Étude du mécanisme de régulation de la sénescence et de p53 par la protéine SOCS1

Les mécanismes cellulaires anti-prolifératifs, lesquels comprennent l’apoptose, aussi appelée la mort cellulaire programmée, l’arrêt transitoire du cycle cellulaire et la sénescence, permettent à la cellule de prévenir, en réponse à différents stress, l’accumulation de mutations pouvant conduire à une prolifération incontrôlée et, éventuellement, au développement d’une tumeur. La régulation de ces différents mécanismes requiert l’activation de protéines appelées des suppresseurs de tumeur, dont le principal est p53. p53 est un facteur de transcription dont la stabilisation et l’activation conduit à une hausse de l’expression de gènes directement impliqués dans l’arrêt de la prolifération. Au cours des dernières années, l’ensemble des travaux sur p53 ont permis de mettre en évidence la complexité de sa fonction, de même que la multitude de voies de signalisation et de protéines avec lesquelles il coopère pour maintenir l’intégrité du génome. De ce fait, l’étude des mécanismes d’activation de p53 est de mise pour la compréhension de sa régulation et, éventuellement, pour la prévention et l’élaboration de nouvelles stratégies de traitement contre le cancer. L’objet de cette thèse est la mise en évidence d’un mécanisme d’activation de p53 et de la sénescence par la protéine SOCS1, un suppresseur de la signalisation par les cytokines. Ce mécanisme implique une interaction directe entre les deux protéines, plus précisément entre le domaine SH2 de SOCS1 et le domaine de transactivation de p53. SOCS1 interagit également, au niveau de son SOCS Box, avec les kinases ATM et ATR de la voie du dommage à l’ADN de façon à faciliter la phosphorylation de p53 en sérine 15. Ainsi, en interagissant à la fois avec p53 et ATM/ATR, SOCS1 contribue à la stabilisation et à l’activation de p53. En accord avec ce modèle, l’inhibition de SOCS1 dans des fibroblastes humains normaux tend à diminuer le nombre de cellules sénescentes suite à l’expression de l’oncogène ca-STAT5A et à réduire l’accumulation nucléaire de p53 dans ces cellules. De la même façon, les lymphocytes T provenant de souris Socs1-/-Ifnγ-/- sont moins susceptibles d’entrer en apoptose que les lymphocytes provenant de souris Socs1+/+Ifnγ+/+, suite à une exposition à des radiations. Dans les deux contextes, on observe une baisse de l’expression des gènes cibles de p53, ce qui démontre que SOCS1 est impliquée dans l’activation de p53 in vivo. Cette thèse a également pour but de mettre en évidence l’implication de SOCS1 dans l’activation d’autres facteurs de transcription et, par le fait même, de démontrer qu’elle peut agir comme un régulateur plus général de la transcription. Une étude approfondie de l’interaction entre SOCS1 et p53 a permis de démontrer que le domaine de transactivation II de p53 (acides aminés 36-67) est suffisant pour l’interaction. Plus précisément, il semble que le tryptophane 53 (W53) et la phénylalanine 54 (F54) sont les principaux résidus impliqués. Une analyse structurale de ce domaine de p53 a conduit à l’identification d’un motif conservé dans plusieurs autres facteurs de transcription pourvus d’un domaine de transactivation acide, dont p63, p73 et E2F1. En accord avec ces résultats, SOCS1 est en mesure d’interagir avec chacune des deux protéines. Ainsi, la capacité de SOCS1 d’interagir et de réguler l’activité de p53 peut s’étendre à d’autres facteurs de transcription. En terminant, le mécanisme présenté dans cette thèse contribue à la compréhension de la régulation de p53, le principal suppresseur de tumeur de la cellule. De plus, il met en évidence une nouvelle fonction de SOCS1, laquelle était jusqu’alors essentiellement connue pour inhiber la voie de signalisation JAK/STAT. Ce nouveau rôle pour SOCS1 permet d’expliquer de quelle manière une activation aberrante de la signalisation par les cytokines peut déclencher la sénescence ou l’apoptose. Enfin, le fait que SOCS1 puisse réguler différents facteurs de transcription permet de la qualifier de régulateur général des facteurs de transcription composés d’un domaine de transactivation acide.

miRNA modulation of SOCS1 using an influenza A virus delivery system

Difficulties associated with efficient delivery and targeting of miRNAs to cells is hampering the real world application of miRNA technology. This study utilized an influenza A-based delivery system to express miR-155 in order to knockdown SOCS1 mRNA. Using qPCR and dual luciferase technology we show that miR-155 delivery resulted in a significant increase in cellular miR-155 which facilitated a downregulation of SOCS1 gene expression and a functional increase in IL-6 and IFN-β cytokines.

Inhibition of reactive oxygen species production ameliorates inflammation induced by influenza A viruses via upregulation of SOCS1 and SOCS3.

Highly pathogenic avian influenza virus infection is associated with severe mortality in both humans and poultry. The mechanisms of disease pathogenesis and immunity are poorly understood although recent evidence suggests that cytokine/chemokine dysregulation contributes to disease severity following H5N1 infection. Influenza A virus infection causes a rapid influx of inflammatory cells, resulting in increased reactive oxygen species production, cytokine expression, and acute lung injury. Proinflammatory stimuli are known to induce intracellular reactive oxygen species by activating NADPH oxidase activity. We therefore hypothesized that inhibition of this activity would restore host cytokine homeostasis following avian influenza virus infection. A panel of airway epithelial and immune cells from mammalian and avian species were infected with A/Puerto Rico/8/1934 H1N1 virus, low-pathogenicity avian influenza H5N3 virus (A/duck/Victoria/0305-2/2012), highly pathogenic avian influenza H5N1 virus (A/chicken/Vietnam/0008/2004), or low-pathogenicity avian influenza H7N9 virus (A/Anhui/1/2013). Quantitative real-time reverse transcriptase PCR showed that H5N1 and H7N9 viruses significantly stimulated cytokine (interleukin-6, beta interferon, CXCL10, and CCL5) production. Among the influenza-induced cytokines, CCL5 was identified as a potential marker for overactive immunity. Apocynin, a Nox2 inhibitor, inhibited influenza-induced cytokines and reactive oxygen species production, although viral replication was not significantly altered in vitro. Interestingly, apocynin treatment significantly increased influenza virus-induced mRNA and protein expression of SOCS1 and SOCS3, enhancing negative regulation of cytokine signaling. These findings suggest that apocynin or its derivatives (targeting host responses) could be used in combination with antiviral strategies (targeting viruses) as therapeutic agents to ameliorate disease severity in susceptible species.

Estudo da participação de reguladores negativos endógenos da atividade de STAT1 e STAT3 (SOCS1 e SOCS3) na doença periodontal experimental

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Negative regulation of the hepatic fibrogenic response by suppressor of cytokine signaling 1 (SOCS1)

Abstract: Suppressor of cytokine signaling 1 (SOCS1) is an indispensable regulator of IFN-γ signaling and has been implicated in the regulation of liver fibrosis. However, it is not known whether SOCS1 mediates its anti-fibrotic functions in the liver directly, or via modulating IFN-γ, which has been implicated in attenuating hepatic fibrosis. Additionally, it is possible that SOCS1 controls liver fibrosis by regulating hepatic stellate cells (HSC), a key player in fibrogenic response. While the activation pathways of HSCs have been well characterized, the regulatory mechanisms are not yet clear. The goals of this study were to dissociate IFN-γ-dependent and SOCS1-mediated regulation of hepatic fibrogenic response, and to elucidate the regulatory functions of SOCS1 in H SC activation. Liver fibrosis was induced in Socs1[superscript -/-]Ifng[superscript -/-] mice with dimethylnitrosamine or carbon tetrachloride. Ifng[superscript -/-] and C57BL/6 mice served as controls. Following fibrogenic treatments, Socs1[superscript -/-]Ifng[superscript -/-] mice showed elevated serum ALT levels and increased liver fibrosis com-pared to mice Ifng[superscript -/-]. The latter group showed higher alanine aminotransferase (ALT) levels and fibrosis than C57BL/6 controls. The livers of Socs1-deficient mice showed bridging fibrosis, which was associated with increased accumulation of myofibroblasts and abundant collagen deposition. Socs1-deficient livers showed increased expression of genes coding for smooth muscle actin, collagen, and enzymes involved in remodeling the extracellular matrix, namely matrix metalloproteinases and tissue inhibitor of metalloproteinases. Primary HSCs from Socs1-deficient mice showed increased proliferation in response to growth factors such as HGF, EGF and PDGF, and the fibrotic livers of Socs1-deficient mice showed increased expression of the Pdgfb gene. Taken together, these data indicate that SOCS1 controls liver fibrosis independently of IFN-γ and that part of this regulation may occur via regulating HSC proliferation and limiting growth factor availability.

Rôle de SOCS1 dans l’immunogénicité de la tumeur en particulier au niveau du carcinome hépatocellulaire

Résumé : Le carcinome hépatocellulaire (HCC) est la troisième cause commune de décès de cancer et affecte plus les hommes que les femmes. Le HCC résulte d’une dérégulation des voies de signalisation impliquées dans l’initiation de l’inflammation menant ainsi à des répercussions désastreuses. De part la complexité de ce type de cancer, les traitements qui existent à ce jour ne sont pas très prometteurs et ont un faible pourcentage de « rémission ». L’immunothérapie soulève beaucoup d’espoir quant à l’orientation vers un traitement efficace plausible. En effet, plusieurs suppresseurs de tumeur se retrouvent réprimés, parmi lesquels le SOCS1. C’est dans cette optique que nos recherches se sont orientées en mettant la lumière sur le SOCS1 «suppresseur de signalisation des cytokines 1 (SOCS1) » qui est réprimé au niveau du HCC et dont la restauration pourrait contribuer à un pronostic favorable à la rémission. La protéine SOCS1 a beaucoup attisé la curiosité des chercheurs de part son rôle suppresseur de tumeur. Pour comprendre les mécanismes d’action de SOCS1 et son implication dans la neutralisation de la tumeur, nous avons généré trois types stables de la lignée cellulaire du carcinome hépatocellulaire de souris Hepa1-6, une portant un vecteur vide, l’autre exprimant le type sauvage du gène SOCS1 (SOCS1-WT; Hepa-S) et une portant une mutation au niveau du domaine SH2 (SOCS1-R105K; Hepa-R). Le mutant ne peut plus inhiber la signalisation des cytokines. Lors de l'implantation sous-cutanée des cellules Hepa1-6 modifiées, chez des souris C57BL/6 et NOD.scid.gamma (NSG). Nous avons observé que les cellules Hepa1-6 exprimant le vecteur de contrôle (Hepa-V) formaient de grosses tumeurs tandis que les cellules Hepa-S formaient de petites tumeurs chez les deux types de souris. Les cellules Hepa-R quant à elles, formaient de grosses tumeurs seulement chez des souris immunodéficientes (NSG) mais montraient une croissance nettement retardée lorsqu’elles étaient greffées aux souris (C57BL/6) immunocompétentes. Partant de ce constat intrigant, nous avons postulé que SOCS1 favorise l'immunogénicité des cellules tumorales par son domaine SOCS Box. Par conséquent, les cellules Hepa-R offrent une occasion unique de démêler le potentiel pro-immunogène de SOCS1, et ceci dans le but d'élucider les fonctions immunogènes de SOCS1 dans le cancer du foie. Jusqu'à présent aucune précédente recherche ne s’est aventurée à chercher l’implication de SOCS1 dans l’augmentation de l’immunogénicité.

The chemoattractants, IL-8 and formyl-methionyl-leucyl-phenylalanine, regulate granulocyte colony-stimulating factor signaling by inducing suppressor of cytokine signaling-1 expression

Suppressors of cytokine signaling (SOCS) are encoded by immediate early genes known to inhibit cytokine responses in a classical feedback loop. SOCS gene expression has been shown to be induced by many cytokines, growth factors, and innate immune stimuli, such as LPS. In this paper, we report that the chemoattractants, IL-8 and fMLP, up-regulate SOCS1 mRNA in human myeloid cells, primary human neutrophils, PBMCs, and dendritic cells. fMLP rapidly up-regulates SOCS1, whereas the induction of SOCS1 upon IL-8 treatment is delayed. IL-8 and fMLP did not signal via Jak/STATs in primary human macrophages, thus implicating the induction of SOCS by other intracellular pathways. As chemoattractant-induced SOCS1 expression in neutrophils may play an important role in regulating the subsequent response to growth promoting cytokines like G-CSF, we investigated the effect of chemoattractant-induced SOCS1 on cytokine signal transduction. We show that pretreatment of primary human neutrophils with fMLP or IL-8 blocks G-CSF-mediated STAT3 activation. This study provides evidence for cross-talk between chemoattractant and cytokine signal transduction pathways involving SOCS proteins, suggesting that these chemotactic factors may desensitize neutrophils to G-CSF via rapid induction of SOCS1 expression.

SOCS2 Can Enhance Interleukin-2 (IL-2) and IL-3 Signalling by Accelerating SOCS3 Degradation

Cytokine responses can be regulated by a family of proteins termed suppressors of cytokine signaling (SOCS) which can inhibit the JAK/STAT pathway in a classical negative-feedback manner. While the SOCS are thought to target signaling intermediates for degradation, relatively little is known about how their turnover is regulated. Unlike other SOCS family members, we find that SOCS2 can enhance interleukin-2 (IL-2)- and IL-3-induced STAT phosphorylation following and potentiate proliferation in response to cytokine stimulation. As a clear mechanism for these effects, we demonstrate that expression of SOCS2 results in marked proteasome-dependent reduction of SOCS3 and SOCS1 protein expression. Furthermore, we provide evidence that this degradation is dependent on the presence of an intact SOCS box and that the loss of SOCS3 is enhanced by coexpression of elongin B/C. This suggests that SOCS2 can bind to SOCS3 and elongin B/C to form an E3 ligase complex resulting in the degradation of SOCS3. Therefore, SOCS2 can enhance cytokine responses by accelerating proteasome-dependent turnover of SOCS3, suggesting a mechanism for the gigantism observed in SOCS2 transgenic mice.

The myeloproliferative disorder-associated JAK2 V617F mutant escapes negative regulation by suppressor of cytokine signaling 3

The somatic JAK2 valine-to-phenylalanine (V617F) mutation has been detected in up to 90% of patients with polycythemia and in a sizeable proportion of patients with other myeloproliferative disorders such as essential thrombocythemia and idiopathic myelofibrosis. Suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3) is known to be a strong negative regulator of erythropoietin (EPO) signaling through interaction with both the EPO receptor (EPOR) and JAK2. We report here that JAK2 V617F cannot be regulated and that its activation is actually potentiated in the presence of SOCS3. Instead of acting as a suppressor, SOCS3 enhanced the proliferation of cells expressing both JAK2 V617F and EPOR. Additionally, although SOCS1 and SOCS2 are degraded in the presence of JAK2 V617F, turnover of SOCS3 is inhibited by the JAK2 mutant kinase and this correlated with marked tyrosine phosphorylation of SOCS3 protein. We also observed constitutive tyrosine phosphorylation of SOCS3 in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) derived from patients homozygous for the JAK2 V617F mutant. These findings suggest that the JAK2 V617F has overcome normal SOCS regulation by hyperphosphorylating SOCS3, rendering it unable to inhibit the mutant kinase. Thus, JAK2 V617F may even exploit SOCS3 to potentiate its myeloproliferative capacity.

The BTB/POZ Transcription Factor Miz-1 Is Required To Regulate The Commitment, Survival And Differentiation Of Early B And T Cell Lineages

Les lymphocytes B et T sont issus de cellules progénitrices lymphoïdes de la moelle osseuse qui se différencient grâce à l’action de facteurs de transcription, cytokines et voies de signalisation, dont l’interleukine-7 (IL-7)/IL-7 récepteur (IL-7R). Le facteur de transcription c-Myc est exprimé par les cellules lymphoïdes et contrôle leur croissance et leur différenciation. Cette régulation transcriptionnelle peut être coordonnée par le complexe c-Myc/Myc-Interacting Zinc finger protein-1 (Miz-1). Le but de ce projet était de comprendre les mécanismes qui impliquent Miz-1 et le complexe c-Myc/Miz-1 dans le développement des lymphocytes B et T. Pour réaliser ce projet, des souris déficientes pour le domaine de transactivation de Miz-1 (Miz-1POZ) et des souris à allèles mutantes pour c-MycV394D, mutation qui empêche l’interaction avec Miz-1, ont été générées. La caractérisation des souris Miz 1POZ a démontré que l’inactivation de Miz-1 perturbe le développement des lymphocytes B et T aux stades précoces de leur différenciation qui dépend de l’IL-7. L’analyse de la cascade de signalisation IL-7/IL-7R a montré que ces cellules surexpriment la protéine inhibitrice SOCS1 qui empêche la phosphorylation de STAT5 et perturbe la régulation à la hausse de la protéine de survie Bcl-2. De plus, Miz-1 se lie directement au promoteur de SOCS1 et contrôle son activité. En plus de contrôler l’axe IL-7/IL-7R/STAT5/Bcl-2 spécifiquement aux stades précoces du développement afin d’assurer la survie des progéniteurs B et T, Miz-1 régule l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B afin de coordonner les signaux nécessaires pour la différenciation des cellules immatures. La caractérisation des souris c-MycV394D a montré, quant à elle, que les fonctions de Miz-1 dans les cellules B et T semblent indépendantes de c-Myc. Les cellules T des souris Miz-1POZ ont un défaut de différenciation additionnel au niveau de la -sélection, étape où les signaux initiés par le TCR remplacent ceux induits par IL-7 pour assurer la prolifération et la différenciation des thymocytes en stades plus matures. À cette étape du développement, une forme fonctionnelle de Miz-1 semble être requise pour contrôler le niveau d’activation de la voie p53, induite lors du processus de réarrangement V(D)J du TCR. L’expression de gènes pro-apoptotiques PUMA, NOXA, Bax et du régulateur de cycle cellulaire p21CIP1 est régulée à la hausse dans les cellules des souris Miz-1POZ. Ceci provoque un débalancement pro-apoptotique qui empêche la progression du cycle cellulaire des cellules TCR-positives. La survie des cellules peut être rétablie à ce stade de différenciation en assurant une coordination adéquate entre les signaux initiés par l’introduction d’un TCR transgénique et d’un transgène codant pour la protéine Bcl-2. En conclusion, ces études ont montré que Miz-1 intervient à deux niveaux du développement lymphoïde: l’un précoce en contrôlant la signalisation induite par l’IL-7 dans les cellules B et T, en plus de l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B; et l’autre tardif, en coordonnant les signaux de survie issus par le TCR et p53 dans les cellules T. Étant donné que les thymocytes et lymphocytes B immatures sont sujets à plusieurs rondes de prolifération, ces études serviront à mieux comprendre l’implication des régulateurs du cycle cellulaire comme c-Myc et Miz-1 dans la génération des signaux nécessaires à la différenciation non aberrante et à la survie des ces cellules. Enfin, les modèles expérimentaux, souris déficientes ou à allèles mutantes, utilisés pour ce travail permettront de mieux définir les bases moléculaires de la transformation maligne des lymphocytes B et T et de révéler les mécanismes conduisant au lymphome.

The myeloproliferative disorder-associated JAK2 V617F mutant escapes negative regulation by suppressor of cytokine signaling 3

The somatic JAK2 valine-to-phenylalanine (V617F) mutation has been detected in up to 90% of patients with polycythemia and in a sizeable proportion of patients with other myeloproliferative disorders such as essential thrombocythemia and idiopathic myelofibrosis. Suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3) is known to be a strong negative regulator of erythropoietin (EPO) signaling through interaction with both the EPO receptor (EPOR) and JAK2. We report here that JAK2 V617F cannot be regulated and that its activation is actually potentiated in the presence of SOCS3. Instead of acting as a suppressor, SOCS3 enhanced the proliferation of cells expressing both JAK2 V617F and EPOR. Additionally, although SOCS1 and SOCS2 are degraded in the presence of JAK2 V617F, turnover of SOCS3 is inhibited by the JAK2 mutant kinase and this correlated with marked tyrosine phosphorylation of SOCS3 protein. We also observed constitutive tyrosine phosphorylation of SOCS3 in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) derived from patients homozygous for the JAK2 V617F mutant. These findings suggest that the JAK2 V617F has overcome normal SOCS regulation by hyperphosphorylating SOCS3, rendering it unable to inhibit the mutant kinase. Thus, JAK2 V617F may even exploit SOCS3 to potentiate its myeloproliferative capacity.

Suppressor of cytokine signaling 1 regulates embryonic myelopoiesis independently of its effects on T cell development

Suppressor of cytokine signaling 1 (SOCS1) has been shown to play important roles in the immune system. It acts as a key negative regulator of signaling via receptors for IFNs and other cytokines controlling T cell development, as well as Toll receptor signaling in macrophages and other immune cells. To gain further insight into SOCS1, we have identified and characterized the zebrafish socs1 gene, which exhibited sequence and functional conservation with its mammalian counterparts. Initially maternally derived, the socs1 gene showed early zygotic expression in mesodermal structures, including the posterior intermediate cell mass, a site of primitive hematopoiesis. At later time points, expression was seen in a broad anterior domain, liver, notochord, and intersegmental vesicles. Morpholino-mediated knockdown of socs1 resulted in perturbation of specific hematopoietic populations prior to the commencement of lymphopoiesis, ruling out T cell involvement. However, socs1 knockdown also lead to a reduction in the size of the developing thymus later in embryogenesis. Zebrafish SOCS1 was shown to be able to interact with both zebrafish Jak2a and Stat5.1 in vitro and in vivo. These studies demonstrate a conserved role for SOCS1 in T cell development and suggest a novel T cell-independent function in embryonic myelopoiesis mediated, at least in part, via its effects on receptors using the Jak2-Stat5 pathway.

SOCS proteins in development and disease

Cytokine and growth factor signaling mediates essential roles in the differentiation, proliferation, survival and function of a number of cell lineages. This is achieved via specific receptors located on the surface of target cells, with ligand binding activating key intracellular signal transduction cascades to mediate the requisite cellular outcome. Effective resolution of receptor signaling is also essential, with excessive signaling having the potential for pathological consequences. The Suppressor of cytokine signaling (SOCS) family of proteins represent one important mechanism to extinguish cytokine and growth factor receptor signaling. There are 8 SOCS proteins in mammals; SOCS1-7 and the alternatively named Cytokine-inducible SH2-containing protein (CISH). SOCS1-3 and CISH are predominantly associated with the regulation of cytokine receptor signaling, while SOCS4-7 are more commonly involved in the control of Receptor tyrosine kinase (RTK) signaling. Individual SOCS proteins are typically induced by specific cytokines and growth factors, thereby generating a negative feedback loop. As a consequence of their regulatory properties, SOCS proteins have important functions in development and homeostasis, with increasing recognition of their role in disease, particularly their tumor suppressor and anti-inflammatory functions. This review provides a synthesis of our current understanding of the SOCS family, with an emphasis on their immune and hematopoietic roles.

Expression of suppressor of cytokine signaling 1 and 3 in ligature-induced periodontitis in rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)