Initiation de l'adhésion leucocytaire : rôle des fucosyltransférases et des ligands des sélectines

RESUME La dissémination extramédullaire des cellules blastiques est une complication majeure des leucémies myéloïdes (LMA) ou lymphoïdes aiguës (LLA). La migration des cellules blastiques dépend de mécanismes semblables à ceux qui régulent la migration des leucocytes dans un site d'inflammation. Parmi ceux-ci, les oligosaccharides fucosylés décorant les ligands des sélectines jouent un rôle clé en interagissant avec les sélectines. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) est une protéine de 240 kD, exprimée à la surface des leucocytes, permettant de soutenir le roulement leucocytaire sur les sélectines, le long de la paroi vasculaire. L'interaction de PSGL-1 avec les sélectines nécessite des modifications post-traductionnelles de type sialylation, sulfatation , N et 0-glycosylation. Parmi les enzymes impliqués, les α1,3-fucosyltransférases jouent un rôle important dans la biosynthèse d'oligosaccharides fucosylés, ligands des sélectines (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Comme l'expression des α1,3-fucosyltransférases par les cellules blastiques leucémiques n'a pas été étudiée précédemment, nous l'avons recherchée dans 120 cas de leucémies aiguës. Les ARNm des FucT-IV et -VII ont été détectés, par RT-PCR, dans tous les cas testés. L'ARNm de la FucT-IX n'a été observé que dans 40% des leucémies aiguës (48/120). L'ARNm de la FucT-IX est détecté dans 65% des LMA (47/72) et, moins fréquemment, dans 26% des LLA (11/42). A noter que les cas de LLA exprimant la FucT-IX correspondent essentiellement à des LLA secondaires à la transformation d'une leucémie myéloïde chronique ou des LLA de la lignée B de type leucémie/lymphome de Burkitt. L'expression de PSGL-1 et des oligosaccharides fucosylés par les blastes varie significativement parmi les LMA et les LLA : Lex, VIM-2 et sLex étant exprimés plus fréquemment par les myéloblastes que par les lymphoblastes. Le rôle des FucT-IV, -VII et -IX dans la synthèse des Lex, VIM-2, CLA et sLex a été examiné en exprimant l'ADNc de chaque FucT dans des cellules CHO. L'immunophénotypisation des transfectants indique que la FucT-VII synthétise sLex et CLA, mais pas Lex et VIM-2. Lex et VIM-2 sont générés par la FucT-IV. La FucT-IX ne participe qu'à la synthèse de Lex, sa capacité de synthèse de VIM-2 dans les cellules CHO est très faible. Le rôle de la FucT-IX dans la régulation du roulement cellulaire dépendant des sélectines a été testé dans des conditions de flux. Les vitesses de roulement des cellules CHO co-exprimant la FucT-LX, la core-2 01,6-N-acetylglucosaminyltransferase et PSGL-1 sont très élevées sur la P-sélectine (médiane : 497.95 µm/s, n=96) alors qu'elles sont beaucoup plus lentes sur la E-sélectine (médiane 7 µm/s, n=64). Les recrutements sur la E-sélectine des cellules CHO-C2F9PSGL¬1 et des CHO-C2F7PSGL-1 sont similaires (moyenne ± SEM : 127.44 ± 4.38 vs. 151.16 ± 3.16 cellules/min/mm2, n=5). Celui des cellules CHO-C2F4PSGL-1 est par contre plus faible (54.20 ± 2.13 cellules/min/mm2, n=5). Ces résultats indiquent que la FucT-IX est impliquée dans la biosynthèse de Lex, VIM-2 et CLA et qu'elle régule l'interaction des cellules CHO avec la E-sélectine. Contrairement aux FucT-IV et -VII, la FucT-IX ne joue qu'un rôle mineur dans la régulation du roulement cellulaire sur la L- et la P-sélectine. L'expression fréquente de la FucT-IX par les myéloblastes suggère qu'elle pourrait participer avec les FucT-IV et -VII à la régulation de la migration cellulaire dépendant de la E-sélectine. Finalement, ce travail de thèse a été étendu à l'identification des protéines cytoplasmiques qui interagissent avec le domaine cytoplasmique de PSGL-1 et qui pourraient être impliquées dans la transmission de signaux intracellulaires. Les ligands intracellulaires de PSGL-1 seront identifiés par la technique du double hybride qui nous a déjà permis de confirmer que syk et la N-moésine se lient au domaine cytoplasmique de PSGL-1. Des ligands supplémentaires seront identifiés employant une librairie provenant des cellules souches hématopoïétiques comme proie. ABSTRACT Blast cell dissemination is a major complication of acute myeloblastic (AML) and lymphoblastic leukemia (ALL). Blast cell migration is dependent on mechanisms that are similar to those which regulate leukocyte migration into inflammatory lesions. Among them, fticosylated oligosaccharides that decorate selectin ligands play a key role by interacting with selectins. PSGL-1 (P-Selectin Glycoprotein Ligand-1) is a 240 kD glycoprotein constitutively expressed on leucocytes and which supports leukocyte rolling on selectins. PSGL-1 interaction with selectins is dependent on post-translational modifications such as sialylation, sulfation, N- and 0-glycosylation. Among the involved enzymes, the α1,3-fucosyltransferases (FucT) play a major role in generating cell surface glycoconjugates carrying fucosylated oligosaccharides which interact with selectins (sLex, Lex, VIM-2, CLA). Since no information is available on the expression of α1,3-fucosyltransferases by leukemic blast cells, we examined it in 120 cases of acute leukemia. FucT-IV and -VII mRNAs were detected, by RT-PCR, in all tested cases. In contrast, the presence of FucT-IX mRNA was shown in only 40% of patients with acute leukemia (48/120). FucT-IX mRNA was detected in 65% of AML (47/72) and, less frequently, in 26% of ALL (11/42). Importantly, all ALL cases expressing FucT-IX were either secondary leukemia resulting from the transformation of chronic myelocytic leukemia in acute lymphoblastic leukemia or mature B-ALL (FAB L3 subtype or Burkitt lymphoma/leukemia according to WHO classification). FucT-IX was not detected in precursor B or T-ALL. The expression of PSGL-1 and fucosylated epitopes was significantly different among AML and ALL, Lex, VIM-2 and sLex being more frequently expressed by myeloblasts than by lymphoblasts. The role of FucT-IV, -VII and -IX in the biosynthesis of Lex, VIM-2, CLA and sLex was examined by expressing the cDNA of each α1,3-FucT in CHO cells. Immunophenotypic analysis of CHO transfectants indicated that FucT-VII synthesizes sLex and CLA but not Lex or VIM-2. Lex and CLA were generated by both FucT-IV and -IX. FucT-IV and FucT-IX differed in their ability to synthesize VIM-2, FucT-IX being less efficient than FucT-IV. The role of FucT-IX in regulating selectin-dependent rolling was assessed under hydrodynamic flow conditions. P-selectin-dependent interactions were transient and occurred at high velocities (median: 497.95 1,µm/s, n=96). In contrast, much slower rolling velocities were observed on E-selectin (median: 7 µm/s, n=64). The recruitment of CHO-C2F9PSGL-1 and CHO-C2F7PSGL-1 cells was similar on E-selectin (mean ± SEM: 127.44 ± 4.38, n=5 vs 151.16 ± 3.16 cells/min/mm2, n=5). In the other hand, CHO-C2F4PSGL-1 cells were less efficiently recruited on E-selectin (54.20 ± 2.13 cells/min/mm2, n=5). This results indicate that FucT-IX is involved in the biosynthesis of Lex, VIM-2 and CLA and that it confers E-selectin binding activity to CHO cells. By contrast to FucT-IV and -VII, FucT-IX had a minor role in regulating P- and L-selectin-dependent rolling on CHO transfectants. The frequent expression of FucT-IX in myeloblasts suggests that it may participate with FucT-IV and -VII in regulating E-selectin-dependent cell migration into tissues. Finally, this thesis work was extended to the identification of the cytoplasmic proteins interacting with cytoplasmic domain of PSGL-1 that may be involved in transducing intracellular signals. We planned to identify these intracellular ligands of PSGL-1 by using the double hybrid technique and already confirmed that syk and N-moesin bind to the cytoplasmic domain of PSGL-1. Additional PSGL-1 ligands will be sought by the same technique using a CD34+ stem cell library as pray. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC : L'adhésion et la migration leucocytaire sont nécessaires à de nombreux processus cellulaires comme la régulation de l'hématopoïèse, mais aussi dans la pathogenèse de l'artériosclérose, des maladies inflammatoires et de la métastatisation des cellules cancéreuses. Les molécules impliquées constituent depuis peu des cibles pour la thérapie du cancer. La migration leucocytaire vers un site d'inflammation dépend de mécanismes complexes, se déroulant en plusieurs étapes, nécessitant l'interaction séquentielle de molécules d'adhésion leucocytaires et endothéliales. Ainsi, chronologiquement, suite à un stimulus inflammatoire, les leucocytes « roulent » sur les cellules endothéliales, sont activées, s'arrêtent et traversent la paroi endothéliale (diapédèse) pour migrer dans les tissus environnants inflammés selon un gradient chimiotactique. La première étape de roulement met en jeu deux molécules principales : PSGL-1 (P-Sélectine Glycoprotéine Ligand-1) du coté des leucocytes et les sélectines du coté de l'endothélium de la paroi vasculaire. L'interaction entre ces deux molécules nécessite des décorations de ces protéines par des sucres, des résidus sulfates et des acides sialiques. Le sucre essentiel à la liaison demeure le fucose qui est attaché aux protéines grâce à des enzymes de la famille des fucosyltransferases. Actuellement, neuf fucosyltransférases humaines ont été identifiées et désignées sous FucT-I à IX. La FucT-IX, dernière fucosyltransférase clonée, a un faible degré d'homologie avec les autres fucosyltransférases mais sa séquence est extrêmement conservée entre les espèces. Ceci traduit son importance par une forte résistance à la pression évolutive. L'examen de son expression au sein de 120 cas de leucémies aiguës a mis en évidence son comportement atypique. En effet, alors que les autres FucTs sont toujours présentes, la FucT¬IX ne s'exprime que dans un cas sur deux en moyenne avec une préférence plus importante pour les leucémies myéloïdes. Ainsi, une étude plus approfondie de cet enzyme à mis en évidence sa capacité à induire une interaction cellulaire plus spécifique de la E-sélectine. Elle décore non seulement des protéines de surface, mais aussi certainement les glycolipides constituant la membrane cellulaire.

Endoglycan mediates malignant leukocyte rolling on e-selectin and signals through SYK and the MAPK pathway

Selectins play a key role regulating leukocyte migration into tissues by mediating leukocyte tethering (capture) and rolling on inflamed endothelium and/or on adherent leukocytes or platelets. During leukocyte rolling, endothelial E- or P-selectin bind to glycoprotein ligands carrying sialyl Lewis χ (sLex) determinant. P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1) is a common ligand for L-, P- and E-selectin, which sequentially cooperates with CD44 and E- selectin ligand-1 (ESL-1) to roll on E-selectin. During rolling on endothelial selectins, PSGL-1 and CD44 signal through Src family kinases and Syk, leading to αι_β2 integrin partial activation and slow rolling on intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1). Leukocyte exposure to chemokines then leads to firm adhesion. Little information is available on ligands that mediate malignant leukocyte rolling on E- selectin. We defined these ligands on U937 monoblasts by immunoadsorbtion and immunoblotting using mAb raised against CD43, CD44, PSGL-1, sLex/CLA determinants and E-selectin/IgM chimera. Immunoblotting and blot rolling assays demonstrated that PSGL-1, CD43, CD44 and a -125 kDa sLex/CLA positive ligand contribute to support E-seiectin- dependent rolling. This -125 kDa ligand is endoglycan, a member of the CD34 family of sialomucins. Endoglycan was frequently detected by flow cytometry on primary leukemia, lymphoma and multiple myeloma ceils (in -50% of cases). Endoglycan, immunopurified from U937 cells, as well as endoglycan/IgG chimera efficiently supported E-selectin dependent rolling. Membrane fractionation on sucrose gradient demonstrated that endoglycan is expressed in lipid rafts. We tested the hypothesis that it signals, like PSGL-1 and CD44, through Src kinases and the MAPK pathway. Indeed, endoglycan engagement induced Syk and ERK phosphorylation in a iipid raft-dependent manner. Syk activation was dependent on Src kinase activity. Downstream of Syk, endoglycan activated PI3K and Akt as well as Bruton's tyrosine kinase and p38 MAPK. Thus, endoglycan is a ligand for endothelial selectins which may contribute to regulate leukemia, lymphoma and multiple myeloma cell trafficking and interactions with bone marrow microenvironment. - Les sélectines contrôlent la migration tissulaire des leucocytes en assurant leur capture et leur roulement sur l'endothélium vasculaire enflammé et/ou sur des plaquettes ou des leucocytes adhérant à la paroi vasculaire. Lors du roulement leucocytaire, les sélectines endothéliales (E- et P-sélectine) se lient à des ligands porteurs du saccharide sialyl Lewis χ (sLex). PSGL-1 est un ligand commun des sélectines qui coopère avec CD44 et ESL-1 pour permettre la capture et le roulement des neutrophiles. Lorsque PSGL-1 et CD44 se lient aux sélectines endothéliales, elles induisent la phosphorylation des kinases Src et de Syk conduisant à l'activation partielle de l'intégrine aLp2 et au ralentissement des leucocytes sur les sélectines et ICAM-1. Les chimiokines induisent ensuite l'adhésion ferme des leucocytes. Les ligands des sélectines qui assurent le roulement, sur la E-sélectine, des cellules issues d'hémopathies malignes sont peu connus. Nous avons caractérisé ces ligands en les purifiant avec des anticorps dirigés contre CD43, CD44, PSGL-1, sLex/CLA et en utilisant la chimère E-sélectine/IgM. Des tests d'adhésion ont montré que PSGL-1, CD43, CD44 et une glycoprotéine de ~125 kDa soutiennent les interactions cellulaires dépendant de la E- sélectine. Le ligand de -125 kDa a été identifié comme étant l'endoglycan. Il a été détecté, par cytométrie de flux, sur les cellules leucémiques, les cellules de lymphomes ou de myélome multiple, dans ~50% des cas analysés. Sa forme membranaire, immunopurifiée, ou recombinante (endoglycan/lgG) soutient les interactions cellulaires dépendant de la E- sélectine. Nous avons montré qu'il réside dans les rafts lipidiques membranaires puis avons testé l'hypothèse que l'endoglycan, comme PSGL-1 et CD44, induit une signalisation via les kinases de type Src et la voie des MAPK. Nous avons pu observer que son engagement induit la phosphorylation de Syk et de ERK pour autant que la structure des rafts soit préservée. En aval de Syk, l'endoglycan active la PI3K, Akt, Btk et la MAPK p38. Ces résultats montrent que l'endoglycan est un ligand des sélectines endothéliales qui pourrait participer au contrôle du trafic et des interactions des cellules leucémiques, de lymphomes ou de myélomes multiples avec leur microenvironnement. - Le sang est un élément clé du fonctionnement de notre corps. La circulation sanguine permet la communication et le transfert de molécules et cellules entre divers organes. Lors d'une inflammation aiguë due à une réaction allergique, une infection ou une blessure, on observe un oedème local accompagné de rougeur, de chaleur et souvent de douleurs. Au sein des tissus enflammés, on observe des globules blancs (leucocytes) et diverses molécules inflammatoires qui attirent les leucocytes dans les tissus lésés (chimiokines). Le sang est composé de globules rouges, de plaquettes et de leucocytes spécialisés dans les défenses immunes. Pour atteindre le site d'inflammation, les leucocytes doivent quitter la circulation sanguine. Ils utilisent pour cela des molécules d'adhésion présentes à leur surface qui se lient à d'autres molécules d'adhésion de la paroi sanguine. Leurs interactions permettent aux leucocytes de rouler à la surface du vaisseau sanguin. Lorsqu'ils roulent au voisinage d'un site d'inflammation, les leucocytes sont exposés à des chimiokines qui induisent leur arrêt et les dirigent dans les tissus enflammés. Ce processus physiologique est aussi impliqué dans des pathologies telles que l'infarctus, l'artériosclérose ou la thrombose. Il peut être détourné à des fins moins louables par des cellules cancéreuses pour permettre leur dissémination (métastatisation). Dans ce travail de thèse, nous avons caractérisé une molécule d'adhésion qui soutient l'adhésion des leucocytes aux sélectines endothéliales: l'endoglycan. Nous avons observé que cette molécule d'adhésion est fréquemment exprimée par les cellules malignes de nombreuses maladies du sang comme les leucémies, les lymphomes et le myélome multiple. Nous avons également pu montrer que l'endoglycan envoie des signaux à l'intérieur des cellules malignes lorsqu'elles se lient aux sélectines endothéliales. Ces signaux pourraient jouer un rôle déterminant dans la régulation des interactions des cellules malignes avec leur microenvironnement. Elles pourraient peut-être aussi favoriser leur survie et leur prolifération.

Analysis of selectin ligands supporting hematologic malignancy cell interactions with their microenvironment : focus on leukemia and multiple myeloma

CONTEXTE: Les sélectines sont une famille de trois protéines qui règlent la capture et le roulement des leucocytes et qui initient la cascade d'adhésion. Elles contrôlent également la migration des leucocytes en réponse à un stimulus physiologique ou inflammatoire pour atteindre un organe cible. Le rôle des sélectines et des leurs ligands est bien connu dans l'adhésion des leucocytes normaux à l'endothélium; en revanche, la nature des ligands des sélectines exprimés par les cellules leucémiques et le myélome multiple est peu connue. La récente découverte que la E- et la P-sélectine sont exprimées par les cellules endothéliales et du stroma de la moelle osseuse, nous a incité à examiner leur rôle dans les interactions des cellules malignes avec leur environnement médullaire. RÉSULTATS: Les analyses ont été conduites sur les cellules du sang ou de la moelle osseuse prélevées à des patients atteints de leucémie aiguë ou de myélome multiple et sur des lignées cellulaires. Les ligands des sélectines qui ont été identifiés sur les blastes leucémiques ou les plasmocytes, sont « P-selectin glycoprotein ligand-1 » (PSGL-1), CD44, CD43 et l'endoglycan (EGC), ainsi que les saccharides fucosylés sLex et CLA. Nous avons vérifié dans des expériences d'adhésion cellulaire effectuées dans des conditions de flux que ces ligands sont fonctionnels, étant porteurs des sucres mentionnés, et qu'ils sont capables de supporter le roulement cellulaire dépendant des sélectines. De plus, nous avons montré que la liaison de ces ligands génère des signaux intracellulaires favorisant la prolifération et la survie des cellules de myélome. CONCLUSION. Les données présentées ici montrent que la E- et la P- sélectine du microenvironnement médullaire interagissent avec les cellules leucémiques et de myélome multiple, et que ces interactions activent des voies de signalisation contrôlant la prolifération et la survie cellulaire. Ces effets protecteurs sont impliqués dans la persistance de clones cellulaires malins résistant aux traitements et peuvent conduire à la récidive de la maladie. L'inhibition de ces interactions pourrait fournir de nouvelles options thérapeutiques pour le traitement de ces maladies de mauvais pronostic. - BACKGROUND: Selectins are a family of glycoproteins involved in the first steps of the adhesion cascade, tethering and rolling, during which leukocytes sense tissue specific signals and commit the cells to enter in a particular organ or inflammation site. While the role of selectins and their ligands is well established in supporting normal leukocyte adhesion to vascular endothelium, our knowledge of selectin ligands in two hematological malignancies, acute leukemia and multiple myeloma, is incomplete. The recent discovery that E- and P- selectin are also expressed on bone marrow (BM) endothelial and stromal cells, prompted us to investigate a potential role in selectin-mediated interaction of malignant cells with its protective BM microenvironment. RESULTS. Using cells obtained from blood or BM of patients affected by acute myeloid or lymphoblastic leukemia, or multiple myeloma, as well as cell lines, we characterized the expression of selectin ligands on blasts and plasma cells and identified P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), CD44, CD43 and endoglycan (EGC), as well as sLex/CLA determinants. Rolling assays under flow conditions allowed us to verify that these ligands are functional, i.e. correctly glycosylated and able to support selectin-mediated rolling. Moreover, we demonstrated that these ligands trigger proliferation and pro-survival signals upon engagement on myeloma cells. CONCLUSIONS. Data presented here demonstrate that E- and P-selectin in the BM microenvironment interact with leukemia and myeloma cells, and suggest that they have an impact on proliferation and survival of malignant plasma cells. These protective effects may induce drug resistance in malignant clones, leading to disease relapse. Interfering with these interactions could provide new therapeutic options. - Le corps humain dépend du système immunitaire pour sa protection face aux agressions, notamment des bactéries ou des virus, ou face à une dysfonction de l'organisme. Ce système est composé de plusieurs types cellulaires, regroupés sous le nom de leucocytes, qui participent à son fonctionnement. Ces cellules se développent à partir d'une cellule souche hématopo'iétique commune qui réside dans la moelle osseuse. Comme c'est le cas dans les autres tissus, les cellules du système immunitaire peuvent aussi développer des cancers, appelés tumeurs hématopoïétiques ou tumeurs du sang. Bien que ces maladies puissent être traitées avec succès grâce à de fortes doses de chimiothérapies ou à d'autres moyens comme les greffes, les patients connaissent un fort taux de rechute. La raison de ces récidives est la survie d'une partie des cellules malignes dans la moelle osseuse, où elles reçoivent une protection au traitement par le biais de l'interaction avec d'autres cellules. Les sélectines (E-, P- et L-sélectine) régulent l'interaction des leucocytes avec l'endothélium (la paroi des vaisseaux sanguins), d'autres leucocytes et les plaquettes ; ces interactions surviennent quand les leucocytes atteignent un site d'inflammation ou un organe cible. Dans la moelle osseuse, la E- et la P-sélectine se trouvent sur les cellules de l'endothélium et sur les macrophages, qui sont d'autres leucocytes faisant partie du stroma de la moelle. Elles pourraient être impliquées dans la protection des cellules cancéreuses évoquée plus haut. Les molécules d'adhésion avec lesquelles les sélectines s'associent, autrement dit les ligands des sélectines, sont des glycoprotéines. Ces protéines ont besoin de sucres spécifiques pour acquérir une telle capacité d'adhésion. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié deux types de cellules extraites du sang et de la moelle osseuse des patients atteints d'une leucémie aiguë (les blastes) ou de myélome multiple (les plasmocytes), et leur capacité à se lier aux sélectines. Nous avons démontré une interaction entre ces cellules malignes et la E- et/ou la P-sélectine, à condition que les ligands soient correctement décorés. De plus, lors que les plasmocytes se lient aux sélectines, une cascade de signaux à l'intérieur des cellules stimule leur prolifération et leur survie. L'ensemble de ces résultats permet l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles de ces hémopathies de mauvais pronostic.

Regulation of P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) interactions with selectins : role of the decameric repeats and of the cytoplasmic domain

SUMMARY BACKGROUND: P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) is a major selectin ligand, mediating leukocyte rolling along inflamed vascular wall. It is a mucin-like homodimer composed of a N-terminal domain which binds selectins, followed by 14-16 decameric repeats (DR), a transmembrane domain and a cytoplasmic tail, which may be involved in regulating leukocyte rolling and in generating intracellular signals, through its binding to moesin and Syk. P- and L-selectin binding is dependent on core-2 O-glycosylation and tyrosine sulfation of PSGL-1 N-terminus. However, a minor part of E-selectin-mediated rolling is dependent on N-terminal O-glycans; additional binding sites may thus be involved. In this project, we studied whether (1) PSGL-1 DR and (2) PSGL-1 cytoplasmic residues which bind moesin, were also involved in the regulation of selectin-dependent rolling. METHODS: Several mutated cDNAs were obtained: (1) PSGL-1 DR were either deleted, or substituted by platelet GPlba macroglycopeptide, (2) Ser-336, -348, Lys-337 and Arg-338 were mutated to alanine; moreover, truncation mutants retaining only 6 or 2 cytoplasmic residues were also generated. Transfected CHO expressing mutant PSGL-1 were tested for their ability to bind soluble selectin chimeras and to support selectin-dependent rolling under flow conditions. RESULTS: (1) Deletion of the DR had a dramatic effect on P- and L-selectin-dependent cell recruitment and rolling stability, which could only partially be compensated for, by GPlba substitution. In addition, we observed that DR create a binding site for E-selectin and thus support PSGL-1-dependent rolling. (2) Flow assays revealed that the moesin-binding site, in particular Ser-336, plays a crucial role in regulating the recruitment, velocity and rolling stability of PSGL-1-expressing cells on P- and L-selectin. CONCLUSIONS: Data presented here highlight the structure -function relationship of PSGL-1 DR. Moreover, they reveal a crucial role for the moesin-binding residues in regulating P-and L-selectin-dependent rolling. RÉSUMÉ CONTEXTE: PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 1) est un ligand majeur des sélectines permettant le roulement des leucocytes le long de la paroi vasculaire enflammée. C'est un homodimère de type mucine, composé d'un domaine N-terminal liant les sélectines, suivi de 14-16 répétitions décamèriques (RD), d'un domaine transmembranaire et d'une queue cytoplasmique qui pourrait être impliquée dans la régulation du roulement leucocytaire et la génération de signaux intracellulaires, via sa liaison à la moésine et à Syk. La liaison à la Pet à la L-sélectine dépend de la présentation par le N-terminus de PSGL-1 de O-glycans sur des structures core-2 et de tyrosines sulfatées. Cependant, une fraction mineure du roulement médié par la E-sélectine dépend des O-glycans N-terminaux; des sites de liaisons supplémentaires pourraient donc être impliqués. Dans ce projet, nous avons étudié si (1) les RD de PSGL-1 ainsi que (2) les résidus cytoplasmiques liant la moésine, étaient impliqués dans la régulation du roulement dépendant des sélectines. MÉTHODES: Plusieurs ADN codant des formes mutées de PSGL-1 ont été obtenus: (1) Les RD de PSGL-1 ont été soit ôtées, soit remplacées par le macroglycopeptide de la GPlba plaquettaire, (2) les Ser-336, -348, la Lys-337 et l'Arg-338 ont été mutées en alanine; par ailleurs, des mutants tronqués ne retenant plus que 6 ou 2 résidus cytoplasmiques ont également été générés. Des CHO transfectées exprimant PSGL-1 muté ont été testées pour leur capacité à lier des sélectines chimériques solubles et à soutenir un roulement dépendant des sélectines dans des conditions de flux. RÉSULTATS: (1) La perte des RD a eu un effet dramatique sur le recrutement cellulaire et la stabilité de roulement dépendant des P- et L-sélectine, qui n'a pu être que partiellement compensé par la substitution par la GPlba. De plus, nous avons observé que les RD forment un site de liaison pour la E-sélectine et soutiennent ainsi le roulement dépendant de PSGL-1. (2) Les tests de flux ont révélé que le site de liaison à la moésine, notamment la Ser-336, joue un rôle crucial dans la régulation du recrutement, de la vitesse et de la stabilité du roulement des cellules exprimant PSGL-1 sur les P- et L-sélectine. CONCLUSIONS; Les données présentées ici ont permis d'éclaircir la relation structure -fonction des RD de PSGL-1. Par ailleurs, elles révèlent un rôle crucial pour les résidus liant la moésine dans le roulement dépendant des P- et L-sélectine. RÉSUMÉ DESTINÉ À UN LARGE PUBLIC Pour accomplir ses fonctions, le sang circule sur un réseau de 96'000 kilomètres; ainsi, il approvisionne les cellules de l'organisme en énergie, il transporte diverses substances, il assure la défense contre les pathogènes et il participe à la régulation de la température corporelle. Le sang contient plusieurs types de cellules: la grande majorité sont les globules rouges, auxquels il faut ajouter les plaquettes (dont le rôle est de colmater les lésions vasculaires) et les globules blancs (leucocytes) qui, bien que présents en très faible quantité (moins de 0.01 %), jouent un rôle crucial en cas d'infection ou d'inflammation. Une attaque par un pathogène provoque plusieurs changements (rougeur, chaleur, gonflement, douleur), qui sont des manifestations de l'inflammation. Pour atteindre l'agent infectieux, des globules blancs spécialisés (les granulocytes) doivent quitter la circulation sanguine. Afin de faciliter leur capture, les vaisseaux sanguins vont exprimer des protéines telles que les sélectines, qui sont reconnues par une protéine leucocytaire appelée PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 7). L'interaction des sélectines avec PSGL-1 soutient le roulement du globule blanc le long de la paroi vasculaire, à une vitesse très inférieure à celle du flux sanguin. Ce roulement conduit à l'activation du globule blanc par des molécules de l'inflammation, permettant son adhésion ferme, puis son arrêt. Finalement, le granulocyte va migrer à travers la paroi du vaisseau pour atteindre et éliminer les causes de l'inflammation. L'adhésion est un processus intéressant à caractériser, car outre l'inflammation, il est également impliqué dans l'artériosclérose, l'infarctus, la métastatisation et la thrombose. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à définir les rôles des différents domaines de PSGL-1 dans la régulation de son interaction avec les sélectines. En effet, en plus de son extrémité extracellulaire de haute affinité pour les sélectines, PSGL-1 est composé de plusieurs séquences répétées hautement glycosylées et d'une courte région intracellulaire, dont les fonctions n'avaient pas été étudiées auparavant. En créant des formes mutées de PSGL-1, nous avons pu montrer qu'un roulement efficace des leucocytes nécessite la présence des régions répétitives et du domaine intracellulaire au complet.

Tumor-host interactions Part 1: Stromal signatures of breast and prostate cancer Part 2: GLG1 and the control of the secretory pathway in tumor cells

Tumor-host interaction is a key determinant during cancer progression, from primary tumor growth to metastatic dissemination. At each step, tumor cells have to adapt to and subvert different types of microenvironment, leading to major phenotypic and genotypic alterations that affect both tumor and surrounding stromal compartments. Understanding the molecular mechanisms that govern tumor-host interplay may be essential for better comprehension of tumorigenesis in an effort to improve current anti-cancer therapies. The present work is composed of two projects that address tumor-host interactions from two different perspectives, the first focusing on the characterization of tumor-associated stroma and the second on membrane trafficking in tumor cells. Part 1. To selectively address stromal gene expression changes during cancer progression, oligonucleotide-based Affymetrix microarray technology was used to analyze the transcriptomes of laser-microdissected stromal cells derived from invasive human breast and prostate carcinoma. Comparison showed that invasive breast and prostate cancer elicit distinct, tumor-specific stromal responses, with a limited panel of shared induced and/or repressed genes. Both breast and prostate tumor-specific deregulated stromal gene sets displayed statistically significant survival-predictive ability for their respective tumor type. By contrast, a stromal gene signature common to both tumor types did not display prognostic value, although expression of two individual genes within this common signature was found to be associated with patient survival. Part 2. GLG1 is known as an E-selectin ligand and an intracellular FGF receptor, depending on cell type and context. Immunohistochemical and immunofluorescence analyses showed that GLG1 is primarily localized in the Golgi of human tumor cells, a central location in the biosynthetic/secretory pathways. GLG1 has been shown to interact with and to recruit the ARF GEF BIGI to the Golgi membrane. Depletion of GLG1 or BIGI markedly reduced ARF3 membrane localization and activation, and altered the Golgi structure. Interestingly, these perturbations did not impair constitutive secretion in general, but rather seemed to impair secretion of a specific subset of proteins that includes MMP-9. Thus, GLG1 coordinates ARF3 activation by recruiting BIGI to the Golgi membrane, thereby affecting secretion of specific molecules. - Les interactions tumeur-hôte constituent un élément essentiel à la progression tumorale, de la croissance de la tumeur primaire à la dissémination des métastases. A chaque étape, les cellules tumorales doivent s'adapter à différents types de microenvironnement et les détourner à leur propre avantage, donnant lieu à des altérations phénotypiques et génotypiques majeures qui affectent aussi bien la tumeur elle-même que le compartiment stromal environnant. L'étude des mécanismes moléculaires qui régissent les interactions tumeur-hôte constitue une étape essentielle pour une meilleure compréhension du processus de tumorigenèse dans le but d'améliorer les thérapies anti cancer existantes. Le travail présenté ici est composé de deux projets qui abordent la problématique des interactions tumeur-hôte selon différentes perspectives, le premier se concentrant sur la caractérisation du stroma tumoral et le second sur le trafic intracellulaire des cellules tumorales. Partie 1. Pour examiner les changements d'expression des gènes dans le stroma en réponse à la progression du cancer, des puces à ADN Affymetrix ont été utilisées afin d'analyser les transcriptomes des cellules stromales issues de carcinomes invasifs du sein et de la prostate et collectées par microdissection au laser. L'analyse comparative a montré que les cancers invasifs du sein et de la prostate provoquent des réponses stromales spécifiques à chaque type de tumeur, et présentent peu de gènes induits ou réprimés de façon similaire. L'ensemble des gènes dérégulés dans le stroma associé au cancer du sein, ou à celui de la prostate, présente une valeur pronostique pour les patients atteints d'un cancer du sein, respectivement de la prostate. En revanche, la signature stromale commune aux deux types de cancer n'a aucune valeur prédictive, malgré le fait que l'expression de deux gènes présents dans cette liste soit liée à la survie des patients. Partie 2. GLG1 est connu comme un ligand des sélectines E ainsi que comme récepteur intracellulaire pour des facteurs de croissances FGFs selon le type de cellule dans lequel il est exprimé. Des analyses immunohistochimiques et d'immunofluorescence ont montré que dans les cellules tumorales, GLG1 est principalement localisé au niveau de l'appareil de Golgi, une place centrale dans la voie biosynthétique et sécrétoire. Nous avons montré que GLG1 interagit avec la protéine BIGI et participe à son recrutement à la membrane du Golgi. L'absence de GLG1 ou de BIGI réduit drastiquement le pool d'ARF3 associé aux membranes ainsi que la quantité d'ARF3 activés, et modifie la structure de l'appareil de Golgi. Il est particulièrement intéressant de constater que ces perturbations n'ont pas d'effet sur la sécrétion constitutive en général, mais semblent plutôt affecter la sécrétion spécifique d'un sous-groupe défini de protéines comprenant MMP-9. GLG1 coordonne donc l'activation de ARF3 en recrutant BIGI à la membrane du Golgi, agissant par ce moyen sur la sécrétion de molécules spécifiques.

Immunotherapies for uro-genital cancers

Les cancers du col utérin et de la vessie prennent tous deux leur origine dans les sites muqueux et peuvent évoluer lentement de lésions superficielles (lésions squameuses intra-épithéliales de bas à haut grade (HSIL) et carcinomes in situ du col utérin (CIS); ou tumeurs non musculo-invasives de la vessie (NMIBC)) à des cancers invasifs plus avancés. L'éthiologie de ces deux cancers est néanmoins très différente. Le cancer du col utérin est, à l'échelle mondiale, le deuxième cancer le plus mortel chez la femme. Ce cancer résulte de l'infection des cellules basales de l'épithélium stratifié du col utérin par le papillomavirus humain à haut risque (HPV). Les vaccins prophylactiques récemment développés contre le HPV (Gardasil® et Cervarix®) sont des moyens de prévention efficaces lorsqu'ils sont administrés chez les jeunes filles qui ne sont pas encore sexuellement actives; cependant ces vaccins ne permettent pas la régression des lésions déjà existantes. Malgré un développement actif, les vaccins thérapeutiques ciblant les oncogènes viraux E6/E7 n'ont montré qu'une faible efficacité clinique jusqu'à présent. Nous avons récemment démontré qu'une immunisation sous-cutanée (s.c.) était capable de faire régresser les petites tumeurs génitales chez 90% des souris, mais chez seulement 20% des souris présentant de plus grandes tumeurs. Dans cette étude, nous avons développé une nouvelle stratégie où la vaccination est associée à une application locale (intra-vaginale (IVAG)) d'agonistes de TLR. Celle-ci induit une augmentation des cellules T CD8 totales ainsi que T CD8 spécifiques au vaccin, mais pas des cellules T CD4. L'attraction sélective des cellules T CD8 est permise par leur expression des récepteurs de chemokines CCR5 et CXCR3 ainsi que par les ligants E-selectin. La vaccination, suivie de l'application IVAG de CpG, a conduit, chez 75% des souris, à la régression de grandes tumeurs établies. Le cancer de la vessie est le deuxième cancer urologique le plus fréquente. La plupart des tumeurs sont diagnostiquées comme NMIBC et sont restreintes à la muqueuse de la vessie, avec une forte propension à la récurrence et/ou progression après une résection locale. Afin de développer des vaccins contre les antigènes associés à la tumeur (TAA), il est nécessaire de trouver un moyen d'induire une réponse immunitaire CD8 spécifique dans la vessie. Pour ce faire, nous avons comparé différentes voies d'immunisation, en utilisant un vaccin composé d'adjuvants et de l'oncogène de HPV (E7) comme modèle. Les vaccinations s.c. et IVAG ont toutes deux induit un nombre similaire de cellules T CD8 spécifiques du vaccin dans la vessie, alors que l'immunisation intra-nasale fut inefficace. Les voies s.c. et IVAG ont induit des cellules T CD8 spécifiques du vaccin exprimant principalement aL-, a4- et le ligand d'E-selectin, suggérant que ces intégrines/sélectines sont responsables de la relocalisation des cellules T dans la vessie. Une unique immunisation avec E7 a permis une protection tumorale complète lors d'une étude prophylactique, indépendemment de la voie d'immunisation. Dans une étude thérapeutique, seules les vaccinations s.c. et IVAG ont efficacement conduit, chez environ 50% des souris, à la régression de tumeurs de la vessie établies, alors que l'immunisation intra-nasale n'a eu aucun effet. La régression de la tumeur est correlée avec l'infiltration dans la tumeur des cellules T CD8 spécifiques au vaccin et la diminution des cellules T régulatrices (Tregs). Afin d'augmenter l'efficacité de l'immunisation avec le TAA, nous avons testé une vaccination suivie de l'instillation d'agonistes de TLR3 et TLR9, ou d'un vaccin Salmonella Typhi (Ty21a). Cette stratégie a entraîné une augmentation des cellules T CD8 effectrices spécifiques du vaccin dans la vessie, bien qu'à différentes échelles. Ty21a étant l'immunostimulant le plus efficace, il mérite d'être étudié de manière plus approfondie dans le contexte du NMIBC. - Both cervical and bladder cancer originates in mucosal sites and can slowly progress from superficial lesions (low to high-grade squamous intra-epithelial lesions (HSIL) and carcinoma in situ (CIS) in the cervix; or non-muscle invasive tumors in the bladder (NMIBC)), to more advanced invasive cancers. The etiology of these two cancers is however very different. Cervical cancer is the second most common cause of cancer death in women worldwide. This cancer results from the infection of the basal cells of the stratified epithelium of the cervix by high-risk human papillomavirus (HPV). The recent availability of prophylactic vaccines (Gardasil® and Cervarix®) against HPV is an effective strategy to prevent this cancer when administered to young girls before sexual activity; however, these vaccines do not induce regression of established lesions. Despite active development, therapeutic vaccines targeting viral oncogenes E6/E7 had limited clinical efficacy to date. We recently reported that subcutaneous (s.c.) immunization was able to regress small genital tumors in 90% of the mice, but only 20% of mice had regression of larger tumors. Here, we developed a new strategy where vaccination is combined with the local (intravaginal (IVAG)) application of TLR agonists. This new strategy induced an increase of both total and vaccine-specific CD8 T cells in cervix-vagina, but not CD4 T cells. The selective attraction of CD8 T cells is mediated by the expression of CCR5 and CXCR3 chemokine receptors and E-selectin ligands in these cells. Vaccination followed by IVAG application of CpG resulted in tumor regression of large established tumors in 75% of the mice. Bladder cancer is the second most common urological malignancy. Most tumors are diagnosed as NMIBC, and are restricted to the mucosal bladder with a high propensity to recur and/or progress after local resection. Aiming to develop vaccines against tumor associated antigens (TAA) it is necessary to investigate how to target vaccine-specific T-cell immune responses to the bladder. Here we thus compared using an adjuvanted HPV oncogene (E7) vaccine, as a model, different routes of immunization. Both s.c. and IVAG vaccination induced similar number of vaccine-specific CD8 T-cells in the bladder, whereas intranasal (i.n.) immunization was ineffective. S.c. and IVAG routes induced predominantly aL-, a4- and E-selectin ligand-expressing vaccine-specific CD8 T-cells suggesting that these integrin/selectin are responsible for T-cell homing to the bladder. A single E7 immunization conferred full tumor protection in a prophylactic setting, irrespective of the immunization route. In a therapeutic setting, only ivag and s.c. vaccination efficiently regressed established bladder-tumors in ca. 50 % of mice, whereas i.n. immunization had no effect. Tumor regression correlated with vaccine- specific CD8 T cell tumor-infiltration and decrease of regulatory T cells (Tregs). To increase efficacy of TAA immunization, we tested vaccination followed by the local instillation of TLR3 or TLR9 agonist or of a Salmonella Typhi vaccine (Ty21a). This strategy resulted in an increase of vaccine-specific effector CD8 T cells in the bladder, although at different magnitudes. Ty21a being the most efficient, it deserves further investigation in the context of NMIBC. We further tested another strategy to improve therapies of NMIBC. In the murine MB49 bladder tumor model, we replaced the intravesical (ives) BCG therapy by another vaccine strain the Salmonella Ty21a. Ives Ty21a induced bladder tumor regression at least as efficiently as BCG. Ty21a bacteria did not infect nor survive neither in healthy nor in tumor-bearing bladders, suggesting its safety. Moreover, Ty21a induced a transient inflammatory response in healthy bladders, mainly through infiltration of neutrophils and macrophages that rapidly returned to basal levels, confirming its potential safety. The tumor regression was associated to a robust infiltration of immune cells, and secretion of cytokines in urines. Infection of murine tumor cell lines by Ty21a resulted in cell apoptosis. The infection of both murine and human urothelial cell lines induced secretion of in vitro inflammatory cytokines. Ty21a may be an attractive alternative for the ives treatment of NMIBC after transurethral resection and thus deserves more investigation.

Etude des propriétés physicochimiques des vecteurs nanoparticulaires

Cette thèse rapporte l’étude des propriétés physicochimiques des nanoparticles polymériques et leur impact sur l’interaction avec les cellules vivantes. Nous nous sommes tout spécialement attachés à étudier l’effet des propriétés adhésives et mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration de la membrane cellulaire. Pour ce faire, nous avons tout d’abord utilisé des nanoparticules d’acide polylactique (PLA) fonctionnalisées en surface avec un ligand des sélectines E et P. Le greffage du ligand sur la particule s’est fait par une nouvelle méthode expérimentale garantissant la présence du ligand à la surface de la particule durant toute sa durée de vie. Cette méthode consiste à mélanger un polymère fonctionnalisé avec le ligand avec un autre polymère non fonctionnalisé. La présence du ligand à la surface des nanoparticules formées à partir de ce mélange de polymères a été confirmée par analyse ToF SIMS. Nous avons pu prouver que les particules possédant le ligand greffé à leur surface démontraient une capacité adhésive supérieure à leurs homologues non fonctionnalisés sur des cellules endothéliales HUVEC activées par différentes drogues. De plus, le captage des particules par les cellules HUVEC est modulé par le niveau d’expression des récepteurs selectine E et P et aussi par la quantité de ligand libre. Ces résultats montrent clairement que le greffage du ligand confère aux particules des propriétés adhésives accrues et spécifiques ce qui permet leur usage postérieure comme vecteur pharmaceutique capable de cibler un récepteur particulier à la surface d’une cellule. Nous avons aussi démontré que l’interaction entre les nanoparticules et la membrane cellulaire peut aussi être contrôlée aussi bien par les propriétés mécaniques de la cellule que de la nanoparticule. Dans une première étape, nous avons mesuré à l’aide de l’appareil de forces de surface l’élasticité de cellules macrophagiques déposées sur différents substrats. En contrôlant l’interaction entre la cellule et le substrat sur lequel elle repose nous avons montré qu’il était possible de modifier à ii volonté les propriétés mécaniques cellulaire. Une augmentation de l’élasticité cellulaire s’accompagne d’une augmentation systématique de l’internalisation de nanoparticules de PLA non fonctionnalisées. Ceci suggère un rôle prépondérant des propriétés mécaniques du cortex cellulaire dans le captage des nanoparticules de PLA. Dans une seconde étape, nous avons étudié l’effet des propriétés mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration cellulaire. Pour ce faire, nous avons synthétisé des particules d’hydrogel dont l’élasticité était contrôlée par le degré d’agent réticulant inclus dans leur formulation. Le contrôle des propriétés mécaniques des nanoparticules a été confirmé par la mesure du module de Young des particules par microscopie de force atomique. L’impact des propriétés mécaniques de ces particules sur leur capacité de pénétration dans les cellules vivantes a été étudié sur des cellules macrophagiques de souris. Les résultats ont montré que la cinétique d’internalisation, la quantité de particules internalisées et le mécanisme d’internalisation dépendent tous du module de Young des nanoparticules. Aucune différence dans le trajet intracellulaire des particules n’a pu être observée malgré le fait que différentes voies d’internalisation aient été observées. Ce dernier résultat peut s’expliquer par le fait que les nanoparticules sont internalisées par plusieurs voie simultanément ce qui facilite leur accumulation dans les organelles digestives intracellulaires. Un modèle simple permettant d’expliquer ces résultats a été proposé et discuté.

Approche de synthèse d'analogues du sialyl Lewis X

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Approche de synthèse d'analogues du sialyl Lewis X

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.