Selective enhancement of donor hematopoietic cell engraftment by the CXCR4 antagonist AMD3100 in a mouse transplantation model.

The interaction between stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) with CXCR4 chemokine receptors plays an important role in hematopoiesis following hematopoietic stem cell transplantation. We examined the efficacy of post transplant administration of a specific CXCR4 antagonist (AMD3100) in improving animal survival and in enhancing donor hematopoietic cell engraftment using a congeneic mouse transplantation model. AMD3100 was administered subcutaneously at 5 mg/kg body weight 3 times a week beginning at day +2 post-transplant. Post-transplant administration of AMD3100 significantly improves animal survival. AMD3100 reduces pro-inflammatory cytokine/chemokine production. Furthermore, post transplant administration of AMD3100 selectively enhances donor cell engraftment and promotes recovery of all donor cell lineages (myeloid cells, T and B lymphocytes, erythrocytes and platelets). This enhancement results from a combined effect of increased marrow niche availability and greater cell division induced by AMD3100. Our studies shed new lights into the biological roles of SDF-1/CXCR4 interaction in hematopoietic stem cell engraftment following transplantation and in transplant-related mortality. Our results indicate that AMD3100 provides a novel approach for enhancing hematological recovery following transplantation, and will likely benefit patients undergoing transplantation.

The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

A possible role for chemokine signalling through CXCR4 as a downstream effector of retinoic acid signalling in the regenerating tail and spinal cord of Notophthalmus viridescens

The newt, Notopthalmus viridescens is one of the few tet rapod vertebrates capable of extensive regeneration of the central nervous system, however, the factors involved in this process are still unknown. Chemokine signalling through the receptor CXCR4, has been found to be involved in the development of the central nervous system of mammals and more recently in epimorphic fin regeneration in zebrafish. We have hypothesized that the CXCR4 signalling pathway is involved in spinal cord and tail regeneration in the adul t newt , possibly as a downstream target of retinoic acid signalling. We found that CXCR4 mRNA expression was observed in the brain, spinal cord, heart, gut, liver and regenerating tail blastemas. CXCR4 expression increased over the f i rst 12 days of tail regeneration and returned to basal expression levels at day 21 of regeneration. Inhibition of CXCR4 wi th AMD3100, a specific receptor antagonist, led to a decrease in CXCR4 mRNA in the regenerating tail 14 days post amputation. Histological analysis suggests a delay in the early stages of tail and spinal cord regeneration. Spinal cord explants t reated wi th CXCL12, the ligand to CXCR4, displayed enhanced neurite outgrowth in vitro. Explants t reated wi th AMD3100 abolished any retinoic acid enhanced neurite outgrowth effects suggesting a link between these signalling pathways.

L’implication du Stromal Cell-derived Factor-1 alpha dans le remodelage cardiaque une semaine après un infarctus du myocarde

L’injection de cellules souches provenant de la moelle osseuse est reconnue pour améliorer la fonction ventriculaire ainsi que le remodelage cicatriciel après un infarctus du myocarde (IM). Le Stromal Cell-derived factor-1 alpha (SDF-1 alpha), une chimiokine induite par l’ischémie cardiaque, représente une grande importance en raison de son rôle dans le recrutement de cellules inflammatoires et de cellules souches de la moelle osseuse vers les sites endommagés. Quoique les recherches sur le rôle de la chimiokine SDF-1 alpha dans le remodelage ventriculaire se multiplient, son implication dans la phase aiguë du remodelage reste inexplorée. Le but de la présente étude est de déterminer l’effet du SDF-1 alpha sur la taille de la cicatrice, l’hypertrophie cardiaque ainsi que la fonction ventriculaire chez des rats et des souris une semaine après un IM. La stratégie utilisée implique l’administration de l’AMD3100 (1 mg/kg, 24 heures après l’IM, pendant 6 jours), l’antagoniste sélectif du récepteur du SDF-1 alpha, le CXCR4. Ce récepteur est couplé à une protéine G alpha i et induit la migration et la prolifération cellulaire. Chez les rats du groupe IM, l’expression de la chimiokine a été détectée surtout dans les cellules musculaires lisses et les cellules endothéliales des vaisseaux cicatriciels. Le profil d’expression de la chimiokine dans le cœur infarci indique un gradient de concentration vers la cicatrice. Une semaine après l’IM, le traitement avec l’AMD3100 a diminué la taille de la cicatrice, résultant en une amélioration de la fonction ventriculaire et une diminution de l’élévation de l’expression de l’ARNm de l’ANP dans le ventricule gauche non infarci (VGNI). Chez les souris, le traitement avec l’AMD3100 a engendré les mêmes effets, soit une diminution de la taille de la cicatrice ainsi qu’une amélioration de la fonction ventriculaire. La réduction de la taille de la région infarcie chez les souris traitées avec l’AMD3100 est associée avec une atténuation de l’infiltration des neutrophiles dans la région ischémique. Ces résultats suggèrent que le blocage pharmacologique de l’axe SDF-1 alpha/CXCR4 lors de la phase aiguë du remodelage ventriculaire après un IM diminue la taille de la cicatrice et améliore la fonction ventriculaire, en partie, par la diminution de la réaction inflammatoire.

Évaluation de l'effet des antagonistes synthétiques du récepteur de chimiokine, CXCR4 sur CXCR7

Le récepteur de chimiokine CXCR7 a été récemment identifié comme liant la chimiokine SDF-1, anciennement considérée comme ligand exclusif du récepteur CXCR4. Ces deux récepteurs sont exprimés majoritairement dans les mêmes types cellulaires et, ainsi, la découverte de CXCR7 incite à réévaluer les effets respectifs de SDF-1 sur CXCR4. Étant donné son rôle dans le cancer, CXCR4 est une cible de choix pour le développement de molécules thérapeutiques. Également, CXCR7 semble être impliqué dans la croissance tumorale. AMD3100, un antagoniste «sélectif» pour CXCR4, est maintenant commercialisé. Cet antagoniste a été identifié comme liant lui aussi CXCR7. De plus, sur CXCR7, l’AMD3100 agit comme agoniste puisqu’il induit le recrutement de la β-arrestine, à l’opposé de son effet sur. En revanche, AMD3100 n’induit pas le recrutement de la β-arrestine à CXCR4. Basé sur ces résultats, il est nécessaire de revoir la sélectivité d’autres antagonistes synthétiques de CXCR4. À l’aide de la technique de BRET (Résonance d’un transfert d’énergie par bioluminescence), nos résultats montrent que le Tc14012, un autre antagoniste synthétique de CXCR4, et structurellement distinct de l’AMD3100, interagit avec CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux antagonistes de CXCR4 agissent comme agonistes sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine. Nos résultats suggèrent que l’organisation spatiale du corps du récepteur serait responsable de cet effet opposé. En conclusion, AMD3100 et Tc14012 ne sont pas sélectifs pour CXCR4, puisqu’ils interagissent avec CXCR7. Lors du développement de nouvelles molécules synthétiques ciblant CXCR4, il serait alors nécessaire d’en évaluer leur sélectivité, et leurs effets en les testant aussi sur CXCR7.

Étude de la relation entre les conformations et la signalisation des 7TMRs

L’interaction d’un ligand avec un récepteur à sept domaines transmembranaires (7TMR) couplé aux protéines G, mène à l’adoption de différentes conformations par le récepteur. Ces diverses conformations pourraient expliquer l’activation différentielle des voies de signalisation. Or, le lien entre la conformation et l’activité du récepteur n’est pas tout à fait claire. Selon les modèles classiques pharmacologiques, comme le modèle du complexe ternaire, il n’existe qu’un nombre limité de conformations qu’un récepteur peut adopter. Afin d’établir un lien entre la structure et la fonction des récepteurs, nous avons choisi dans un premier temps, le récepteur de chimiokine CXCR4 comme récepteur modèle. Ce dernier, est une cible thérapeutique prometteuse, impliqué dans l’entrée du VIH-1 dans les cellules cibles et dans la dissémination de métastases cancéreuses. Grâce au transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) nous pouvons détecter les changements conformationnels des homodimères constitutifs de CXCR4 dans les cellules vivantes. En conséquence, nous avons mesuré les conformations de mutants de CXCR4 dont les mutations affecteraient sa fonction. Nous montrons que la capacité des mutants à activer la protéine Galphai est altérée suite au traitement avec l’agoniste SDF-1. Notamment, ces mutations altèrent la conformation du récepteur à l’état basal ainsi que la réponse conformationnelle induite suite au traitement avec l’agoniste SDF-1, l’agoniste partiel AMD3100 ou l’agoniste inverse TC14012. Ainsi, différentes conformations de CXCR4 peuvent donner lieu à une activation similaire de la protéine G, ce qui implique une flexibilité des récepteurs actifs qui ne peut pas être expliquée par le modèle du complexe ternaire (Berchiche et al. 2007). Également, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CCR2, exprimé à la surface des cellules immunitaires. Il joue un rôle important dans l’inflammation et dans des pathologies inflammatoires telles que l’asthme. CCR2 forme des homodimères constitutifs et possède différents ligands naturels dont la redondance fonctionnelle a été suggérée. Nous avons étudié le lien entre les conformations et les activations d’effecteurs (fonctions) de CCR2. Notre hypothèse est que les différents ligands naturels induisent différentes conformations du récepteur menant à différentes fonctions. Nous montrons que les réponses de CCR2 aux différents ligands ne sont pas redondantes au niveau pharmacologique et que les chimiokines CCL8, CCL7 et CCL13 (MCP-2 à MCP-4) sont des agonistes partiels de CCR2, du moins dans les systèmes que nous avons étudiés. Ainsi, l’absence de redondance fonctionnelle parmi les chimiokines liant le même récepteur, ne résulterait pas de mécanismes complexes de régulation in vivo, mais ferait partie de leurs propriétés pharmacologiques intrinsèques (Berchiche et al. 2011). Enfin, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CXCR7. Récemment identifié, CXCR7 est le deuxième récepteur cible de la chimiokine SDF-1. Cette chimiokine a été considérée comme étant capable d’interagir uniquement avec le récepteur CXCR4. Notamment, CXCR4 et CXCR7 possèdent un patron d’expression semblable dans les tissus. Nous avons évalué l’effet de l’AMD3100, ligand synthétique de CXCR4, sur la conformation et la signalisation de CXCR7. Nos résultats montrent qu’AMD3100, tout comme SDF-1, lie CXCR7 et augmente la liaison de SDF-1 à CXCR7. Grâce au BRET, nous montrons aussi qu’AMD3100 seul est un agoniste de CXCR7 et qu’il est un modulateur allostérique positif de la liaison de SDF-1 à CXCR7. Aussi, nous montrons pour la première fois le recrutement de la beta-arrestine 2 à CXCR7 en réponse à un agoniste. L’AMD3100 est un ligand de CXCR4 et de CXCR7 avec des effets opposés, ce qui appelle à la prudence lors de l’utilisation de cette molécule pour l’étude des voies de signalisation impliquant SDF-1 (Kalatskaya et al. 2009). En conclusion, nos travaux amènent des évidences qu’il existe plusieurs conformations actives des récepteurs et appuient les modèles de structure-activité des récepteurs qui prennent en considération leur flexibilité conformationnelle.

Influence of the chemokine CXCL12 on the progression and the signaling in colorectal cancer

Das Chemokin CXCL12 (auch bekannt als SDF-1) ist ein kleines Protein (8-14) KDa, das in sechs Isoformen exprimiert wird (SDF-1α, SDF-1β, SDF-1γ, SDF- 1δ, SDF-1ε und SDF-1θ) von einem einzigen Gen, dass die Leukozyten-Wanderung regelt und variabel in einer Reihe von normalen und Krebsgeweben exprimiert wird.rnCXCL12 spielt verschiedene Rollen in der Tumorpathogenese. Es wurde nachgewiesen, dass CXCL12 das Tumorwachstum und die Malignität fördert, die Tumorangiogenese stärkt, sich an der Metastasierung beteiligt und zu immunsuppressiven Netzwerken innerhalb des Tumormikromilieus beiträgt. Daher liegt es nahe, dass der CXCL12/CXCR4-Signalweg ein wichtiges Ziel ist für die Entwicklung von neuartigen Krebstherapien.rnUm Licht auf die Rolle der Chemokin CXCL12 Splicevarianten in der Entwicklung von Krebs zu werfen und die mögliche physiologische Relevanz und ihre möglichen funktionellen Unterschiede bei Darmkrebs zu verstehen, haben wir alle CXCL12 Splicevarianten (alpha, beta, gamma, delta, epsilon und theta) in die kolorektalen Zelllinie SW480 und die Melanomzellinie D05 transfiziert und exprimiert.rnrnDiese Arbeit wurde erstellt, um die folgenden Ziele zu erreichen. Untersuchung der Rolle von CXCL12 Splicevarianten bei der Vermittlung von Tumorprogression, Adhäsion, Migration, Invasion und Metastasierung von Darmkrebs. Untersuchung, ob die CXCL12 Variantenwege ein wichtiges Ziel für die Entwicklung von Krebstherapien darstellen.rn• Um eine in vivo Mausmodell zu entwickeln, um die Rolle der CXCL12 Varianten im Rahmen des Tumorwachstums zu verstehen.rnrnUnsere Ergebnisse zeigen, dass:Der CXCL12 G801A Polymorphismus ist ein Low-Penetranz Risikofaktor für die Entwicklung von Darmkrebs. Der CXCL12-Gen-Polymorphismus rs1801157 ist mit dem T-Status (Tumor-node-Metastasen) assoziiert. Es gab keine Beziehung zwischen CXCL12-Gen-Polymorphismus rs1801157 und Fernmetastisen oder LN metastasen. Alle sechs CXCL12 Splicevarianten werden im Darmkrebs und in gesunder Kolon mucosa exprimiert. Die höchste Expression wird bei SDF-1alpha, dann SDF-1 beta gefunden. Alle sechs CXCL12 Varianten zeigen erhöhte Tumorzellproliferation in vitro. SDF-1beta, gefolgt von SDF-1alpha zeigte die größte Aktivität im Proliferationsassay.rn• Alle sechs CXCL12 Varianten induzieren die Tumorzelladhäsion.SDF-1beta dann SDF-1alpha zeigte die größte Aktivität im Rahmen des Adhäsionsassay. Alle sechs CXCL12 Varianten erhöhten die Zellmigration und Invasion von Tumorzellen in vitro. SDF-1theta und SDF-1epsilon 1theta zeigten die größte Aktivität, während die schwächste Aktivität mit SDF-1alpha und SDF-1beta beobachtet wurde. Alle sechs CXCL12 Varianten aktivieren Akt und (MAPK) Mitogen- acktivatedierte Protein kinase Wege und damit die Regulierung viele essentieller Prozesse in Tumorzellen, wie Proliferation, Migration, Invasion und Adhäsion. Es ist interessant festzustellen, dass AMD3100 die CXCL12 Splicevarianten inhibriert, die AKT-MEK-1/2-Phosphorylierung induzieren.rnDer Inhibitor AMD3100 unterdrückt stark die CXCL12 Varianten -delta, -epsilon und theta-und unterdrückt schwach CXCL12-gamma. während es keine signifikante Wirkung auf CXCL12-alpha und beta hatte. Es hat möglicherweise Auswirkungen auf mehrere große Signalwage in Bezug auf Proliferation, Migration und Invasions.rn• Es ist wichtig anzumerken, dass die Hemmung von CXCL12-Varianten durch AMD3100 einen der möglichen Ansaätze in der Krebstherapie darstellen kann.Wir schlagen vor, dass weitere Studien erwogen werden, die wir brauchen, um die biologische Aktivität dieser neuen CXCL12 Varianten bei verschiedenen Arten von Krebs klar zu verstehen.

Stromal derived growth factor alpha (SDF-1α) induces the differentiation of bone marrow progenitor cells (BMCs) into pericytes by regulating platelet derived growth factor B (PDGF-B) transcription

We previously demonstrated that bone marrow cells (BMCs) migrate to TC71 and A4573 Ewing’s sarcoma tumors where they can differentiate into endothelial cells (ECs) and pericytes and, participate in the tumor vascular development. This process of neo-vascularization, known as vasculogenesis, is essential for Ewing’s sarcoma growth with the soluble vascular endothelial growth factor, VEGF165, being the chemotactic factor for BMC migration to the tumor site. Inhibiting VEGF165 in TC71 tumors (TC/siVEGF7-1) inhibited BMC infiltration to the tumor site and tumor growth. Introducing the stromal-derived growth factor (SDF-1α) into the TC/siVEGF7-1 tumors partially restored vasculogenesis with infiltration of BMCs to a perivascular area where they differentiated into pericytes and rescued tumor growth. RNA collected from the SDF-1α-treated TC/siVEGF7-1 tumors also revealed an increase in platelet-derived growth factor B (PDGF-B) mRNA levels. PDGF-B expression is elevated in several cancer types and the role of PDGF-B and its receptor, PDGFR-β, has been extensively described in the process of pericyte maturation. However, the mechanisms by which PDGF-B expression is up-regulated during vascular remodeling and the process by which BMCs differentiate into pericytes during tumor vasculogenesis remain areas of investigation. In this study, we are the first to demonstrate that SDF-1α regulates the expression of PDGF-B via a transcriptional mechanism which involves binding of the ELK-1 transcription factor to the pdgf-b promoter. We are also first to validate the critical role of the SDF-1α/PDGF-B pathway in the differentiation of BMCs into pericytes both in vitro and in vivo. SDF-1α up-regulated PDGF-B expression in both TC/siVEGF7-1 and HEK293 cells. In contrast, down-regulating SDF-1α, down-regulated PDGF-B. We cloned the 2 kb pdgf-b promoter fragment into the pGL3 reporter vector and showed that SDF-1α induced pdgf-b promoter activity. We used chromatin immunoprecipitation (ChIP) and demonstrated that the ELK-1 transcription factor bound to the pdgf-b promoter in response to SDF-1α stimulation in both TC/siVEGF7-1 and HEK293 cells. We collected BMCs from the hind femurs of mice and cultured the cells in medium containing SDF-1α and PDGF-B and found that PDGFR-β+ BMCs differentiated into NG2 and desmin positive pericytes in vitro. In contrast, inhibiting SDF-1α and PDGF-B abolished this differentiation process. In vivo, we injected TC71 or A4573 tumor-bearing mice with the SDF-1α antagonist, AMD3100 and found that inhibiting SDF-1α signaling in the tumor microenvironment decreased the tumor microvessel density, decreased the tumor blood vessel perfusion and, increased tumor cell apoptosis. We then analyzed the effect of AMD3100 on vasculogenesis of Ewing’s sarcoma and found that BMCs migrated to the tumor site where they differentiated into ECs but, they did not form thick perivascular layers of NG2 and desmin positive pericytes. Finally, we stained the AMD3100-treated tumors for PDGF-B and showed that inhibiting SDF-1α signaling also inhibited PDGF-B expression. All together, these findings demonstrated that the SDF-1α/PDGF-B pathway plays a critical role in the formation of BM-derived pericytes during vasculogenesis of Ewing’s sarcoma tumors.

CXCR4/SDF1 interaction inhibits the primordial to primary follicle transition in the neonatal mouse ovary

The molecular mechanisms behind the entry of the primordial follicle into the growing follicle pool remain poorly understood. To investigate this process further, a microarray-based comparison was undertaken between 2-day postpartum mouse ovaries consisting of primordial follicles/naked oocytes only and those with both primordial follicles and newly activated follicles (7-day postpartum). Gene candidates identified included the chemoattractive cytokine stromal derived factor-1 (SDF1) and its receptor CXCR4. SDF1 and CXCR4 have been implicated in a variety of physiological processes including the migration of embryonic germ cells to the gonads. SDF1-alpha expression increased with the developmental stage of the follicle. Embryonic expression was found to be dichotomous post-genii cell migration, with low expression in the female. Immunohistochemical studies nonetheless indicate that the autocrine pattern of expression ligand and receptor begins during embryonic life. Addition of recombinant SDF1-alpha to neonatal mouse ovaries in vitro resulted in significantly higher follicle densities than for control ovaries. TUNEL analysis indicated no detectable difference in populations of apoptotic cells of treated or control ovaries. Treated ovaries also contained a significantly lower percentage of activated follicles as determined by measurement of oocyte diameter and morphological analysis. Treatment of cultured ovaries with an inhibitor of SDF1-alpha, AMD3100, ablated the effect of SDF1-alpha. By retaining follicles in an unactivated state, SDF1/CXCR4 signaling may play an important role in maintaining the size and longevity of the primordial follicle pool. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.