Implication de la protéine tyrosine phosphatase DEP-1 dans la perméabilité vasculaire induite par le VEGF

La perméabilité vasculaire est une caractéristique cruciale de l’angiogenèse. Les acteurs principaux sont les cellules endothéliales qui la régulent en réponse à divers facteurs perméabilisant, tels que le « Vascular Endothelial Growth Factor » (VEGF). Dans le contexte pathologique du cancer, les cellules tumorales produisent de grandes quantités de VEGF qui stimulent la perméabilité, ce qui leur permet d’infiltrer le réseau vasculaire. Il est connu que la tyrosine kinase Src contrôle cette modulation de la perméabilité. Puisque notre laboratoire a préalablement démontré que la phosphatase de type récepteur (PTP) DEP-1 est impliquée dans l’activation de Src en réponse au VEGF, nous avons émis l'hypothèse que DEP-1 pourrait aussi jouer un rôle dans la perméabilité des cellules endothéliales. Grâce à des expériences de transfections d’ARN interférant, nous démontrons que DEP-1 est important pour la régulation de la phosphorylation de la VE-Cadhérine, un médiateur critique de la perméabilité. L’impact de DEP-1 sur la dissociation de jonctions intercellulaires est également démontré par microscopie à immunofluorescence de cellules endothéliales. DEP-1 est également nécessaire à l’augmentation de la perméabilité induite par VEGF in vitro. Deux résidus tyrosine retrouvés dans la queue carboxy-terminale de DEP-1 sont essentiels à l’activation de Src en réponse au VEGF. Suite à la transfection d’un plasmide encodant DEP-1 muté pour ces deux résidus, nous démontrons aussi leur implication dans la régulation de la perméabilité in vitro par DEP-1. Ces travaux permettent ainsi d’approfondir nos connaissances sur un nouveau régulateur potentiel de la perméabilité vasculaire.

Role of the protein tyrosine phosphatase DEP-1 in Src activation and the mediation of biological cell functions of endothelial and breast cancer cells

L’implication des protéines tyrosines phosphatases (PTPs) dans la régulation de la signalisation et la médiation des fonctions cellulaires a été bien établie dans les dernières années. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels les PTPs régulent les processus fondamentaux tels que l’angiogenèse demeurent méconnus. Il a été rapporté que l’expression de la PTP DEP-1 (Density-enhanced phosphatase 1) augmente avec la densité cellulaire et corrèle avec la déphosphorylation du récepteur VEGFR2. Cette déphosphorylation contribue à l’inhibition de contact dans les cellules endothéliales à confluence et diminue l’activité du VEGFR2 en déphosphorylant spécifiquement ses résidus catalytiques Y1054/1059. De plus, la plupart des voies de signalisation en aval du VEGFR2 sont diminuées sauf la voie Src-Gab1-AKT. DEP-1 déphosphoryle la Y529 de Src et contribue à la promotion de la survie dans les cellules endothéliales. L’objectif de cette thèse est de mieux définir le rôle de DEP-1 dans la régulation de l’activité de Src et les réponses biologiques dans les cellules endothéliales. Nous avons identifié les résidus Y1311 et Y1320 dans la queue C-terminale de DEP-1 comme sites majeurs de phosphorylation en réponse au VEGF. La phosphorylation de ces résidus est requise pour l’activation de Src et médie le remodelage des jonctions cellules-cellules dépendantes de Src. Ce remodelage induit la perméabilité, l’invasion et la formation de capillaires en réponse au VEGF. Nos résultats démontrent que la phosphorylation de DEP-1 sur résidu tyrosine est requise pour diriger la spécificité de DEP-1 vers son substrat Src. Les travaux révèlent pour la première fois un rôle positif de DEP-1 sur l’induction du programme angiogénique des cellules endothéliales. En plus de la phosphorylation sur tyrosine, DEP-1 est constitutivement phosphorylé sur la thréonine 1318 situé à proximité de la Y1320 en C-terminal. Cette localisation de la T1318 suggère que ce résidu pourrait être impliqué dans la régulation de la Y1320. En effet, nous avons observé que la T1318 de DEP-1 est phosphorylée potentiellement par CK2, et que cette phosphorylation régule la phosphorylation de DEP-1 sur tyrosine et sa capacité de lier et d’activer Src. En accord avec ces résultats, nos travaux révèlent que la surexpression du mutant DEP-1 T1318A diminue le remodelage des jonctions cellules-cellules et par conséquent la perméabilité. Nos résultats suggèrent donc que la T1318 de DEP-1 constitue un nouveau mécanisme de contrôle de la phosphorylation sur tyrosine et que ceci résulte en l’activation de Src et l’induction des fonctions biologiques des cellules endothéliales en réponse au VEGF. Suite à ces travaux dans les cellules endothéliales qui démontrent un rôle positif de DEP-1 dans la médiation des réponses angiogéniques, nous avons voulu approfondir nos connaissances sur l’implication potentielle de DEP-1 dans les cellules cancéreuses où l’activité de Src est requise pour la progression tumorale. Malgré le rôle connu de DEP-1 comme suppresseur tumoral dans différents types de cancer, nous avons émis l’hypothèse que DEP-1 pourrait promouvoir les fonctions biologiques dépendantes de Src telles que la migration et l’invasion dans les cellules cancéreuses. Ainsi, nous avons observé que l’expression de DEP-1 est plus élevée dans les lignées basales de cancer du sein qui sont plus invasives comparativement aux lignées luminales peu invasives. Dans les lignées basales, DEP-1 active Src, médie la motilité cellulaire dépendante de Src et régule la localisation des protéines impliquées dans l’organisation du cytosquelette. L’analyse d’un micro-étalage de tissu a révélé que l’expression de DEP-1 est associée avec une réduction tendencielle de survie des patients. Nos résultats proposent donc, un rôle de promoteur tumoral pour DEP-1 dans la progression du cancer du sein. Les travaux présentés dans cette thèse démontrent pour la première fois que DEP-1 peut agir comme promoteur des réponses angiogéniques et du phénotype pro-invasif des lignées basales du cancer du sein probablement du à sa capacité d’activer Src. Nos résultats suggèrent ainsi que l’expression de DEP-1 pourrait contribuer à la progression tumorale et la formation de métastases. Ces découvertes laissent donc entrevoir que DEP-1 représente une nouvelle cible thérapeutique potentielle pour contrer l’angiogenèse et le développement du cancer.

Rôles de la protéine tyrosine phosphatase DEP-1 dans l'angiogenèse, la perméabilité vasculaire et la progression tumorale

L’angiogenèse et l’augmentation de la perméabilité vasculaire sont des éléments clés pour la croissance et la progression tumorale. Par conséquent, de nombreux efforts sont déployés à comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la formation et le remodelage des vaisseaux sanguins de manière à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. De cette optique, les travaux de cette thèse se sont concentrés sur la protéine tyrosine phosphatase DEP-1, initialement identifiée comme un régulateur négatif de la prolifération et de la phosphorylation du VEGFR2 lorsque fortement exprimée dans les cellules endothéliales. Toutefois, en utilisant une approche d’ARNi, il a été démontré que via sa capacité à déphosphoryler la tyrosine inhibitrice de Src (Y529), DEP-1 était également un régulateur positif de l’activation de Src dans les cellules endothéliales stimulées au VEGF. Puisque Src joue un rôle central dans la promotion de l’angiogenèse et la perméabilité vasculaire, nous avons en plus démontré que DEP-1 était un promoteur de ces fonctions in vitro et que la tyrosine phosphorylation de sa queue C-terminale, permettant l’interaction et l’activation de Src, était requise. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse démontrent dans un premier temps à partir d’une souris Dep1 KO, dont le développement ne présente aucun phénotype apparent, que la perte de l’expression de DEP-1 se traduit en une inhibition de l’activation de Src et de l’un de ses substrats, la VE-Cadherine, en réponse au VEGF chez la souris adulte. Nos résultats démontrent donc, pour la première fois, le rôle primordial de DEP-1 dans l’induction de la perméabilité vasculaire et de la formation de capillaires in vivo. Conséquemment, la croissance tumorale et la formation de métastases aux poumons sont réduites due à une inhibition de leur vascularisation ce qui se traduit par une diminution de la prolifération et une augmentation de l’apoptose des cellules cancéreuses. De façon intéressante, l’expression élevée de DEP-1 dans les vaisseaux sanguins tumoraux de patientes atteintes du cancer du sein corrèle avec une vascularisation accrue de la tumeur. En plus du rôle de DEP-1 dans la réponse angiogénqiue à l’âge adulte, nos travaux ont également démontré le rôle important de DEP-1 lors de la vascularisation de la rétine, un modèle in vivo d’angiogenèse développementale. Dans ce contexte, DEP-1 inhibe la prolifération des cellules endothéliales et limite leur bourgeonnement et la complexification du réseau vasculaire rétinien en permettant l’expression adéquate du Dll4, un régulateur crucial de l’organisation de la vascularisation développementale. Cette expression du Dll4 découlerait de la stabilisation de la β-caténine par l’inactivation de la GSK3β, un régulateur important de la dégradation de la β-caténine, en réponse au VEGF selon la voie de signalisation VEGFR2-Src-PI3K-Akt-GSK3β. Ainsi, ces travaux identifient DEP-1 comme un régulateur important de l’organisation vasculaire rétinienne. Les rôles positifs de DEP-1 dans les cellules endothéliales découlent principalement de sa capacité à lier et activer la kinase Src. En plus de contribuer à la réponse angiogénique, Src est également un oncogène bien caractérisé notamment pour sa contribution au programme invasif des cellules cancéreuses mammaires. Les travaux de cette thèse illustrent que DEP-1 est préférentiellement exprimée dans les cellules cancéreuses mammaires invasives et qu’il régule l’activation de Src, de voies de signalisation invasives et, par le fait même, de l’invasivité de ces cellules in vitro et in vivo. De façon intéressante, ces observations corrèlent avec des données cliniques où l’expression modérée de DEP-1 est associée à un mauvais pronostic de survie et de rechute. Ces résultats démontrent donc, pour la première fois, le rôle positif de DEP-1 dans l’activation de Src au niveau des cellules endothéliales et des cellules cancéreuses mammaires ce qui permet la régulation du bourgeonnement endothélial, de la perméabilité vasculaire, de l’angiogenèse normale et pathologique en plus de l’invasion tumorale.

Modeling chemotaxis reveals the role of reversed phosphotransfer and a bi-functional kinase-phosphatase

Understanding how multiple signals are integrated in living cells to produce a balanced response is a major challenge in biology. Two-component signal transduction pathways, such as bacterial chemotaxis, comprise histidine protein kinases (HPKs) and response regulators (RRs). These are used to sense and respond to changes in the environment. Rhodobacter sphaeroides has a complex chemosensory network with two signaling clusters, each containing a HPK, CheA. Here we demonstrate, using a mathematical model, how the outputs of the two signaling clusters may be integrated. We use our mathematical model supported by experimental data to predict that: (1) the main RR controlling flagellar rotation, CheY6, aided by its specific phosphatase, the bifunctional kinase CheA3, acts as a phosphate sink for the other RRs; and (2) a phosphorelay pathway involving CheB2 connects the cytoplasmic cluster kinase CheA3 with the polar localised kinase CheA2, and allows CheA3-P to phosphorylate non-cognate chemotaxis RRs. These two mechanisms enable the bifunctional kinase/phosphatase activity of CheA3 to integrate and tune the sensory output of each signaling cluster to produce a balanced response. The signal integration mechanisms identified here may be widely used by other bacteria, since like R. sphaeroides, over 50% of chemotactic bacteria have multiple cheA homologues and need to integrate signals from different sources.

Platelet nitric oxide synthase is activated by tyrosine dephosphorylation: possible role for SHP-1 phosphatase

Background: Endothelial nitric oxide synthase (eNOS) activity in endothelial cells is regulated by post-translational phosphorylation of critical serine, threonine and tyrosine residues in response to a variety of stimuli. However, the post-translational regulation of eNOS in platelets is poorly defined. Objectives: We investigated the role of tyrosine phosphorylation in the regulation of platelet eNOS activity. Methods: Tyrosine phosphorylation of eNOS and interaction with the tyrosine phosphatase SHP-1 were investigated by coimmunoprecipitation and immunoblotting. An in vitro immunoassay was used to determine eNOS activity together with the contribution of protein tyrosine phosphorylation. Results: We found platelet eNOS was tyrosine phosphorylated under basal conditions. Thrombin induced a dose- and time-dependent increase in eNOS activity without altering overall level of tyrosine phosphorylation, although we did observe evidence of minor tyrosine dephosphorylation. In vitro tyrosine dephosphorylation of platelet eNOS using a recombinant protein tyrosine phosphatase enhanced thrombin-induced activity compared to thrombin alone, but had no effect on endothelial eNOS activity either at basal or after stimulation with bradykinin. Having shown that dephosphorylation could modulate platelet eNOS activity we examined the role of potential protein phosphatases important for platelet eNOS activity. We found SHP-1 protein tyrosine phosphatase, co-associated with platelet eNOS in resting platelets, but does not associate with eNOS in endothelial cells. Stimulation of platelets with thrombin increased SHP-1 association with eNOS, while inhibition of SHP-1 abolished the ability of thrombin to induce elevated eNOS activity. Conclusions: Our data suggest a novel role for tyrosine dephosphorylation in platelet eNOS activation, which may be mediated by SHP-1.

Isolation and partial characterisation of acid phosphatase isozymes from dormant oilseed of Corylus avellana L.

The acid phosphatase (orthophosphoric-monoester phosphohydrolase, EC 3.1.3.2) complement from dormant hazel (Corylus avellana L.) seeds was found to exhibit significant electrophoretic heterogeneity partially attributable to the presence of distinct molecular forms. In axiferous tissue, total acid phosphatase activity increased in a biphasic fashion during chilling, a treatment necessary to alleviate seed dormancy. Three acid phosphatase isozymes were isolated from cotyledons of dormant hazel seeds by successive ammonium sulphate precipitation, size-exclusion, Concanavalin A affinity, cation- and anion-exchange chromatographies resulting in 75-, 389- and 191-fold purification (APase1, APase2, APase3, respectively). The three glycosylated isoforms were isolated to catalytic homogeneity as determined by electrophoretic, kinetic and heat-inactivation studies. The native acid phosphatase complement of hazel seeds had an apparent Mr of 81.5±3.5 kDa as estimated by size-exclusion chromatography, while the determined pI values were 5.1 (APase1), 6.9 (APase2) and 7.3 (APase3). The optimum pH for p-nitrophenyl phosphate hydrolysis was pH 3 (APase1), pH 5.6 (APase2) and pH 6 (APase3). The hazel isozymes hydrolysed a variety of phosphorylated substrates in a non-specific manner, exhibiting low Km and the highest specificity constant (Vmax/Km) for pyrophosphate. They were not primary phytases since they could not initiate phytic acid hydrolysis, while APase2 and APase3 had significant phospho-tyrosine phosphatase activity. Inorganic phosphate was a competitive inhibitor, while activity was significantly impaired in the presence of vanadate and fluoride.

Regulation of SHP-1 tyrosine phosphatase in human platelets by serine phosphorylation at its C terminus

SHP-1 is a Src homology 2 (SH2) domain-containing tyrosine phosphatase that plays an essential role in negative regulation of immune cell activity. We describe here a new model for regulation of SHP-1 involving phosphorylation of its C-terminal Ser(591) by associated protein kinase Calpha. In human platelets, SHP-1 was found to constitutively associate with its substrate Vav1 and, through its SH2 domains, with protein kinase Calpha. Upon activation of either PAR1 or PAR4 thrombin receptors, the association between the three proteins was retained, and Vav1 became phosphorylated on tyrosine and SHP-1 became phosphorylated on Ser(591). Phosphorylation of SHP-1 was mediated by protein kinase C and negatively regulated the activity of SHP-1 as demonstrated by a decrease in the in vitro ability of SHP-1 to dephosphorylate Vav1 on tyrosine. Protein kinase Calpha therefore critically and negatively regulates SHP-1 function, forming part of a mechanism to retain SHP-1 in a basal active state through interaction with its SH2 domains, and phosphorylating its C-terminal Ser(591) upon cellular activation leading to inhibition of SHP-1 activity and an increase in the tyrosine phosphorylation status of its substrates.

Alkaline phosphatase activity in pasteurized milk: a quantitative comparison of Fluorophos and colourimetric procedures

Fluorophos and colourimetric procedures for alkaline phosphatase (ALP) testing were compared using milk with raw milk additions, purified bovine ALP additions and heat treatments. Repeatability was between 0.9% and 10.1% for Fluorophos, 3.5% and 46.1% for the Aschaffenburg and Mullen (A&M) procedure and 4.4% and 8.8% for the Scharer rapid test. Linearity (R-2) using raw milk addition was 0.96 between Fluorophos and the Scharer procedure. Between the Fluorophos and the A&M procedures, R-2 values were 0.98, 0.99 and 0.98 for raw milk additions, bovine ALP additions and heat treatments respectively. Fluorophos showed greater sensitivity and was both faster and simpler to perform.

Nuclear Dbf2-related protein kinases (NDRs) in isolated cardiac myocytes and the myocardium: activation by cellular stresses and by phosphoprotein serine-/threonine-phosphatase inhibitors

The nuclear Dbf2-related protein kinases 1 and 2 (NDR1/2) are closely-related AGC family kinases that are strongly conserved through evolution. In mammals, they are activated inter alia by phosphorylation of an hydrophobic domain threonine-residue [NDR1(Thr-444)/NDR2(Thr-442)] by an extrinsic protein kinase followed by autophosphorylation of a catalytic domain serine-residue [NDR1(Ser-281)/NDR2(Ser-282)]. We examined NDR1/2 expression and regulation in primary cultures of neonatal rat cardiac myocytes and in perfused adult rat hearts. In myocytes, transcripts for NDR2, but not NDR1, were induced by the hypertrophic agonist, endothelin-1. NDR1(Thr-444) and NDR2(Thr-442) were rapidly phosphorylated (maximal in 15-30 min) in myocytes exposed to some phosphoprotein Ser-/Thr-phosphatase 1/2 inhibitors (calyculin A, okadaic acid) and, to a lesser extent, by hyperosmotic shock, low concentrations of H(2)O(2), or chelerythrine. In myocytes adenovirally-transduced to express FLAG-NDR2 (which exhibited a mainly-cytoplasmic localisation), the same agents increased FLAG-NDR2 activity as assessed by in vitro protein kinase assays, indicative of FLAG-NDR2(Ser-282/Thr-442) phosphorylation. Calyculin A-induced phosphorylation of NDR1(Thr-444)/NDR2(Thr-442) and activation of FLAG-NDR2 were inhibited by staurosporine, but not by other protein kinase inhibitors tested. In ex vivo rat hearts, NDR1(Thr-444)/NDR2(Thr-442) were phosphorylated in response to ischaemia-reperfusion or calyculin A. From a pathological viewpoint, we conclude that activities of NDR1 and NDR2 are responsive to cytotoxic stresses in heart preparations and this may represent a previously-unidentified response to myocardial ischaemia in vivo.

Protein phosphatase 2A mediates resensitization of the neurokinin 1 receptor

Activated G protein-coupled receptors (GPCRs) are phosphorylated and interact with beta-arrestins, which mediate desensitization and endocytosis. Endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades neuropeptides in endosomes and can promote recycling. Although endocytosis, dephosphorylation, and recycling are accepted mechanisms of receptor resensitization, a large proportion of desensitized receptors can remain at the cell surface. We investigated whether reactivation of noninternalized, desensitized (phosphorylated) receptors mediates resensitization of the substance P (SP) neurokinin 1 receptor (NK(1)R). Herein, we report a novel mechanism of resensitization by which protein phosphatase 2A (PP2A) is recruited to dephosphorylate noninternalized NK(1)R. A desensitizing concentration of SP reduced cell-surface SP binding sites by only 25%, and SP-induced Ca(2+) signals were fully resensitized before cell-surface binding sites started to recover, suggesting resensitization of cell-surface-retained NK(1)R. SP induced association of beta-arrestin1 and PP2A with noninternalized NK(1)R. beta-Arrestin1 small interfering RNA knockdown prevented SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A, indicating that beta-arrestin1 mediates this interaction. ECE-1 inhibition, by trapping beta-arrestin1 in endosomes, also impeded SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A. Resensitization of NK(1)R signaling required both PP2A and ECE-1 activity. Thus, after stimulation with SP, PP2A interacts with noninternalized NK(1)R and mediates resensitization. PP2A interaction with NK(1)R requires beta-arrestin1. ECE-1 promotes this process by releasing beta-arrestin1 from NK(1)R in endosomes. These findings represent a novel mechanism of PP2A- and ECE-1-dependent resensitization of GPCRs.

Variation in root-associated phosphatase activities in wheat contributes to the utilization of organic P substrates in vitro, but does not explain differences in the P-nutrition of plants when grown in soils

To understand whether genotypic variation in root-associated phosphatase activities in wheat impacts on its ability to acquire phosphorus (P), various phosphatase activities of roots were measured in relation to the utilization of organic P substrates in agar, and the P-nutrition of plants was investigated in a range of soils. Root-associated phosphatase activities of plants grown in hydroponics were measured against different organic P substrates. Representative genotypes were then grown in both agar culture and in soils with differing organic P contents and plant biomass and P uptake were determined. Differences in the activities of both root-associated and exuded phosphodiesterase and phosphomonoesterase were observed, and were related to the P content of plants supplied with either ribonucleic acid or glucose 6-phosphate, respectively, as the sole form of P. When the cereal lines were grown in different soils, however, there was little relationship between any root-associated phosphatase activity and plant P uptake. This indicates that despite differences in phosphatase activities of cereal roots, such variability appears to play no significant role in the P-nutrition of the plant grown in soil, and that any benefit derived from the hydrolysis of soil organic P is common to all genotypes.

The effect of temperature and inorganic phosphorus supply on growth and acid phosphatase production in arctic and temperate strains of ectomycorrhizal Hebeloma spp. in axenic culture

Acid phosphatase production by 12 Hebeloma strains was usually derepressed when inorganic phosphorus in the growth medium was limited, but appeared to be constitutive in some strains. At low temperatures (≤ 12°) arctic strains produced more extracellular and wall-bound acid phosphatase, yet grew more slowly than the temperate strains. We suggest that low growth rates in arctic strains may be a physiological response to cold whereby resources are diverted into carbohydrate accumulation for cryoprotection. At near freezing temperatures, increased extracellular phosphatase production may compensate for a loss of enzyme activity at low temperature and serve to hydrolyse organic phosphorus in frozen soil over winter.

Enzymatically-triggered, isothermally responsive polymers: re-programming poly(oligoethylene glycols) to respond to phosphatase

Polymers which can respond to externally applied stimuli have found much application in the biomedical field due to their (reversible) coil–globule transitions. Polymers displaying a lower critical solution temperature are the most commonly used, but for blood-borne (i.e., soluble) biomedical applications the application of heat is not always possible, nor practical. Here we report the design and synthesis of poly(oligoethylene glycol methacrylate)-based polymers whose cloud points are easily varied by alkaline phosphatase-mediated dephosphorylation. By fine-tuning the density of phosphate groups on the backbone, it was possible to induce an isothermal transition: A change in solubility triggered by removal of a small number of phosphate esters from the side chains activating the LCST-type response. As there was no temperature change involved, this serves as a model of a cell-instructed polymer response. Finally, it was found that both polymers were non cytotoxic against MCF-7 cells (at 1 mg·mL–1), which confirms promise for biomedical applications.