A humanized tissue-engineered in vivo model to dissect interactions between human prostate cancer cells and human bone

Currently used xenograft models for prostate cancer bone metastasis lack the adequate tissue composition necessary to study the interactions between human prostate cancer cells and the human bone microenvironment. We introduce a tissue engineering approach to explore the interactions between human tumor cells and a humanized bone microenvironment. Scaffolds, seeded with human primary osteoblasts in conjunction with BMP7, were implanted into immunodeficient mice to form humanized tissue engineered bone constructs (hTEBCs) which consequently resulted in the generation of highly vascularized and viable humanized bone. At 12 weeks, PC3 and LNCaP cells were injected into the hTEBCs. Seven weeks later the mice were euthanized. Micro-CT, histology, TRAP, PTHrP and osteocalcin staining results reflected the different characteristics of the two cell lines regarding their phenotypic growth pattern within bone. Microvessel density, as assessed by vWF staining, showed that tumor vessel density was significantly higher in LNCaP injected hTEBC implants than in those injected with PC3 cells (p\0.001). Interestingly, PC3 cells showed morphological features of epithelial and mesenchymal phenotypes suggesting a cellular plasticity within this microenvironment. Taken together, a highly reproducible humanized model was established which is successful in generating LNCaP and PC3 tumors within a complex humanized bone microenvironment. This model simulates the conditions seen clinically more closely than any other model described in the literature to date and hence represents a powerful experimental platform that can be used in future work to investigate specific biological questions relevant to bone metastasis.

Novel Levamisole Derivative Induces Extrinsic Pathway of Apoptosis in Cancer Cells and Inhibits Tumor Progression in Mice

Background: Levamisole, an imidazo(2,1-b) thiazole derivative, has been reported to be a potential antitumor agent. In the present study, we have investigated the mechanism of action of one of the recently identified analogues, 4a (2-benzyl-6-(4'-fluorophenyl)-5-thiocyanato-imidazo2,1-b]1,3,4]thi adiazole). Materials and Methods: ROS production and expression of various apoptotic proteins were measured following 4a treatment in leukemia cell lines. Tumor animal models were used to evaluate the effect of 4a in comparison with Levamisole on progression of breast adenocarcinoma and survival. Immunohistochemistry and western blotting studies were performed to understand the mechanism of 4a action both ex vivo and in vivo. Results: We have determined the IC50 value of 4a in many leukemic and breast cancer cell lines and found CEM cells most sensitive (IC50 5 mu M). Results showed that 4a treatment leads to the accumulation of ROS. Western blot analysis showed upregulation of pro-apoptotic proteins t-BID and BAX, upon treatment with 4a. Besides, dose-dependent activation of p53 along with FAS, FAS-L, and cleavage of CASPASE-8 suggest that it induces death receptor mediated apoptotic pathway in CEM cells. More importantly, we observed a reduction in tumor growth and significant increase in survival upon oral administration of 4a (20 mg/kg, six doses) in mice. In comparison, 4a was found to be more potent than its parental analogue Levamisole based on both ex vivo and in vivo studies. Further, immunohistochemistry and western blotting studies indicate that 4a treatment led to abrogation of tumor cell proliferation and activation of apoptosis by the extrinsic pathway even in animal models. Conclusion: Thus, our results suggest that 4a could be used as a potent chemotherapeutic agent.

Reversible induction of translational isoforms of p53 in glucose deprivation

Tumor suppressor protein p53 is a master transcription regulator, indispensable for controlling several cellular pathways. Earlier work in our laboratory led to the identification of dual internal ribosome entry site (IRES) structure of p53 mRNA that regulates translation of full-length p53 and Delta 40p53. IRES-mediated translation of both isoforms is enhanced under different stress conditions that induce DNA damage, ionizing radiation and endoplasmic reticulum stress, oncogene-induced senescence and cancer. In this study, we addressed nutrient-mediated translational regulation of p53 mRNA using glucose depletion. In cell lines, this nutrient-depletion stress relatively induced p53 IRES activities from bicistronic reporter constructs with concomitant increase in levels of p53 isoforms. Surprisingly, we found scaffold/matrix attachment region-binding protein 1 (SMAR1), a predominantly nuclear protein is abundant in the cytoplasm under glucose deprivation. Importantly under these conditions polypyrimidine-tract-binding protein, an established p53 ITAF did not show nuclear-cytoplasmic relocalization highlighting the novelty of SMAR1-mediated control in stress. In vivo studies in mice revealed starvation-induced increase in SMAR1, p53 and Delta 40p53 levels that was reversible on dietary replenishment. SMAR1 associated with p53 IRES sequences ex vivo, with an increase in interaction on glucose starvation. RNAi-mediated-transient SMAR1 knockdown decreased p53 IRES activities in normal conditions and under glucose deprivation, this being reflected in changes in mRNAs in the p53 and Delta 40p53 target genes involved in cell-cycle arrest, metabolism and apoptosis such as p21, TIGAR and Bax. This study provides a new physiological insight into the regulation of this critical tumor suppressor in nutrient starvation, also suggesting important functions of the p53 isoforms in these conditions as evident from the downstream transcriptional target activation.

Recombinant Subgroup B Human Respiratory Syncytial Virus Expressing Enhanced Green Fluorescent Protein Efficiently Replicates in Primary Human Cells and Is Virulent in Cotton Rats

Human respiratory syncytial virus (HRSV) is the most important viral cause of severe respiratory tract disease in infants. Two subgroups (A and B) have been identified, which cocirculate during, or alternate between, yearly epidemics and cause indistinguishable disease. Existing in vitro and in vivo models of HRSV focus almost exclusively on subgroup A viruses. Here, a recombinant (r) subgroup B virus (rHRSV(B05)) was generated based on a consensus genome sequence obtained directly from an unpassaged clinical specimen from a hospitalized infant. An additional transcription unit containing the gene encoding enhanced green fluorescent protein (EGFP) was introduced between the phosphoprotein and matrix genes (position 5) of the genome to generate rHRSV(B05)EGFP(5). The recombinant viruses replicated efficiently in both HEp-2 cells and in well-differentiated normal human bronchial cells grown at air-liquid interface. Intranasal infection of cotton rats (Sigmodon hispidus) resulted in high numbers of EGFP(+) cells in epithelia of the nasal septum and conchae. When administered in a relatively large inoculum volume, the virus also replicated efficiently in bronchiolar epithelial cells and spread extensively in both the upper and lower respiratory tracts. Virus replication was not observed in ciliated epithelial cells of the trachea. This is the first virulent rHRSV strain with the genetic composition of a currently circulating wild-type virus. In vivo tracking of infected cells by means of EGFP fluorescence in the absence of cytopathic changes increases the sensitivity of virus detection in HRSV pathogenesis studies.

IMPORTANCE

Virology as a discipline has depended on monitoring cytopathic effects following virus culture in vitro. However, wild-type viruses isolated from patients often do not cause significant changes to infected cells, necessitating blind passage. This can lead to genetic and phenotypic changes and the generation of high-titer, laboratory-adapted viruses with diminished virulence in animal models of disease. To address this, we determined the genome sequence of an unpassaged human respiratory syncytial virus from a sample obtained directly from an infected infant, assembled a molecular clone, and recovered a wild-type recombinant virus. Addition of a gene encoding enhanced green fluorescent protein allowed this wild-type virus to be tracked in primary human cells and living animals in the absence of significant cytopathic effects. Imaging of fluorescent cells proved to be a highly valuable tool for monitoring the spread of virus and may help improve assays for evaluating novel intervention strategies.

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.

Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Role of quercetin and its in vivo metabolites in protecting H9c2 cells against oxidative stress

The aim of this study was to investigate the potential of quercetin and two of its "in vivo" metabolites, 3'-O-methyl quercetin and 4'-O-methyl quercetin, to protect H9c2 cardiomyoblasts against H2O2-induced oxidative stress. As limited data are available regarding the potential uptake and cellular effects of quercetin and its metabolites in cardiac cells, we have evaluated the cellular association/uptake of the three compounds and their involvement in the modulation of two pro-survival signalling pathways: ERK1/2 signalling cascade and PI3K/Akt pathway. The three flavonols associated with cells to differing extents. Quercetin and its two O-methylated metabolites were able to reduce intracellular ROS production but only quercetin was able to counteract H2O2 cell damage, as measured by MTT reduction assay, caspase-3 activity and DNA fragmentation assays. Furthermore, only quercetin was observed to modulate pro-survival signalling through ERK1/2 and PI3K/Akt pathway. In conclusion we have demonstrated that quercetin, but not its O-methylated metabolites, exerts protective effects against H2O2 cardiotoxicity and that the mechanism of its action involves the modulation of PI3K/Akt and ERK1/2 signalling pathways. (c) 2006 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Bcl-2 expression and apoptosis induction in human HL60 leukaemic cells treated with a novel organotellurium(IV) compound RT-04

Organotellurium(]V) compounds have been reported to have multiple biological activities including cysteine protease-inhibitory activity, mainly cathepsin B. As cathepsin B is a highly predictive indicator for prognosis and diagnosis of cancer, a possible antitumor potential for these new compounds is expected. In this work, it was investigated the effectiveness of organotellurium(IV) RT-04 to produce lethal effects in the human promyelocytic leukaemia cell line HL60. Using the MTT tetrazolium reduction test, and trypan blue exclusion assay, the IC50 for the compound after 24 h incubation was 6.8 and 0.35 mu M, respectively. Moreover, the compound was found to trigger apoptosis in HL60 cells, inducing DNA fragmentation and caspase-3, -6, and -9 activations. The apoptsosis-induced by RT-04 is probably related to the diminished Bcl-2 expression, observed by RT-PCR, in HL60-treated cells. In vivo studies demonstrated that the RT-04 treatment (2.76 mg/kg given for three consecutive days) produces no significant toxic effects for bone marrow and spleen CFU-GM. However, higher doses (5.0 and 10 mg/kg) produced a dose-dependent reduction in the number of CFU-GM of RT-04-treated mice. These results suggest that RT-04 is able to induce apoptosis in HL60 cells by Bcl-2 expression down-modulation. Further studies are necessary to better clarify the effects of this compound on bone marrow normal cells. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

In vitro studies of cells grown on the superconductor PrOxFeAs

The recent discovery of arsenic-based high temperature superconductors has reignited interest in the study of superconductor: biological interfaces. However, the new superconductor materials involve the chemistry of arsenic and their toxicity remains unclear [Hand, E., 2008. Nature 452 (24), 922]. In this study the possible adverse effects of this new family of superconductors on cells have been examined. Cell culture studies in conjunction with microscopy and viability assays were employed to examine the influence of arsenic-based superconductor PrO_xFeAs (x = 0.75) material in vitro. Imaging data revealed that cells were well adhered and spread on the surface of the superconductor. Furthermore, cytotoxicity studies showed that cells were unaffected during the time-course of the experiments, providing support for the biocompatibility aspects of PrO_xFeAs-based superconductor material.

Interfacing cell-based assays in environmental scanning electron microscopy using dielectrophoresis

Development of the dielectrophoretic (DEP) live cell trapping technology and its interfacing with the environmental scanning electron microscopy (ESEM) is described. DEP microelectrode arrays were fabricated on glass substrate using photolithography and lift-off. Chip-based arrays were applied for ESEM analysis of DEP-trapped human leukemic cells. This work provides proof-of-concept interfacing of the DEP cell retention and trapping technology with ESEM to provide a high-resolution analysis of individual nonadherent cells.

Mutagenicity of the Musa paradisiaca (Musaceae) fruit peel extract in mouse peripheral blood cells in vivo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

The mutagenic potential of Clusia alata (Clusiaceae) extract based on two short-term in vivo assays

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)