Targeting oncogenic signaling proteins : new insights using a FRET-based chemical biology approach

Cancer affects more than 20 million people each year and this rate is increasing globally. The Ras/MAPK-pathway is one of the best-studied cancer signaling pathways. Ras proteins are mutated in almost 20% of all human cancers and despite numerous efforts, no effective therapy that specifically targets Ras is available to date. It is now well established that Ras proteins laterally segregate on the plasma membrane into transient nanoscale signaling complexes called nanoclusters. These Ras nanoclusters are essential for the high-fidelity signal transmission. Disruption of nanoclustering leads to reduction in Ras activity and signaling, therefore targeting nanoclusters opens up important new therapeutic possibilities in cancer. This work describes three different studies exploring the idea of membrane protein nanoclusters as novel anti-cancer drug targets. It is focused on the design and implementation of a simple, cell-based Förster Resonance Energy Transfer (FRET)-biosensor screening platform to identify compounds that affect Ras membrane organization and nanoclustering. Chemical libraries from different sources were tested and a number of potential hit molecules were validated on full-length oncogenic proteins using a combination of imaging, biochemical and transformation assays. In the first study, a small chemical library was screened using H-ras derived FRET-biosensors. Surprisingly from this screen, commonly used protein synthesis inhibitors (PSIs) were found to specifically increase H-ras nanoclustering and downstream signalling in a H-ras dependent manner. Using a representative PSI, increase in H-ras activity was shown to induce cancer stem cell (CSC)-enriched mammosphere formation and tumor growth of breast cancer cells. Moreover, PSIs do not increase K-ras nanoclustering, making this screening approach suitable for identifying Ras isoform-specific inhibitors. In the second study, a nanoncluster-directed screen using both H- and K-ras derived FRET biosensors identified CSC inhibitor salinomycin to specifically inhibit K-ras nanocluster organization and downstream signaling. A K-ras nanoclusteringassociated gene signature was established that predicts the drug sensitivity of cancer cells to CSC inhibitors. Interestingly, almost 8% of patient tumor samples in the The Cancer Genome Atlas (TCGA) database had the above gene signature and were associated with a significantly higher mortality. From this mechanistic insight, an additional microbial metabolite screen on H- and K-ras biosensors identified ophiobolin A and conglobatin A to specifically affect K-ras nanoclustering and to act as potential breast CSC inhibitors. In the third study, the Ras FRET-biosensor principle was used to investigate membrane anchorage and nanoclustering of myristoylated proteins such as heterotrimeric G-proteins, Yes- and Src-kinases. Furthermore, Yes-biosensor was validated to be a suitable platform for performing chemical and genetic screens to identify myristoylation inhibitors. The results of this thesis demonstrate the potential of the Ras-derived FRETbiosensor platform to differentiate and identify Ras-isoform specfic inhibitors. The results also highlight that most of the inhibitors identified predominantly perturb Ras subcellular distribution and membrane organization through some novel and yet unknown mechanisms. The results give new insights into the role of Ras nanoclusters as promising new molecular targets in cancer and in stem cells.

Life without Phd? – Phd Oxygen Sensor Proteins in Hypoxic Carcinoma Cell Survival

The microenvironment within the tumor plays a central role in cellular signaling. Rapidly proliferating cancer cells need building blocks for structures as well as nutrients and oxygen for energy production. In normal tissue, the vasculature effectively transports oxygen, nutrient and waste products, and maintains physiological pH. Within a tumor however, the vasculature is rarely sufficient for the needs of tumor cells. This causes the tumor to suffer from lack of oxygen (hypoxia) and nutrients as well as acidification, as the glycolytic end product lactate is accumulated. Cancer cells harbor mutations enabling survival in the rough microenvironment. One of the best characterized mutations is the inactivation of the von Hippel-Lindau protein (pVHL) in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Inactivation causes constitutive activation of hypoxia-inducible factor HIF which is an important survival factor regulating glycolysis, neovascularization and apoptosis. HIFs are normally regulated by HIF prolyl hydroxylases (PHDs), which in the presence of oxygen target HIF α-subunit to ubiquitination by pVHL and degradation by proteasomes. In my thesis work, I studied the role of PHDs in the survival of carcinoma cells in hypoxia. My work revealed an essential role of PHD1 and PHD3 in cell cycle regulation through two cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs) p21 and p27. Depletion of PHD1 or PHD3 caused a cell cycle arrest and subjected the carcinoma cells to stress and impaired the survival.

Immuno-oncology of human prostate cancer : phenotypical characterization and study of the tumor-derived, androgen-regulated immunosuppressive microenvironment

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes canadiens et la troisième cause de décès relié au cancer. Lorsque diagnostiqué à un stade précoce de la maladie, le cancer de la prostate est traité de manière curative par chirurgie et radiothérapie. Par contre, les thérapies actuelles ne peuvent éradiquer la maladie lorsqu’elle progresse à des stades avancés. Ces thérapies, comme la chimiothérapie et l’hormonothérapie, demeurent donc palliatives. Il est primordial d’optimiser de nouvelles thérapies visant l’élimination des cellules cancéreuses chez les patients atteints des stades avancés de la maladie. Une de ces nouvelles options thérapeutiques est l’immunothérapie. L’immunothérapie du cancer a fait des progrès considérables durant les dernières années. Cependant, les avancements encourageants obtenus lors d’essais précliniques ne se sont pas encore traduits en des résultats cliniques significatifs. En ce qui concerne le cancer de la prostate, les résultats négligeables suivants des interventions immunothérapeutiques peuvent être causés par le fait que la plupart des études sur le microenvironnement immunologique furent effectuées chez des modèles animaux. De plus la majorité des études sur l’immunologie tumorale humaine furent effectuées chez des patients atteints d’autres cancers, tels que le mélanome, et non chez les patients atteints du cancer de la prostate. Donc, le but central de cette thèse de doctorat est d’étudier le microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate afin de mieux définir les impacts de la tumeur sur le développement de la réponse immunitaire antitumorale. Pour réaliser ce projet, nous avons établi deux principaux objectifs de travail : (i) la caractérisation précise des populations des cellules immunitaires infiltrant la tumeur primaire et les ganglions métastatiques chez les patients atteints du cancer de la prostate; (ii) l’identification et l’étude des mécanismes immunosuppressifs exprimés par les cellules cancéreuses de la prostate. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la progression du cancer de la prostate est associée au développement d’un microenvironnement immunosuppressif qui, en partie, est régulé par la présence des androgènes. L’étude initiale avait comme but la caractérisation du microenvironnement immunologique des ganglions drainant la tumeur chez des patients du cancer de la prostate. Les résultats présentés dans le chapitre III nous a permis de démontrer que les ganglions métastatiques comportent des signes cellulaires et histopathologiques associés à une faible réactivité immunologique. Cette immunosuppression ganglionnaire semble dépendre de la présence des cellules métastatiques puisque des différences immunologiques notables existent entre les ganglions non-métastatiques et métastatiques chez un même patient. La progression du cancer de la prostate semble donc associée au développement d’une immunosuppression affectant les ganglions drainant la tumeur primaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’impact de la thérapie par déplétion des androgènes (TDA) sur le microenvironnement immunologique de la tumeur primaire. La TDA est associée à une augmentation marquée de l’inflammation prostatique. De plus, les protocoles d’immunothérapies pour le cancer de la prostate actuellement évalués en phase clinique sont dirigés aux patients hormonoréfractaires ayant subi et échoué la thérapie. Cependant, peu d’information existe sur la nature de l’infiltrat de cellules immunes chez les patients castrés. Il est donc essentiel de connaître la nature de cet infiltrat afin de savoir si celui-ci peut répondre de manière favorable à une intervention immunothérapeutique. Dans le chapitre IV, je présente les résultats sur l’abondance des cellules immunes infiltrant la tumeur primaire suivant la TDA. Chez les patients castrés, les densités de lymphocytes T CD3+ et CD8+ ainsi que des macrophages CD68+ sont plus importantes que chez les patients contrôles. Nous avons également observé une corrélation entre la densité de cellules NK et une diminution du risque de progression de la maladie (rechute biochimique). Inversement, une forte infiltration de macrophages est associée à un plus haut risque de progression. Conjointement, durant cette étude, nous avons développé une nouvelle approche informatisée permettant la standardisation de la quantification de l’infiltrat de cellules immunes dans les échantillons pathologiques. Cette approche facilitera la comparaison d’études indépendantes sur la densité de l’infiltrat immun. Ces résultats nous ont donc permis de confirmer que les effets pro-inflammatoires de la TDA chez les patients du cancer de la prostate ciblaient spécifiquement les lymphocytes T et les macrophages. L’hypothèse intéressante découlant de cette étude est que les androgènes pourraient réguler l’expression de mécanismes immunosuppressifs dans la tumeur primaire. Dans le chapitre V, nous avons donc étudié l’expression de mécanismes immunosuppressifs par les cellules cancéreuses du cancer de la prostate ainsi que leur régulation par les androgènes. Notre analyse démontre que les androgènes augmentent l’expression de molécules à propriétés immunosuppressives telles que l’arginase I et l’arginase II. Cette surexpression dépend de l’activité du récepteur aux androgènes. Chez les patients castrés, l’expression de l’arginase II était diminuée suggérant une régulation androgénique in vivo. Nous avons observé que l’arginase I et l’arginase II participent à la prolifération des cellules du cancer de la prostate ainsi qu’à leur potentiel immunosuppressif. Finalement, nous avons découvert que l’expression de l’interleukin-8 était aussi régulée par les androgènes. De plus, l’interleukin-8, indépendamment des androgènes, augmente l’expression de l’arginase II. Ces résultats confirment que les androgènes participent au développement d’une microenvironnement immunosuppressif dans le cancer de la prostate en régulant l’expression de l’arginase I, l’arginase II et l’interleukin-8. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse témoignent du caractère unique du microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate. Nos travaux ont également permis d’établir de nouvelles techniques basées sur des logiciels d’analyse d’image afin de mieux comprendre le dialogue entre la tumeur et le système immunitaire chez les patients. Approfondir les connaissances sur les mécanismes de régulation du microenvironnement immunologique chez les patients atteint du cancer de la prostate permettra d’optimiser des immunothérapies mieux adaptées à éradiquer cette maladie.

Expression of steroidogenic proteins and genes in bovine placenta from conventional and somatic cell nuclear transfer (SCNT) gestations

Pendant la grossesse, les hormones stéroïdes jouent un rôle indispensable dans la régulation des principales manifestations physiologiques telles que la reconnaissance maternelle de la gestation, la réceptivité de l'endomètre, le début du développement embryonnaire ainsi que le maintien de la gestation. Cependant, on sait très peu sur la production de ces hormones et les principaux facteurs des voies intracellulaires impliqués dans le processus de stéroïdogenèse dans le placenta bovin pendant les stades initiaux et plus avancés de la gestation. Par ailleurs, certaines anomalies du placenta chez les bovins suite à une mauvaise production de stéroïdes n'ont pas encore été démontrées. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : 1) déterminer la présence et la localisation des principales protéines stéroïdiennes dans le placenta de bovins provenant de gestations de 50 à 120 jours, 2) comparer l'expression placentaire d'une série de gènes et de protéines stéroïdiennes entre une gestation impliquant un transfert de noyaux de cellules somatiques (SCNT) et une gestation non-clonale; 3) étudier l'impact des hormones trophiques et des seconds messagers sur la stéroïdogenèse dans le placenta bovin à 140 +10 jours de gestation. L’utilisation de techniques d’immunohistochimie, d’immunobuvardage et de PCR quantitatif nous a permis d’évaluer la présence d'un large éventail de gènes stéroïdiens (STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1 et SCARB1) qui participent au transport du cholestérol et dans la production de différents types de stéroïdes. Dans cette thèse, nous avons démontré la capacité du placenta bovin d’initier la stéroïdogenèse au début de la gestation et nous avons également déterminé les principales cellules impliquées dans ce processus. Nous avons constaté que les tissus maternels expriment les principaux marqueurs de stéroïdogenèse suggérant une plus grande capacité stéroïdogénique que les tissus fœtaux. En outre, un modèle d'expression des protéines complémentaires stéroïdogéniques entre la caroncule et le cotylédon a été observé, indiquant que la stéroïdogenèse placentaire exige une communication cellule à cellule entre les cellules de la mère et du fœtus. Après avoir démontré les principales cellules impliquées dans la synthèse des hormones stéroïdiennes dans le placenta bovin en début de gestation, nous avons ensuite étudié les modifications possibles de la stéroïdogenèse dans les tissus SCNT cotylédonaires à 40 jours de gestation. Nous avons identifié d'importantes modifications dans l'expression des gènes STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1, et SULT1E1. Conséquemment, nous postulons que l'expression réduite des gènes stéroïdiens peut provoquer une insuffisance de la biosynthèse des hormones stéroïdiennes, ce qui pourrait contribuer à un développement anormal du placenta et du fœtus dans les gestations SCNT à court ou long terme. Finalement, nous avons développé un modèle efficace de culture d’explants de placentome qui nous a permis d'explorer les mécanismes sous-jacents spécifiques à la stéroïdogenèse placentaire. Nous avons exploré l'effet stimulant des hormones trophiques et différents messagers secondaires sur l'expression de différentes protéines stéroïdogéniques ainsi que le taux de progestérone (P4) dans les explants de placentome. En utilisant les techniques de RIA et de PCR quantitatif, nous avons constaté que même si les analogues de l'hormone lutéinisante (hCG) ont un effet stimulant sur plusieurs gènes stéroïdiens, le calcium ionophore est le principal modulateur dans la synthèse de la P4. Ces résultats suggèrent que dans le placenta bovin, la synthèse de la P4 est modulée principalement par l'afflux de calcium intracellulaire, et apparemment les nucléotides cycliques ne semblent pas contrôler ce processus. En conclusion, cette étude contribue de manière significative à une meilleure compréhension des mécanismes d'entraînement de la synthèse des stéroïdes placentaires au début de la gestation et permet aussi d’apporter de nouveaux éclairages sur l'importance des stéroïdes placentaires dans la régulation du développement du placenta et du fœtus.

Antigen and superantigen presentation as defined by the MHCII-accessory proteins and associated-peptides

MHCII molecules expose a weave of antigens, which send survival or activation signals to T lymphocytes. The ongoing process of peptide binding to the MHC class II groove implicates three accessory molecules: the invariant chain, DM and DO. The invariant chain folds and directs the MHCII molecules to the endosomal pathway. Then, DM exchanges the CLIP peptide, which is a remnant of the degraded invariant chain, for peptides of better affinity. Expressed in highly specialized antigen presenting cells, DO competes with MHCII molecules for DM binding and favors the presentation of receptor-internalized antigens. Altogether, these molecules exhibit potential immunomodulatory properties that can be exploited to increase the potency of peptide vaccines. DO requires DM for maturation and to exit the ER. Interestingly, it is possible to monitor this interaction through a conformation change on DOβ that is recognized by the Mags.DO5 monoclonal antibody. Using Mags.DO5, we showed that DM stabilizes the interactions between the DO α1 and β1 chains and that DM influences DO folding in the ER. Thus, the Mags.DO5+ conformation correlates with DO egress from the ER. To further evaluate this conformation change, directed evolution was applied to DO. Of the 41 unique mutants obtained, 25% were localized at the DM-DO binding interface and 12% are at the solvent-exposed β1 domain, which is thought to be the Mags.DO5 epitope. In addition, I used the library to test the ability of HLA-DO to inhibit HLA-DM and sorted for the amount of CLIP. Interestingly, most of the mutants showed a decrease inhibitory effect, supporting the notion that the intrinsic instability of DO is a required for its function. Finally, these results support the model in which DO competes against classical MHCII molecules by sequestering DM chaperone’s function. MHCII molecules are also characterized by their ability to present superantigens, a group of bacterial or viral toxins that coerces MHCII-TCR binding in a less promiscuous fashion than what is observed in a canonical setting. While the mechanism of how bacterial superantigens form trimeric complexes with TCR and MHCII is well understood, the mouse mammary tumor virus superantigens (vSAG) are poorly defined. In the absence of a crystal structure, I chose a functional approach to examine the relation between vSAG, MHCII and TCR with the goal of uncovering the overall trimolecular architecture. I showed that TCR concomitantly binds both the MHCII α chain and the vSAG and that TCR-MHCII docking is almost canonical when coerced by vSAGs. Because many peptides may be tolerated in the MHCII groove, the pressure exerted by vSAG seems to tweak conventional TCR-MHCII interactions. Furthermore, my results demonstrate that vSAG binding to MHCII molecules is conformation-dependent and abrogated by the CLIP amino-terminal residues extending outside the peptide-binding groove. In addition, they also suggest that vSAGs cross-link adjacent MHCIIs and activate T cells via a TGXY motif.

Identification and characterization of new biomarkers in aggressive subtypes of breast cancer

En 2015, la récidive tumorale et les métastases du cancer du sein demeurent une cause importante de décès à travers le monde. Toutefois, ces cancers sont souvent hétérogènes car en dépit d’un phénotype similaire, l’évolution clinique et la réponse au traitement peuvent varier considérablement. Il y a donc un intérêt évident à identifier et à caractériser de nouveaux biomarqueurs pour permettre classer les tumeurs mammaires dans des sous-groupes plus homogènes. Notre hypothèse est que chaque cancer mammaire possède des caractéristiques distinctes au plan des altérations du génome et des profils d’expression géniques et que ces changements se traduisent cliniquement par une prédisposition à former des métastases ou à répondre ou non à la chimiothérapie et aux thérapies ciblées. Dans le cadre de nos travaux, nous nous sommes intéressés aux sous-types agressifs de tumeurs mammaires et notamment les cancers de type triple négatif. Nous avons aussi tenté d’identifier des marqueurs capables de distinguer l’une de l’autre les tumeurs de type luminal A et luminal B. Pour ce faire, nous avons d’abord utilisé une stratégie in silico à partir de données publiques (micro-puces d’ADN et séquençage de l’ARN). Nous avons ensuite construit sept micro-matrices tissulaires (TMA) provenant de tissus mammaires normaux et tumoraux fixés à la formaline et enrobés en paraffine. Ces outils nous ont permis d’évaluer par immunohistochimie les niveaux d’expression différentielle des marqueurs suivants : ANXA1, MMP-9, DP103 et MCM2. Ceux-ci ont été comparés aux marqueurs usuels du cancer du sein (ER, PR, HER2, CK5/6 et FOXA1) et corrélés aux données cliniques (survie globale et métastase). Nos résultats indiquent que ces nouveaux marqueurs jouent un rôle important dans l’évolution clinique défavorable des tumeurs de haut grade. Dans un premier article nous avons montré que l’expression d’ANXA1 est dérégulée dans les cancers de type triple-négatif et aussi, dans une certaine mesure, dans les tumeurs HER2+. Nous croyons qu’ANXA1 permet de mieux comprendre le processus d’hétérogénéité tumorale et facilite l’identification des tumeurs de haut grade. Nous proposons également qu’ d’ANXA1 stimule la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) et la formation des métastases. Dans un second temps, nous avons montré que les niveaux d’expression de MMP-9 reflètent la différenciation cellulaire et corrèlent avec les sous-types de cancers mammaires ayant un mauvais pronostic. Nous estimons que MMP-9 permet de mieux comprendre et d’identifier les tumeurs mammaires à haut risque. De fait, la surexpression de MMP-9 est associée à une augmentation des métastases, une récidive précoce et une diminution de la survie globale. Dans le cadre d’un troisième article, nous avons montré que la surexpression du marqueur de prolifération MCM2 s’observe dans les cancers triple-négatifs, HER2+ et Luminal B par comparaison aux cancers luminal A (p< 0.0001). Nos résultats suggèrent qu’en utilisant un seuil de 40% de noyaux marqués, nous pourrions distinguer l’une de l’autre les tumeurs de type luminal A et luminal B. Cela dit, avant de pouvoir envisager l’utilisation de ce marqueur en clinique, une étude de validation sur une nouvelle cohorte de patientes s’impose. En somme, les résultats de nos travaux suggèrent qu’ANXA1, MMP-9 et MCM2 sont des marqueurs intéressants pour mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques impliqués dans la progression tumorale et le développement des métastases. À terme, ces nouveaux marqueurs pourraient être utilisés seuls ou en combinaison avec d’autres gènes candidats pour permettre le développement de trousses « multigènes » ou d’essais protéomiques multiplex pour prédire l’évolution clinique des cancers mammaires.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Protein-Expressions-Analysen zur Etablierung prädiktiver Biomarker bei der Behandlung fortgeschrittener Tumoren der Mamma und der Prostata

Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der zielgerichteten Therapie zur Behandlung maligner Erkrankungen erfordern neuartige Verfahren zur Diagnostik und Selektion geeigneter Patienten. So ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Identifizierung neuer Zielmoleküle, die die Vorhersage eines Therapieerfolges mit targeted drugs ermöglichen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dem humanisierten monoklonalen Antikörper Trastuzumab (Herceptin), der zur Therapie Her-2 überexprimierender, metastasierter Mammakarzinome eingesetzt wird. Jüngste Erkenntnisse lassen eine Anwendung dieses Medikamentes in der Behandlung des Hormon-unabhängigen Prostatakarzinoms möglich erscheinen. Therapie-beeinflussende Faktoren werden in der dem Rezeptor nachgeschalteten Signaltransduktion oder Veränderungen des Rezeptors selbst vermutet. Mittels Immunhistochemie wurden die Expressions- und Aktivierungsniveaus verschiedener Proteine der Her-2-assoziierten Signaltransduktion ermittelt; insgesamt wurden 37 molekulare Marker untersucht. In Formalin fixierte und in Paraffin eingebettete korrespondierende Normal- und Tumorgewebe von 118 Mammakarzinom-Patientinnen sowie 78 Patienten mit Prostatakarzinom wurden in TMAs zusammengefasst. Die in Zusammenarbeit mit erfahrenen Pathologen ermittelten Ergebnisse dienten u.a. als Grundlage für zweidimensionales, unsupervised hierarchisches clustering. Ergebnis dieser Analysen war für beide untersuchten Tumorentitäten die Möglichkeit einer Subklassifizierung der untersuchten Populationen nach molekularen Eigenschaften. Hierbei zeigten sich jeweils neue Möglichkeiten zur Anwendung zielgerichteter Therapien, deren Effektivität Inhalt weiterführender Studien sein könnte. Zusätzlich wurden an insgesamt 43 Frischgeweben die möglichen Folgen des sog. shedding untersucht. Western Blot-basierte Untersuchungen zeigten hierbei die Möglichkeit der Selektion von Patienten aufgrund falsch-positiver Befunde in der derzeit als Standard geltenden Diagnostik. Zusätzlich konnte durch Vergleich mit einer Herceptin-sensitiven Zelllinie ein möglicher Zusammenhang eines Therapieerfolges mit dem Phosphorylierungs-/ Aktivierungszustand des Rezeptors ermittelt werden. Fehlende klinische Daten zum Verlauf der Erkrankung und Therapie der untersuchten Patienten lassen keine Aussagen über die tatsächliche Relevanz der ermittelten Befunde zu. Dennoch verdeutlichen die erhaltenen Resultate eindrucksvoll die Komplexität der molekularen Vorgänge, die zu einem Krebsgeschehen führen und damit Auswirkungen auf die Wirksamkeit von targeted drugs haben können. Entwicklungen auf dem Gebiet der zielgerichteten Therapie erfordern Verbesserungen auf dem Gebiet der Diagnostik, die die sichere Selektion geeigneter Patienten erlauben. Die Zukunft der personalisierten, zielgerichteten Behandlung von Tumorerkrankungen wird verstärkt von molekularen Markerprofilen hnlich den hier vorgestellten Daten beeinflusst werden.

“Unmixing” Tissue Gene Expression Signatures from Tumor Biopsies

Emergent molecular measurement methods, such as DNA microarray, qRTPCR, and many others, offer tremendous promise for the personalized treatment of cancer. These technologies measure the amount of specific proteins, RNA, DNA or other molecular targets from tumor specimens with the goal of “fingerprinting” individual cancers. Tumor specimens are heterogeneous; an individual specimen typically contains unknown amounts of multiple tissues types. Thus, the measured molecular concentrations result from an unknown mixture of tissue types, and must be normalized to account for the composition of the mixture. For example, a breast tumor biopsy may contain normal, dysplastic and cancerous epithelial cells, as well as stromal components (fatty and connective tissue) and blood and lymphatic vessels. Our diagnostic interest focuses solely on the dysplastic and cancerous epithelial cells. The remaining tissue components serve to “contaminate” the signal of interest. The proportion of each of the tissue components changes as a function of patient characteristics (e.g., age), and varies spatially across the tumor region. Because each of the tissue components produces a different molecular signature, and the amount of each tissue type is specimen dependent, we must estimate the tissue composition of the specimen, and adjust the molecular signal for this composition. Using the idea of a chemical mass balance, we consider the total measured concentrations to be a weighted sum of the individual tissue signatures, where weights are determined by the relative amounts of the different tissue types. We develop a compositional source apportionment model to estimate the relative amounts of tissue components in a tumor specimen. We then use these estimates to infer the tissuespecific concentrations of key molecular targets for sub-typing individual tumors. We anticipate these specific measurements will greatly improve our ability to discriminate between different classes of tumors, and allow more precise matching of each patient to the appropriate treatment

Expression of Connexins in Normal and Neoplastic Canine Bone Tissue

Previous studies showed that intercellular communication by gap junctions has a role in bone formation. The main connexin involved in the development, differentiation, and regulation of bone tissue is connexin (Cx) 43. In addition, Cx46 is also expressed, mostly localized within the trans-Golgi region. Alterations in the expression pattern and aberrant location of these connexins are associated with oncogenesis, demonstrating a deficient gap junctional intercellular communication (GJIC) capacity in neoplastic tissues. In this study, we evaluated normal and neoplastic bone tissues regarding the expression of Cx43 and Cx46 by immunofluorescence, gene expression of these connexins by real-time PCR, and their correlation with cell proliferation index and deposition of collagen. Fourteen neoplastic bone lesions, including 13 osteosarcomas and I multilobular tumor of bone, were studied. The mRNA levels of Cx43 were similar between normal and neoplastic bone tissue. In normal bone tissue, the Cx43 protein was found mainly in the intercellular membranes. However, in all bone tumors studied here, the Cx43 was present in both cell membranes and also aberrantly in the cytoplasm. Regarding only tumor samples, we determined a possible inverse correlation between Cx43 expression and cellular proliferation, although a positive correlation between Cx43 expression and collagen deposition was also noted. In contrast, Cx46 had lower levels of expression in neoplastic bone tissues when compared with normal bone and was found retained in the perinuclear region. Even though there are differences between these two connexins regarding expression in neoplastic versus normal tissues, we concluded that there are differences regarding the subcellular location of these connexins in normal and neoplastic dog bone tissues and suggest a possible correlation between these findings and some aspects of cellular proliferation and possibly differentiation.

Lineage-Negative Bone Marrow Cells Protect Against Chronic Renal Failure

Progressive renal failure continues to be a challenge. The use of bone marrow cells represents a means of meeting that challenge. We used lineage-negative (Lin(-)) cells to test the hypothesis that Lin(-) cell treatment decreases renal injury. Syngeneic Fischer 344 rats were divided into four groups: sham ( laparotomy only, untreated); Nx (five-sixth nephrectomy and untreated); NxLC1 (five-sixth nephrectomy and receiving 2 x 10(6) Lin(-) cells on postnephrectomy day 15); and NxLC3 (five-sixth nephrectomy and receiving 2 x 10(6) Lin(-) cells on postnephrectomy days 15, 30, and 45). On postoperative day 16, renal mRNA expression of interleukin (IL)-1 beta, tumor necrosis factor-alpha, and IL-6 was lower in NxLC rats than in Nx rats. On postnephrectomy day 60, NxLC rats presented less proteinuria, glomerulosclerosis, anemia, renal infiltration of immune cells, and protein expression of monocyte chemoattractant protein-1, as well as decreased interstitial area. Immunostaining for proliferating cell nuclear antigen showed that, in comparison with sham rats, Nx rats presented greater cell proliferation, whereas NxLC1 rats and NxLC3 rats presented less cell proliferation than did Nx rats. Protein expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21 and of vascular endothelial growth factor increased after nephrectomy and decreased after Lin(-) cell treatment. On postnephrectomy day 120, renal function (inulin clearance) was significantly better in Lin(-) cell-treated rats than in untreated rats. Lin(-) cell treatment significantly improved survival. These data suggest that Lin(-) cell treatment protects against chronic renal failure. STEM CELLS 2009; 27: 682-692

Identification of the nuclear factor kappa-beta (NF-kB) in cortical of mice Wistar using Technovit 7200 VCR (R)

Objective: this study aimed to develop a nondecalcified bone sample processing technique enabling immunohistochemical labeling of proteins by kappa-beta nuclear factor (NF-kB) utilizing the Technovit 7200 VCR (R) in adult male Wistar rats. Study Method: A 1.8 mm diameter defect was performed 0.5mm from the femur proximal joint by means of a round bur. Experimental groups were divided according to fixing solution prior to histologic processing: Group 1- ethanol 70%; Group 2-10% buffered formalin; and Group 3- Glycerol diluted in 70% ethanol at a 70/30 ratio + 10% buffered formalin. The post-surgical periods ranged from 01 to 24 hours. Control groups included a nonsurgical procedure group (NSPG) and surgical procedures where bone exposure was performed (SPBE) without drilling. Prostate carcinoma was the positive control (PC) and samples subjected to incomplete immunohistochemistry protocol were the negative control (NC). Following euthanization, all samples were kept at 4 degrees C for 7 days, and were dehydrated in a series of alcohols at -20 degrees C. The polymer embedding procedure was performed at ethanol/polymer ratios of 70%-30%, 50%-50%, 30%-70%, 100%, and 100% for 72 hours at -20 degrees C. Polymerization followed the manufacturer`s recommendation. The samples were grounded and polished to 10-15 mu m thickness, and were deacrylated. The sections were rehydrated and were submitted to the primary polyclonal antibody anti-NF-kB on a 1:75 dilution for 12 hours at room temperature. Results: Microscopy showed that the Group 2 presented positive reaction to NF-kB, diffuse reactions for NSPG and SPBE, and no reaction for the NC group. Conclusion: The results obtained support the feasibility of the developed immunohistochemistry technique.

Effect of meloxicam and diclofenac sodium on peri-implant bone healing in rats

Background: This study evaluated the effects of diclofenac sodium and meloxicam on peri-implant bone healing. Methods: Thirty male rats were divided into three groups: the control group (CG) received no drug; the diclofenac sodium group (DSG) received 1.07 mg/kg twice a day for 5 days; and the meloxicam group (MG) received 0.2 mg/kg daily for 5 days. A screw-shaped titanium implant was placed in the tibia. Fluorochromes, oxytetracycline (OxT), calcein (CA), and alizarin (AL), were injected at 7, 14, and 21 days, respectively, after implantation, and the animals were sacrificed 28 days after implant placement. The percentages of OxT-, CA-, and AL-labeled bone as well as the percentages of bone-to-implant contact (BIC), cortical bone area (CBA), and trabecular bone area (TBA) within the implant threads were evaluated. Results: Bone healing was delayed in the DSG during the first 14 days after implant placement (OxT-labeled bone: DSG: 5.3% +/- 7.3% versus CG: 13.2% +/- 9.8%, P= 0.002, and versus MG: 14.4% +/- 13.1%, P = 0.05). The percentages of BIC (DSG: 49.6% +/- 21.9%; MG: 67.1% +/- 22.8%; and CG: 68.1% +/- 22.8%) and CBA (DSG: 63.7% +/- 21.2%; MG: 82.7% +/- 12.4%; CG: 84.9% +/- 10.6%) were lower in the DSG compared to the MG and CG (P<0.001). The percentage of TBA was significantly greater in the DSG compared to the MG and CG (DSG: 36.3% +/- 21.2% versus MG: 17.3% +/- 12.7% and versus CG: 15.1% +/- 10.6%; P<0.001). Conclusion: Diclofenac sodium seemed to delay peri-implant bone healing and to decrease BIC, whereas meloxicam had no negative effect on peri-implant bone healing.

Moderate exercise changes synaptic and cytoskeletal proteins in motor regions of the rat brain

Physical exercise is known to enhance brain function in several aspects. We evaluated the acute effects of a moderate forced exercise protocol on synaptic proteins, namely synapsin 1 (SYN) and synaptophysin (SYP), and structural proteins (neurofilaments, NFs) in rat brain regions related to motor function and often affected by neurodegenerative disorders. Immunohistochemistry, Western blotting and real-time PCR were used to analyze the expression of those proteins after 3, 7 and 15 days of exercise (EX3, EX7 and EX15). In the cerebellum, increase of SYN was observed at EX7 and EX15 and of NF68 at EX3. In the substantia nigra, increases of protein levels were observed for NF68 and NF160 at EX3. In the striatum, there was an increase of SYN at EX3 and EX7, of SYP at EX7 and of NF68 at EX3. In the cortex, decreased levels of NF68 and NF160 were observed at EX3, followed by an increase of NF68 at EX15. In the reticular formation, all NF proteins were increased at EX15. The mRNA data for each time-point and region also revealed significant exercise-related changes of SYN, SYP and NF expression. These results suggest that moderate physical exercise modulates synaptic and structural proteins in motor brain areas, which may play an important role in the exercise-dependent brain plasticity. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hypothalamic Actions of Tumor Necrosis Factor alpha Provide the Thermogenic Core for the Wastage Syndrome in Cachexia

TNF alpha is an important mediator of catabolism in cachexia. Most of its effects have been characterized in peripheral tissues, such as skeletal muscle and fat. However, by acting directly in the hypothalamus, TNF alpha can activate thermogenesis and modulate food intake. Here we show that high concentration TNF alpha in the hypothalamus leads to increased O(2) consumption/CO(2) production, increased body temperature, and reduced caloric intake, resulting in loss of body mass. Most of the thermogenic response is produced by beta 3-adrenergic signaling to the brown adipose tissue (BAT), leading to increased BAT relative mass, reduction in BAT lipid quantity, and increased BAT mitochondria density. The expression of proteins involved in BAT thermogenesis, such as beta 3-adrenergic receptor, peroxisomal proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1 alpha, and uncoupling protein-1, are increased. In the hypothalamus, TNF alpha produces reductions in neuropeptide Y, agouti gene-related peptide, proopiomelanocortin, and melanin-concentrating hormone, and increases CRH and TRH. The activity of the AMP-activated protein kinase signaling pathway is also decreased in the hypothalamus of TNF alpha-treated rats. Upon intracerebroventricular infliximab treatment, tumor-bearing and septic rats present a significantly increased survival. In addition, the systemic inhibition of beta 3-adrenergic signaling results in a reduced body mass loss and increased survival in septic rats. These data suggest hypothalamic TNF alpha action to be important mediator of the wastage syndrome in cachexia. (Endocrinology 151: 683-694, 2010)