Analyse génétique moléculaire du gène de la voie non-canonique Frizzled/Dishevelled PRICKLE1 dans les anomalies du tube neural chez l’humain

La voie de la polarité planaire cellulaire (PCP), aussi connue sous le nom de la voie non-canonique du Frizzled/Dishevelled, contrôle le processus morphogénétique de l'extension convergente (CE) qui est essentiel pour la gastrulation et la formation du tube neural pendant l'embryogenèse. La signalisation du PCP a été récemment associée avec des anomalies du tube neural (ATN) dans des modèles animaux et chez l'humain. Prickle1 est une protéine centrale de la voie PCP, exprimée dans la ligne primitive et le mésoderme pendant l'embryogenèse de la souris. La perte ou le gain de fonction de Prickle1 mène à des mouvements de CE fautifs chez le poisson zèbre et la grenouille. PRICKLE1 interagit directement avec deux autres membres de la voie PCP, Dishevelled et Strabismus/Vang. Dans notre étude, nous avons investigué le rôle de PRICKLE1 dans l'étiologie des ATN dans une cohorte de 810 patients par le re-séquençage de son cadre de lecture et des jonctions exon-intron. Le potentiel pathogénique des mutations ainsi identifiées a été évalué par des méthodes bioinformatiques, suivi par une validation fonctionnelle in vivo dans un système poisson zèbre. Nous avons identifié dans notre cohorte un total de 9 nouvelles mutations dont sept: p.Ile69Thr, p.Asn81His, p.Thr275Met, p.Arg682Cys et p.Ser739Phe, p.Val550Met et p.Asp771Asn qui affectent des acides aminés conservés. Ces mutations ont été prédites in silico d’affecter la fonction de la protéine et sont absentes dans une large cohorte de contrôles de même origine ethnique. La co-injection de ces variantes avec le gène prickle1a de type sauvage chez l’embryon de poisson zèbre a démontré qu’une mutation, p.Arg682Cys, modifie dans un sens négatif le phénotype du défaut de la CE produit par pk1 de type sauvage. Notre étude démontre que PK1 peut agir comme facteur prédisposant pour les ATN chez l’humain et élargit encore plus nos connaissances sur le rôle des gènes de la PCP dans la pathogenèse de ces malformations.

Régulation de la fonction ovarienne par la voie de signalisation des WNTs

Les WNTs sont des glycoprotéines sécrétées impliquées dans plusieurs processus tels que la spécification cellulaire, la prolifération, la différenciation, et beaucoup d’autres. Pour transmettre leur signal, les WNTs se lient aux récepteurs Frizzled (FZD) et au co-récepteur « Low-density-lipoprotein receptor Related Protein » (LRP) 6 ou 5, activant ainsi l’une des trois principales voies de signalisation: la voie de signalisation WNT/β-caténine (voie canonique), la voie « Planar Cell Polarity » (PCP) et la voie WNT/Ca2+ (voies non-canoniques). Des antagonistes de cette voie, les « Secreted Frizzled Related Protein » (SFRPs), peuvent aussi se lier aux WNTs pour empêcher leur liaison aux récepteurs FZDs. Bien que des rôles importants aient été associés à plusieurs composants de la voie des WNTs lors de la régulation de l’ovaire adulte, le fonctionnement exact de cette signalisation reste nébuleux. L’objectif global de cette thèse visait donc à mieux comprendre la voie de signalisation des WNTs au niveau de l’ovaire adulte de souris, par la caractérisation de deux autres composants de cette voie, FZD1 et SFRP4. La création et l’analyse de souris Fzd1 et Sfrp4 KO ont démontré que FZD1 est nécessaire pour la régulation des gènes associés à l’expansion du cumulus, dans le complexe ovocyte-cumulus (COC). Nous avons aussi constaté que SFRP4 avait un rôle à jouer lors de la régulation des gènes associés à l’expansion du cumulus mais cette fois, au niveau des cellules de la granulosa. Finalement, les résultats in vivo et in vitro de cette étude ont suggéré que la voie PCP, contrairement à la voie canonique, pourrait être modulée dans les cellules de la granulosa des souris Sfrp4 KO, possiblement grâce au signal induit par WNT4 et WNT5a. Ces données ont permis de créer un modèle hypothétique représentant la régulation de la signalisation ovarienne par les WNTs. Ce modèle servira de base pour l’élaboration de futurs projets de recherche visant à comprendre davantage la signalisation ovarienne et les possibles effets de sa dérégulation lors de processus pathologiques. Ces connaissances pourront ensuite être appliquées chez l’humain afin de traiter plusieurs maladies ou dérèglements ovariens.

Identification et caractérisation d’une souris mutante Skam26Jus comme un nouveau modèle des anomalies du tube neural

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN.

Voies de signalisation non-canoniques du récepteur V2 de la vasopressine

Le récepteur V2 (V2R) de la vasopressine est un récepteur couplé aux protéines G (RCPG), jouant un rôle fondamental dans le maintien de l’homéostasie hydrosodique. À l’instar de nombreux RCPGs, il est capable d’interagir avec plusieurs types de protéines G hétérotrimériques et possède des voies de signalisation peu explorées aux mécanismes mal compris. Ces voies non canoniques font l’objet des travaux exposés dans ce mémoire. Il s’agit d’explorer les caractéristiques et mécanismes de la signalisation de V2R via G12, et de la voie d’activation d’ERK 1/2 par transactivation du récepteur de l’insulin-like growth factor 1, IGF1R. Par des études de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), nous exposons la capacité de V2R à interagir avec la sous-unité Gα12 ainsi que la modulation de la conformation de l’hétérotrimère G12 par l’agoniste de V2R, l’arginine-vasopressine. Ces travaux dévoilent également la modulation de l’interaction entre Gα12 et son effecteur classique RhoA, suggérant un engagement de RhoA, ainsi que la potentialisation via Gα12 de la production d’AMP cyclique. À l’aide de diverses méthodes d’inhibition sélective, nos résultats précisent les mécanismes de la transactivation. Ils supportent notamment le rôle initiateur de l’activation de Src par V2R et l’absence d’implication des ligands connus d’IGF1R dans la transactivation. La métalloprotéase MMP 3 apparaît par ailleurs comme un bon candidat pour réguler la transactivation. Ce projet met en lumière des modes de signalisation peu explorés de V2R, dont l’implication physiologique et physiopathologique pourrait s’avérer significative, au-delà d’un apport fondamental dans la compréhension de la signalisation des RCPGs.

Études génétiques moléculaires des gènes de la polarité planaire cellulaire dans les anomalies du tube neural chez l’Homme

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales parmi les plus fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés par 1000 naissances. Elles résultent d’un défaut de fermeture du tube neural pendant l’embryogenèse. Les formes les plus courantes d'ATN chez l'homme sont l'anencéphalie et le spina-bifida. Leur étiologie est complexe impliquant à la fois des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. Un dérèglement dans la signalisation Wnt, incluant la signalisation canonique Wnt/β-caténine et non-canonique de la polarité planaire cellulaire (PCP), peut causer respectivement le cancer ou les anomalies du tube neural (ATN). Les deux voies semblent s’antagoniser mutuellement. Dans cette étude, nous investiguons les rôles de Lrp6 et deANKRD6, entant qu’interrupteurs moléculaires entre les deux voies de signalisation Wnt, et CELSR1, en tant que membre de la PCP, chez la souris mutante Skax26m1Jus, générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera, et dans une cohorte de patients humains ATN. Pour Lrp6, nous avons démontré que Skax26m1Jus représente un allèle hypermorphe de Lrp6 avec une augmentation de l’activité de la signalisation Wnt/canonique et une diminution de l’activité JNK induite par la voie PCP. Nous avons également montré que Lrp6Skax26m1Jus interagit génétiquement avec un mutant PCP (Vangl2Lp) où les doubles hétérozygotes ont montré une fréquence élevée d’ATN et des défauts dans la polarité des cellules ciliées de la cochlée. Particulièrement, notre étude démontre l'association des nouvelles et rares mutations faux-sens dans LRP6 avec les ATN humaines. Nous montrons que trois mutations de LRP6 causent une activité canonique réduite et non-canonique élevée. Pour ANKRD6, nous avons identifié quatre nouvelles et rares mutations faux-sens chez 0,8% des patients ATN et deux chez 1,3% des contrôles. Notamment, seulement deux, des six mutations validées (p.Pro548Leu et p.Arg632His) ont démontré un effet significatif sur l’activité de ANKRD6 selon un mode hypomorphique. Pour CELSR1, nous avons identifié une mutation non-sens dans l'exon 1 qui supprime la majeure partie de la protéine et une délétionde 12 pb. Cette perte de nucléotides ne change pas le cadre de lecture et élimine un motif putatif de phosphorylation par la PKC " SSR ". Nous avons également détecté un total de 13 nouveaux et rares variants faux-sens qui avaient été prédits comme étant pathogènes in silico. Nos données confirment le rôle inhibiteur de Lrp6 dans la signalisation PCP pendant la neurulation et indiquent aussi que les mutations faux-sens identifiées chez LRP6 et ANKRD6 pourraient affecter un équilibre réciproque et un antagonisme très sensible à un dosage précis entre les deux voies Wnt. Ces variants peuvent aussi agir comme facteurs prédisposants aux ATN. En outre, nos résultats impliquent aussi CELSR1 comme un facteur de risque pour les anomalies du tube neural ou l’agénésie caudale. Nos résultats fournissent des preuves supplémentaires que la voie de signalisation PCP a un rôle pathogène dans ces malformations congénitales et un outil important pour mieux comprendre leurs mécanismes moléculaires.

Elucidation of the biological roles of Wnt5a signaling in follicle development

La santé folliculaire est déterminée par un nombre de facteurs endocriniens, paracrines et autocrines. Les gonadotrophines hypophysaires sont les principaux moteurs du développement du follicule, mais leurs actions sont modulées localement par les hormones et des facteurs de croissance. Les glycoprotéines de la famille des WNTs représentent une grande famille de molécules impliquées dans différentes voies de signalisation. Ils sont sécrétés dans le but de moduler et coordonner la réponse des follicules aux gonadotrophines, et leurs activités sont indispensables à la fonction ovarienne et à la fertilité féminine. Les WNTs sont généralement classés en fonction de la (des) voie(s) qu’ils activent. Le rôle des membres de la voie canonique WNT et de ses composants tels que CTNNB1, WNT4, WNT2, FZD1 et FZD4 est bien établi au cours du développement du follicule chez les rongeurs. Un rôle similaire des WNTs dans les espèces mono-ovulatoires demeure essentiellement inconnu. De plus, le rôle des WNT non canoniques dans l'ovaire de rongeurs est méconnu. Les objectifs de cette thèse sont (1) d'élucider la régulation hormonale de l'expression de WNT5A et le rôle physiologique de WNT5A dans les cellules de la granulosa bovine in vitro et (2) d'identifier les rôles physiologiques de WNT5A dans l'ovaire de souris par inactivation génique conditionnelle. Chacun de ces objectifs a mené à la publication d’un article à partir des résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans le premier article, le rôle de WNT5A dans les cellules de la granulosa bovine a été étudié in vitro. Nous avons constaté que WNT5A est un régulateur négatif de la stéroïdogenèse stimulée par la FSH issue des cellules de la granulosa, et qu'il agit en supprimant l'activité de signalisation des WNTs canoniques tout en induisant la voie de signalisation MAPK8/JUN. le deuxième article, afin d’examiner le rôle de deux WNTs non-canoniques, WNT5A et WNT11, à différents stades de développement folliculaire, nous avons généré des modèles de souris knock-out conditionnels ciblant les cellules de la granulosa pour chacun de ces WNTs. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence que WNT5A est nécessaire pour assurer la fertilité normale chez la femelle, le développement folliculaire et la stéroïdogenèse ovarienne. Il est aussi un antagoniste de la réponse aux gonadotrophines, agissant par l’intermédiaire de la suppression de la signalisation canonique des WNTs. Chez les souris knock-out pour WNT11, nous ne constatons aucun défaut important dans la fertilité des femelles. L’ensemble de notre travail met en évidence que WNT5A est essentiel pour le développement normal du follicule et qu’il agit pour inhiber la différenciation des cellules de la granulosa. En résumé, nous avons fourni une étude novatrice et approfondie, utilisant plusieurs modèles et techniques pour déterminer les mécanismes par lesquels WNT5A régule le développement des follicules.

Spezifische Inhibition des Wnt-Signalwegs und die Analyse der Konsequenzen auf zellbiologischer Ebene

Der kanonische Wnt Signalweg ist durch Regulation einer Vielzahl von Zielgenen in unterschiedliche Prozesse wie Entwicklung, Wachstum und Differenzierung involviert. Fehlregulation des Signalwegs kann zur Tumorentstehung führen. Die exakte Rolle des Wnt Signalwegs und seiner Zielgene in der karzinogenen Kaskade ist noch nicht genau bekannt. In dieser Arbeit sollte die Beteiligung der Wnt Zielgene c-MYC, CCND1 (kodiert Cyclin D1) und VEGF an der Karzinogenese untersucht werden. Um die Funktionen der Wnt Zielgene und ihre zellulären Effekte unabhängig voneinander untersuchen zu können, wurden die Mengen der entsprechenden Transkriptionsprodukte durch siRNA (short interfering RNA) gezielt verringert. Die Konsequenzen der Inaktivierung wurden in Kolon- und Zervixkarzinomzelllinien untersucht, wobei die zellulären Parameter Proliferation, Apoptose, Metabolismus sowie Migration und Adhäsion untersucht wurden. Dabei konnte beobachtet werden, dass der Wnt Signalweg mit seinen Zielgenen Cyclin D1 und c-MYC die Proliferation mit dem Energiemetabolismus von Tumorzellen verknüpft. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Cyclin D1 an der Regulation der zelluläre Migration und Adhäsion beteiligt ist, während VEGF die Apoptose abhängig vom zellulären Kontext inhibiert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise auf die funktionelle Rolle der verschiedenen Zielgene im Prozess der Karzinogenese in Tumoren mit aktiviertem Wnt Signalweg. Damit ist diese Arbeit ein möglicher Ausgangspunkt für Studien mit dem Ziel der gezielten therapeutischen Beeinflussung des Wnt Signalwegs auf Ebene der Zielgene.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Wnt activation of immortalized brain endothelial cells as a tool for generating a standardized model of the blood brain barrier in vitro

Reproducing the characteristics and the functional responses of the blood-brain barrier (BBB) in vitro represents an important task for the research community, and would be a critical biotechnological breakthrough. Pharmaceutical and biotechnology industries provide strong demand for inexpensive and easy-to-handle in vitro BBB models to screen novel drug candidates. Recently, it was shown that canonical Wnt signaling is responsible for the induction of the BBB properties in the neonatal brain microvasculature in vivo. In the present study, following on from earlier observations, we have developed a novel model of the BBB in vitro that may be suitable for large scale screening assays. This model is based on immortalized endothelial cell lines derived from murine and human brain, with no need for co-culture with astrocytes. To maintain the BBB endothelial cell properties, the cell lines are cultured in the presence of Wnt3a or drugs that stabilize β-catenin, or they are infected with a transcriptionally active form of β-catenin. Upon these treatments, the cell lines maintain expression of BBB-specific markers, which results in elevated transendothelial electrical resistance and reduced cell permeability. Importantly, these properties are retained for several passages in culture, and they can be reproduced and maintained in different laboratories over time. We conclude that the brain-derived endothelial cell lines that we have investigated gain their specialized characteristics upon activation of the canonical Wnt pathway. This model may be thus suitable to test the BBB permeability to chemicals or large molecular weight proteins, transmigration of inflammatory cells, treatments with cytokines, and genetic manipulation.

SFRP4 regulation of Wnt7a signaling and cellular proliferation in the endometrium

In the endometrium, hormonal effects on epithelial cells are often elicited through stromal hormone receptors via unknown paracrine mechanisms. Several lines of evidence support the hypothesis that Wnts participate in stromal-epithelial cell communication and thus mediate hormone action. Characterization of specific Wnt signaling components in the endometrium was performed using cellular localization studies and evaluating hormone effects in a rat model. Wnt7a was expressed in the luminal epithelium, whereas the extracellular Wnt modulator, SFRP4, was localized to the endometrial stroma. SFRP4 expression is significantly decreased in endometrial carcinoma and aberrant Wnt7a signaling has been shown to cause uterine defects and contribute to the onset of disease. The specific Fzds and SFRPs that bind Wnt7a and the particular signal transduction pathway each Wnt7a-Fzd pair activates have not been identified. Additionally, the function of Wnt7a and SFRP4 in the endometrium has not been addressed. A survey of all Wnt signaling proteins expressed in the endometrium was conducted and Fzd5 and Fzd10 were identified as two receptors capable of transducing the Wnt7a signal. Biologically active recombinant Wnt7a and SFRP4 proteins were purified for quantitative biochemical studies. In Ishikawa cells, Wnt7a binding to Fzd5 activated β-catenin/canonical Wnt signaling and increased cellular proliferation. Wnt7a signaling mediated by Fzd10 induced a non-canonical/JNK-responsive pathway. SFRP4 suppressed Wnt7a action in both an autocrine and paracrine manner. Treatment with SFRP4 protein and overexpression of SFRP4 inhibited endometrial cancer cell growth and induced apoptosis in vitro. A split-eGFP complementation assay was developed to visually detect Wnt7a-Fzd interactions and subsequent pathway activation in cells. By employing a unique ELISA-based protein-protein binding technique, it was demonstrated that Wnt7a binds to SFRP4 and Fzd5 with equal nanomolar affinity. The development of these novel biological tools could lead to a better understanding of Wnt-protein interactions and the identification of new modulators of Wnt signaling. This study supports a mechanism by which the nature of the Wnt7a signal in the endometrium is dependent upon the Fzd repertoire of the cell and can be regulated by SFRP4. The potential tumor suppressor function of SFRP4 suggests it may serve as a therapeutic target for endometrial carcinoma. ^

Concerted involvement of Cdx/Hox genes and Wnt signaling in morphogenesis of the caudal neural tube and cloacal derivatives from the posterior growth zone

Decrease in Cdx dosage in an allelic series of mouse Cdx mutants leads to progressively more severe posterior vertebral defects. These defects are corrected by posterior gain of function of the Wnt effector Lef1. Precocious expression of Hox paralogous 13 genes also induces vertebral axis truncation by antagonizing Cdx function. We report here that the phenotypic similarity also applies to patterning of the caudal neural tube and uro-rectal tracts in Cdx and Wnt3a mutants, and in embryos precociously expressing Hox13 genes. Cdx2 inactivation after placentation leads to posterior defects, including incomplete uro-rectal septation. Compound mutants carrying one active Cdx2 allele in the Cdx4-null background (Cdx2/4), transgenic embryos precociously expressing Hox13 genes and a novel Wnt3a hypomorph mutant all manifest a comparable phenotype with similar uro-rectal defects. Phenotype and transcriptome analysis in early Cdx mutants, genetic rescue experiments and gene expression studies lead us to propose that Cdx transcription factors act via Wnt signaling during the laying down of uro-rectal mesoderm, and that they are operative in an early phase of these events, at the site of tissue progenitors in the posterior growth zone of the embryo. Cdx and Wnt mutations and premature Hox13 expression also cause similar neural dysmorphology, including ectopic neural structures that sometimes lead to neural tube splitting at caudal axial levels. These findings involve the Cdx genes, canonical Wnt signaling and the temporal control of posterior Hox gene expression in posterior morphogenesis in the different embryonic germ layers. They shed a new light on the etiology of the caudal dysplasia or caudal regression range of human congenital defects.

A study of the regulatory role of retinoic acid receptor gamma in Zebrafish development

Retinoic acid (RA) is thought to signal through retinoic acid receptors (RARs), i.e. RARα, β, and γ to play important roles in embryonic development and tissue regeneration. In this thesis, the zebrafish (Danio rario) was used as a vertebrate model organism to examine the role of RARγ. Treatment of zebrafish embryos with a RARγ specific agonist reduced the axial length of developing embryos, associated with reduced somite number and loss of hoxb13a expression. There were no clear alterations in hoxc11a or myoD expression. Treatment with the RARγ agonist disrupted the formation of anterior structures of the head, the cranial bones and the anterior lateral line ganglia, associated with a loss of sox9 immunopositive cells in the same regions. Pectoral fin outgrowth was blocked by treatment with the RARγ agonist; however, this was not associated with loss of tbx5a immunopositive lateral plate cells and was reversed by wash out of the RARγ agonist or co-treatment with a RARγ antagonist. Regeneration of the transected caudal fin was also blocked by RARγ agonist treatment and restored by agonist washout or antagonist co-treatment; this phenotype was associated with a localised reduction in canonical Wnt signalling. Conversely, elevated canonical Wnt signalling after RARγ treatment was seen in other tissues, including ectopically in the notochord. Furthermore, some phenotypes seen in the RARγ treated embryos were present in mutant zebrafish embryos in which canonical Wnt signalling was constitutively increased. These data suggest that RARγ plays an essential role in maintaining neural crest and mesodermal stem/progenitor cells during normal embryonic development and tissue regeneration when the receptor is in its non-ligated state. In addition, this work has provided evidence that the activation status of RARγ may regulate hoxb13a gene expression and canonical Wnt signalling. Further research is required to confirm such novel regulatory roles.

CaV channels and cancer: canonical functions indicate benefits of repurposed drugs as cancer therapeutics

The importance of ion channels in the hallmarks of many cancers is increasingly recognised. This article reviews current knowledge of the expression of members of the voltage-gated calcium channel family (CaV) in cancer at the gene and protein level and discusses their potential functional roles. The ten members of the CaV channel family are classified according to expression of their pore-forming α-subunit; moreover, co-expression of accessory α2δ, β and γ confers a spectrum of biophysical characteristics including voltage dependence of activation and inactivation, current amplitude and activation/inactivation kinetics. CaV channels have traditionally been studied in excitable cells including neurones, smooth muscle, skeletal muscle and cardiac cells, and drugs targeting the channels are used in the treatment of hypertension and epilepsy. There is emerging evidence that several CaV channels are differentially expressed in cancer cells compared to their normal counterparts. Interestingly, a number of CaV channels also have non-canonical functions and are involved in transcriptional regulation of the expression of other proteins including potassium channels. Pharmacological studies show that CaV canonical function contributes to the fundamental biology of proliferation, cell-cycle progression and apoptosis. This raises the intriguing possibility that calcium channel blockers, approved for the treatment of other conditions, could be repurposed to treat particular cancers. Further research will reveal the full extent of both the canonical and non-canonical functions of CaV channels in cancer and whether calcium channel blockers are beneficial in cancer treatment.

Crosstalk between developmental and tumour-specific signalling pathways : kallikrein-related serine peptidases and nodal in prostrate cancer

Prostate cancer is an important male health issue. The strategies used to diagnose and treat prostate cancer underscore the cell and molecular interactions that promote disease progression. Prostate cancer is histologically defined by increasingly undifferentiated tumour cells and therapeutically targeted by androgen ablation. Even as the normal glandular architecture of the adult prostate is lost, prostate cancer cells remain dependent on the androgen receptor (AR) for growth and survival. This project focused on androgen-regulated gene expression, altered cellular differentiation, and the nexus between these two concepts. The AR controls prostate development, homeostasis and cancer progression by regulating the expression of downstream genes. Kallikrein-related serine peptidases are prominent transcriptional targets of AR in the adult prostate. Kallikrein 3 (KLK3), which is commonly referred to as prostate-specific antigen, is the current serum biomarker for prostate cancer. Other kallikreins are potential adjunct biomarkers. As secreted proteases, kallikreins act through enzyme cascades that may modulate the prostate cancer microenvironment. Both as a panel of biomarkers and cascade of proteases, the roles of kallikreins are interconnected. Yet the expression and regulation of different kallikreins in prostate cancer has not been compared. In this study, a spectrum of prostate cell lines was used to evaluate the expression profile of all 15 members of the kallikrein family. A cluster of genes was co-ordinately expressed in androgenresponsive cell lines. This group of kallikreins included KLK2, 3, 4 and 15, which are located adjacent to one another at the centromeric end of the kallikrein locus. KLK14 was also of interest, because it was ubiquitously expressed among the prostate cell lines. Immunohistochemistry showed that these 5 kallikreins are co-expressed in benign and malignant prostate tissue. The androgen-regulated expression of KLK2 and KLK3 is well-characterised, but has not been compared with other kallikreins. Therefore, KLK2, 3, 4, 14 and 15 expression were all measured in time course and dose response experiments with androgens, AR-antagonist treatments, hormone deprivation experiments and cells transfected with AR siRNA. Collectively, these experiments demonstrated that prostatic kallikreins are specifically and directly regulated by the AR. The data also revealed that kallikrein genes are differentially regulated by androgens; KLK2 and KLK3 were strongly up-regulated, KLK4 and KLK15 were modestly up-regulated, and KLK14 was repressed. Notably, KLK14 is located at the telomeric end of the kallikrein locus, far away from the centromeric cluster of kallikreins that are stimulated by androgens. These results show that the expression of KLK2, 3, 4, 14 and 15 is maintained in prostate cancer, but that these genes exhibit different responses to androgens. This makes the kallikrein locus an ideal model to investigate AR signalling. The increasingly dedifferentiated phenotype of aggressive prostate cancer cells is accompanied by the re-expression of signalling molecules that are usually expressed during embryogenesis and foetal tissue development. The Wnt pathway is one developmental cascade that is reactivated in prostate cancer. The canonical Wnt cascade regulates the intracellular levels of β-catenin, a potent transcriptional co-activator of T-cell factor (TCF) transcription factors. Notably, β-catenin can also bind to the AR and synergistically stimulate androgen-mediated gene expression. This is at the expense of typical Wnt/TCF target genes, because the AR:β-catenin and TCF:β-catenin interactions are mutually exclusive. The effect of β-catenin on kallikrein expression was examined to further investigate the role of β-catenin in prostate cancer. Stable knockdown of β-catenin in LNCaP prostate cancer cells attenuated the androgen-regulated expression of KLK2, 3, 4 and 15, but not KLK14. To test whether KLK14 is instead a TCF:β-catenin target gene, the endogenous levels of β-catenin were increased by inhibiting its degradation. Although KLK14 expression was up-regulated by these treatments, siRNA knockdown of β-catenin demonstrated that this effect was independent of β-catenin. These results show that β-catenin is required for maximal expression of KLK2, 3, 4 and 15, but not KLK14. Developmental cells and tumour cells express a similar repertoire of signalling molecules, which means that these different cell types are responsive to one another. Previous reports have shown that stem cells and foetal tissues can reprogram aggressive cancer cells to less aggressive phenotypes by restoring the balance to developmental signalling pathways that are highly dysregulated in cancer. To investigate this phenomenon in prostate cancer, DU145 and PC-3 prostate cancer cells were cultured on matrices pre-conditioned with human embryonic stem cells (hESCs). Soft agar assays showed that prostate cancer cells exposed to hESC conditioned matrices had reduced clonogenicity compared with cells harvested from control matrices. A recent study demonstrated that this effect was partially due to hESC-derived Lefty, an antagonist of Nodal. A member of the transforming growth factor β (TGFβ) superfamily, Nodal regulates embryogenesis and is re-expressed in cancer. The role of Nodal in prostate cancer has not previously been reported. Therefore, the expression and function of the Nodal signalling pathway in prostate cancer was investigated. Western blots confirmed that Nodal is expressed in DU145 and PC-3 cells. Immunohistochemistry revealed greater expression of Nodal in malignant versus benign glands. Notably, the Nodal inhibitor, Lefty, was not expressed at the mRNA level in any prostate cell lines tested. The Nodal signalling pathway is functionally active in prostate cancer cells. Recombinant Nodal treatments triggered downstream phosphorylation of Smad2 in DU145 and LNCaP cells, and stably-transfected Nodal increased the clonogencity of LNCaP cells. Nodal was also found to modulate AR signalling. Nodal reduced the activity of an androgen-regulated KLK3 promoter construct in luciferase assays and attenuated the endogenous expression of AR target genes including prostatic kallikreins. These results demonstrate that Nodal is a novel example of a developmental signalling molecule that is reexpressed in prostate cancer and may have a functional role in prostate cancer progression. In summary, this project clarifies the role of androgens and changing cellular differentiation in prostate cancer by characterising the expression and function of the downstream genes encoding kallikrein-related serine proteases and Nodal. Furthermore, this study emphasises the similarities between prostate cancer and early development, and the crosstalk between developmental signalling pathways and the AR axis. The outcomes of this project also affirm the utility of the kallikrein locus as a model system to monitor tumour progression and the phenotype of prostate cancer cells.

Steady state visually evoked potential correlates of static and dynamic emotional face processing

While the neural regions associated with facial identity recognition are considered to be well defined, the neural correlates of non-moving and moving images of facial emotion processing are less clear. This study examined the brain electrical activity changes in 26 participants (14 males M = 21.64, SD = 3.99; 12 females M = 24.42, SD = 4.36), during a passive face viewing task, a scrambled face task and separate emotion and gender face discrimination tasks. The steady state visual evoked potential (SSVEP) was recorded from 64-electrode sites. Consistent with previous research, face related activity was evidenced at scalp regions over the parieto-temporal region approximately 170 ms after stimulus presentation. Results also identified different SSVEP spatio-temporal changes associated with the processing of static and dynamic facial emotions with respect to gender, with static stimuli predominately associated with an increase in inhibitory processing within the frontal region. Dynamic facial emotions were associated with changes in SSVEP response within the temporal region, which are proposed to index inhibitory processing. It is suggested that static images represent non-canonical stimuli which are processed via different mechanisms to their more ecologically valid dynamic counterparts.