Specific structural features of syndecans and heparan sulfate chains are needed for cell signaling

The syndecans, heparan sulfate proteoglycans, are abundant molecules associated with the cell surface and extracellular matrix and consist of a protein core to which heparan sulfate chains are covalently attached. Each of the syndecan core proteins has a short cytoplasmic domain that binds cytosolic regulatory factors. The syndecans also contain highly conserved transmembrane domains and extracellular domains for which important activities are becoming known. These protein domains locate the syndecan on cell surface sites during development and tumor formation where they interact with other receptors to regulate signaling and cytoskeletal organization. The functions of cell surface heparan sulfate proteoglycan have been centered on the role of heparan sulfate chains, located on the outer side of the cell surface, in the binding of a wide array of ligands, including extracellular matrix proteins and soluble growth factors. More recently, the core proteins of the syndecan family transmembrane proteoglycans have also been shown to be involved in cell signaling through interaction with integrins and tyrosine kinase receptors.

Glycosaminoglycan chains from alpha(5)beta(1) integrin are involved in fibronectin-dependent cell migration

alpha(5)beta(1) integrin from both wild-type CHO cells (CHO-K1) and deficient in proteoglycan biosynthesis (CHO-745) is post-translationally modified by glycosaminoglycan chains. We demonstrated this using [(35)S]sulfate metabolic labeling of the cells, enzymatic degradation, immunoprecipitation reaction with monoclonal antibody, fluorescence microscopy, and flow cytometry. The alpha(5)beta(1) integrin heterodimer is a hybrid proteoglycan containing both chondroitin and heparan sulfate chains. Xyloside inhibition of sulfate incorporation into alpha(5)beta(1) integrin also supports that integrin is a proteoglycan. Also. cells grown with xyloside adhered on fibronectin with no alteration in alpha(5)beta(1) integrin expression. However, haptotactic motility on fibronectin declined in cells grown with xyloside or chlorate as compared with controls. Thus, alpha(5)beta(1) integrin is a proteoglycan and the glycosaminoglycan chains of the integrin influence cell motility on fibronectin. Similar glycosylation of alpha(5)beta(1) integrin was observed in other normal and malignant cells, suggesting that this modification is conserved and important in the function of this integrin. Therefore, these glycosaminoglycan chains of alpha(5)beta(1) integrin are involved in cellular migration on fibronectin.

Cell-surface proteoglycan expression by lymphocytes from peripheral blood and Gingiva in health and periodontal disease

Cell-surface proteoglycans are involved in lymphocyte migration and activation. This study investigated the expression of syndecan-1, syndecan-4, and glypican in peripheral blood lymphocytes and by lymphocytes in variously inflamed periodontal tissues. Gingival specimens from healthy, gingivitis, or chronic periodontitis sites were stained by means of antibodies against B- and T-lymphocytes and also syndecan-1, syndecan-4, and glypican. Syndecan-1 expression by peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from healthy, gingivitis, and chronic periodontitis subjects was assessed by flow cytometry. Syndecan-1 was expressed by B-cells/plasma cells but not T-cells in both gingivitis and chronic periodontitis lesions, Both B-cells/plasma cells and T-cells in gingivitis and chronic periodontitis expressed syndecan-4. Glypican was expressed only by macrophages. Stimulation of PBMC with mitogens and growth factors modulated syndecan-1 expression in both the T- and B-cells. Thus, cell-surface proteoglycan expression by lymphocytes in periodontal inflammation is cell-type-specific and may be modulated by inflammation.

Identification of proteoglycans as the APRIL-specific binding partners.

B cell activating factor of the tumor necrosis factor (TNF) family (BAFF) and a proliferation-inducing ligand (APRIL) are closely related ligands within the TNF superfamily that play important roles in B lymphocyte biology. Both ligands share two receptors--transmembrane activator and calcium signal--modulating cyclophilin ligand interactor (TACI) and B cell maturation antigen (BCMA)--that are predominantly expressed on B cells. In addition, BAFF specifically binds BAFF receptor, whereas the nature of a postulated APRIL-specific receptor remains elusive. We show that the TNF homology domain of APRIL binds BCMA and TACI, whereas a basic amino acid sequence (QKQKKQ) close to the NH2 terminus of the mature protein is required for binding to the APRIL-specific "receptor." This interactor was identified as negatively charged sulfated glycosaminoglycan side chains of proteoglycans. Although T cell lines bound little APRIL, the ectopic expression of glycosaminoglycan-rich syndecans or glypicans conferred on these cells a high binding capacity that was completely dependent on APRIL's basic sequence. Moreover, syndecan-1-positive plasma cells and proteoglycan-rich nonhematopoietic cells displayed high specific, heparin-sensitive binding to APRIL. Inhibition of BAFF and APRIL, but not BAFF alone, prevented the survival and/or the migration of newly formed plasma cells to the bone marrow. In addition, costimulation of B cell proliferation by APRIL was only effective upon APRIL oligomerization. Therefore, we propose a model whereby APRIL binding to the extracellular matrix or to proteoglycan-positive cells induces APRIL oligomerization, which is the prerequisite for the triggering of TACI- and/or BCMA-mediated activation, migration, or survival signals.

Anchor or Accelerate – A Study on Cancer Cell Adhesion and Motility

Cell migration and adhesion to the extracellular matrix (ECM) are crucial in many biological and pathological processes such as morphogenesis, tissue repair, inflammatory responses, survival, and cancer. Cell-matrix adhesion is mediated by the integrin family of transmembrane receptors, which not only anchor cells to their surroundings, but also transmit bidirectional signalling at the cell surface and couple the ECM to the cytoskeleton. Another group of adhesion receptors are the syndecan proteoglycans, which engage the ECM and possess signalling activity in response to a variety of ligands. Cell migration is a complex process that requires spatial and temporal coordination of adhesion, cell contractility, intracellular traffic of integrins, and matrix turnover by matrix metalloproteinases (MMPs). Thus, integrins and syndecans, as well as MMPs, play essential roles in cancer cell migration and invasion. The understanding of the cooperation of syndecans and integrins was broadened in this thesis study. The results reveal that syndecan-1 functions in concert with 21 integrin in cell adhesion to collagen, whereas syndecan-4 is essential in 21 integrin-mediated matrix contraction. Finally, oncogenic K-Ras was shown to regulate 21 integrin, membrane-type 1 MMP, and syndecan-1 and -4 expression and their cooperation in cell invasion. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is fundamental during embryogenesis and organ development. Activation of EMT processes, including the upregulation of mesenchymal intermediate filament protein vimentin, has also been implicated in the acquisition of a malignant phenotype by epithelial cancer cells. Members of the protein kinase C (PKC) superfamily are involved in cell migration and various integrindependent cellular functions. One aim of this work was to shed light on the role of vimentin in the regulation of integrin traffic and cell motility. In addition, the mechanism by which vimentin participates in EMT was investigated. The results show that integrin recycling and motility are dependent on the PKC–mediated phosphorylation of vimentin. In addition, vimentin was found to be a positive regulator of EMT and regulate the expression of several migratory genes. Specifically, vimentin governs the expression of receptor tyrosine kinase Axl, which is implicated in tumour growth and metastasis. Taken together, the findings described in this thesis reveal novel aspects of the complex interplay between distinct cellular components: integrins, syndecans, and the vimentin cytoskeleton, which all contribute to the regulation of human cancer cell adhesion, migration, and invasion.

Integrins in Tumorigenesis and Cancer Cell Invasion

The integrin family of transmembrane receptors are important for cell-matrix adhesion and signal transmission to the interior of the cell. Integrins are essential for many physiological processes and defective integrin function can consequently result in a multitude of diseases, including cancer. Integrin traffic is needed for completion of cytokinesis and cell division failure has been proposed to be an early event in the formation of chromosomally aberrant and transformed cells. Impaired integrin traffic and changes in integrin expression are known to promote invasion of malignant cells. However, the direct roles of impaired integrin traffic in tumorigenesis and increased integrin expression in oncogene driven invasion have not been examined. In this study we have investigated both of these aspects. We found that cells with reduced integrin endocytosis become binucleate and subsequently aneuploid. These aneuploid cells display characteristics of transformed cells; they are anchorage-independent, resistant to apoptosis and invasive in vitro. Importantly, subcutaneous injection of the aneuploid cells into athymic nude mice produced highly malignant tumors. Through gene expression profiling and analysis of integrin-triggered signaling pathways we have identified several molecules involved in the malignancy of these cells, including Src kinase and the transcription factor Twist2. Thus, even though chromosomal aberrations are associated with reduced cell fitness, we show that aneuploidy can facilitate tumor evolution and selection of transformed cells. Invasion and metastasis are the primary reason for deaths caused by cancer and the molecular pathways responsible for invasion are therefore attractive targets in cancer therapy. In addition to integrins, another major family of adhesion receptors are the proteoglycans syndecans. Integrins and syndecans are known to signal in a synergistic manner in controlling cell adhesion on 2D matrixes. Here we explored the role of syndecans as α2β1 integrin co-receptors in 3D collagen. We show that in breast cancer cells harbouring mutant K-Ras, increased levels of integrins, their co-receptors syndecans and matrix cleaving proteases are necessary for the invasive phenotype of these cells. Together, these findings increase our knowledge of the complicated changes that occur during tumorigenesis and the pathways that control the ability of cancer cells to invade and metastasize.

Changes in gene expression induced by H(2)O(2) in cardiac myocytes.

Oxidative stress induces cardiac myocyte apoptosis. At least some effects are probably mediated through changes in gene expression. Using Affymetrix arrays, we examined the changes in gene expression induced by H(2)O(2) (0.04, 0.1, and 0.2mM; 2 and 4h) in rat neonatal ventricular myocytes. Changes in selected upregulated genes were confirmed by ratiometric RT-PCR. p21(Cip1/Waf1) was one of the only two genes upregulated in all conditions studied. Of the heat shock proteins, only Hsp70/70.1 was induced by H(2)O(2) with no change in the expression of Hsp25, Hsp60 or Hsp90. Heme oxygenase 1 was also potently upregulated, but not heme oxygenases 2 or 3. Of the intercellular adhesion proteins, syndecan-1 was significantly upregulated in response to H(2)O(2), with little change in the expression of other syndecans and no change in expression of any of the integrins studied. Thus, oxidative stress, exemplified by H(2)O(2), selectively promotes the expression of specific gene family members.

Syntenin, a PDZ protein that binds syndecan cytoplasmic domains

The syndecans are transmembrane proteoglycans that place structurally heterogeneous heparan sulfate chains at the cell surface and a highly conserved polypeptide in the cytoplasm. Their versatile heparan sulfate moieties support various processes of molecular recognition, signaling, and trafficking. Here we report the identification of a protein that binds to the cytoplasmic domains of the syndecans in yeast two-hybrid screens, surface plasmon resonance experiments, and ligand-overlay assays. This protein, syntenin, contains a tandem repeat of PDZ domains that reacts with the FYA C-terminal amino acid sequence of the syndecans. Recombinant enhanced green fluorescent protein (eGFP)–syntenin fusion proteins decorate the plasmamembrane and intracellular vesicles, where they colocalize and cosegregate with syndecans. Cells that overexpress eGFP–syntenin show numerous cell surface extensions, suggesting effects of syntenin on cytoskeleton–membrane organization. We propose that syntenin may function as an adaptor that couples syndecans to cytoskeletal proteins or cytosolic downstream signal-effectors.

Characterization of Syntenin, a Syndecan-binding PDZ Protein, as a Component of Cell Adhesion Sites and Microfilaments

Syntenin is a PDZ protein that binds the cytoplasmic C-terminal FYA motif of the syndecans. Syntenin is widely expressed. In cell fractionation experiments, syntenin partitions between the cytosol and microsomes. Immunofluorescence microscopy localizes endogenous and epitope-tagged syntenin to cell adhesion sites, microfilaments, and the nucleus. Syntenin is composed of at least three domains. Both PDZ domains of syntenin are necessary to target reporter tags to the plasma membrane. The addition of a segment of 10 amino acids from the N-terminal domain of syntenin to these PDZ domains increases the localization of the tags to stress fibers and induces the formation of long, branching plasma membrane extensions. The addition of the complete N-terminal region, in contrast, reduces the localization of the tags to plasma membrane/adhesion sites and stress fibers, and reduces the morphotypical effects. Recombinant domains of syntenin with the highest plasma membrane localization display the lowest nuclear localization. Syndecan-1, E-cadherin, β-catenin, and α-catenin colocalize with syntenin at cell-cell contacts in epithelial cells, and coimmunoprecipitate with syntenin from extracts of these cells. These results suggest a role for syntenin in the composition of adherens junctions and the regulation of plasma membrane dynamics, and imply a potential role for syntenin in nuclear processes.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.