl2-/-/Cx3cr1-/- (DKO) mice with or without rd8 background, a model with progressive AMD-like lesions including focal photoreceptor/RPE degeneration and A2E accumulation. We evaluated the effects of Wnt-β-catenin activation and an antibody against LRP6, the co-receptor of Wnt on these two models.

Methods: anti-LRP6 antibody (2F1, 1 μl of 5 μg/μL) was intravitreally injected into the right eyes in 3 separate experiments (DKOrd8, N=35; DKO, N=10). The left eyes were injected with mouse IgG as controls. Fundoscopy was taken before injection and sequentially monthly after injection. Two months after injection, light-adapted ERG responses were recorded; then the eyes were harvested for histopathology, the determination of retinal A2E, and molecular analysis. The microarray of ocular mRNA of 92 Wnt genes was compared between the treated and the control eyes. The phosphorylated types of LRP6 and β-catenin and endogenous forms of the proteins were assayed by Western blotting.

Results: For DKOrd8 mice, the fundus showed a slower progression or alleviation of retinal lesions in the right eyes as compared to the left eyes. Among 35 pairs of eyes, 26 (74.3%) were improved, 7 (20%) stayed the same and 2 (5.7%) remained progressing. Histology confirmed the clinical observation. Light-adapted ERG of the treated eyes exhibited larger amplitudes compared to control eyes (n=6), with greater improvements under UV light stimulus. There was a significantly lower A2E in the treated eyes compared to controls. Microarray of 92 Wnt genes expression pattern was similar in both eyes. Western blotting indicated local administration of 2F1 antibody to suppress the activation of Wnt pathway in the retina. For DKO mice, the treatment improved ERG but less effect on RPE degeneration.

Conclusions: The canonical Wnt signaling plays a role in the focal retina lesion of both DKOrd8 and DKO mice; and intravitreal anti-LRP6 antibody might be neuroprotective via deactivation of canonical Wnt pathway.

Wnt signaling in age-related macular degeneration: human macular tissue and mouse model

BACKGROUND: The wingless-type MMTV integration site (Wnt) signaling is a group of signal transduction pathways. In canonical Wnt pathway, Wnt ligands bind to low-density lipoprotein receptor-related protein 5 or 6 (LRP5 or LRP6), resulting in phosphorylation and activation of the receptor. We hypothesize that canonical Wnt pathway plays a role in the retinal lesion of age-related macular degeneration (AMD), a leading cause of irreversible central visual loss in elderly.

METHODS: We examined LRP6 phosphorylation and Wnt signaling cascade in human retinal sections and plasma kallistatin, an endogenous inhibitor of the Wnt pathway in AMD patients and non-AMD subjects. We also used the Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (-/-) /rd8 and Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (gfp/gfp) mouse models with AMD-like retinal degeneration to further explore the involvement of Wnt signaling activation in the retinal lesions in those models and to preclinically evaluate the role of Wnt signaling suppression as a potential therapeutic option for AMD.

RESULTS: We found higher levels of LRP6 (a key Wnt signaling receptor) protein phosphorylation and transcripts of the Wnt pathway-targeted genes, as well as higher beta-catenin protein in AMD macula compared to controls. Kallistatin was decreased in the plasma of AMD patients. Retinal non-phosphorylated-β-catenin and phosphorylated-LRP6 were higher in Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (-/-) /rd8 mice than that in wild type. Intravitreal administration of an anti-LRP6 antibody slowed the progression of retinal lesions in Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (-/-) /rd8 and Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (gfp/gfp) mice. Electroretinography of treated eyes exhibited larger amplitudes compared to controls in both mouse models. A2E, a retinoid byproduct associated with AMD was lower in the treated eyes of Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (-/-) /rd8 mice. Anti-LRP6 also suppressed the expression of Tnf-α and Icam-1 in Ccl2 (-/-) /Cx3cr1 (-/-) /rd8 retinas.

CONCLUSIONS: Wnt signaling may be disturbed in AMD patients, which could contribute to the retinal inflammation and increased A2E levels found in AMD. Aberrant activation of canonical Wnt signaling might also contribute to the focal retinal degenerative lesions of mouse models with Ccl2 and Cx3cr1 deficiency, and intravitreal administration of anti-LRP6 antibody could be beneficial by deactivating the canonical Wnt pathway.

Probing a 3,4'-bis-guanidinium diaryl derivative as an allosteric inhibitor of the Ras pathway

Mutations in the Ras-pathway occur in 40–45% of colorectal cancer patients and these are refractory to treatment with anti-EGFR-targeted therapies. With this in mind, we have studied novel guanidinium- based compounds with demonstrated ability to inhibit protein kinases. We have performed docking stud- ies with several proteins involved in the Ras-pathway and evaluated 3,40-bis-guanidinium derivatives as inhibitors of B-Raf. Compound 3, the most potent in this series, demonstrated strong cytotoxicity in WTB-Raf colorectal cancer cells and also cells with V600EB-Raf mutations. Cell death was induced by apop- tosis, detected by cleavage of PARP. Compound 3 also potently inhibited ERK1/2 signalling, inhibited EGFR activation, as well as Src, STAT3 and AKT phosphorylation. Mechanistically, compound 3 did not inhibit ATP binding to B-Raf, but direct assay of B-Raf activity was inhibited in vitro. Summarizing, we have identified a novel B-Raf type-III inhibitor that exhibits potent cellular cytotoxicity

Constitutive activation of Wnt signaling favors generation of memory CD8 T cells.

T cell factor-1 (TCF-1) and lymphoid enhancer-binding factor 1, the effector transcription factors of the canonical Wnt pathway, are known to be critical for normal thymocyte development. However, it is largely unknown if it has a role in regulating mature T cell activation and T cell-mediated immune responses. In this study, we demonstrate that, like IL-7Ralpha and CD62L, TCF-1 and lymphoid enhancer-binding factor 1 exhibit dynamic expression changes during T cell responses, being highly expressed in naive T cells, downregulated in effector T cells, and upregulated again in memory T cells. Enforced expression of a p45 TCF-1 isoform limited the expansion of Ag-specific CD8 T cells in response to Listeria monocytogenes infection. However, when the p45 transgene was coupled with ectopic expression of stabilized beta-catenin, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated, with enhanced ability to produce IL-2. Moreover, these memory CD8 T cells expanded to a larger number of secondary effectors and cleared bacteria faster when the immunized mice were rechallenged with virulent L. monocytogenes. Furthermore, in response to vaccinia virus or lymphocytic choriomeningitis virus infection, more Ag-specific memory CD8 T cells were generated in the presence of p45 and stabilized beta-catenin transgenes. Although activated Wnt signaling also resulted in larger numbers of Ag-specific memory CD4 T cells, their functional attributes and expansion after the secondary infection were not improved. Thus, constitutive activation of the canonical Wnt pathway favors memory CD8 T cell formation during initial immunization, resulting in enhanced immunity upon second encounter with the same pathogen.

PROX1 Promotes Metabolic Adaptation and Fuels Outgrowth of Wnt(high) Metastatic Colon Cancer Cells.

The Wnt pathway is abnormally activated in the majority of colorectal cancers, and significant knowledge has been gained in understanding its role in tumor initiation. However, the mechanisms of metastatic outgrowth in colorectal cancer remain a major challenge. We report that autophagy-dependent metabolic adaptation and survival of metastatic colorectal cancer cells is regulated by the target of oncogenic Wnt signaling, homeobox transcription factor PROX1, expressed by a subpopulation of colon cancer progenitor/stem cells. We identify direct PROX1 target genes and show that repression of a pro-apoptotic member of the BCL2 family, BCL2L15, is important for survival of PROX1(+) cells under metabolic stress. PROX1 inactivation after the establishment of metastases prevented further growth of lesions. Furthermore, autophagy inhibition efficiently targeted metastatic PROX1(+) cells, suggesting a potential therapeutic approach. These data identify PROX1 as a key regulator of the transcriptional network contributing to metastases outgrowth in colorectal cancer.

Caractérisation de DKK1 comme antigène tumoral et manipulation des lymphocytes T CD8 : utilisation de la voie de Wnt en immunothérapie du cancer

L’immunothérapie tumorale à médiation cellulaire est un traitement qui utilise le système immunitaire des patients afin d’induire une réponse des lymphocytes T CD8+ (T CD8+) contre la tumeur. Cette réponse est produite suite à la reconnaissance des antigènes par les T CD8+. Ces cibles sont appelées antigènes tumoraux (TAA) et définies comme des protéines exprimées par les cellules cancéreuses mais absentes des tissus normaux. Par une approche bio-informatique, notre laboratoire a identifié Dickkopf-1 (DKK1), une protéine inhibitrice de la voie de Wnt, comme un TAA potentiel. Une immunothérapie à médiation cellulaire efficace requiert l’identification de TAA candidats pertinents. Le traitement de patients par immunothérapie pourrait également être améliorées par l’augmentation de la puissance d’action anti-tumorale ainsi que la persistante des T CD8+ spécifiques aux TAA. Ce projet de doctorat se divise en deux parties : 1- La caractérisation de l’expression de DKK1 dans les cancers communs et la détermination de son immunogénicité afin de valider sa candidature comme TAA. 2- La reprogrammation des T CD8+, de patients atteints d’un cancer commun, vers un phénotype moins différentié afin d’augmenter leur potentiel anti-tumoral et leur persistance. Dans le premier objectif, nous avons caractérisé l’expression de DKK1 dans le cancer du sein et dans d’autres cancers communs. Le profil d’expression de DKK1 a été étudié par RT-PCR et par ELISA dans plusieurs lignées cellulaires de cancer et dans les tissus normaux. L’expression de DKK1 a aussi été étudiée dans des échantillons cliniques provenant de cancers du sein, du poumon et du rein. Trente pourcents (30%) des tumeurs provenant d’un cancer du sein exprimaient DKK1. La moitié des tumeurs DKK1(+) était triple négative, donc pas de récepteurs d’œstrogène et de progestérone et était Her-2/neu(-) (ces patientes ont des possibilités de traitements très restreintes). De plus, 50% des échantillons cliniques de tumeurs du poumon et 30% des tumeurs de rein exprimaient DKK1. Les observations effectuées dans le cancer du poumon ont été, par la suite, corroborées par d'autres groupes qui ont montré une corrélation entre l'expression de DKK1 et un mauvais pronostic. Après avoir confirmée l’expression de DKK1 dans les cancers communs, justifiant ainsi sa candidature comme TAA, nous avons évalué l’immunogénicité de DKK1. Pour ce faire, nous avons effectué des stimulations in vitro de cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC) de patient(e)s atteint(e)s d’un cancer du sein ou du poumon avec des peptides dérivés de DKK1 pouvant être présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité (CMH) HLA-A*0201. Des clones de T CD8+ reconnaissant un peptide de DKK1 ont été identifiés et isolés. Par essai multiplex et cytométrie de flux intracellulaire, la polyfonctionnalité d’un ces clones T CD8+ spécifiques à DKK1 a été étudiée et a révélée un profil effecteur, renforçant ainsi la candidature de DKK1 comme TAA. Dans l’ensemble, les résultats obtenus dans cette première partie de thèse suggèrent une possible utilisation de DKK1 en immunothérapie contre les cancers communs, attribuable à son expression dans ces cancers et la possibilité de faire proliférer des T CD8+ effecteurs spécifiques à DKK1 à partir de sang de patients. Dans la seconde partie de cette thèse, je décrirai la manipulation in vitro des T CD8+ de patients atteints d’un cancer commun, afin d’augmenter la force et la durée de leurs fonctions anti-tumorales. Il a été démontré que des lymphocytes moins différentiés sont capables d’une réponse immunologique plus efficace et durable. Nous avons basé ce projet sur l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique de la GSK-3, pour activer de la voie de Wnt chez les T CD8+ et ainsi leur conférer un phénotype moins différentié, partageant des caractéristiques de la cellule naïve et de la cellule mémoire. Des cultures de T CD8+, spécifiques à des antigènes viraux, en présence de l’inhibiteur ont permis d’augmenter la sécrétion d’interféron (IFN)- et leur activité cytotoxique. Ces résultats indiquent un effet de l’activation de la voie de Wnt sur la fonction des T CD8+. Ces observations sont rapportées pour la première fois chez les T CD8+ humains et suggèrent une nouvelle stratégie, applicables à l’immunothérapie du cancer, afin de prolonger la persistance des cellules ainsi que leur activité anti-tumorale. En conclusion, ces travaux de recherche ont mené à la réalisation d’une étape très importante dans la validation de la candidature de DKK1 comme TAA pour les cancers communs, soit la démonstration de son expression dans ces cancers et son absence dans les tissus normaux dérivés d’organes importants. Ces travaux ont également mené à la démonstration de l’immunogénicité de DKK1, par l’identification d’un peptide de DKK1 reconnu par les T CD8+. De plus, l’étude de la polyfonctionnalité des T CD8+ spécifiques à DKK1 a révélée un profil effecteur favorable pour l’obtention d’une réponse anti-tumorale efficace. Ces découvertes pourraient servir à l’élaboration d’une stratégie d’immunothérapie à médiation cellulaire pour les cancers communs. Pour sa part, l’étude phénotypique et fonctionnelle de la modulation de la voie de Wnt dans les T CD8+ a donné lieu à l’observation d’un phénotype encore jamais rapporté chez l’humain, conférant aux T CD8+ un aspect moins différentié avec des caractéristiques propre à un phénotype mémoire. Ces résultats sont pertinents dans l’amélioration de l’immunothérapie du cancer, passant par l’augmentation de la persistance des lymphocytes. En résumé, les résultats présentés dans cette thèse de doctorat fournissent des évidences indéniables quant à la validation de DKK1 comme TAA pour une immunothérapie à médiation cellulaire des cancers communs. Ces résultats fournissent également des preuves quant à la pertinence de la reprogrammation des T CD8+ par l’activation de la voie de la voie de Wnt, afin de générer des lymphocytes médiateurs plus efficaces pour ce type de thérapie.

CD40 signalling in platelet function

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

The specific in vivo role of PPARgamma and its downstream signaling pathway in the pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose.

The role of Ken&Barbie in JAK/STAT signalling during development of Drosophila melanogaster

Cell-cell interactions during embryonic development are crucial in the co-ordination of growth, differentiation and maintenance of many different cell types. To achieve this co-ordination each cell must properly translate signals received from neighbouring cells, into spatially and temporally appropriate developmental responses. A surprisingly limited number of signal pathways are responsible for the differentiation of enormous variety of cell types. As a result, pathways are frequently 'reused' during development. Thus, in mammals the JAK/STAT pathway is required during early embryogenesis, mammary gland formation, hematopoiesis and, finally, plays a pivotal role in immune response. In the canonical way, the JAK/STAT pathway is represented by a transmembrane receptor associated with a Janus kinase (JAK), which upon stimulation by an extra-cellular ligand, phosphorylates itself, the receptor and, finally, the signal transducer and activator of transcription (STAT) molecules. Phosphorylated STATs dimerise and translocate to the nucleus where they activate transcription of target genes. The JAK/STAT pathway has been conserved throughout evolution, and all known components are present in the genome of Drosophila melanogaster. Besides hematopoietic and immunity functions, the pathway is also required during development for processes including embryonic segmentation, tracheal morphogenesis, posterior spiracle formation etc. This study describes Drosophila Ken&Barbie (Ken) as a selective regulator of JAK/STAT signalling. ken mutations identified in a screen for modulators of an eye overgrowth phenotype, caused by over-expression of the pathway ligand unpaired, also interact genetically with the pathway receptor domeless (dome) and the transcription factor stat92E. Over-expression of Ken can phenocopy developmental defects known to be caused by the loss of JAK/STAT signalling. These genetic interactions suggest that Ken may function as a negative regulator of the pathway. Ken has C-terminal Zn-finger domain, presumably for DNA binding, and N-terminal BTB/POZ domain, often found in transcriptional repressors. Using EGFP-fused construct expressed in vivo revealed nuclear accumulation of Ken. Therefore, it is proposed that Ken may act as a suppresser of STAT92E target genes. An in vitro assay, termed SELEX, determined that Ken specifically binds to a DNA sequence, with the essential for DNA recognition core overlapping that of STAT92E. This interesting observation suggests that not all STAT92E sites may also allow Ken binding. Strikingly, when effects of ectopic Ken on the expression of putative JAK/STAT pathway target genes were examined, only a subset of the genes tested, namely vvl, trh and kni, were down-regulated by Ken, whereas some others, such as eve and fj, appeared to be unresponsive. Further analysis of vvl, one of the genes susceptible to ectopic Ken, was undertaken. In the developing hindgut, expression of vvl is JAK/STAT pathway dependent, but remains repressed in the posterior spiracles, despite the stimulation of STAT92E by Upd in their primordia. Importantly, ken is also expressed in the developing posterior spiracles. Strikingly, up-regulation of vvl is observed in these tissues in ken mutant embryos. These imply that while ectopic Ken is sufficient to repress the expression of vvl in the hindgut, endogenous Ken is also necessary to prevent its activation in the posterior spiracles. It is therefore conceivable that ectopic vvl expression in the posterior spiracles of the ken mutants may be the result of de-repression of endogenous STAT92E activity. Another consequence of these observations is a fine balance that must exist between STAT92E and Ken activities. Apparently, endogenous level of Ken is sufficient to repress vvl, but not other, as yet unidentified, JAK/STAT pathway targets, whose presumable activation by STAT92E is required for posterior spiracle development as the embryos mutant for dome, the receptor of the pathway, show severe spiracle defects. These defects are also observed in the embryos mis-expressing Ken. Though it is possible that the posterior spiracle phenotype caused by higher levels of Ken results from a JAK/STAT pathway independent activity, it seems to be more likely that Ken acts in a dosage dependent manner, and extra Ken is able to further antagonise JAK/STAT pathway target genes. While STAT92E binding sites required for target gene expression have been poorly characterised, the existence of genome data allows the prediction of candidate STAT92E sites present in target genes promoters to be attempted. When a 6kb region containing the putative regulatory domains flanking the vvl locus are examined, only a single potential STAT92E binding site located 825bp upstream of the translational start can be detected. Strikingly, this site also includes a perfect Ken binding sequence. Such an in silico observation, though consistent with both Ken DNA binding assay in vitro and regulation of STAT92E target genes in vivo, however, requires further analysis. The JAK/STAT pathway is implicated in a variety of processes during embryonic and larval development as well as in imago. In each case, stimulation of the same transcription factor results in different developmental outcomes. While many potential mechanisms have been proposed and demonstrated to explain such pleiotropy, the present study indicates that Ken may represent another mechanism, with which signal transduction pathways are controlled. Ken selectively down-regulates a subset of potential target genes and so modifies the transcriptional profile generated by activated STAT92E - a mechanism, which may be partially responsible for differences in the morphogenetic processes elicited by JAK/STAT signalling during development.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Wnt6 controls amniote neural crest induction through the non-canonical signaling pathway

The neural crest is a multipotent embryonic cell population that arises from neural ectoderm and forms derivatives essential for vertebrate function. Neural crest induction requires an ectodermal signal, thought to be a Writ ligand, but the identity of the Wnt that performs this function in amniotes is unknown. Here, we demonstrate that Wnt6, derived from the ectoderm, is necessary for chick neural crest induction. Crucially, we also show that Wnt6 acts through the non-canonical pathway and not the beta-catenin-dependant pathway. Surprisingly, we found that canonical Wnt signaling inhibited neural crest production in the chick embryo. In light of studies in anamniotes demonstrating that canonical Wnt signaling induces neural crest, these results indicate a significant and novel change in the mechanism of neural crest induction during vertebrate evolution. These data also highlight a key role for noncanonical Wnt signaling in cell type specification from a stem population during development.

CB1 receptor allosteric modulators display both agonist and signaling pathway specificity

We have previously identified allosteric modulators of the cannabinoid CB1 receptor (Org 27569, PSNCBAM-1) which display a contradictory pharmacological profile: increasing the specific binding of the CB1 receptor agonist [3H]CP55940 but producing a decrease in CB1 receptor agonist efficacy. Here we investigated the effect one or both compounds in a broad range of signalling endpoints linked to CB1 receptor activation. We assessed the effect of these compounds on CB1 receptor agonist-induced [35S]GTPγS binding, inhibition and stimulation of forskolin stimulated cAMP production, phosphorylation of ERK, and β arrestin recruitment. We also investigated the effect of these allosteric modulators on CB1 agonist binding kinetics. Both compounds display ligand dependence, being significantly more potent as modulators of CP55940 signalling as compared to WIN55212 and having little effect on [3H]WIN55212 binding. Org 27569 displays biased antagonism whereby it inhibits: agonist-induced [35S]GTPγS binding, simulation (Gαs mediated) and inhibition (Gαi mediated) of cAMP production and β arrestin recruitment. In contrast, it acts as an enhancer of agonist-induced ERK phosphoryation. Alone, the compound can act also as an allosteric agonist, increasing cAMP production and ERK phosphorylation. We find that in both saturation and kinetic binding experiments, the Org 27569 and PSNCBAM-1 appeared to influence only orthosteric ligand maximum occupancy rather than affinity. The data indicate that the allosteric modulators share a common mechanism whereby they increase available high affinity CB1 agonist binding sites. The receptor conformation stabilised by the allosterics appears to induce signalling and also selectively traffics orthosteric agonist signalling via the ERK phosphorylation pathway.

Fold-change detection in a whole-pathway model of Escherichia coli chemotaxis

There has been recent interest in sensory systems that are able to display a response which is proportional to a fold change in stimulus concentration, a feature referred to as fold-change detection (FCD). Here, we demonstrate FCD in a recent whole-pathway mathematical model of Escherichia coli chemotaxis. FCD is shown to hold for each protein in the signalling cascade and to be robust to kinetic rate and protein concentration variation. Using a sensitivity analysis, we find that only variations in the number of receptors within a signalling team lead to the model not exhibiting FCD. We also discuss the ability of a cell with multiple receptor types to display FCD and explain how a particular receptor configuration may be used to elucidate the two experimentally determined regimes of FCD behaviour. All findings are discussed in respect of the experimental literature.

Purinergic signalling is involved in the malaria parasite Plasmodium falciparum invasion to red blood cells

Plasmodium falciparum, the most important etiological agent of human malaria, is endowed with a highly complex cell cycle that is essential for its successful replication within the host. A number of evidence suggest that changes in parasite Ca(2+) levels occur during the intracellular cycle of the parasites and play a role in modulating its functions within the RBC. However, the molecular identification of Plasmodium receptors linked with calcium signalling and the causal relationship between Ca(2+) increases and parasite functions are still largely mysterious. We here describe that increases in P. falciparum Ca(2+) levels, induced by extracellular ATP, modulate parasite invasion. In particular, we show that addition of ATP leads to an increase of cytosolic Ca(2+) in trophozoites and segmented schizonts. Addition of the compounds KN62 and Ip5I on parasites blocked the ATP-induced rise in [Ca(2+)](c). Besides, the compounds or hydrolysis of ATP with apyrase added in culture drastically reduce RBC infection by parasites, suggesting strongly a role of extracellular ATP during RBC invasion. The use of purinoceptor antagonists Ip5I and KN62 in this study suggests the presence of putative purinoceptor in P. falciparum. In conclusion, we have demonstrated that increases in [Ca(2+)](c) in the malarial parasite P. falciparum by ATP leads to the modulation of its invasion of red blood cells.

Glypican-3 regulates migration, adhesion and actin cytoskeleton organization in mammary tumor cells through Wnt signaling modulation

Glypican-3 (GPC3) is a proteoglycan involved in migration, proliferation and cell survival modulation in several tissues. There are many reports demonstrating a downregulation of GPC3 expression in some human tumors, including mesothelioma, ovarian and breast cancer. Previously, we determined that GPC3 reexpression in the murine mammary adenocarcinoma LM3 cells induced an impairment of their in vivo invasive and metastatic capacities together with a higher susceptibility to in vitro apoptosis. Currently, the signaling mechanism of GPC3 is not clear. First, it was speculated that GPC3 regulates the insulin-like growth factor (IGF) signaling system. This hypothesis, however, has been strongly challenged. Recently, several reports indicated that at least in some cell types GPC3 serves as a selective regulator of Wnt signaling. Here we provide new data demonstrating that GPC3 regulates Wnt pathway in the metastatic adenocarcinoma mammary LM3 cell line. We found that GPC3 is able to inhibit canonical Wnt signals involved in cell proliferation and survival, as well as it is able to activate non canonical pathway, which directs cell morphology and migration. This is the first report indicating that breast tumor cell malignant properties can be reverted, at least in part, by GPC3 modulation of Wnt signaling. Our results are consistent with the potential role of GPC3 as a metastasis suppressor.