Morphine induces Beclin 1-and ATG5-dependent autophagy in human neuroblastoma SH-SY5Y cells and in the rat hippocampus

Chronic exposure to morphine can induce drug addiction and neural injury, but the exact mechanism is not fully understood. Here we show that morphine induces autophagy in neuroblastoma SH-SY5Y cells and in the rat hippocampus. Pharmacological approach shows that this effect appears to be mediated by PTX-sensitive G protein-coupled receptors signaling cascade. Morphine increases Beclin 1 expression and reduces the interaction between Beclin 1 and Bcl-2, thus releasing Beclin 1 for its pro-autophagic activity. Bcl-2 overexpression inhibits morphine-induced autophagy, whereas knockdown of Beclin 1 or knockout of ATG5 prevents morphine-induced autophagy. In addition, chronic treatment with morphine induces cell death, which is increased by autophagy inhibition through Beclin 1 RNAi. Our data are the first to reveal that Beclin 1 and ATG5 play key roles in morphine-induced autophagy, which may contribute to morphine-induced neuronal injury.

Calpain-mediated cleavage of Atg5 switches autophagy to apoptosis

Autophagy-related gene (Atg) 5 is a gene product required for the formation of autophagosomes. Here, we report that Atg5, in addition to the promotion of autophagy, enhances susceptibility towards apoptotic stimuli. Enforced expression of Atg5-sensitized tumour cells to anticancer drug treatment both in vitro and in vivo. In contrast, silencing the Atg5 gene with short interfering RNA (siRNA) resulted in partial resistance to chemotherapy. Apoptosis was associated with calpain-mediated Atg5 cleavage, resulting in an amino-terminal cleavage product with a relative molecular mass of 24,000 (Mr 24K). Atg5 cleavage was observed independent of the cell type and the apoptotic stimulus, suggesting that calpain activation and Atg5 cleavage are general phenomena in apoptotic cells. Truncated Atg5 translocated from the cytosol to mitochondria, associated with the anti-apoptotic molecule Bcl-xL and triggered cytochrome c release and caspase activation. Taken together, calpain-mediated Atg5 cleavage provokes apoptotic cell death, therefore, represents a molecular link between autophagy and apoptosis--a finding with potential importance for clinical anticancer therapies.

ATG5 is induced by DNA-damaging agents and promotes mitotic catastrophe independent of autophagy

Anticancer drug therapy activates both molecular cell death and autophagy pathways. Here we show that even sublethal concentrations of DNA-damaging drugs, such as etoposide and cisplatin, induce the expression of autophagy-related protein 5 (ATG5), which is both necessary and sufficient for the subsequent induction of mitotic catastrophe. We demonstrate that ATG5 translocates to the nucleus, where it physically interacts with survivin in response to DNA-damaging agents both in vitro and in carcinoma tissues obtained from patients who had undergone radiotherapy and/or chemotherapy. As a consequence, elements of the chromosomal passenger complex are displaced during mitosis, resulting in chromosome misalignment and segregation defects. Pharmacological inhibition of autophagy does not prevent ATG5-dependent mitotic catastrophe, but shifts the balance to an early caspase-dependent cell death. Our data suggest a dual role for ATG5 in response to drug-induced DNA damage, where it acts in two signalling pathways in two distinct cellular compartments, the cytosol and the nucleus.

Immunochip analysis identifies multiple susceptibility loci for systemic sclerosis

In this study, 1,833 systemic sclerosis (SSc) cases and 3,466 controls were genotyped with the Immunochip array. Classical alleles, amino acid residues, and SNPs across the human leukocyte antigen (HLA) region were imputed and tested. These analyses resulted in a model composed of six polymorphic amino acid positions and seven SNPs that explained the observed significant associations in the region. In addition, a replication step comprising 4,017 SSc cases and 5,935 controls was carried out for several selected non-HLA variants, reaching a total of 5,850 cases and 9,401 controls of European ancestry. Following this strategy, we identified and validated three SSc risk loci, including DNASE1L3 at 3p14, the SCHIP1-IL12A locus at 3q25, and ATG5 at 6q21, as well as a suggested association of the TREH-DDX6 locus at 11q23. The associations of several previously reported SSc risk loci were validated and further refined, and the observed peak of association in PXK was related to DNASE1L3. Our study has increased the number of known genetic associations with SSc, provided further insight into the pleiotropic effects of shared autoimmune risk factors, and highlighted the power of dense mapping for detecting previously overlooked susceptibility loci.

Methylation Silencing of ULK2, an Autophagy Gene, Is Essential for Astrocyte Transformation and Tumor Growth

Glioblastoma (GBM) is the most aggressive type of brain tumor and shows very poor prognosis. Here, using genome-wide methylation analysis, we show that G-CIMP+ and G-CIMP-subtypes enrich distinct classes of biological processes. One of the hypermethylated genes in GBM, ULK2, an upstream autophagy inducer, was found to be down-regulated in GBM. Promoter hypermethylation of ULK2 was confirmed by bisulfite sequencing. GBM and glioma cell lines had low levels of ULK2 transcripts, which could be reversed upon methylation inhibitor treatment. ULK2 promoter methylation and transcript levels showed significant negative correlation. Ectopic overexpression of ULK2-induced autophagy, which further enhanced upon nutrient starvation or temozolomide chemotherapy. ULK2 also inhibited the growth of glioma cells, which required autophagy induction as kinase mutant of ULK2 failed to induce autophagy and inhibit growth. Furthermore, ULK2 induced autophagy and inhibited growth in Ras-transformed immortalized Baby Mouse Kidney (iBMK) ATG5(+/+) but not in autophagy-deficient ATG5(-/-) cells. Growth inhibition due to ULK2 induced high levels of autophagy under starvation or chemotherapy utilized apoptotic cell death but not at low levels of autophagy. Growth inhibition by ULK2 also appears to involve catalase degradation and reactive oxygen species generation. ULK2 overexpression inhibited anchorage independent growth, inhibited astrocyte transformation in vitro and tumor growth in vivo. Of all autophagy genes, we found ULK2 and its homologue ULK1 were only down-regulated in all grades of glioma. Thus these results altogether suggest that inhibition of autophagy by ULK1/2 down-regulation is essential for glioma development.

Genome-wide SNP and haplotype analyses reveal a rich history underlying dog domestication

Advances in genome technology have facilitated a new understanding of the historical and genetic processes crucial to rapid phenotypic evolution under domestication(1,2). To understand the process of dog diversification better, we conducted an extensive genome-wide survey of more than 48,000 single nucleotide polymorphisms in dogs and their wild progenitor, the grey wolf. Here we show that dog breeds share a higher proportion of multi-locus haplotypes unique to grey wolves from the Middle East, indicating that they are a dominant source of genetic diversity for dogs rather than wolves from east Asia, as suggested by mitochondrial DNA sequence data(3). Furthermore, we find a surprising correspondence between genetic and phenotypic/functional breed groupings but there are exceptions that suggest phenotypic diversification depended in part on the repeated crossing of individuals with novel phenotypes. Our results show that Middle Eastern wolves were a critical source of genome diversity, although interbreeding with local wolf populations clearly occurred elsewhere in the early history of specific lineages. More recently, the evolution of modern dog breeds seems to have been an iterative process that drew on a limited genetic toolkit to create remarkable phenotypic diversity.

A role of autophagy in PTP4A3-driven cancer progression

Autophagy, a "self-eating" cellular process, has dual roles in promoting and suppressing tumor growth, depending on cellular context. PTP4A3/PRL-3, a plasma membrane and endosomal phosphatase, promotes multiple oncogenic processes including cell proliferation, invasion, and cancer metastasis. In this study, we demonstrate that PTP4A3 accumulates in autophagosomes upon inhibition of autophagic degradation. Expression of PTP4A3 enhances PIK3C3-BECN1-dependent autophagosome formation and accelerates LC3-I to LC3-II conversion in an ATG5-dependent manner. PTP4A3 overexpression also enhances the degradation of SQSTM1, a key autophagy substrate. These functions of PTP4A3 are dependent on its catalytic activity and prenylation-dependent membrane association. These results suggest that PTP4A3 functions to promote canonical autophagy flux. Unexpectedly, following autophagy activation, PTP4A3 serves as a novel autophagic substrate, thereby establishing a negative feedback-loop that may be required to fine-tune autophagy activity. Functionally, PTP4A3 utilizes the autophagy pathway to promote cell growth, concomitant with the activation of AKT. Clinically, from the largest ovarian cancer data set (GSE 9899, n = 285) available in GEO, high levels of expression of both PTP4A3 and autophagy genes significantly predict poor prognosis of ovarian cancer patients. These studies reveal a critical role of autophagy in PTP4A3-driven cancer progression, suggesting that autophagy could be a potential Achilles heel to block PTP4A3-mediated tumor progression in stratified patients with high expression of both PTP4A3 and autophagy genes.

L'implication de l'autophagie dans la chimiorésistance du neuroblastome et l'intérêt de son inhibition

Le neuroblastome (NB) est une tumeur fréquente et agressive du jeune enfant. Les tumeurs de haut grade de forme métastatique, généralement développées chez l'enfant de plus de 1 an, sont associées à une importante mortalité malgré un traitement lourd incluant une chimiothérapie à haute dose. La chimiorésistance est donc un problème majeur qui caractérise ces NB de haut grade. Une des hypothèses pour expliquer cette chimiorésistance est celle de l’activation de l’autophagie, un mécanisme auquel recourent les cellules afin de faire face aux situations de stress. D’ailleurs, plusieurs études ont démontré que l'autophagie était activée à la suite des thérapies anticancéreuses. Son inhibition pourrait donc représenter une stratégie thérapeutique très intéressante pour le traitement de cancers. Le but de ce projet de recherche a été de mettre en évidence l'importance de l'autophagie dans les cellules du NB ainsi que l'effet de son inhibition sur la sensibilité des cellules du NB à la chimiothérapie conventionnelle. La présence d'autophagie dans les cellules de NB et sa valeur pronostic ont été évaluées par une étude immunohistochimique et par western blot sur 184 tumeurs patient. Ensuite, dans le but de déterminer l'effet de la chimiothérapie conventionnelle sur le niveau d'autophagie, des études in vitro sur 6 lignées cellulaires ont été effectuées utilisant des tests de mesure d'autophagie (MDC, monodanylcadaverine), de viabilité cellulaire (MTT) et de western blot. Celles ci ont été suivies par des tests d'inhibition de l'autophagie par deux méthodes: l’inactivation du gène ATG5 par un lentivirus contenant un shRNA ciblant ATG5 ou de l'hydroxychloroquine (HCQ), un inhibiteur pharmacologique de l’autophagie. Cette inhibition a été testée seule ou en combinaison avec une chimiothérapie conventionnelle dans le but de déterminer le rôle de l'autophagie dans la sensibilisation des cellules de NB à la chimiothérapie. Ensuite, l’intérêt de l’inhibition de l’autophagie a été évalué sur des modèles murins. Enfin, le niveau d'autophagie a été testé dans des cellules souches de NB. Notre étude a démonté que l'autophagie est présente à un niveau basal dans une majorité des NB mais qu'elle ne représentait pas un facteur pronostic dans ce type de tumeur. Les différentes chimiothérapies testées induisent une augmentation de l'autophagie dans les cellules du NB. Les deux tests d'inhibition ont démontré in vitro que l'autophagie participe à la résistance des cellules aux traitements chimiothérapeutiques classiques du NB. Le blocage de l’autophagie in vivo augmente l’efficacité de la chimiothérapie, cependant certaines données associées au traitement par HCQ devront être complétées. Cette étude démontre que l'inhibition de l'autophagie en combinaison avec la chimiothérapie classique représente une approche thérapeutique prometteuse dans le traitement du NB.

Molecular characterization of the contribution of autophagy to antigen presentation using quantitative proteomics

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée.

Rôle de l'autophagie dans la dissémination du VIH-1 par les cellules dendritiques dérivées des monocytes circulants

Les cellules myéloïdes incluant les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques (DCs, dendritic cells) contribuent à la pathogénèse de l’infection à VIH-1 en participant à la dissémination du virus, mais également en représentant des réservoirs viraux potentiels. Leurs fonctions sont exploitées par le VIH-1 afin d’assurer sa propagation à travers l’organisme. Notamment, une infection à VIH-1 est associée à une altération de la présentation antigénique et la perte de lymphocytes T CD4+ spécifiques à des antigènes. L’autophagie est un processus catabolique universel impliqué dans la régulation de la présentation antigénique subséquente à la neutralisation/destruction du pathogène. Des études récentes suggèrent que le VIH-1 altère le mécanisme d’autophagie afin d’assurer sa survie. Le premier volet de ce projet de maîtrise a visé la caractérisation des effets du VIH-1 sur l’autophagie dans les DCs dérivées de monocytes circulants (MDDC, monocyte-derived dendritic cells) et l’identification des stratégies thérapeutiques pour contrecarrer ces effets. Les objectifs spécifiques ont été de : (i) caractériser l’expression de marqueurs de maturation sur des MDDC exposées au VIH-1 in vitro, (ii) quantifier l’expression des protéines liées à la régulation positive (i.e., ATG5, LC3, p62) et négative (i.e., mTOR) de l’autophagie dans les MDDC exposées au VIH, (iii) déterminer le rôle de l’autophagie dans la trans infection du VIH-1 aux lymphocytes T CD4+ et (iv) explorer l’impact de l’autophagie sur la présentation antigénique par les MDDC infectées à VIH-1 in vitro. Nos résultats démontrent qu’une exposition des MDDC au VIH-1 in vitro altère dramatiquement leur maturation et leur habileté à induire la prolifération des cellules T autologues en réponse à Staphylococcus aureus et Cytomegalovirus (CMV) mais pas la réponse induite par Staphylococcal enterotoxin B (SEB). Nous démontrons que l’exposition des MDDC au VIH s’associe à une augmentation de l’expression de la protéine mTOR totale et de sa forme phosphorylée (phospho-mTOR) et de la protéine p62. Le traitement des MDDC à la rapamycine diminue l’expression de mTOR et réduit la capacité de trans infection du VIH-1 par les MDDC, sans toutefois restaurer leur potentiel immunogène. En effet, nous observons que la rapamycine réduit l’expression de CD83 par les MDDC et augmente l’expression de CCR7, indiquant ainsi que l’effet immunosuppresseur documenté de la rapamycine est associé à une défaillance de maturation des MDDC. Le second volet de ce projet de recherche s’est intéressé à la contribution des cellules myéloïdes à la persistance virale chez les sujets infectés par le VIH-1 sous thérapie antirétrovirale. Les objectifs spécifiques ont été : (i) d’évaluer la présence de différentes formes d’ADN viral dans les monocytes circulants de patients infectés par le VIH-1 et (ii) de mesurer l’intégration et la réplication virale dans des macrophages dérivés de monocytes (MDM) de patients infectés sous ART. Nos résultats indiquent que les monocytes portent des formes précoces de transcription virale inverse (ADN du VIH RU5) et que, malgré une charge virale plasmatique indétectable sous ART, les MDM supportent la réplication virale. Ces données très préliminaires apportent des évidences en faveur de la contribution des cellules myéloïdes à la persistance virale sous ART et représentent une ouverture pour un projet de recherche plus complexe dans le futur. En somme, nos résultats démontrent que le VIH-1 altère le potentiel immunogène des MDDC et que la rapamycine peut être employée pour limiter la trans infection des lymphocytes T CD4+ par les MDDC. Néanmoins, l’incapacité de la rapamycine à rétablir le potentiel immunogène des MDDC incite à identifier de nouvelles stratégies manipulant l’autophagie pour une restauration optimale de la compétence immunitaire chez les sujets infectés à VIH-1. Les cellules myéloïdes jouent un rôle primordial dans la dissémination et la persistance virale et doivent donc être ciblées par les stratégies actuelles d’éradication des réservoirs du VIH sous ART.

Apoptosis regulation by autophagy gene 5

Autophagy is a cellular process, in which cellular proteins and cytoplasmic organelles are degraded. It reflects the response of a cell to stress or starvation with the primary goal of cell survival. On the other hand, if the autophagic activity is too high, cell death happens, suggesting that this process requires a tight control. Autophagic cell death has often been observed under conditions, in which apoptosis is blocked. Recent studies suggest that autophagy may promote apoptosis and that Bcl-2 cannot block only apoptosis, but also autophagy and autophagic cell death. Here, we discuss recent findings regarding the interrelations between autophagy and apoptosis. In particular, we would like to draw the attention of the readers to Atg5, which exhibits, like Bcl-2, a dual function by modulating both autophagy and apoptosis.