N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) induced mutations within the Klotho gene lead to ectopic calcification and reduced lifespan in mouse models

Ectopic calcification (EC), which is the pathological deposition of calcium and phosphate in extra-skeletal tissues, may be associated with hypercalcaemic and hyperphosphataemic disorders, or it may occur in the absence of metabolic abnormalities. In addition, EC may be inherited as part of several monogenic disorders and studies of these have provided valuable insights into the metabolic pathways regulating mineral metabolism. For example, studies of tumoural calcinosis, a disorder characterised by hyperphosphataemia and progressive EC, have revealed mutations of fibroblast growth factor 23 (FGF23), polypeptide N-acetyl galactosaminyltransferase 3 (GALNT3) and klotho (KL), which are all part of a phosphate-regulating pathway. However, such studies in humans are limited by the lack of available large families with EC, and to facilitate such studies we assessed the progeny of mice treated with the chemical mutagen N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) for EC. This identified two mutants with autosomal recessive forms of EC, and reduced lifespan, designated Ecalc1 and Ecalc2. Genetic mapping localized the Ecalc1 and Ecalc2 loci to a 11.0 Mb region on chromosome 5 that contained the klotho gene (Kl), and DNA sequence analysis identified nonsense (Gln203Stop) and missense (Ile604Asn) Kl mutations in Ecalc1 and Ecalc2 mice, respectively. The Gln203Stop mutation, located in KL1 domain, was severely hypomorphic and led to a 17-fold reduction of renal Kl expression. The Ile604Asn mutation, located in KL2 domain, was predicted to impair klotho protein stability and in vitro expression studies in COS-7 cells revealed endoplasmic reticulum retention of the Ile604Asn mutant. Further phenotype studies undertaken in Ecalc1 (kl203X/203X) mice demonstrated elevations in plasma concentrations of phosphate, FGF23 and 1,25-dihydroxyvitamin D. Thus, two allelic variants of Kl that develop EC and represent mouse models for tumoural calcinosis have been established. © 2015 Esapa et al.

Lineage-specific biomarkers predict response to FGFR inhibition

In this issue of Cancer Discovery, Guagnano and colleagues use a large and diverse annotated collection of cancer cell lines, the Cancer Cell Line Encyclopedia, to correlate whole-genome expression and genomic alteration datasets with cell line sensitivity data to the novel pan-fibroblast growth factor receptor (FGFR) inhibitor NVP-BGJ398. Their findings underscore not only the preclinical use of such cell line panels in identifying predictive biomarkers, but also the emergence of the FGFRs as valid therapeutic targets, across an increasingly broad range of malignancies.

A mouse with an N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) induced Trp589Arg Galnt3 mutation represents a model for hyperphosphataemic familial tumoural calcinosis

Mutations of UDP-N-acetyl-alpha-D-galactosamine polypeptide N-acetyl galactosaminyl transferase 3 (GALNT3) result in familial tumoural calcinosis (FTC) and the hyperostosis-hyperphosphataemia syndrome (HHS), which are autosomal recessive disorders characterised by soft-tissue calcification and hyperphosphataemia. To facilitate in vivo studies of these heritable disorders of phosphate homeostasis, we embarked on establishing a mouse model by assessing progeny of mice treated with the chemical mutagen N-ethyl-N-nitrosourea (ENU), and identified a mutant mouse, TCAL, with autosomal recessive inheritance of ectopic calcification, which involved multiple tissues, and hyperphosphataemia; the phenotype was designated TCAL and the locus, Tcal. TCAL males were infertile with loss of Sertoli cells and spermatozoa, and increased testicular apoptosis. Genetic mapping localized Tcal to chromosome 2 (62.64-71.11 Mb) which contained the Galnt3. DNA sequence analysis identified a Galnt3 missense mutation (Trp589Arg) in TCAL mice. Transient transfection of wild-type and mutant Galnt3-enhanced green fluorescent protein (EGFP) constructs in COS-7 cells revealed endoplasmic reticulum retention of the Trp589Arg mutant and Western blot analysis of kidney homogenates demonstrated defective glycosylation of Galnt3 in Tcal/Tcal mice. Tcal/Tcal mice had normal plasma calcium and parathyroid hormone concentrations; decreased alkaline phosphatase activity and intact Fgf23 concentrations; and elevation of circulating 1,25-dihydroxyvitamin D. Quantitative reverse transcriptase-PCR (qRT-PCR) revealed that Tcal/Tcal mice had increased expression of Galnt3 and Fgf23 in bone, but that renal expression of Klotho, 25-hydroxyvitamin D-1α-hydroxylase (Cyp27b1), and the sodium-phosphate co-transporters type-IIa and -IIc was similar to that in wild-type mice. Thus, TCAL mice have the phenotypic features of FTC and HHS, and provide a model for these disorders of phosphate metabolism. © 2012 Esapa et al.

Contrôle de l'expression de la protéine PHEX et rôle de PHEX et FGF23 dans la minéralisation par les cellules MC3T3

PHEX est une protéine importante dans le processus de minéralisation osseuse. Des mutations ou la délétion d’une partie de ce gène causent l’hypophosphatémie liée au chromosome X (XLH). Cette maladie est caractérisée par une hypophosphatémie, accompagnée de défauts de minéralisation, de rachitisme et de lésions ostéomalaciques. Avec l’hypophosphatémie, les taux circulants de vitamine D devraient être augmentés, ce qui n’est pas le cas d’où une régulation anormale de la production de vitamine D a lieu. Cependant, malgré le fait que cette protéine soit une peptidase, aucun substrat physiologique n’a encore été répertorié pour PHEX. PHEX est une protéine membranaire de type II de la famille M13 des métalloendopeptidases à zinc possédant un court domaine N-terminal cytosolique, un segment transmembrannaire d’environ 20 acides aminés et une large portion C-terminale extracellulaire où se trouve le site actif de l’enzyme. PHEX est exprimée de façon majoritaire dans les os et dans les dents et elle apparaît à l’initiation de la minéralisation. Les patients souffrant de XLH et la souris Hyp, qui est un modèle animal de la maladie humaine, montrent des quantités importantes de la protéine FGF23. De plus, FGF23 est impliqué dans une autre maladie reliée au métabolisme du phosphate, l’hypophosphatémie rachitique autosomale dominante (ADHR) où des mutations de FGF23 causent sensiblement les mêmes symptômes que XLH. FGF23 est produit principalement par les ostéoblastes et les ostéocytes. FGF23 cause une hypophosphatémie par la diminution de l’expression du cotransporteur NaPi de type II, responsable de la réabsorption du phosphate rénal. L’hypothèse proposée dans la littérature serait que PHEX activerait ou inactiverait des peptides importants pour la minéralisation osseuse. Plus spécifiquement, l’activation ou l’inactivation de ces peptides aurait pour rôle de réguler les quantités de FGF23. Selon l’hypothèse mentionnée précédemment, la régulation de PHEX pourrait donc avoir un effet sur la minéralisation. Une quantité croissante de données sur la régulation de PHEX sont maintenant disponibles. Par exemple, la vitamine D diminue l’expression de PHEX tandis que les glucocorticoïdes et l’hormone de croissance augmentent son expression. Dans une première étude, nous avons voulu déterminer si un peptide relié à la minéralisation osseuse, le PTHrP1-34, pouvait réguler l’expression de PHEX. Nous avons déterminé que le PTHrP1-34 peut réguler de façon négative l’expression de PHEX dans les cellules UMR-106, une lignée cellulaire ostéoblastique. Cette régulation passe par la voie de l’AMPc/protéine kinase A. De plus, cette diminution d’expression est également observée au jour 7 dans des cultures primaires d’ostéoblastes de rat en minéralisation. Par la suite, nous avons étudié un mutant de PHEX, le mutant E4Q retrouvé chez un patient souffrant de XLH, où la mutation se retrouve dans le domaine cytosolique de PHEX. Cette mutation n’interfère pas avec le site catalytique de l’enzyme puisque ce mutant de PHEX peut tout aussi bien cliver un substrat synthétique que la protéine sauvage. Il a été déterminé que cette mutation annule un motif di-acide. Nous avons démontré que ce motif di-acide est responsable de la liaison de PHEX à COPII, responsable de la formation de vésicules de sécrétion. De plus, il semblerait que ce motif soit important, probablement par son interaction avec COPII, à l’incorporation de PHEX dans des vésicules de calcification, lesdites vésicules étant importantes dans le processus de minéralisation. Finalement, des essais de compétitions ont démontré que la minéralisation pouvait être perturbée lorsque l’on surexprimait la queue cytosolique sauvage de PHEX, contrairement à la queue mutée. Ceci suggère possiblement que l’interaction avec COPII menant à l’incorporation de PHEX dans les vésicules de calcification ou d’autres protéines comprenant de tels motifs pourrait être importante pour la minéralisation. Finalement, la dernière étude porte sur la protéine FGF23. Nous avons démontré, par la surexpression de FGF23 dans la lignée MC3T3 d’ostéoblastes de souris, que cette surexpression a un effet sur la sénescence de ces cellules. En effet, des essais de sénescence ont montré l’augmentation de celle-ci lorsque FGF23 est surexprimé. Par contre, la prolifération n’est pas altérée. De plus, il semblerait que la différenciation soit plus rapide, tel qu’observé par une minéralisation survenant plus tôt, mais n’étant pas plus importante. Bref, la surexpression de FGF23 semblerait faire en sorte que les ostéoblastes se différencient plus rapidement et passent donc à un état de sénescence prématuré comparativement aux cellules sauvages. Ceci est en accord avec la littérature où KLOTHO, un cofacteur de FGF23 permettant sa liaison avec une plus grande affinité sur son récepteur, lorsqu’inactivé démontre un phénotype similaire au vieillissement incluant un phénotype de sénescence.

Role of Reactive Oxygen Species in signalling and oxidative stress

Results reported in this Thesis contribute to the comprehension of the complicated world of “redox biology”. ROS regulate signalling pathways both in physiological responses and in pathogenesis and progression of diseases. In cancer cells, the increase in ROS generation from metabolic abnormalities and oncogenic signalling may trigger a redox adaptation response, leading to an up-regulation of antioxidant capacity in order to maintain the ROS level below the toxic threshold. Thus, cancer cells would be more dependent on the antioxidant system and more vulnerable to further oxidative stress induced by exogenous ROS-generating agents or compounds that inhibit the antioxidant system. Results here reported indicate that the development of new drugs targeting specific Nox isoforms, responsible for intracellular ROS generation, or AQP isoforms, involved in the transport of extracellular H2O2 toward intracellular targets, might be an interesting novel anti-leukaemia strategy. Furthermore, also the use of CSD peptide, which simulate the VEGFR-2 segregation into caveolae in the inactive form, might be a strategy to stop the cellular response to VEGF signalling. As above stated, in the understanding of the redox biology, it is also important to identify and distinguish the molecular effectors that maintain normal biological and physiological responses, such as agents that stimulate our adaptation systems and elevate our endogenous antioxidant defences or other protective systems. Data here reported indicate that the nutraceutical compound sulforaphane and the Klotho protein are able to stimulate the HO-1 and Prx-1 expression, as well as the GSH levels, confirming their antioxidant and protective role. Finally, results here reported demonstrated that Stevia extracts are involved in insulin regulated glucose metabolism, suggesting that the use of these compounds goes beyond their sweetening power and may also offer therapeutic benefits hence improving the quality of life.

Aging mechanisms

Aging (senescence) has long been a difficult issue to be experimentally analyzed because of stochastic processes, which contrast with the programmed events during early development. However, we have recently started to learn the molecular mechanisms that control aging. Studies of the mutant mouse, klotho, showing premature aging, raise a possibility that mammals have an “anti-aging hormone.” A decrease of cell proliferation ability caused by the telomeres is also tightly linked to senescence. Frontier experimental studies of aging at the molecular level are leading to fascinating hypotheses that aging is the price we had to pay for the evolution of the sexual reproduction system that produces a variety of genetic information and complex body structures.

Phosphate uptake and phosphate transporter expression during immune cell proliferation in in vitro and ex vivo leukemic murine models

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Medicina e Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, 2015