Regulating the expression of eEF1A to decipher its non canonical functions in eukaryotic cells

The canonical function of eEF1A is delivery of the aminoacylated tRNA to the A site of the ribosome during protein translation, however, it is also known to be an actin binding protein. As well as this actin binding function, eEF1A has been shown to be involved in other cellular processes such as cell proliferation and apoptosis. It has long been thought that the actin cytoskeleton and protein synthesis are linked and eEF1A has been suggested to be a candidate protein to form this link, though very little is understood about the relationship between its two functions. Overexpression of eEF1A has also been shown to be implicated in many different types of cancers, especially cancers that are metastatic, therefore it is important to further understand how eEF1A can affect both translation and the organisation of the actin cytoskeleton. To this end, we aimed to determine the effects of reduced expression of eEF1A on both translation and its non canonical functions in CHO cells. We have shown that reduced expression of eEF1A in this cell system results in no change in protein synthesis, however results in an increased number of actin stress fibres and other proteins associated with these fibres such as myosin IIA, paxillin and vinculin. Cell motility and attachment are also affected by this reduction in eEF1A protein expression. The organisational and motility phenotypes were found to be specific to eEF1A by transforming the cells with plasmids containing either human eEF1A1 or eEF1A2. Though the mechanisms by which these effects are regulated have not yet been established, this data provides evidence to show that the translation and actin binding functions of eEF1A are independent of each other as well as being suggestive of a role for eEF1A in cell motility as supported by the observation that overexpression of eEF1A protein tends to be associated with the cancer cells that are metastatic.

Production d'IgG sialylées en CHO et impact sur leurs fonctions effectrices

La sialylation des N-glycanes du fragment Fc des immunogobulines G (IgG) est une modification peu fréquente des IgG humaines. Pourtant, elle est l’objet de beaucoup d’attention depuis que deux articles fondateurs ont été publiés, qui montrent l’un que la sialylation des IgG diminue leur capacité à déclencher la cytotoxicité cellulaire dépendant de l’anticorps (ADCC), et l’autre que les IgG sialylées en α2,6 seraient la fraction efficace des IgG intraveineuses (IgIV) anti-inflammatoires. Les anticorps monoclonaux thérapeutiques, qui sont le plus souvent des IgG recombinantes produites en culture de cellules de mammifère, connaissent depuis la fin des années 90 un succès et une croissance phénoménaux sur le marché pharmaceutique. La maîtrise de la N-glycosylation du Fc des IgG est une clé de l’efficacité des anticorps monoclonaux. Si les IgG sialylées sont des molécules peu fréquentes in vivo, elles sont très rares en culture cellulaire. Dans cette étude, nous avons développé une méthode de production d’IgG avec une sialylation de type humain en cellules CHO. Nous avons travaillé principalement sur la mise au point d’une stratégie de production d’IgG sialylées par co-expression transitoire d’une IgG1 avec la β1,4-galactosyltransférase I (β4GTI) et la β-galactoside-α2,6-sialyltransférase I (ST6GalI). Nous avons montré que cette méthode permettait d’enrichir l’IgG1 en glycane fucosylé di-galactosylé mono-α2,6-sialylé G2FS(6)1, qui est le glycane sialylé présent sur les IgG humaines. Nous avons ensuite adapté cette méthode à la production d’IgG présentant des profils de glycosylation riches en acides sialiques, riches en galactose terminal, et/ou appauvris en fucosylation. L’analyse des profils de glycosylation obtenus par la co-expression de diverses combinaisons enzymatiques avec l’IgG1 native ou une version mutante de l’IgG1 (F243A), a permis de discuter des influences respectives de la sous-galactosylation des IgG1 en CHO et des contraintes structurales du Fc dans la limitation de la sialylation des IgG en CHO. Nous avons ensuite utilisé les IgG1 produites avec différents profils de glycosylation afin d’évaluer l’impact de la sialylation α2,6 sur l’interaction de l’IgG avec le récepteur FcγRIIIa, principal récepteur impliqué dans la réponse ADCC. Nous avons montré que la sialylation α2,6 augmentait la stabilité du complexe formé par l’IgG avec le FcγRIIIa, mais que ce bénéfice n’était pas directement traduit par une augmentation de l’efficacité ADCC de l’anticorps. Enfin, nous avons débuté le développement d’une plateforme d’expression stable d’IgG sialylées compatible avec une production à l’échelle industrielle. Nous avons obtenu une lignée capable de produire des IgG enrichies en G2FS(6)1 à hauteur de 400 mg/L. Cette étude a contribué à une meilleure compréhension de l’impact de la sialylation sur les fonctions effectrices des IgG, et a permis d’augmenter la maîtrise des techniques de modulation du profil de glycosylation des IgG en culture cellulaire.

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.

Fucana ativa via das Map quinases e inibe a proliferação de células de ovário de hamster chinês (CHO)

Fucan is a term used to denominate L-fucose rich sulfated polysaccharides. The fucans have been studied due their pharmacological activities like antithrombotic, antiproliferative and antioxidant. We have extracted three fucan fractions from the brown seaweed Spatoglossum schröederi. These fucans were denominated Fuc B 1, Fuc B 1.5 and Fuc B 2. The chemical analyzes show that the fucans have very similar composition as demonstrated by agarose electrophoresis gel, sugar and sulfate content. The antiproliferative effect was determined by MTT and BrdU methodologies in CHO cells. The inhibition of proliferation effect of the three fractions was about 40%. Therefore this we proceed just with the Fuc B 2 due the higher yield. There is no apoptosis indication using the anexin V/propidium iodide test. We found a cell cycle phase G1 arrest. The western blotting show that the PKC; pFAK; pERK 1/2 are activated when the cells were treated with fucans. The treatement with inhibitor of MAPK PD98059 extinguished the fucan effect. These results indicates that fucan act by the ERK pathway inducing the cell death.

Improving protein yield from mammalian cells by manipulation of stress response pathways

Monoclonal antibodies are a class of therapeutic that is an expanding area of the lucrative biopharmaceutical industry. These complex proteins are predominantly produced from large cultures of mammalian cells; the industry standard cell line being Chinese Hamster Ovary (CHO) cells. A number of optimisation strategies have led to antibody titres from CHO cells increasing by a hundred-fold, and it has been proposed that a further bottleneck in biosynthesis is in protein folding and assembly within the secretory pathway. To alleviate this bottleneck, a CHO-derived host cell line was generated by researchers at the pharmaceutical company UCB that stably overexpressed two critical genes: XBP1, a transcription factor capable of expanding the endoplasmic reticulum and upregulating protein chaperones; and Ero1α, an oxidase that replenishes the machinery of disulphide bond formation. This host cell line, named CHO-S XE, was confirmed to have a high yield of secreted antibody. The work presented in this thesis further characterises CHO-S XE, with the aim of using the information gained to lead the generation of novel host cell lines with more optimal characteristics than CHO-S XE. In addition to antibodies, it was found that CHO-S XE had improved production of two other secreted proteins: one with a simple tertiary structure and one complex multi-domain protein; and higher levels of a number of endogenous protein chaperones. As a more controlled system of gene expression to unravel the specific roles of XBP1 and Ero1α in the secretory properties of CHO-S XE, CHO cells with inducible overexpression of XBP1, Ero1α, or a third gene involved in the Unfolded Protein Response, GADD34, were generated. From these cell lines, it was shown that more antibody was secreted by cells with induced overexpression of XBP1; however, Ero1α and GADD34 overexpression did not improve antibody yield. Further investigation revealed that endogenous XBP1 splicing was downregulated in the presence of an abundance of the active form of XBP1. This result indicated a novel aspect of the regulation of the activity of IRE1, the stress-induced endoribonuclease responsible for XBP1 splicing. Overall, the work described in this thesis confirms that the overexpression of XBP1 has an enhancing effect on the secretory properties of CHO cells; information which could contribute to the development of host cells with a greater capacity for antibody production.

Production d'IgG sialylées en CHO et impact sur leurs fonctions effectrices

La sialylation des N-glycanes du fragment Fc des immunogobulines G (IgG) est une modification peu fréquente des IgG humaines. Pourtant, elle est l’objet de beaucoup d’attention depuis que deux articles fondateurs ont été publiés, qui montrent l’un que la sialylation des IgG diminue leur capacité à déclencher la cytotoxicité cellulaire dépendant de l’anticorps (ADCC), et l’autre que les IgG sialylées en α2,6 seraient la fraction efficace des IgG intraveineuses (IgIV) anti-inflammatoires. Les anticorps monoclonaux thérapeutiques, qui sont le plus souvent des IgG recombinantes produites en culture de cellules de mammifère, connaissent depuis la fin des années 90 un succès et une croissance phénoménaux sur le marché pharmaceutique. La maîtrise de la N-glycosylation du Fc des IgG est une clé de l’efficacité des anticorps monoclonaux. Si les IgG sialylées sont des molécules peu fréquentes in vivo, elles sont très rares en culture cellulaire. Dans cette étude, nous avons développé une méthode de production d’IgG avec une sialylation de type humain en cellules CHO. Nous avons travaillé principalement sur la mise au point d’une stratégie de production d’IgG sialylées par co-expression transitoire d’une IgG1 avec la β1,4-galactosyltransférase I (β4GTI) et la β-galactoside-α2,6-sialyltransférase I (ST6GalI). Nous avons montré que cette méthode permettait d’enrichir l’IgG1 en glycane fucosylé di-galactosylé mono-α2,6-sialylé G2FS(6)1, qui est le glycane sialylé présent sur les IgG humaines. Nous avons ensuite adapté cette méthode à la production d’IgG présentant des profils de glycosylation riches en acides sialiques, riches en galactose terminal, et/ou appauvris en fucosylation. L’analyse des profils de glycosylation obtenus par la co-expression de diverses combinaisons enzymatiques avec l’IgG1 native ou une version mutante de l’IgG1 (F243A), a permis de discuter des influences respectives de la sous-galactosylation des IgG1 en CHO et des contraintes structurales du Fc dans la limitation de la sialylation des IgG en CHO. Nous avons ensuite utilisé les IgG1 produites avec différents profils de glycosylation afin d’évaluer l’impact de la sialylation α2,6 sur l’interaction de l’IgG avec le récepteur FcγRIIIa, principal récepteur impliqué dans la réponse ADCC. Nous avons montré que la sialylation α2,6 augmentait la stabilité du complexe formé par l’IgG avec le FcγRIIIa, mais que ce bénéfice n’était pas directement traduit par une augmentation de l’efficacité ADCC de l’anticorps. Enfin, nous avons débuté le développement d’une plateforme d’expression stable d’IgG sialylées compatible avec une production à l’échelle industrielle. Nous avons obtenu une lignée capable de produire des IgG enrichies en G2FS(6)1 à hauteur de 400 mg/L. Cette étude a contribué à une meilleure compréhension de l’impact de la sialylation sur les fonctions effectrices des IgG, et a permis d’augmenter la maîtrise des techniques de modulation du profil de glycosylation des IgG en culture cellulaire.

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.

Two-Photon Fluorescence Microscopy Imaging of Cellular Oxidative Stress Using Profluorescent Nitroxides

A range of varying chromophore nitroxide free radicals and their nonradical methoxyamine analogues were synthesized and their linear photophysical properties examined. The presence of the proximate free radical masks the chromophore’s usual fluorescence emission, and these species are described as profluorescent. Two nitroxides incorporating anthracene and fluorescein chromophores (compounds 7 and 19, respectively) exhibited two-photon absorption (2PA) cross sections of approximately 400 G.M. when excited at wavelengths greater than 800 nm. Both of these profluorescent nitroxides demonstrated low cytotoxicity toward Chinese hamster ovary (CHO) cells. Imaging colocalization experiments with the commercially available CellROX Deep Red oxidative stress monitor demonstrated good cellular uptake of the nitroxide probes. Sensitivity of the nitroxide probes to H2O2-induced damage was also demonstrated by both one- and two-photon fluorescence microscopy. These profluorescent nitroxide probes are potentially powerful tools for imaging oxidative stress in biological systems, and they essentially “light up” in the presence of certain species generated from oxidative stress. The high ratio of the fluorescence quantum yield between the profluorescent nitroxide species and their nonradical adducts provides the sensitivity required for measuring a range of cellular redox environments. Furthermore, their reasonable 2PA cross sections provide for the option of using two-photon fluorescence microscopy, which circumvents commonly encountered disadvantages associated with one-photon imaging such as photobleaching and poor tissue penetration.

In vitro and in vivo studies on protease-activated receptor-2

Protease-activated receptor-2 (PAR2) is a G protein coupled receptor (GPCR) that is activated by proteolytic cleavage of its amino terminal domain by trypsin-like serine proteases. Cleavage of this receptor exposes a neoepitope, termed the tethered ligand (TL), which binds intramolecularly within the receptor to stimulate signal transduction via coupled G proteins. PAR2-mediated signal transduction is also experimentally stimulated by hexapeptides (agonist peptides; APs) that are homologous to the TL sequence. Due to the irreversible nature of PAR2 proteolysis, downstream signal transduction is tightly regulated. Following activation, PAR2 is rapidly uncoupled from downstream signalling by the post-translational modifications phosphorylation and ubiquination which facilitate interactions with â- arrestin. This scaffolding protein couples PAR2 to the internalisation machinery initiating its desensitisation and trafficking through the early and late endosomes followed by receptor degradation. PAR2 is widely expressed in mammalian tissues with key roles for this receptor in cardiovascular, respiratory, nervous and musculoskeletal systems. This receptor has also been linked to pathological states with aberrant expression and signalling noted in several cancers. In prostate cancer, PAR2 signalling induces migration and proliferation of tumour derived cell lines, while elevated receptor expression has been noted in malignant tissues. Importantly, a role for this receptor has also been suggested in prostate cancer bone metastasis as coexpression of PAR2 and a proteolytic activator has been demonstrated by immunohistochemical analysis. Based on these data, the primary focus of this project has been on two aspects of PAR2 biology. The first is characterisation of cellular mechanisms that regulate PAR2 signalling and trafficking. The second aspect is the role of this receptor in prostate cancer bone metastasis. In addition, to permit these studies, it was first necessary to evaluate the specificity of the commercially available anti-PAR2 antibodies SAM11, C17, N19 and H99. The evaluation of the four commercially available antibodies was assessed using four techniques: immunoprecipitation; Western blot analysis; immunofluorescence; and flow cytometry. These approaches demonstrated that three of the antibodies efficiently detect ectopically expressed PAR2 by each of these techniques. A significant finding from this study was that N19 was the only antibody able to specifically detect N-glycosylated endogenous PAR2 by Western blot analysis. This analysis was performed on lysates from prostate cancer derived cell lines and tissue derived from wildtype and PAR2 knockout mice. Importantly, further evaluation demonstrated that this antibody also efficiently detects endogenous PAR2 at the cell surface by flow cytometry. The anti-PAR2 antibody N19 was used to explore the in vitro role of palmitoylation, the post-translational addition of palmitate, in PAR2 signalling, trafficking, cell surface expression and desensitization. Significantly, use of the palmitoylation inhibitor 2-bromopalmitate indicated that palmitate addition is important in trafficking of PAR2 endogenously expressed by prostate cancer cell lines. This was supported by palmitate labelling experiments using two approaches which showed that PAR2 stably expressed by CHO cells is palmitoylated and that palmitoylation occurs on cysteine 361. Another key finding from this study is that palmitoylation is required for optimal PAR2 signalling as Ca2+ flux assays indicated that in response to trypsin agonism, palmitoylation deficient PAR2 is ~9 fold less potent than wildtype receptor with a reduction of about 33% in the maximum signal induced via the mutant receptor. Confocal microscopy, flow cytometry and cell surface biotinylation analyses demonstrated that palmitoylation is required for efficient cell surface expression of PAR2. Importantly, this study also identified that palmitoylation of this receptor within the Golgi apparatus is required for efficient agonist-induced rab11amediated trafficking of PAR2 to the cell surface. Interestingly, palmitoylation is also required for receptor desensitization, as agonist-induced â-arrestin recruitment and receptor degradation were markedly reduced in CHO-PAR2-C361A cells compared with CHO-PAR2 cells. Collectively, these data provide new insights on the life cycle of PAR2 and demonstrate that palmitoylation is critical for efficient signalling, trafficking, cell surface localization and degradation of this receptor. This project also evaluated PAR2 residues involved in ligand docking. Although the extracellular loop (ECL)2 of PAR2 is known to be required for agonist-induced signal transduction, the binding pocket for receptor agonists remains to be determined. In silico homology modelling, based on a crystal structure for the prototypical GPCR rhodopsin, and ligand docking were performed to identify PAR2 transmembrane (TM) amino acids potentially involved in agonist binding. These methods identified 12 candidate residues that were mutated to examine the binding site of the PAR2 TL, revealed by trypsin cleavage, as well as of the soluble ligands 2f-LIGRLO-NH2 and GB110, which are both structurally based on the AP SLIGRLNH2. Ligand binding was evaluated from the impact of the mutated residues on PAR2-mediated calcium mobilisation. An important finding from these experiments was that mutation of residues Y156 and Y326 significantly reduced 2f-LIGRLO-NH2 and GB110 agonist activity. L307 was also important for GB110 activity. Intriguingly, mutation of PAR2 residues did not alter trypsin-induced signalling to the same extent as for the soluble agonists. The reason for this difference remains to be further examined by in silico and in vitro experimentation and, potentially, crystal structure studies. However, these findings identified the importance of TM domains in PAR2 ligand docking and will enhance the design of both PAR2 agonists and potentially agents to inhibit signalling (antagonists). The potential importance of PAR2 in prostate cancer bone metastasis was examined using a mouse model. In patients, prostate cancer bone metastases cause bone growth by disrupting bone homeostasis. In an attempt to mimic prostate cancer growth in bone, PAR2 responsive 22Rv1 prostate cancer cells, which form mixed osteoblastic and osteolytic lesions, were injected into the proximal aspect of mouse tibiae. A role for PAR2 was assessed by treating these mice with the recently developed PAR2 antagonist GB88. As controls, animals bearing intra-tibial tumours were also treated with vehicle (olive oil) or the prostate cancer chemotherapeutic docetaxel. The effect of these treatments on bone was examined radiographically and by micro-CT. Consistent with previous studies, 22Rv1 tumours caused osteoblastic periosteal spicule formation and concurrent osteolytic bone loss. Significantly, blockade of PAR2 signalling reduced the osteoblastic and osteolytic phenotype of 22Rv1 tumours in bone. No bone defects were detected in mice treated with docetaxel. These qualitative data will be followed in the future by quantitative micro-CT analysis as well as histology and histomorphometry analysis of already collected tissues. Nonetheless, these preliminary experiments highlight a potential role for PAR2 in prostate cancer growth in bone. In summary, in vitro studies have defined mechanisms regulating PAR2 activation, downstream signalling and trafficking and in vivo studies point to a potential role for this receptor in prostate cancer bone metastasis. The outcomes of this project are that a greater understanding of the biology of PAR2 may lead to the development of strategies to modulate the function of this receptor in disease.

Latent TGF-β binding proteins -3 and -4 : transcriptional control and extracellular matrix targeting

Extracellular matrix (ECM) is a complex network of various proteins and proteoglycans which provides tissues with structural strength and resilience. By harvesting signaling molecules like growth factors ECM has the capacity to control cellular functions including proliferation, differentiation and cell survival. Latent transforming growth factor β (TGF-β) binding proteins (LTBPs) associate fibrillar structures of the ECM and mediate the efficient secretion and ECM deposition of latent TGF-β. The current work was conducted to determine the regulatory regions of LTBP-3 and -4 genes to gain insight into their tissue-specific expression which also has impact on TGF-β biology. Furthermore, the current research aimed at defining the ECM targeting of the N-terminal variants of LTBP-4 (LTBP-4S and -4L), which is required to understand their functions in tissues and to gain insight into conditions in which TGF-β is activated. To characterize the regulatory regions of LTBP-3 and -4 genes in silico and functional promoter analysis techniques were employed. It was found that the expression of LTBP-4S and -4L are under control of two independent promoters. This finding was in accordance with the observed expression patterns of LTBP-4S and -4L in human tissues. All promoter regions characterized in this study were TATAless, GC-rich and highly conserved between human and mouse species. Putative binding sites for Sp1 and GATA family of transcription factors were recognized in all of these regulatory regions. It is possible that these transcription factors control the basal expression of LTBP-3 and -4 genes. Smad binding element was found within the LTBP-3 and -4S promoter regions, but it was not present in LTBP-4L promoter. Although this element important for TGF-β signaling was present in LTBP-4S promoter, TGF-β did not induce its transcriptional activity. LTBP-3 promoter activity and mRNA expression instead were stimulated by TGF-β1 in osteosarcoma cells. It was found that the stimulatory effect of TGF-β was mediated by Smad and Erk MAPK signaling pathways. The current work explored the ECM targeting of LTBP-4S and identified binding partners of this protein. It was found that the N-terminal end of LTBP-4S possesses fibronectin (FN) binding sites which are critical for its ECM targeting. FN deficient fibroblasts incorporated LTBP-4S into their ECM only after addition of exogenous FN. Furthermore, LTBP-4S was found to have heparin binding regions, of which the C-terminal binding site mediated fibroblast adhesion. Soluble heparin prevented the ECM association of LTBP-4S in fibroblast cultures. In the current work it was observed that there are significant differences in the secretion, processing and ECM targeting of LTBP-4S and -4L. Interestingly, it was observed that most of the secreted LTBP-4L was associated with latent TGF-β1, whereas LTBP-4S was mainly secreted as a free form from CHO cells. This thesis provides information on transcriptional regulation of LTBP-3 and -4 genes, which is required for the deeper understanding of their tissue-specific functions. Further, the current work elucidates the structural variability of LTBPs, which appears to have impact on secretion and ECM targeting of TGF-β. These findings may advance understanding the abnormal activation of TGF-β which is associated with connective tissue disorders and cancer.

Kinetic characterization of rat brain type IIA sodium channel alpha-subunit stably expressed in a somatic cell line

1. The rat brain type IIA Na+ channel alpha-subunit was stably expressed in Chinese hamster ovary (CHO) cells. Current through the expressed Na+ channels was studied using the whole-cell configuration of the patch clamp technique. The transient Na+ current was sensitive to TTX and showed a bell-shaped peak current vs. membrane potential relation. 2. Na+ current inactivation was better described by the sum of two exponentials in the potential range -30 to +40 mV, with. a dominating fast component and a small slower component. 3. The steady-state inactivation, h(infinity), was related to potential by a Boltzmann distribution, underlying thr ee states of the inactivation gate. 4. Recovery of the channels from inactivation at different potentials in the range -70 to -120 mV were characterized by al? initial delay which decreased with hyperpolarization. The time course was well fitted by the sum of two exponentials. In this case the slower exponential was the major component, and both time constants decreased with hyperpolarization. 5. For a working description of the Na+ channel inactivation in this preparation, with a minimal deviation from the Hodgkin-Huxley model, a three-state scheme of the form O reversible arrow I-1 reversible arrow I-2 was proposed, replacing the original two-state scheme of the Hodgkin-Huxley model, and the rate constants are reported. 6. The instantaneous current-voltage relationship showed marked deviation from linearity and was satisfactorily fitted by the constant-field equation. 7. The time course of activation was described by an m(x) model. However, the best-fitted value of x varied with the membrane potential and had a mean value of 2. 8. Effective gating charge was determined to be 4.7e from the slope of the activation plot, plotted on a logarithmic scale. 9. The rate constants of activation, alpha(m) and beta(m), were determined. Their functional dependence on the membrane potential was investigated.

Constitutive plasma membrane targeting and microdomain localization of Dok5 studied by single-molecule microscopy

In the present study, single-molecule fluorescence microscopy was used to examine the characteristics of plasma membrane targeting and microdomain localization of enhanced yellow fluorescent protein (eYFP)-tagged wild-type Dok5 and its variants in living Chinese hamster ovary (CHO) cells. We found that Dok5 can target constitutively to the plasma membrane, and the PH domain is essential for this process. Furthermore, single-molecule trajectories analysis revealed that Dok5 can constitutively partition into microdomain on the plasma membrane. Finally, the potential mechanism of microdomain localization of Dok5 was discussed. This study provided insights into the characteristics of plasma membrane targeting and microdomain localization of Dok5 in living CHO cells. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Heterodimerization of integrin Mac-1 subunits studied by single-molecule imaging

Heterodimerization of integrin Mac-1 (alpha(M) beta(2)) Subunits plays important role on regulating leukocytes adhesion to extracellular matrix or endothelial cells. Here, using total internal reflection microscopy, we investigated the heterodimerization of integrin Mac-1 subunits at the single-molecule level in live cells. Individual alpha(M) subunit fused to the enhanced yellow fluorescent protein (eYFP) was imaged at the basal plasma membrane of live Chinese hamster ovary (CHO) cells. Through analysis of mean square displacement (MSD), diffusion coefficient, the size of restricted domain and fraction of molecules undergoing restricted diffusion, we found that as compared with the diffusion in the absence of beta(2) subunit, the diffusion of single-molecule of alpha(M)-YFP was suppressed significantly in the presence of beta(2) subunit. Thus, based on the oligomerization-induced trapping model, we suggested that in the presence of beta(2) subunit, the am subunit may form heterodimer with it. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.