Role of Notch signalling in intestinal epithelium

Résumé: Chez les mammifères, les intestins sont les organes ayant le plus haut taux de renouvellement cellulaire dans l'organisme. L'épithélium intestinal se renouvelle complètement en moins d'une semaine. Il se compose de projections (villosités) et d'invaginations (cryptes) qui ont toutes deux des fonctions bien distinctes. Les cellules de l'intestin sont constamment produites à partir de cellules souches, situées dans la crypte, qui se différencient en cellules proliférantes transitoires, puis en cellules caliciformes, de Paneth, entéroendocrine ou en entérocytes. Ces cellules migrent dans leurs lieux spécifiques pour accomplir leur fonction physiologique pour finalement mourir. A cours de mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de la voie de signalisation de Notch dans le renouvellement cellulaire et dans le processus de l'homéostase des cellules de l'intestin marin en utilisant le système Cre-loxP pour induire la délétion des gènes Notch1, Notch2, Jaggedl et RBP-Jk. Bien que l'inactivation de Notch1 avec ou sans Jagged1, ou celle de Notch2, n'aboutissent à aucun phénotype, une déficience pour RBP-Jk, ou pour Notch1 et Notch2 simultanément, conduit au développement d'un impressionnant phénotype. Au niveau de la crypte, une rapide et importante modification des cellules apparaît: les cellules proliférantes sont devenues des cellules caliciformes qui ont perdu la capacité de se renouveler. Ces résultats impliquent la voie Notch en tant que nouvelle clé de voûte dans le maintien des cellules qui s'auto-renouvellent dans l'épithélium intestinal. Un rôle similaire a été proposé pour la voie Wnt, laquelle n'est cependant, pas affectée dans nos souris. C'est pourquoi ces deux voies sont essentielles dans le maintien de la prolifération dans les cryptes intestinales. Ce travail a aussi proposé un mécanisme par lequel la voie Notch contrôlerait l'intégrité du cycle cellulaire dans les cellules de la crypte intestinale, ceci en inhibant la transcription d'un inhibiteur du cycle cellulaire, la protéine p27KIP1. De plus, l'inactivation de RBP-Jk dans les adénomes développés par les souris APCmin induisent la différenciation de cellules tumorales en cellules caliciformes. Comme autre effet, la localisation histologique des cellules de Paneth est également affectée par la délétion de RBP-Jk ou de Notch1/Notch2, suggérant un rôle pour la voie Notch dans le compartiment des cellules de Paneth. Finalement, ce travail démontre que les cellules progénitrices de l'intestin ont besoin d'une convergence fonctionnelle des voie Wnt et Notch. Ces résultats préliminaires peuvent être considérés comme un concept pour l'utilisation d'inhibiteurs de secrétase-γ (inhibiteurs de Notch) à des fins thérapeutiques pour les cancers colorectaux. Summary The mammalian intestine has one of the highest cellular turnover rates in the body. The complete intestinal epithelium is renewed in less than a week. It is divided into spatially distinct compartments in the form of finger-like projections (villi) and flask-shaped invaginations (crypts) that are dedicated to specific functions. Intestinal cells are constantly produced from a stem cell reservoir that gives rise to proliferating transient amplifying cells, which subsequently differentiate and home to their specific compartments before dying after having fulfilled their physiological function. In this thesis project, the physiological role of the Notch signalling cascade in the marine intestine was studied. Inducible tissue specific inactivation of Notch1, Notch2, Jagged1 and RBP-Jk genes was applied to assess their role in the maintenance of intestinal homeostasis and cell fate determination. The analysis unequivocally revealed that Notch1, Notch1 and Jagged1 combined as well as Notch2 are dispensable for intestinal homeostasis and lineage differentiation. However, deficiency of RBP-Jk as well as the simultaneous inactivation of both Notch1 and Notch2 receptors unveiled a striking phenotype. In these mice, a rapid and massive conversion of proliferative crypt cells into post-mitotic goblet cells was observed. These results identify the Notch pathway as a key player for the maintenance of the proliferative crypt compartment. A similar role was implicated for the Wnt cascade, which, however, was not affected in the different tissue specific Notch signalling deficient mice. Thus, the Wnt and Notch signalling pathways are essential for the self-renewal capacity of the intestinal epithelium. Furthermore, our results suggest a molecular mechanism for Notch signalling mediated control of cell cycle regulation within the crypt. The Notch cascade inhibits expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 and thereby maintains proliferation of the intestinal progenitor cells. In addition, the inactivation of RBP-Jk in adenomas developed by APCmin mice resulted in the differentiation of tumour cells into goblet cells. Finally, Notch deficiency affected differentiated Paneth cells, suggesting that Notch may play a role in the Paneth cell compartment. In summary, this work clearly demonstrates that undifferentiated, proliferative cells in intestinal crypts require the concerted activation of the RBP-Jk-mediated Notch signalling and the Wnt cascade. In addition, our preliminary results can be considered as a "proof-of-principle" for the use of γ-secretase inhibitors for therapeutic modalities for colorectal cancer.

Role of notch signalling in mammary gland

ÁBSTRACT : Mammary gland is composed of two main epithelial cell types, myoepithelial and luminal. The mechanisms involved in determination and maintenance of them remain poorly understood. Notch signaling is known to regulate cell fate determination in other tissues like skin and nervous system. It was also shown that it can act as tumor suppressor or oncogene depending on the tissue type. The mouse models overexpressing active Notch receptors indicated that Notch signaling is oncogenic in the mammary gland. This observation was followed by some descriptive and functional studies in human breast cancer and it was reported that Notch signaling activity or expression of its components are increased in some of the breast tumor samples compared to normal tissue. However, the physiological role of the Notch signaling and its downstream mechanisms in mammary gland is poorly defined. p63, a member of p53 family, has been implicated in the cell fate determination of keratinocytes. Knockout mouse models revealed that p63 is required for the formation of the mammary anlagen in embryo and its ΔN isoform is expressed exclusively in the myoepithelial layer of the adult breast. In order to understand its function in normal breast epithelial cells, I activated Notch signaling by expression of Notch1 intracellular domain (NICD) in normal primary human breast epithelial cells (HBECs). In this context, NICD reduced growth of HBECs and led to downmodulation of extracellular matrix-receptor interaction network (ECM) components as well as ΔNp63. Expression of ΔNp63 together with NICD partially rescued Notch induced growth reduction, which was correlated with an increase in ECM components. Moreover, silencing ΔNp63 in myoepithelial HBECs reduced growth similar to Notch activation and it led to downregulation of myoepithelial and upregulation of luminal markers. Complementing this observation, forced expression of ONp63 in luminal HBECs induced myoepithelial phenotype and decreased luminal markers. In vivo, by the analysis of a Notch reporter mouse strain, I showed that Notch is activated during puberty specifically at the sites of ductal morphogenesis, terminal end buds. FAGS analysis revealed that it can be detected in two different populations based on CD24 expression (low (lo) or high (high)): at lower levels in CD24lo, which includes stem/progenitor and myoepithelial cells and higher levels in CD24hi, which contains luminal cells. In parallel with in vitro results, the CD24lo mouse mammary epithelial cells displaying Notch activity have lower levels of p63 expression. Furthermore, deletion of RBPjk, the main mediator of Notch signaling, or the overexpression of ΔNp63 inhibited luminal cell lineage in vivo. Another important point revealed by Notch reporter mouse strain is the simultaneous activation of Notch with estrogen signaling during pubertal development. The expression of FOXA1, the mediator of estrogen receptor (ER) transcriptional activity, is correlated with Notch activation in vivo that it is lower in CD24lo than in CD24hi cells. Moreover, FOXA1 is regulated by NICD in vitro supporting the presence of a link between Notch and ER signaling. Taken together, I report that Notch signaling is involved in luminal cell fate determination and its effects are partially mediated through inhibition of ONp63. Besides, ΔNp63 is required for the maintenance and sufficient for the induction of myoepithelial phenotype in HBECs in vitro and is not compatible with luminal lineage in vivo. Based on these results, I propose a model for epithelial cell hierarchy in mammary gland, whereby there are two different types of luminal progenitors, early and late, displaying different levels of Notch activity. Notch signaling contributes to the determination of luminal cell lineage in these two progenitor steps: In "Early Luminal Progenitor" stage, it inhibits myoepithelial fate by decreasing p63 expression, and in "Late Luminal Progenitor" stage, Notch signaling is involved in induction of luminal lineage by acting on ER-FOXA1 axis. It has to be investigated further whether Notch signaling might behave as an oncogene or tumor suppressor depending on which cell type in the epithelial hierarchy it is modulated and which one is more likely to occur in different human breast cancer types. RÉSUMÉ : La glande mammaire est composée de deux types principaux de cellules: les cellules luminales, qui bordent le lumen et les cellules myoépithéliales, qui se trouvent entre la lame basale et les cellules luminales. Les mécanismes intervenant dans leur différenciation et leur maintenance demeurent encore mal compris. La protéine transmembranaire Notch est connue pour déterminer le destin des cellules dans plusieurs types de tissus comme la peau ou le système nerveux. Selon le type de tissu dans lequel se trouve Notch, il agira soit comme un suppresseur de tumeur soit comme un oncogène. A l'aide de modèles de souris surexprimant les récepteurs actifs de Notch, il a été démontré que la voie de signalisation de Notch est oncogénique au niveau de la glande mammaire. Des études descriptives et fonctionnelles dans le cadre du cancer du sein ont permis de mettre en évidence une augmentation de l'activité de Notch ou de l'expression de ces composants dans certains tissus cancéreux. Toutefois, le rôle physiologique de Notch et des mécanismes qu'il active restent méconnus. P63, une protéine membre de la famille p53, est impliquée dans la différenciation des kératinocytes. Le modèle issu de l'étude des souris p63 knockout a révélé que cette protéine est requise pour la formation des primordia mammaires chez l'embryon et que son isoforme ΔNp63 est exclusivement exprimée dans la couche myoépithéliale de la glande mammaire adulte. Dans le but de comprendre les fonctions physiologiques de Notch, je l'ai activé en exprimant le domaine intracellulaire de Notch 1 (NICD) dans des cellules épithéliales primaires de glande mammaire humaine (HBECs). Le NICD a alors réduit la croissance des HBECs et conduit à la régulation négative non seulement de p63 mais également des composants du réseau d'interaction des récepteurs de la matrice extracellulaire (ECM). En exprimant conjointement ΔNp63 et NICD, il est apparu que la réduction de croissance induite par Notch était partiellement compensée, et qu'il y avait également une augmentation des composants ECM. De plus, lorsque ΔNp63 a été inactivé dans les cellules HBECs myoépithéliales, une réduction de croissance cellulaire identique à celle provoquée par l'activation de Notch a pu être mise en évidence, de même qu'une régulation négative des marqueurs myoépithéliaux ainsi qu'une augmentation des marqueurs luminaux. Afin de compléter ces informations, l'expression de ΔNp63 a été forcée dans les HBECs luminales, ce qui a induit un phénotype myoépithélial et une diminution des marqueurs lumineux. In vivo, par l'analyse de souris ayant un gène rapporteur de l'activité de Notch, j'ai démontré que Notch est activé pendant la puberté au niveau des sites de la morphogenèse canalaire, à savoir les bourgeons terminaux. Les analyses par FACS (Fluorescence-activated cell sorting) basées sur l'expression de l'antigène CD24 ont révélé qu'il peut tre détecté dans deux populations différentes : une population qui l'exprime faiblement, qui regroupe les cellules souches/progéniteurs et les cellules myoépithéliales, et une population qui l'exprime fortement qui est composé des cellules luminales. Parallèlement aux résultats in vitro, j'ai mis en évidence un faible niveau d'expression de p63 dans les cellules épithéliales de la glande mammaire de souris, exprimant faiblement l'antigène CD24 et présentant une activité de Notch. De plus, la délétion de RBPjr~, médiateur principal de la signalisation de Notch, ainsi que la surexpression de ΔNp63 in vivo ont inhibé la lignée des cellules luminales. Un autre point important révélé par les souris rapporteur de l'activité de Notch a été l'activation simultanée de Notch et de la signalisation de l'oestrogène pendant le développement pubertaire. L'expression de FOXA1, médiateur de l'activité transcriptionnelle des récepteurs aux oestrogènes (ER), est en corrélation avec l'activation de Notch in vivo, plus basse dans les cellules avec une faible expression de l'antigène CD24 que dans celles avec une forte expression. De plus, FOXA1 est régulé par NICD in vitro confirmant la présence d'un lien entre Notch et la signalisation des ER. En résumé, la signalisation de Notch est impliquée dans la détermination du destin cellulaire des cellules luminales et ses effets sont partiellement modifiés par l'inhibition de ΔNp63. ΔNp63 est requis pour la maintenance et est suffisant pour l'induction du phénotype myoépithéliale dans les HBECs in vitro et ne peut donc pas se trouver dans les cellules luminales in vivo. Basé sur ces résultats, je propose un modèle de hiérarchisation des cellules épithéliales de la glande mammaire, dans lequel sont présents deux types de progéniteurs des cellules luminales exprimant des niveaux différents d'activité de Notch, les progéniteurs lumineux précoces et tardifs. La signalisation de Notch contribue à la différenciation de la lignée cellulaire luminale au niveau de ces deux progéniteurs : dans la forme précoce, il inhibe la différenciation des cellules myoépithéliales en réduisant l'expression de p63 et dans la forme tardive, Notch est impliqué dans l'induction de la lignée luminale en agissant sur l'axe ER-FOXA1. Il serait nécessaire d'investiguer plus loin si le fait que Notch agisse comme oncogène ou suppresseur de tumeur dépend du stade de différenciation de la cellule dans laquelle il est modulé et laquelle de ces deux fonctions il est le plus probable de rencontrer dans les différents types de cancer du sein.

The FoxO3a gene is a key negative target of canonical Notch signalling in the keratinocyte UVB response.

Notch signalling has an important role in skin homeostasis, promoting keratinocyte differentiation and suppressing tumorigenesis. Here we show that this pathway also has an essential anti-apoptotic function in the keratinocyte UVB response. Notch1 expression and activity are significantly induced, in a p53-dependent manner, by UVB exposure of primary keratinocytes as well as intact epidermis of both mouse and human origin. The apoptotic response to UVB is increased by deletion of the Notch1 gene or down-modulation of Notch signalling by pharmacological inhibition or genetic suppression of 'canonical' Notch/CSL/MAML1-dependent transcription. Conversely, Notch activation protects keratinocytes against apoptosis through a mechanism that is not linked to Notch-induced cell cycle withdrawal or NF-kappaB activation. Rather, transcription of FoxO3a, a key pro-apoptotic gene, is under direct negative control of Notch/HERP transcription in keratinocytes, and upregulation of this gene accounts for the increased susceptibility to UVB of cells with suppressed Notch signalling. Thus, the canonical Notch/HERP pathway functions as a protective anti-apoptotic mechanism in keratinocytes through negative control of FoxO3a expression.

Role of Notch signalling in human hepatocellular carcinoma

The Notch signalling is a cellular pathway that results conserved from Drosophila to Homo sapiens controlling a wide range of cellular processes in development and in differentiated organs. It induces cell proliferation or differentiation, increased survival or apoptosis, and it is involved in stemness maintainance. These functions are conserved, but exerted with a high tissue and cellular context specificity. Signalling activation determs nuclear translocation of the receptor’s cytoplasmic domain and activation of target genes transcription. As many developmental pathway, Notch deregulation is involved in cancer, leading to oncogenic or tumour suppressive role depending on the functions exerted in normal tissue. Notch1 and Notch3 resulted aberrantly expressed in human hepatocellular carcinoma (HCC) that is the more frequent tumour of the liver and the sixth most common tumour worldwide. This thesis has the aim to investigate the role of the signalling in HCC, with particular attention to dissect common and uncommon regulatory pathways between Notch1 and Notch3 and to define the role of the signalling in HCC. Nocth1 and Notch3 were analysed on their regulation on Hes1 target and involvement in cell cycle control. They showed to regulate CDKN1C/p57kip2 expression through Hes1 target. CDKN1C/p57kip2 induces not only cell cycle arrest, but also senescence in HCC cell lines. Moreover, the involvement of Notch1 in cancer progression and epithelial to mesenchymal transition was investigated. Notch1 showed to induce invasion of HCC, regulating EMT and E- Cadherin expression. Moreover, Notch3 showed specific regulation on p53 at post translational levels. In vitro and ex vivo analysis on HCC samples suggests a complex role of both receptors in regulate HCC, with an oncogenic role but also showing tumour suppressive effects, suggesting a complex and deep involvement of this signalling in HCC.

EGFR signalling as a negative regulator of Notch1 gene transcription and function in proliferating keratinocytes and cancer.

The Notch1 gene has an important role in mammalian cell-fate decision and tumorigenesis. Upstream control mechanisms for transcription of this gene are still poorly understood. In a chemical genetics screen for small molecule activators of Notch signalling, we identified epidermal growth factor receptor (EGFR) as a key negative regulator of Notch1 gene expression in primary human keratinocytes, intact epidermis and skin squamous cell carcinomas (SCCs). The underlying mechanism for negative control of the Notch1 gene in human cells, as well as in a mouse model of EGFR-dependent skin carcinogenesis, involves transcriptional suppression of p53 by the EGFR effector c-Jun. Suppression of Notch signalling in cancer cells counteracts the differentiation-inducing effects of EGFR inhibitors while, at the same time, synergizing with these compounds in induction of apoptosis. Thus, our data reveal a key role of EGFR signalling in the negative regulation of Notch1 gene transcription, of potential relevance for combinatory approaches for cancer therapy.

IRF6 is a mediator of Notch pro-differentiation and tumour suppressive function in keratinocytes.

While the pro-differentiation and tumour suppressive functions of Notch signalling in keratinocytes are well established, the underlying mechanisms remain poorly understood. We report here that interferon regulatory factor 6 (IRF6), an IRF family member with an essential role in epidermal development, is induced in differentiation through a Notch-dependent mechanism and is a primary Notch target in keratinocytes and keratinocyte-derived SCC cells. Increased IRF6 expression contributes to the impact of Notch activation on growth/differentiation-related genes, while it is not required for induction of 'canonical' Notch targets like p21(WAF1/Cip1), Hes1 and Hey1. Down-modulation of IRF6 counteracts differentiation of primary human keratinocytes in vitro and in vivo, promoting ras-induced tumour formation. The clinical relevance of these findings is illustrated by the strikingly opposite pattern of expression of Notch1 and IRF6 versus epidermal growth factor receptor in a cohort of clinical SCCs, as a function of their grade of differentiation. Thus, IRF6 is a primary Notch target in keratinocytes, which contributes to the role of this pathway in differentiation and tumour suppression.

IRF6 is a mediator of Notch pro-differentiation and tumour suppressive function in keratinocytes.

While the pro-differentiation and tumour suppressive functions of Notch signalling in keratinocytes are well established, the underlying mechanisms remain poorly understood. We report here that interferon regulatory factor 6 (IRF6), an IRF family member with an essential role in epidermal development, is induced in differentiation through a Notch-dependent mechanism and is a primary Notch target in keratinocytes and keratinocyte-derived SCC cells. Increased IRF6 expression contributes to the impact of Notch activation on growth/differentiation-related genes, while it is not required for induction of 'canonical' Notch targets like p21(WAF1/Cip1), Hes1 and Hey1. Down-modulation of IRF6 counteracts differentiation of primary human keratinocytes in vitro and in vivo, promoting ras-induced tumour formation. The clinical relevance of these findings is illustrated by the strikingly opposite pattern of expression of Notch1 and IRF6 versus epidermal growth factor receptor in a cohort of clinical SCCs, as a function of their grade of differentiation. Thus, IRF6 is a primary Notch target in keratinocytes, which contributes to the role of this pathway in differentiation and tumour suppression.

Regulation of innate and adaptive immunity by Notch.

Coordinated function of the innate and adaptive arms of the immune system in vertebrates is essential to promote protective immunity and to avoid immunopathology. The Notch signalling pathway, which was originally identified as a pleiotropic mediator of cell fate in invertebrates, has recently emerged as an important regulator of immune cell development and function. Notch was initially shown to be a key determinant of cell-lineage commitment in developing lymphocytes, but it is now known to control the homeostasis of several innate cell populations. Moreover, the roles of Notch in adaptive immunity have expanded to include the regulation of T cell differentiation and function. The aim of this Review is to summarize the current status of immune regulation by Notch. A better understanding of Notch function in both innate and adaptive immunity will hopefully provide multiple avenues for therapeutic intervention in disease.

IRF6 is a mediator of the Notch pro-differentiation and tumour suppressive function in keratinocytes

I. Résumé large publicIRF6 est un médiateur de Notch dans la différenciation des kératinocytes et dans sa fonction de suppresseur de tumeursLa peau est l'organe le plus important du corps humain, elle représente chez l'adulte une surface d'environ 1,5 m2 et elle est composée de 2000 milliards de cellules. La peau est composée de plusieurs types cellulaires dont les kératinocvtes. Ces cellules, qui se trouvent dans la couche la plus externe de la peau (Pépiderme), nous protègent de la déshydratation et des agressions externes telles que les infections et rayons ultraviolets. Cette fonction de « barrière » est mise en place grâce à un processus appelé différenciation des kératinocvtes durant lequel les kératinocytes deviennent matures et finalement meurent pour former la couche cornée la plus externe difficilement pénétrable. L'homéostasie tissulaire est un mécanisme qui régule l'équilibre entre prolifération, différentiation et mort cellulaire. Une perturbation de cet équilibre peut mener à la formation d'une tumeur. Il existe différents types de tumeurs de la peau. Nous nous sommes intéressés aux «carcinomes spino-cellulaires» (SCC) qui se développent à partir des keratinocytes en différenciation. Notch est une molécule impliquée positivement dans la différenciation des kératinocytes et joue un rôle prépondérant dans la suppression des tumeurs kératinocytaires comme les SCC dans lesquelles Notch est faiblement exprimé. L'implication de Notch dans la différenciation et dans la carcinogenèse kératinocytaire n'est plus controversée, mais les mécanismes qui sont à la base de ces fonctions restent encore à élucider. IRfF6 est une protéine qui, d'après sa structure, a été classée parmi une famille de régulateurs de la défense de l'organisme (IRFs). Des études ultérieures ont montré qu'IRf 6 n'a pas de rôle dans la réponse immunitaire mais qu'il est plutôt impliqué dans le développement de l'épiderme. Dans ce travail, nous avons établi que, dans les kératinocytes, l'expression d'IPJF6 est contrôlé par Notch et que, comme pour ce dernier, elle est réduite dans les SCCs. De plus, nous avons observé qu'IRF6 régule les mêmes gènes que Notch, et qu'il est en effet un médiateur de la fonction de Notch dans la différenciation des kératinocytes. Parmi les gènes contrôlés par l'axe Notch-IRF6 il y en a trois qui sont sur-exprimés dans les SCCs et qui sont réprimés par cet axe. Il s'agit d'une part d'IRF3 et IRF7, deux autres membres de la famille IRF, et du récepteur EGFR (Epidermal growth factor receptor), un oncogène (un gène impliqué dans l'accélération de la formation de tumeurs). Dans leur ensemble, ces découvertes nous informent sur les mécanismes impliqués dans les fonctions pro-differentiatrice et tumeur suppressive de Notch. Plus encore, elles ouvrent des perspectives intéressantes quant au développement de nouvelles approches thérapeutiques dans le traitement des cancers.II. RésuméLa voie de signalisation de Notch joue un rôle très important dans la différenciation cellulaire et dans la carcinogenèse de nombreux tissus. Dans les kératinocytes, elle agit comme suppresseur de tumeurs, fonction altérée dans les cancers spino cellulaires SCC (tumeurs kératinocytaires) de part la perte d'expression de Notch.Bien que les fonctions pro-différenciatrice et tumeur-suppressive de la voie de signalisation de Notch soient aujourd'hui reconnues, les mécanismes sous-jacents restent à explorer.Dans ce travail, nous montrons qu'IRF6, un membre de la famille des régulateurs de la voie de l'interféron (IRF), ne possédant pas de rôles dans la réponse immunitaire mais essentiel dans le développement de l'épiderme, est d'autant plus exprimé que le kératinocytes sont différenciées alors que son expression est drastiquement diminuée dans les SCC. De façon intéressante, l'expression d'IRF6 durant la différenciation kératinocytaire est directement contrôlée par Notch.Dans les kératinocytes l'expression accrue d'IRP6 a les mêmes effets que 1'activation de la voie de Notch induisant les marqueurs de différentiation des couches supra-basales de l'épiderme et inhibant ceux de la couche basale impliqués dans la prolifération cellulaire. Cependant IRF6 n'est pas impliqué dans la régulation d'autres cibles de Notch, comme p21WAFI/CiP' et Hesl. Comme Notch, IRF6 contrôle négativement l'expression de EGFR et IRF3/7. De ce fait EGFR et IRF3 et IRF7 sont fortement exprimés dans les SCCs humaines où l'expression de Notch et IRF6 est fortement réduite.En conclusion, nous avons démontré qu'IRF6 est une cible directe de Notch/CSL dans les keratinocytes qui medie les effets "non-canonique" de cette voie de signalisation dans la différentiation et dans la suppression tumorale.III. SummaryThe Notch pathway is an important regulator of differentiation and carcinogenesis. In keratinocytes it acts as tumour suppressor and the Notch gene is markedly reduced in keratinocyte-derived squamous cell carcinoma (SCC). While the pro-differentiation and tumour suppressive functions of Notch signalling in keratinocytes are well established, the underlying mechanisms are still poorly understood, We report here that Interferon Regulatory Factor 6 (IRF6), an IRF family member with an essential role in epidermal development, is downmodulated in SCC and is induced in differentiating cells. We observed that the induction of IRF6 in differentiating keratinocytes is suppressed by Notch inhibition. IRF6 expression is also decreased in mice with keratinocyte-specific deletion of the Notch 1/2.Moreover we show that the expression of this gene is induced by Notch activation through a CSL-dependent mechanism even under conditions of protein synthesis inhibition, with endogenous Notch 1 binding to the IRF6 promoter.Increased IRJF6 expression is necessary for the impact of Notch activation on differentiation markers K1 and Involucrin, and proliferation markers integrins and p63, but not on other "canonical" Notch targets like p21WAF1/Cipl, Hes1 and Hey1. Like Notch 1, IRF6 down-modulates expression of epidermal growth factor receptor (EGFR) as well as two other IRF family members, IRF3 and 7, which we previously linked to positive control of p63 expression. Expression of IRF3, IRF7 and EGFR is enhanced in cutaneous squamous cell carcinomas, illustrating a strikingly opposite pattern compared to Notch and IRF6.Thus, IRF6 is a primary Notch target in keratinocytes, which mediates the effects of this pathway on differentiation and contributes to tumor suppression.

Jagged1 intracellular domain-mediated inhibition of Notch1 signalling regulates cardiac homeostasis in the postnatal heart.

AIMS: Notch1 signalling in the heart is mainly activated via expression of Jagged1 on the surface of cardiomyocytes. Notch controls cardiomyocyte proliferation and differentiation in the developing heart and regulates cardiac remodelling in the stressed adult heart. Besides canonical Notch receptor activation in signal-receiving cells, Notch ligands can also activate Notch receptor-independent responses in signal-sending cells via release of their intracellular domain. We evaluated therefore the importance of Jagged1 (J1) intracellular domain (ICD)-mediated pathways in the postnatal heart. METHODS AND RESULTS: In cardiomyocytes, Jagged1 releases J1ICD, which then translocates into the nucleus and down-regulates Notch transcriptional activity. To study the importance of J1ICD in cardiac homeostasis, we generated transgenic mice expressing a tamoxifen-inducible form of J1ICD, specifically in cardiomyocytes. Using this model, we demonstrate that J1ICD-mediated Notch inhibition diminishes proliferation in the neonatal cardiomyocyte population and promotes maturation. In the neonatal heart, a response via Wnt and Akt pathway activation is elicited as an attempt to compensate for the deficit in cardiomyocyte number resulting from J1ICD activation. In the stressed adult heart, J1ICD activation results in a dramatic reduction of the number of Notch signalling cardiomyocytes, blunts the hypertrophic response, and reduces the number of apoptotic cardiomyocytes. Consistently, this occurs concomitantly with a significant down-regulation of the phosphorylation of the Akt effectors ribosomal S6 protein (S6) and eukaryotic initiation factor 4E binding protein1 (4EBP1) controlling protein synthesis. CONCLUSIONS: Altogether, these data demonstrate the importance of J1ICD in the modulation of physiological and pathological hypertrophy, and reveal the existence of a novel pathway regulating cardiac homeostasis.

Étude de la différenciation des lymphocytes T CD8+ effecteurs et mémoires : rôle de la cellule présentatrice d’antigène et de la voie de signalisation Notch

Lors d’une infection par un pathogène, des lymphocytes T CD8+ naïfs (LTn) spécifiques de l’antigène sont activés, prolifèrent et se différencient en LT effecteurs (LTe). Les LTe produisent différentes cytokines et acquièrent une activité cytotoxique menant à l’élimination du pathogène. Seulement 5 à 10 % des LTe survivront et se différencieront en LT mémoires (LTm), qui sont capables de répondre plus rapidement lors d’une seconde infection par le même pathogène, contribuant au succès de la vaccination. Toutefois, la compréhension de l’ensemble des mécanismes régulant le développement des LTe et des LTm demeure incomplète. Afin de mieux comprendre les signaux requis pour la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immune, nous avons posé deux hypothèses. Nous avons d’abord proposé que différentes cellules présentatrices d’antigène (CPA) fournissent différents signaux au moment de la reconnaissance antigénique influençant ainsi le devenir des LT CD8+. Vu leur potentiel d’utilisation en immunothérapie, nous avons comparé la capacité d’activation des LT CD8+ par les lymphocytes B activés via le CD40 (CD40-B) et les cellules dendritiques (CD). Nous avons montré que l’immunisation avec des CD40-B induit une réponse effectrice mais, contrairement à l’immunisation avec des CD, pratiquement aucun LTm n’est généré. Les LTe générés sont fonctionnels puisqu’ils sécrètent des cytokines, ont une activité cytotoxique et contrôlent une infection avec Listeria monocytogenes (Lm). Nous proposons qu’une sécrétion plus faible de cytokines par les CD40 B ainsi qu’une interaction plus courte et moins intime avec les LT CD8+ comparativement aux CD contribuent au défaut de différenciation des LTm observé lors de la vaccination avec les CD40-B. Ensuite, nous posé l’hypothèse que, parmi les signaux fournis par les CPA au moment de la reconnaissance antigénique, la voie de signalisation Notch influence le développement des LTe, mais aussi des LTm CD8+ en instaurant un programme génétique particulier. D’abord, grâce à un système in vitro, le rôle de la signalisation Notch dans les moments précoces suivant l’activation du LT CD8+ a été étudié. Ce système nous a permis de démontrer que la voie de signalisation Notch régule directement l’expression de la molécule PD-1. Ensuite, grâce à des souris où il y a délétion des récepteurs Notch1 et Notch2 seulement chez les LT CD8+ matures, un rôle de la voie de signalisation Notch dans la réponse immune des LT CD8+ a été démontré. Nos résultats démontrent que suite à une infection avec Lm ou à une immunisation avec des CD, la signalisation Notch favorise le développement de LTe, exprimant fortement KLRG1 et faiblement CD127, destinés à mourir par apoptose. Toutefois, la signalisation Notch n’a pas influencé la génération de LTm. De façon très intéressante, l’expression des récepteurs Notch influence la production d’IFN- en fonction du contexte d’activation. En effet, suite à une infection avec Lm, l’absence des récepteurs Notch n’affecte pas la production d’IFN- par les LTe, alors qu’elle est diminuée suite à une immunisation avec des CD suggérant un rôle dépendant du contexte pour la voie de signalisation Notch. Nos résultats permettent une meilleure compréhension des signaux fournis par les différentes CPA et de la voie de signalisation Notch, donc des mécanismes moléculaires régulant la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immunitaire, ce qui pourrait ultimement permettre d’améliorer les stratégies de vaccination.

Étude de la régulation de l'activité du ligand Delta dans le cadre de la signalisation Notch

La voie de signalisation Notch est conservée au cours de l'évolution. Elle joue un rôle clé dans le développement, et elle est impliquée dans de nombreuses décisions de destin cellulaire, dans le maintien des cellules souches, et dans le contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaires. Une dérégulation de la signalisation Notch est impliquée dans diverses maladies et cancers, y compris les tumeurs solides, comme les cancers du sein et du col de l'utérus, et les leucémies, comme la Leucémie Aiguë Lymphoblastique des cellules T (LAL-T). Notch est un récepteur transmembranaire activé par des ligands transmembranaires de la famille DSL (Delta/Serrate/Lag-2). Bien que plusieurs mutations oncogéniques ont été identifiées au niveau du récepteur Notch, de nombreux cancers modulés par Notch demeurent ligand-dépendants. Étonnamment, les mécanismes moléculaires régulant l'activation du ligand sont encore relativement peu caractérisés par rapport à ceux qui régissent le récepteur Notch lui-même. Utilisant un essai de co-culture avec un rapporteur luciférase de Notch, nous avons effectué le premier crible d'ARNi pan-génomique visant spécifiquement à identifier des régulateurs des ligands de Notch dans la cellule émettrice du signal. Nous avons ainsi pu découvrir de nouvelles classes de régulateurs communs pour les ligands Delta-like1 et 4. Ces régulateurs comprennent des inhibiteurs de protéases, des facteurs de transcription, et des gènes divers à fonction inconnue, tels que Tmem128 « Transmembrane protein 128 », ou à fonction préalablement caractérisée tels que la co-chaperonne moléculaire Cdc37 « Cell division cycle 37 homolog ». Par la suite, nous avons développé des cribles secondaires fonctionnels où nous avons démontré l'importance de ces régulateurs pour des événements Notch-dépendants, comme la différenciation des cellules T normales, et la survie des cellules souches pré-leucémiques isolées à partir d'un modèle murin de LAL-T. En outre, nous avons prouvé que les régulateurs les plus forts du crible de survie sont également nécessaires pour l'activité d'auto-renouvellement des cellules souches pré-leucémiques. Finalement, nous avons entamé une caractérisation moléculaire préliminaire de deux régulateurs nouvellement identifiés; Tmem128 et Cdc37 afin d'étudier leur mécanisme d'action sur les ligands. En conclusion, cette étude nous a permis d'identifier de nouveaux régulateurs de la voie Notch qui pourraient servir de cibles thérapeutiques potentielles dans les cancers; tel qu'illustré par le modèle LAL-T. La compréhension des détails moléculaires sous-jacents aux fonctions de ces régulateurs sera essentielle afin de développer des inhibiteurs pharmacologiques pour bloquer leur action et entraver la signalisation Notch dans le cancer.

Cilia motility studies in zebrafish embryos

A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Masters in Molecular Genetics and Biomedicine

Assessment of Notch1 ligands production - key protein targets in breast cancer

Cell-to-cell communication is required for many biological processes in development and adult life. One of the most common systems utilized by a wide range of eukaryotes is the Notch signalling pathway. Four Notch receptors and five ligands have been identified in mammals that interact via their extracellular domains leading to transcription activation. Studies have shown that the Notch ligands expression is undetectable in normal breast tissues, but moderate to high expression has been detected in breast cancer. Thus, any of the Notch1 ligands can be studied as possible therapeutic targets for breast cancer. To study Notch pathway proteins there is the need to obtain stable protein solutions. E. coli is the host of excellence for recombinant proteins for the ease of use, fast growth and high cell densities. However, the expression of mammalian proteins in such systems may overwhelm the bacterial cellular machinery, which does not possess the ability for post-translational modifications, or dedicated compartments for protein synthesis. Mammalian cells are therefore preferred, despite their technical and financial increased demands. We aim to determine the best expression and purification conditions for the different ligand protein constructs, to develop specific function-blocking antibodies using the Phage Display technology. Moreover, we propose to crystallize the Notch1 ligands alone and in complex with the phage display selected antibodies, unveiling molecular details. hJag2DE3 and hDll1DE6 proteins were purified from refolded inclusion bodies or mammalian cell culture supernatants, respectively, and purity was confirmed by SDS-PAGE (>95%). Protein produced in mammalian cells showed to be more stable, apparently with the physiological disulfide pattern, contrary to what was observed in the refolded protein. Several nano-scale crystallization experiments were set up in 96-well plates, but no positive result was obtained. We will continue to pursue for the best expression for the Notch ligand constructs in both expression systems.

Phage display as a tool for generation of bio-therapeutic agents for breast cancer

Notch is a conserved signalling pathway, which plays a crucial role in a multiple cellular processes such as stem cell self-renewal, cell division, proliferation and apoptosis. In mammalian, four Notch receptors and five ligands are described, where interaction is achieved through their extracellular domains, leading to a transcription activation of different target genes. Increased expression of Notch ligands has been detected in several types of cancer, including breast cancer suggesting that these proteins represent possible therapeutic targets. The goal of this work was to generate quality protein targets and, by phage display technology, select function-blocking antibodies specific for Notch ligands. Phage display is a powerful technique that allows the generation of highly specific antibodies to be used for therapeutics, and it has also proved to be a reliable approach in identifying and validating new cancer-related targets. Also, we aimed at solving the tri-dimensional structure of the Notch ligands alone and in complex with selected antibodies. In this work, the initial phase focused on the optimization of the expression and purification of a human Delta-like 1 ligand mutant construct (hDLL1-DE3), by refolding from E. coli inclusion bodies. To confirm the biological activity of the produced recombinant protein cellular functional studies were performed, revealing that treatment with hDLL1-DE3 protein led to a modulation of Notch target genes. In a second stage of this study, Antibody fragments (Fabs) specific for hDLL1-DE3 were generated by phage display, using the produced protein as target, in which one good Fab candidate was selected to determine the best expression conditions. In parallel, multiple crystallization conditions were tested with hDLL1-DE3, but so far none led to positive results.