Inhibition of Rho-kinase protects cerebral barrier from ischaemia-evoked injury through modulations of endothelial cell oxidative stress and tight junctions

Ischaemic strokes evoke blood-brain barrier (BBB) disruption and oedema formation through a series of mechanisms involving Rho-kinase activation. Using an animal model of human focal cerebral ischaemia, this study assessed and confirmed the therapeutic potential of Rho-kinase inhibition during the acute phase of stroke by displaying significantly improved functional outcome and reduced cerebral lesion and oedema volumes in fasudil- versus vehicle-treated animals. Analyses of ipsilateral and contralateral brain samples obtained from mice treated with vehicle or fasudil at the onset of reperfusion plus 4 h post-ischaemia or 4 h post-ischaemia alone revealed these benefits to be independent of changes in the activity and expressions of oxidative stress- and tight junction-related parameters. However, closer scrutiny of the same parameters in brain microvascular endothelial cells subjected to oxygen-glucose deprivation ± reperfusion revealed marked increases in prooxidant NADPH oxidase enzyme activity, superoxide anion release and in expressions of antioxidant enzyme catalase and tight junction protein claudin-5. Cotreatment of cells with Y-27632 prevented all of these changes and protected in vitro barrier integrity and function. These findings suggest that inhibition of Rho-kinase after acute ischaemic attacks improves cerebral integrity and function through regulation of endothelial cell oxidative stress and reorganization of intercellular junctions. Inhibition of Rho-kinase (ROCK) activity in a mouse model of human ischaemic stroke significantly improved functional outcome while reducing cerebral lesion and oedema volumes compared to vehicle-treated counterparts. Studies conducted with brain microvascular endothelial cells exposed to OGD ± R in the presence of Y-27632 revealed restoration of intercellular junctions and suppression of prooxidant NADPH oxidase activity as important factors in ROCK inhibition-mediated BBB protection.

PKC-β exacerbates in vitro brain barrier damage in hyperglycemic settings via regulation of RhoA/Rho-kinase/MLC2 pathway

Stroke patients with hyperglycemia (HG) develop higher volumes of brain edema emerging from disruption of blood-brain barrier (BBB). This study explored whether inductions of protein kinase C-β (PKC-β) and RhoA/Rho-kinase/myosin-regulatory light chain-2 (MLC2) pathway may account for HG-induced barrier damage using an in vitro model of human BBB comprising human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) and astrocytes. Hyperglycemia (25 mmol/L D-glucose) markedly increased RhoA/Rho-kinase protein expressions (in-cell westerns), MLC2 phosphorylation (immunoblotting), and PKC-β (PepTag assay) and RhoA (Rhotekin-binding assay) activities in HBMEC while concurrently reducing the expression of tight junction protein occludin. Hyperglycemia-evoked in vitro barrier dysfunction, confirmed by decreases in transendothelial electrical resistance and concomitant increases in paracellular flux of Evan's blue-labeled albumin, was accompanied by malformations of actin cytoskeleton and tight junctions. Suppression of RhoA and Rho-kinase activities by anti-RhoA immunoglobulin G (IgG) electroporation and Y-27632, respectively prevented morphologic changes and restored plasma membrane localization of occludin. Normalization of glucose levels and silencing PKC-β activity neutralized the effects of HG on occludin and RhoA/Rho-kinase/MLC2 expression, localization, and activity and consequently improved in vitro barrier integrity and function. These results suggest that HG-induced exacerbation of the BBB breakdown after an ischemic stroke is mediated in large part by activation of PKC-β.

GTPase activity of dynamin and resulting conformation change are essential for endocytosis

Dynamin is a large GTPase with a relative molecular mass of 96,000 (Mr 96K) that is involved in clathrin-mediated endocytosis and other vesicular trafficking processes. Although its function is apparently essential for scission of newly formed vesicles from the plasma membrane, the nature of dynamin's role in the scission process is still unclear. It has been proposed that dynamin is a regulator (similar to classical G proteins) of downstream effectors. Here we report the analysis of several point mutants of dynamin's GTPase effector (GED) and GTPase domains. We show that oligomerization and GTP binding alone, by dynamin, are not sufficient for endocytosis in vivo. Rather, efficient GTP hydrolysis and an associated conformational change are also required. These data argue that dynamin has a mechanochemical function in vesicle scission.

Fragment N2, a caspase-3-generated RasGAP fragment, inhibits breast cancer metastatic progression

The p120 RasGAP protein negatively regulates Ras via its GAP domain. RasGAP carries several other domains that modulate several signaling molecules such as Rho. RasGAP is also a caspase-3 substrate. One of the caspase-3-generated RasGAP fragments, corresponding to amino acids 158-455 and called fragment N2, was previously reported to specifically sensitize cancer cells to death induced by various anticancer agents. Here, we show that fragment N2 inhibits migration in vitro and that it impairs metastatic progression of breast cancer to the lung. Hence, stress-activated caspase-3 might contribute to the suppression of metastasis through the generation of fragment N2. These results indicate that the activity borne by fragment N2 has a potential therapeutic relevance to counteract the metastatic process.

A-kinase anchoring protein-Lbc promotes pro-fibrotic signaling in cardiac fibroblasts

In response to stress or injury the heart undergoes an adverse remodeling process associated with cardiomyocyte hypertrophy and fibrosis. Transformation of cardiac fibroblasts to myofibroblasts is a crucial event initiating the fibrotic process. Cardiac myofibroblasts invade the myocardium and secrete excess amounts of extracellular matrix proteins, which cause myocardial stiffening, cardiac dysfunctions and progression to heart failure. While several studies indicate that the small GTPase RhoA can promote profibrotic responses, the exchange factors that modulate its activity in cardiac fibroblasts are yet to be identified. In the present study, we show that AKAP-Lbc, an A-kinase anchoring protein (AKAP) with an intrinsic Rho-specific guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity, is critical for activating RhoA and transducing profibrotic signals downstream of type I angiotensin II receptors (AT1Rs) in cardiac fibroblasts. In particular, our results indicate that suppression of AKAP-Lbc expression by infecting adult rat ventricular fibroblasts with lentiviruses encoding AKAP-Lbc specific short hairpin (sh) RNAs strongly reduces the ability of angiotensin II to promote RhoA activation, differentiation of cardiac fibroblasts to myofibroblasts, collagen deposition as well as myofibroblast migration. Interestingly, AT1Rs promote AKAP-Lbc activation via a pathway that requires the α subunit of the heterotrimeric G protein G12. These findings identify AKAP-Lbc as a key Rho-guanine nucleotide exchange factor modulating profibrotic responses in cardiac fibroblasts.

Frecuencias de grupos sanguíneos ABO, Rho (D) Mn. e isominia en personas con apellidos mono y polifiléticos del área metropolitana de Monterrey, Nuevo León [por] Ma. de los Angeles Rojas Alvarado

Tesis (Maestro en Ciencias con especialidad en Genética)

Étude des mécanismes moléculaires induits par Sonic hedgehog lors du guidage axonal des neurones commissuraux de la moelle épinière

Le morphogène Sonic hedgehog (Shh) est requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux lors du développement de la moelle épinière, phénomène impliquant des événements de réorganisation du cytosquelette d’actine. Bien qu’il soit généralement admis que le cytosquelette d’actine soit régulé via les petites GTPases de la famille Rho, un effet de Shh sur ces protéines n’a jamais été observé dans aucun contexte physiologique. Nous démontrons que Shh active les petites GTPases Rac1 et Cdc42 et que cette activation est rapide et donc, compatible avec les effets de guidage induits par Shh sur les neurones commissuraux. En parallèle, nous avons étudié l’activation de la protéine Boc, qui est un récepteur de Shh requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux. Ces résultats contribuent à raffiner notre compréhension de la transduction cellulaire induite par Shh lors du guidage axonal des neurones commissuraux.

Interaction de Tau avec la petite GTPase Rab5

La protéine Tau joue un rôle essentiel dans les neurones, notamment par ses interactions avec les éléments du cytosquelette. Des études récentes ont également montré que Tau était impliquée dans la motilité des organelles le long des microtubules axonaux. Dans ce mémoire de Maîtrise, nous avons démontré par recouvrement sur gel une nouvelle interaction in vitro pour Tau avec la petite GTPase Rab5, qui est impliquée dans l’endocytose précoce. De plus, nous avons montré que Tau et Rab5 immuno-précipitaient sur une même population de vésicules in vivo. La sur-expression de Tau dans des neurones primaires de l’hippocampe nous a permis de montrer que Tau et Rab5 avaient une distribution similaire dans l’axone des neurones, suggérant un rôle de Tau dans l’ancrage des endosomes précoces sur les microtubules. Par contre, à la différence de ce qui a pu être observé dans certaines études, la sur-expression de Tau n’a pas inhibé le transport axonal des endosomes précoces. Enfin, nous avons montré que Tau interagissait préférentiellement avec la Rab5 active liée au GTP et des résultats préliminaires nous laissent penser que Tau serait un effecteur ou une GAP pour Rab5. Dans les tauopathies, la Tau devient hyperphosphorylée, décroche des microtubules axonaux et forme des agrégats dans le corps cellulaire du neurone. Ces modifications biochimiques et de localisation de la protéine Tau pourraient être la source d’une perte d’interaction de la Tau avec Rab5 et être responsable de certaines atteintes neurologiques observées dans les tauopathies.

Étude des voies de signalisation en amont et en aval de la petite GTPase Rac1

Les évènements moléculaires en amont et en aval de la petite GTPase Rac1 menant à la migration cellulaire sont encore mal compris. La première partie du projet consiste à utiliser une approche protéomique non-biaisée pour tenter d’identifier les partenaires de Rac. Pour ce faire, nous avons développé une méthode de purification efficace et rapide de manière à maintenir les complexes protéiques transitoires intacts. Dans un deuxième temps, nous avons identifié des sites de phosphorylation sur la RacGEF atypique Dock5 en aval des intégrines. Afin de mieux comprendre le rôle de la phosphorylation de cette protéine, nous avons criblé une banque de kinases ce qui nous a permis d’identifier 14 kinases pouvant phosphoryler la région PXXP de Dock5. D’après nos résultats, ceci aurait comme effet de diminuer l’interaction entre Dock5 et ses partenaires contenant des domaines SH3. Ainsi, la phosphorylation de Dock5 régulerait la formation de complexes et le recrutement de Dock5 par des protéines adaptatrices.

Caractérisation fonctionnelle de la GTPase Ran dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le plus létal des cancers gynécologiques. Les tumeurs de l’ovaire se divisent en différentes classes reflétant l’étendue de la maladie. Les tumeurs à faible potentiel de malignité présentent une survie relative à 5 ans de 90%, alors que pour les tumeurs invasives, la survie à 5 ans chute drastiquement à 35-40%. Au laboratoire, nous avons précédemment identifié la protéine Ran, un membre de la superfamille des GTPases Ras, comme marqueur fortement exprimé dans les cancers épithéliaux de l’ovaire de haut grade et de haut stade dont la surexpression est associée à un mauvais pronostic. Ran est déjà connue pour contribuer au transport nucléocytoplasmique et à la progression du cycle cellulaire, mais son rôle dans le cancer ovarien n’est pas bien défini. En utilisant une approche de shRNA inductibles à la tétracycline basée sur les lentivirus, nous avons montré que la diminution de l’expression de Ran dans des lignées cellulaires agressives du cancer de l’ovaire affecte drastiquement la prolifération cellulaire par l’induction d’une apoptose caspase-3 dépendante. Par un essai de tumeurs en xénogreffes, nous avons démontré que la déplétion de Ran résulte en une diminution de la tumorigenèse et que la formation éventuelle de tumeurs est associée à une sélection des cellules tumorales ayant la capacité de ré-exprimer la protéine Ran. Ces résultats suggèrent un rôle critique pour Ran dans la survie et la tumorigénicité des cellules du cancer ovarien, indiquant que Ran pourrait être une cible thérapeutique intéressante.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

ARF1 contrôle la migration des cellules hautement invasives du cancer du sein via Rac1

Dans un contexte où la forte prévalence du cancer du sein chez les femmes demeure depuis plusieurs années un enjeu de société majeur, les nouvelles stratégies visant à réduire la mortalité associée à cette maladie sont le sujet de nombreuses recherches scientifiques. Les facteurs d’ADP-ribosylation sont des petites protéines G monomériques importantes pour la réorganisation du cytosquelette d’actine, le remodelage des lipides membranaires et la formation de vésicules. Notre laboratoire a précédemment montré qu’ARF1 est surexprimée dans les cellules hautement invasives du cancer du sein et contribue à leur phénotype migratoire accru. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons défini le rôle de cette GTPase dans la migration de telles lignées cellulaires. Pour ce faire, nous avons étudié le rôle d’ARF1 dans l’activation de Rac1, un membre de la famille des GTPases Rho connu pour son implication dans la formation de lamellipodes ainsi que dans la migration cellulaire. Globalement, nous avons déterminé que l’activation d’ARF1 permet l’activation subséquente de Rac1 ainsi que de la voie de signalisation nécessaire au processus de migration. Par une approche d’interférence à l’ARN dans les cellules MDA-MB-231, nous avons d’abord montré la contribution essentielle de Rac1 la migration dépendante d’ARF1. Puis, de façon à établir le mécanisme derrière cette régulation, nous avons montré que l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 altère l’activation de Rac1 dépendante de l’EGF. Nous avons ensuite examiné les conséquences d’une telle inhibition sur les partenaires d’interaction de Rac1. Nous avons découvert qu’ARF1 et Rac1 forment un complexe constitutif, puis qu’ARF1est nécessaire à l’association de Rac1 à IRSp53, une protéine importante dans la formation de lamellipodes. La translocation dépendante de l’EGF du complexe Rac1/IRSp53 à la membrane plasmique est également sous le contrôle d’ARF1. En conclusion, cette étude fournit un nouveau mécanisme par lequel ARF1 régule la migration cellulaire et identifie cette GTPase en tant que cible pharmacologique prometteuse pour freiner le développement des métastases chez les patients atteints du cancer du sein.

La petite GTPase Rab11 et ses interacteurs orchestrent la migration cellulaire collective et la cytocinèse chez la Drosophile

Le trafic vésiculaire permet un échange coordonné de molécules entre les différents organites de la cellule et dépend largement des petites GTPases de la famille des Rabs dont le nombre varie entre 27 chez la Drosophile et 70 chez l’Homme. Un des prochains défis consiste donc à élucider les mécanismes cellulaires qui coordonnent l’activité de ces Rabs, laquelle garantit un transport vésiculaire ordonné au sein de la cellule. Les Rabs agissent comme des interrupteurs moléculaires grâce à leur capacité à cycler entre un état actif et inactif. L’activité des Rabs est contrôlée par des protéines régulatrices puis des effecteurs en aval coordonnent leurs différentes fonctions. La petite GTPase Rab11 est essentielle au développement de plusieurs organismes incluant la Drosophile, C. elegans et la souris puisqu’elle se retrouve au cœur de différentes voies de transport. D’ailleurs, le trafic de molécules dépendant de Rab11 est perturbé dans plusieurs pathologies. Malgré son rôle central dans le trafic vésiculaire, la régulation de Rab11 reste peu comprise in vivo. Cette thèse se penche sur les mécanismes moléculaires contrôlant les fonctions de Rab11 et de ses effecteurs lors de la migration cellulaire collective et lors de la cytocinèse. Nous avons identifié Evi5 comme un nouvel acteur clé de la migration cellulaire collective, et nous montrons qu’elle possède une activité Rab11-GAP essentielle pour maintenir les récepteurs de guidance actifs de façon polarisée au front de migration. Nous avons ensuite déterminé que Rab11 régule la communication cellulaire lors de la migration collective par l’entremise de son interaction avec la Moésine. Une question reste toutefois en suspens : sachant que Rab11 compte plus de 13 effecteurs, quels sont les mécanismes assurant la spécificité de l’interaction entre cette GTPase et un effecteur particulier? Une partie de la réponse provient peut-être de nos observations que les membres des Rab11-FIPs de classe I, une famille d’effecteurs de Rab11, interagissent avec les protéines d’échafaudage 14-3-3. Chez la Drosophile, Rip11 est le seul représentant des Rab11-FIPs de classe I et nous montrons que Rip11 aurait des fonctions inattendues durant la cytocinèse qui seraient coordonnées par 14-3-3. Nos recherches permettent de dresser un portrait plus authentique des mécanismes moléculaires régulant les différentes fonctions de Rab11 et de ses effecteurs in vivo.

Modulation allostérique du récepteur FP dans le cancer colorectal

Les prostaglandines modulent d’importants rôles physiologiques. Elles sont aussi impliquées dans le développement d’une variété de conditions pathologiques telles l’inflammation, la douleur et le cancer. La prostaglandine PGF2α et son récepteur (récepteur FP) se trouvent impliqué dans la modulation de nombreuses pathologies tels lors de l’accouchement préterme et le cancer colorectal. Récemment, nous avons fait partie d’un groupe de recherche ayant développé des modulateurs allostériques du récepteur FP. Dans une première étude, l’action du PGF2α sur le déclenchement des contractions myométriales a été évaluée, car peu d’information est connue sur la signalisation de cette prostaglandine lors de l’accouchement. Ainsi, nous avons utilisé un peptidomimétique de la deuxième boucle extracellulaire, dénommée PDC113.824. Nos résultats ont démontré que le PDC113.824 permettait de retarder la mise bas chez des souris gestantes, mais agissait de manière différente sur les multiples voies de signalisation de la PGF2α. Ainsi, le PDC113.824 inhibait la voie RhoA-ROCK, dépendante de l’activation de la protéine Gα12 par le. Les protéines RhoA-ROCK sont des acteurs clés dans le remodelage du cytosquelette d’actine et des contractions myométriales lors de l’accouchement. De plus, le PDC113.824 en présence de PGF2α agit comme un modulateur positif sur la voie dépendante de l’activation de la protéine Gαq. Le PDC113.824 serait donc un modulateur allostérique non compétitif possédant des actions à la fois de modulateurs positifs et négatifs sur la signalisation du récepteur FP Dans une seconde étude, des analogues du PDC113.824 ont été conçus et analysés dans un second modèle pathologique, le cancer colorectal. Ce cancer possède de hauts niveaux de récepteur FP. Nous avons donc étudié le rôle du récepteur FP dans le développement et la progression du cancer colorectal et l’effet de modulateurs allostériques. Il est généralement accepté que dans le cancer colorectal, la prostaglandine PGE2 permet la croissance et l’invasion tumorale, ainsi que l’angiogenèse. Toutefois, peu d’informations sont connues sur le rôle du PGF2α dans le cancer colorectal. C’est dans ce contexte que nous avons décidé d’examiner la contribution de ce récepteur dans la progression du cancer colorectal et cherché à déterminer si la modulation des fonctions du récepteur FP a un impact sur la croissance de tumeurs colorectales. Nos recherches ont révélé que l’activation du récepteur FP permet la migration et la prolifération de plusieurs lignées cellulaires humaines et murines d’adénocarcinomes colorectaux. Dans ce contexte, nos expériences ont démontré que la migration des cellules cancéreuses était dépendante de l’activation de la voie Rho. Nos résultats démontrent qu’en effet, l’activation de RhoA, une petite GTPase clé de la voie Gα12, est inhibée de façon sélective par nos composés. De plus, nos molécules allostériques sont également efficaces pour inhiber la voie de signalisation de la ß-caténine, une protéine impliquée dans la genèse du cancer colorectal. In vivo, le traitement de souris avec un des ces modulateurs a permis une inhibition effective de la croissance tumorale. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent donc que les modulateurs allostériques des récepteurs FP pourraient constituer une nouvelle classe de médicaments utilisés pour le traitement du cancer colorectal.