Harnessing the complexity of gene expression data from cancer: from single gene to structural pathway methods

High-dimensional gene expression data provide a rich source of information because they capture the expression level of genes in dynamic states that reflect the biological functioning of a cell. For this reason, such data are suitable to reveal systems related properties inside a cell, e.g., in order to elucidate molecular mechanisms of complex diseases like breast or prostate cancer. However, this is not only strongly dependent on the sample size and the correlation structure of a data set, but also on the statistical hypotheses tested. Many different approaches have been developed over the years to analyze gene expression data to (I) identify changes in single genes, (II) identify changes in gene sets or pathways, and (III) identify changes in the correlation structure in pathways. In this paper, we review statistical methods for all three types of approaches, including subtypes, in the context of cancer data and provide links to software implementations and tools and address also the general problem of multiple hypotheses testing. Further, we provide recommendations for the selection of such analysis methods.

Nuclear LYRIC/AEG-1 interacts with PLZF and relieves PLZF-mediated repression

LYRIC/AEG-1 and its altered expression have been linked to carcinogenesis in prostate, brain and melanoma as well as promoting chemoresistance and metastasis in breast cancer. LYRIC/AEG-1 function remains unclear, although LYRIC/AEG-1 is activated by oncogenic HA-RAS, through binding of c-myc to its promoter, which in turn regulates the key components of the PI3-kinase and nuclear factor-kappaB pathways. We have identified the transcriptional repressor PLZF as an interacting protein of LYRIC/AEG through a yeast two-hybrid screen. PLZF regulates the expression of genes involved in cell growth and apoptosis including c-myc. Coexpression of LYRIC/AEG-1 with PLZF leads to a reduction in PLZF-mediated repression by reducing PLZF binding to promoters. We have confirmed that nuclear LYRIC/AEG-1 and PLZF interact in mammalian cells via the N- and C termini of LYRIC/AEG-1 and a region C terminal to the RD2 domain of PLZF. Both proteins colocalize to nuclear bodies containing histone deacetylases, which are known to promote PLZF-mediated repression. Our data suggest one mechanism for cells with altered LYRIC/AEG-1 expression to evade apoptosis and increase cell growth during tumourigenesis through the regulation of PLZF repression.

Co-expression of NPY and VIP in human dental pulp

Introduction: The regulation of pulpal haemodynamics in health and disease involves sympathetic and parasympathetic mechanisms in which both neuropeptide Y (NPY; a sympathetic vasoconstrictor) and vasoactive intestinal polypeptide (VIP; a parasympathetic vasodilator) may play potential pathophysiological roles. We have previously investigated the levels of NPY or VIP present in human dental pulp tissue and shown that their expression is up-regulated in caries induced pulpal inflammation. Objectives: The aim of this study was to investigate the potential correlation between NPY and VIP levels measured in the same dental pulp samples using radioimmunoassay (RIA). Methods: Pulp tissue was obtained from extracted teeth, classified as follows; healthy (n=22), moderately carious (n=20) and grossly carious (n=26). Samples were processed for RIA by boiling in acetic acid as previously described. The levels of NPY and VIP, measured by RIA, were expressed as ng/gram of pulp tissue. The nature of the relationship between NPY and VIP levels in human pulp tissue was tested by calculating Pearson's product moment correlation coefficient using the linear regression test. Results: Calculation of Pearson product moment correlation coefficient showed a significant negative correlation between NPY and VIP levels in pulp tissue samples from non-carious teeth (p = 0.02, r = -.48). This negative correlation in non-carious teeth changed to a significant positive correlation in carious teeth when the levels of NPY and VIP were compared (p = 0.03, r= 0.311). Conclusions: In non-carious teeth, the negative correlation between NPY and VIP levels is in keeping with the previously described modulatory influence of cholinergic nerves on sympathetic function which may be perturbed as caries develops.

Expression of protease-activated receptors in arthritic synovial tissues

Clinical and experimental evidence suggests that synovial thrombin formation in arthritic joints is prominent and deleterious, leading to exacerbation of rheumatoid arthritis (RA). In this context, cellular effects of thrombin mediated by the protease-activated receptors (PARs) in arthritic joints may be of paramount significance. Four PARs have now been identified. PAR1, PAR3, and PAR4 can all be activated by thrombin whereas PAR2 is activated by trypsin and few other proteases.We first explored PARs expression in RA synovial tissues. Synovial membranes from 11 RA patients were analyzed for PARs expression by RT-PCR and by immunohistology. PAR4 was found in all the biopsies, whereas the expression of PAR1, PAR 2 and PAR3 was more restricted (8/11, 5/11 and 3/11 respectively). In the arthritic synovial membrane of murine antigen-induced arthritis (AIA) we found coexpression of the four different PARs. Next, we explored the functional importance of PAR1 during AIA in vivo using PAR-1 deficient mice. The phenotype of PAR1-deficient mice (n = 22), based on the analysis of arthritis severity (as measured by 99 m tecnetium uptake, histological scoring and intra-articular fibrin measurements) was similar to that of wild-type mice (n = 24). In addition, the in vivo production of antibodies against mBSA was also similar. By contrast, the mBSA-induced in vitro lymph node cell proliferation was significantly decreased in PAR1-deficient mice as compared with controls. Accordingly, mBSA-induced production of interferon-γ by lymph node cells in culture was significantly decreased in PAR1-deficient mice as compared with controls, whereas opposite results were observed for production of IL-10.

Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

Analyse fonctionnelle de deux nouvelles mutations récessives de l’AQP2 impliquées dans le diabète insipide néphrogénique par expression dans les ovocytes de Xenopus laevis

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives.

Caractérisation biochimique et fonctionnelle du mutant T179N de l’aquaporine-2 humaine

L’aquaporine-2 (AQP2) est le canal responsable de la réabsorption finale d’eau au niveau du tubule collecteur du rein. À la base, contenue dans des vésicules internes, l’AQP2 est acheminée à la membrane apicale des cellules principales du tubule collecteur suite à une stimulation par l’hormone antidiurétique (ADH). L’incapacité à accomplir cette fonction entraîne le diabète insipide néphrogénique (DIN), une maladie caractérisée par l’inhabileté du rein à concentrer l’urine, entraînant une production de volumes urinaires élevés. Alors que les mutations récessives génèrent des protéines mal structurées et incapables de former des tétramères, les mutations dominantes sont capables de s’associer à leurs homologues sauvages, engendrant ainsi un DIN même chez les patients hétérozygotes. Ce mémoire présente l’analyse biochimique et fonctionnelle d’une nouvelle mutation naturelle de l’AQP2, la mutation T179N, aussi responsable du DIN. Cette dernière est particulièrement intéressante de par son génotype qui implique un caractère dominant, et sa position extracellulaire habituellement réservée aux mutations récessives. Les études comparatives de T179N à deux modèles de mutation récessive et dominante démontrent, tant en ovocytes de Xenopus laevis qu’en lignée cellulaire mpkCCDc14, le caractère récessif de cette nouvelle mutation. Les tests d’immunobuvardage de lysats d’ovocytes en membranes totales et membranes plasmiques purifiées ont révélé que seule la forme sauvage atteint la membrane plasmique alors que le mutant T179N est séquestré dans la cellule. En accord avec ce résultat, les analyses de perméabilité fonctionnelle démontrent aussi une absence d’activité pour T179N. En cellule mpkCCDc14, le mutant T179N exprimé seul n’atteint pas la membrane plasmique suite à l’action de la forskoline, contrairement à la forme sauvage. Cependant, ce mutant peut s’associer à son homologue sauvage en coexpression tant dans les ovocytes qu’en lignée mpkCCDc14 sans toutefois engendrer l’effet typique de dominance négative. En fait, dans ce contexte de coexpression, on remarque une augmentation de la Pf de 83±7 % et une récupération d’adressage à la membrane plasmique en cellule (immunofluorescence). En conclusion, T179N serait un mutant récessif fonctionnellement récupérable lorsqu’en présence de l’AQP2 sauvage.

Biomarqueurs pronostiques dans le cancer de la prostate : mieux prédire pour mieux traiter

Le cancer de la prostate (CP) est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en Amérique du Nord et est au troisième rang en termes de létalité chez les hommes. Suite aux traitements de première ligne, 20 à 30% des patients diagnostiqués avec un cancer localisé auront une récidive biochimique de la maladie. La déplétion androgénique mène fréquemment au développement du stade de résistance à la castration (RC). Ce dernier est associé avec une augmentation de la morbidité (métastases osseuses) et de la mortalité avec une survie moyenne inférieure à deux ans. L’évolution du CP est très hétérogène dans la population et il n’existe actuellement aucun biomarqueur pronostique permettant d’identifier les patients à risque de récurrence biochimique, de métastases osseuses et de développement d’une résistance à la castration. De nombreuses études ont démontré que les cytokines inflammatoires IL-6 et IL-8 jouent un rôle dans la pathogénèse du CP, notamment dans le développement de la résistance à la castration. Par ailleurs, les niveaux sériques élevés de ces cytokines ont été associés à un mauvais pronostic. Précédemment, notre laboratoire a démontré in vitro que la protéine IKKε entraîne une augmentation de la sécrétion de ces cytokines dans les cellules du CP et qu’elle est exprimée davantage dans les tissus de cancers plus avancés. Le premier objectif du présent mémoire fut d’évaluer dans des tissus humains la corrélation d’IKKε, IL-6 et IL-8 avec des paramètres cliniques. Nos résultats soulignent le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique de récurrence biochimique et de métastases osseuses. Nous n’avons trouvé aucune association entre IL-6/IL-8 et les paramètres cliniques inclus dans l’étude. Le second objectif de ce projet fut d’évaluer la coexpression de ces trois molécules dans l’épithélium du CP. Nos résultats confirment les observations in vitro en mettant en évidence une forte association entre l’expression d’IKKε, IL-6 et IL-8. Le troisième objectif fut d’évaluer la relation entre les niveaux sériques et tissulaires d’IL-6 et d’IL-8. Aucune relation significative n’a été établie, suggérant que les cytokines sériques ne sont pas uniquement d’origine prostatique. En conclusion, mon projet de maîtrise aura permis de préciser le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique et de valider pour la première fois dans des tissus humains sa co-expression avec les cytokines IL-6 et IL-8, dont le rôle dans la pathogénèse de la maladie est bien établi. Une étude plus exhaustive des voies de signalisation d’IKKε reste d’intérêt pour élucider notamment les mécanismes par lesquels IKKε stimule la production de cytokines et par quels moyens cette protéine pourrait être impliquée dans le développement d’un état résistant à la castration.

Eukaryotic expression: developments for structural proteomics

The production of sufficient quantities of protein is an essential prelude to a structure determination, but for many viral and human proteins this cannot be achieved using prokaryotic expression systems. Groups in the Structural Proteomics In Europe ( SPINE) consortium have developed and implemented high- throughput ( HTP) methodologies for cloning, expression screening and protein production in eukaryotic systems. Studies focused on three systems: yeast ( Pichia pastoris and Saccharomyces cerevisiae), baculovirusinfected insect cells and transient expression in mammalian cells. Suitable vectors for HTP cloning are described and results from their use in expression screening and protein-production pipelines are reported. Strategies for coexpression, selenomethionine labelling ( in all three eukaryotic systems) and control of glycosylation ( for secreted proteins in mammalian cells) are assessed.

Comparative expression analysis of transcription factor genes in the endostyle of invertebrate chordates

The endostyle of invertebrate chordates is a pharyngeal organ that is thought to be homologous with the follicular thyroid of vertebrates. Although thyroid-like features such as iodine-concentrating and peroxidase activities are located in the dorsolateral part of both ascidian and amphioxus endostyles, the structural organization and numbers of functional units are different. To estimate phylogenetic relationships of each functional zone with special reference to the evolution of the thyroid, we have investigated, in ascidian and amphioxus, the expression patterns of thyroid-related transcription factors such as TTF-2/MoxE4 and Pax2/5/8, as well as the forkhead transcription factors FoxQ1 and FoxA. Comparative gene expression analyses depicted an overall similarity between ascidians and amphioxus endostyles, while differences in expression patterns of these genes might be specifically related to the addition or elimination of a pair of glandular zones. Expressions of Ci-FoxE and BbFoxE4 suggest that the ancestral FoxE class might have been recruited for the formation of thyroid-like region in a possible common ancestor of chordates. Furthermore, coexpression of FoxE4, Pax2/5/8, and TPO in the dorsolateral part of both ascidian and amphioxus endostyles suggests that genetic basis of the thyroid function was already in place before the vertebrate lineage. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Domain swapping in the human histamine H-1 receptor

G-protein-coupled receptors (GPCRs) represent the largest family of receptors involved in transmembrane signaling. Although these receptors were generally believed to be monomeric entities, accumulating evidence supports the presence of GPCRs in multimeric forms. Here, using immunoprecipitation as well as time-resolved fluorescence resonance energy transfer to assess protein-protein interactions in living cells, we unambiguously demonstrate the occurrence of dimerization of the human histamine H-1 receptor. We also show the presence of domain-swapped H-1 receptor dimers in which there is the reciprocal exchange of transmembrane domain TM domains 6 and 7 between the receptors present in the dimer. Mutation of aspartate(107) in transmembrane (TM) 3 or phenylalanine(432) in TM6 to alanine results in two radioligand-binding-deficient mutant H-1 receptors. Coexpression of H-1 D(107)A and H-1 F(432)A, however, results in a reconstituted radioligand binding site that exhibits a pharmacological profile that corresponds to the wildtype H-1 receptor. Interestingly, the H-1 receptor radioligands [H-3] mepyramine and [H-3]-(-)- trans-1-phenyl-3-N, N-dimethylamino-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene show differential saturation binding values (B-max) for wild-type H-1 receptors but not for the radioligand binding site that is formed upon coexpression of H-1 D(107)A and H-1 F(432)A receptors, suggesting the presence of different H-1 receptor populations.

Restrictions to the adaptation of influenza A virus H5 hemagglutinin to the human host

The binding specificities of a panel of avian influenza virus subtype H5 hemagglutinin (RA) proteins bearing mutations at key residues in the receptor binding site were investigated. The results demonstrate that two simultaneous mutations in the receptor binding site resulted in H5 RA binding in a pattern similar to that shown by human viruses. Coexpression of the ion channel protein, M2, from most avian and human strains tested protected H5 RA conformation during trafficking, indicating that no genetic barrier to the reassortment of the H5 surface antigen gene with internal genes of human viruses existed at this level.

A block in virus-like particle maturation following assembly of murine leukaemia virus in insect cells

Expression of the murine leukaemia virus (MLV) major Gag antigen p65(Gag) using the baculovirus expression system leads to efficient assembly and release of virus-like particles (VLP) representative of immature MLV. Expression of P180(Gag-Pol), facilitated normally in mammalian cells by readthrough of the p65(Gag) termination codon, also occurs efficiently in insect cells to provide a source of the MLV protease and a pattern of p65(Gag) processing similar to that observed in mammalian cells. VLP release from P180(Gag-Pol) expressing cells however remains essentially immature with disproportionate levels of the uncleaved p65(Gag) precursor when compared to the intracellular Gag profile. Changing the p65(Gag) termination codon altered the level of p65(Gag) and p180(Gag-Pol) within expressing cells but did not alter the pattern of released VLP, which remained immature. Coexpression of p65(Gag) with a fixed readthrough p180(Gag-Pol) also led to only immature VLP release despite high intracellular protease levels. Our data suggest a mechanism that preferentially selects uncleaved p65(Gag) for the assembly of MLV in this heterologous expression system and implies that, in addition to their relative levels, active sorting of the correct p65(Gag) and p180(Gag-Pol) ratios may occur in producer cells. (C) 2003 Elsevier Inc. All rights reserved.

Protease-activated receptor 2 sensitizes the capsaicin receptor transient receptor potential vanilloid receptor 1 to induce hyperalgesia

Inflammatory proteases (mast cell tryptase and trypsins) cleave protease-activated receptor 2 (PAR2) on spinal afferent neurons and cause persistent inflammation and hyperalgesia by unknown mechanisms. We determined whether transient receptor potential vanilloid receptor 1 (TRPV1), a cation channel activated by capsaicin, protons, and noxious heat, mediates PAR2-induced hyperalgesia. PAR2 was coexpressed with TRPV1 in small- to medium-diameter neurons of the dorsal root ganglia (DRG), as determined by immunofluorescence. PAR2 agonists increased intracellular [Ca2+] ([Ca2+]i) in these neurons in culture, and PAR2-responsive neurons also responded to the TRPV1 agonist capsaicin, confirming coexpression of PAR2 and TRPV1. PAR2 agonists potentiated capsaicin-induced increases in [Ca2+]i in TRPV1-transfected human embryonic kidney (HEK) cells and DRG neurons and potentiated capsaicin-induced currents in DRG neurons. Inhibitors of phospholipase C and protein kinase C (PKC) suppressed PAR2-induced sensitization of TRPV1-mediated changes in [Ca2+]i and TRPV1 currents. Activation of PAR2 or PKC induced phosphorylation of TRPV1 in HEK cells, suggesting a direct regulation of the channel. Intraplantar injection of a PAR2 agonist caused persistent thermal hyperalgesia that was prevented by antagonism or deletion of TRPV1. Coinjection of nonhyperalgesic doses of PAR2 agonist and capsaicin induced hyperalgesia that was inhibited by deletion of TRPV1 or antagonism of PKC. PAR2 activation also potentiated capsaicin-induced release of substance P and calcitonin gene-related peptide from superfused segments of the dorsal horn of the spinal cord, where they mediate hyperalgesia. We have identified a novel mechanism by which proteases that activate PAR2 sensitize TRPV1 through PKC. Antagonism of PAR2, TRPV1, or PKC may abrogate protease-induced thermal hyperalgesia.

Hepatitis C virus NS5A inhibits mixed lineage kinase 3 to block apoptosis

Hepatitis C virus (HCV) infection results in the activation of numerous stress responses including oxidative stress, with the potential to induce an apoptotic state. Previously we have shown that HCV attenuates the stress-induced, p38MAPK-mediated up-regulation of the K+ channel Kv2.1, to maintain the survival of infected cells in the face of cellular stress. We demonstrated that this effect was mediated by HCV non-structural 5A (NS5A) protein, which impaired p38MAPK activity through a polyproline motif dependent interaction, resulting in reduction of phosphorylation activation of Kv2.1. In this study, we investigated the host cell proteins targeted by NS5A in order to mediate Kv2.1 inhibition. We screened a phage-display library expressing the entire complement of human SH3 domains for novel NS5A-host cell interactions. This analysis identified mixed lineage kinase 3 (MLK3) as a putative NS5A interacting partner. MLK3 is a serine/threonine protein kinase that is a member of the MAPK kinase kinase (MAP3K) family and activates p38MAPK. An NS5A-MLK3 interaction was confirmed by co-immunoprecipitation and western blot analysis. We further demonstrate a novel role of MLK3 in the modulation of Kv2.1 activity, whereby MLK3 overexpression leads to the up-regulation of channel activity. Accordingly, coexpression of NS5A suppressed this stimulation. Additionally we demonstrate that overexpression of MLK3 induced apoptosis which was also counteracted by NS5A. We conclude that NS5A targets MLK3 with multiple downstream consequences for both apoptosis and K+ homeostasis.