ALLERGEN SENSITIZATION AND IMMUNOMODULATION BY SYNTHETIC LIGANDS, PUL-042, IN AN ALLERGEN-INDUCED ASTHMA MURINE MODEL

Allergen-induced asthma is the leading form of asthma and a chronic condition worldwide. Common allergens are known to contribute to the pathogenesis of this disease. Murine models of allergic asthma have mostly used an intraperitoneal route of sensitization (not airway) to study this disease. Allergic asthma pathophysiology involves the activation of TH2-specific cells, which triggers production of IgE antibodies, the up-regulation of TH2-specific cytokines (i.e. IL-4, IL-5, IL-9 and IL-13), increased airway eosinophilia, and mucin hypersecretion. Although there are several therapeutics currently treating asthmatic patients, some of these treatments can result in drug tolerance and may be linked to increased mortality. CpG oligodeoxynucleotides (ODNs) is a synthetic ligand that targets Toll-like Receptor (TLR) 9. It has been evaluated as a therapeutic agent for the treatment of cancer, infectious diseases, and for treating allergy and asthma. PUL-042 is also a synthetic TLR ligand and is composed of two agonists against TLR2/6 heterodimer and TLR9. Previous studies have evaluated PUL-042 for its ability to confer resistance against bacterial and viral lung infection. These findings, combined with studies performed using CpG ODNs, led to speculation that PUL-042 dampens the immune response in allergen-induced asthma. My thesis research investigated airway route sensitization and airway delivery of PUL-042 to evaluate its effects in reducing an allergen-induced asthma phenotype in a murine model. The results of this study contribute to the foundation for future investigations to evaluate the efficacy of PUL-042 as a novel therapy in allergic-asthma disease.

Inhibition of RNA polymerase II transcription in human cells by synthetic DNA-binding ligands

Sequence-specific DNA-binding small molecules that can permeate human cells potentially could regulate transcription of specific genes. Multiple cellular DNA-binding transcription factors are required by HIV type 1 for RNA synthesis. Two pyrrole–imidazole polyamides were designed to bind DNA sequences immediately adjacent to binding sites for the transcription factors Ets-1, lymphoid-enhancer binding factor 1, and TATA-box binding protein. These synthetic ligands specifically inhibit DNA-binding of each transcription factor and HIV type 1 transcription in cell-free assays. When used in combination, the polyamides inhibit virus replication by >99% in isolated human peripheral blood lymphocytes, with no detectable cell toxicity. The ability of small molecules to target predetermined DNA sequences located within RNA polymerase II promoters suggests a general approach for regulation of gene expression, as well as a mechanism for the inhibition of viral replication.

Activation of peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) by their ligands and protein kinase A activators.

The nuclear peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) alpha, beta, and gamma activate the transcription of multiple genes involved in lipid metabolism. Several natural and synthetic ligands have been identified for each PPAR isotype but little is known about the phosphorylation state of these receptors. We show here that activators of protein kinase A (PKA) can enhance mouse PPAR activity in the absence and the presence of exogenous ligands in transient transfection experiments. Activation function 1 (AF-1) of PPARs was dispensable for transcriptional enhancement, whereas activation function 2 (AF-2) was required for this effect. We also show that several domains of PPAR can be phosphorylated by PKA in vitro. Moreover, gel retardation experiments suggest that PKA stabilizes binding of the liganded PPAR to DNA. PKA inhibitors decreased not only the kinase-dependent induction of PPARs but also their ligand-dependent induction, suggesting an interaction between both pathways that leads to maximal transcriptional induction by PPARs. Moreover, comparing PPAR alpha knockout (KO) with PPAR alpha WT mice, we show that the expression of the acyl CoA oxidase (ACO) gene can be regulated by PKA-activated PPAR alpha in liver. These data demonstrate that the PKA pathway is an important modulator of PPAR activity, and we propose a model associating this pathway in the control of fatty acid beta-oxidation under conditions of fasting, stress, and exercise.

Application du SPR dans le criblage des ligands synthétiques du CD36 et sa validation

Le CD36 est un récepteur de type éboueur de classe B exprimé à la surface de nombreux types cellulaires dont les macrophages, les cellules endothéliales de la microvasculature et les plaquettes. Ce récepteur multiligand est impliqué dans plusieurs processus pathologiques notamment l’athérosclérose, l’angiogénèse et la malaria via la liaison spécifique de ligands comme les lipoprotéines oxydées de basse densité, la thrombospondine-1 et la protéine PfEMP-1, respectivement. Les peptides de la relâche de l’hormone de croissance (GHRP) ont été identifiés comme les premiers ligands synthétiques du CD36. Afin de développer de nouveaux ligands synthétiques du CD36, l’établissement d’une méthode de criblage est essentiel pour découvrir des composés avec une liaison de haute affinité pour ce récepteur. Pour y parvenir, nous avons surexprimé le domaine extracellulaire du CD36 humain dans les cellules d’insectes Sf9. La protéine soluble purifiée par chromatographie d’affinité fut immobilisée à la surface d’une plaque de résonance de plasmons de surface (SPR) pour les études de liaison. La méthodologie développée a permis de caractériser les ligands du CD36 en déterminant leurs constantes de dissociation (KD), et d’établir une relation structure-activité des ligands de la famille des azapeptides, des composés dérivés du GHRP-6. Afin de valider la méthode par spectroscopie SPR, une corrélation a été établie entre les valeurs de KD obtenues en SPR et les valeurs d’CI50 de courbes d’inhibition de la phosphorylation des MAP kinases JNK1/2 induite par un phospholipide oxydé, le POVPC, en présence de concentrations croissantes de ligands du CD36 dans les macrophages RAW 264.7.

Régulation du métabolisme et du transport des lipides dans les macrophages : potentiel anti-athérosclérotique des ligands du CD36

Les maladies cardiovasculaires sont la principale cause de morbidité et de mortalité dans les pays industrialisés. Le récepteur CD36, exprimé à la surface des macrophages, joue un rôle déterminant dans l’internalisation des lipoprotéines oxydées menant à la formation des cellules spumeuses dans l’espace sous endothélial, première étape du développement des lésions athérosclérotiques. Nous avons montré précédemment que les sécrétines de l’hormone de croissance sont des ligands du récepteur CD36 qui possèdent un site de liaison qui chevauche celui des lipoprotéines oxydées. Cependant, aucune étude n’avait rapporté les effets potentiels des ligands sélectifs du CD36 sur la progression des lésions athérosclérotiques et le métabolisme lipidique au niveau des macrophages. Ainsi, ce projet de doctorat visait à évaluer le potentiel anti-athérosclérotique du EP 80317, un ligand sélectif du CD36, et élucider les mécanismes à l’origine de ses effets sur le métabolisme et le transport des lipides au niveau des macrophages. À cette fin, des souris déficientes en apolipoprotéine E (apoE-/-), nourries avec une diète riche en lipides et en cholestérol, ont été traitées quotidiennement pendant 12 semaines avec le EP 80317, montrant un puissant effet anti-athérosclérotique associé à une réduction de 51% des lésions aortiques et de 30% du taux plasmatique de cholestérol total. Cette même étude a permis de montrer une réduction de l’internalisation des lipoprotéines oxydées ainsi qu’une augmentation de l’expression des gènes/protéines impliqués dans l’efflux du cholestérol au niveau des macrophages, comme le peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), liver x receptor α (LXRα) et les transporteurs ABCA1 et ABCG1, entraînant une réduction de la formation des cellules spumeuses. Ces observations nous ont conduits à élucider les mécanismes moléculaires engendrés par la liaison d’un ligand sélectif au récepteur CD36 dans les macrophages. Les études ont permis de montrer que les ligands du CD36 entraînent une augmentation de l’efflux du cholestérol vers les transporteurs ABCA1 et ABCG1 en augmentant l’expression protéique de la cyclooxygénase 2 (COX-2) consécutive à la phosphorylation de la MAP kinase ERK1/2. L’activation de COX-2 stimule la production intracellulaire de la prostaglandine 15d-PGJ2, cette dernière conduisant à l’activation du PPARγ. Finalement, une troisième étude nous a permis de mettre en évidence les effets du EP 80317 sur le transport inverse du cholestérol in vivo. L’injection de macrophages J774 radiomarqués avec du cholestérol tritié dans la cavité péritonéale de souris avec le EP 80317 nous a permis de montrer que le EP 80317 entraîne une réduction de la radioactivité retrouvée dans le foie tandis qu’il augmente celle retrouvée dans les fèces par comparaison aux souris contrôles, sans néanmoins modifier le profil plasmatique du radiotraceur entre les deux groupes. De plus, l’expression des gènes impliqués dans le transport du cholestérol au niveau intestinal comme le LXRα, ABCA1, ABCG5 ainsi que ABCG8 ont été régulés à la hausse par le EP 80317 tandis que l’expression de NPC1L1, un transporteur impliqué dans l’absorption du cholestérol, a été régulé à la baisse. Toutefois, les gènes impliqués dans le métabolisme du cholestérol au niveau du foie ne sont pas modulés par le EP 80317. En conclusion, les travaux effectués dans le cadre de cette thèse nous ont permis de montrer que l’activation du récepteur CD36 par le EP 80317 pourrait s’avérer être une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement de l’athérosclérose. Les effets anti-athérosclérotiques et hypocholestérolémiants des ligands synthétiques du récepteur CD36 sont en partie engendrés par 1) la régulation du métabolisme des lipides au niveau des macrophages en réponse à l’activation du PPARγ par son ligand endogène, le 15d-PGJ2 et 2) par une augmentation du transport inverse du cholestérol, particulièrement par une augmentation de l’efflux transintestinal.

Novel affinity pairs "tag-receptor" for the purification of fusion proteins

Fundação para a Ciência e Tecnologia - SFRH/BD/48804/2008 and the project PTDC/BI/65383/2006 assigned to Prof. Cecíla Roque and also to Associate Laboratory REQUIMTE (Pest-C/EQB/LA0006/2011)

A new selective peroxisome proliferator-activated receptor gamma antagonist with antiobesity and antidiabetic activity.

Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-gamma) plays a key role in adipocyte differentiation and insulin sensitivity. Its synthetic ligands, the thiazolidinediones (TZD), are used as insulin sensitizers in the treatment of type 2 diabetes. These compounds induce both adipocyte differentiation in cell culture models and promote weight gain in rodents and humans. Here, we report on the identification of a new synthetic PPARgamma antagonist, the phosphonophosphate SR-202, which inhibits both TZD-stimulated recruitment of the coactivator steroid receptor coactivator-1 and TZD-induced transcriptional activity of the receptor. In cell culture, SR-202 efficiently antagonizes hormone- and TZD-induced adipocyte differentiation. In vivo, decreasing PPARgamma activity, either by treatment with SR-202 or by invalidation of one allele of the PPARgamma gene, leads to a reduction of both high fat diet-induced adipocyte hypertrophy and insulin resistance. These effects are accompanied by a smaller size of the adipocytes and a reduction of TNFalpha and leptin secretion. Treatment with SR-202 also dramatically improves insulin sensitivity in the diabetic ob/ob mice. Thus, although we cannot exclude that its actions involve additional signaling mechanisms, SR-202 represents a new selective PPARgamma antagonist that is effective both in vitro and in vivo. Because it yields both antiobesity and antidiabetic effects, SR-202 may be a lead for new compounds to be used in the treatment of obesity and type 2 diabetes.

Molecular basis of selective PPARgamma modulation for the treatment of Type 2 diabetes.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) (alpha, beta/delta and gamma) are lipid sensors capable of adapting gene expression to integrate various lipid signals. As such, PPARs are also very important pharmaceutical targets, and specific synthetic ligands exist for the different isotypes and are either currently used or hold promises in the treatment of major metabolic disorders. In particular, compounds of the class of the thiazolinediones (TZDs) are PPARgamma agonists and potent insulin-sensitizers. The specific but still broad expression patterns of PPARgamma, as well as its implication in numerous pathways, constitutes also a disadvantage regarding drug administration, since this potentially increases the chance to generate side-effects through the activation of the receptor in tissues or cells not affected by the disease. Actually, numerous side effects associated with the administration of TZDs have been reported. Today, a new generation of PPARgamma modulators is being actively developed to activate the receptor more specifically, in a cell and time-dependent manner, in order to induce a specific subset of target genes only and modulate a restricted number of metabolic pathways. We will discuss here why and how the development of such selective PPARgamma modulators is possible, and summarize the results obtained with the published molecules.

International Union of Pharmacology. LXI. Peroxisome proliferator-activated receptors.

The three peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are ligand-activated transcription factors of the nuclear hormone receptor superfamily. They share a high degree of structural homology with all members of the superfamily, particularly in the DNA-binding domain and ligand- and cofactor-binding domain. Many cellular and systemic roles have been attributed to these receptors, reaching far beyond the stimulation of peroxisome proliferation in rodents after which they were initially named. PPARs exhibit broad, isotype-specific tissue expression patterns. PPARalpha is expressed at high levels in organs with significant catabolism of fatty acids. PPARbeta/delta has the broadest expression pattern, and the levels of expression in certain tissues depend on the extent of cell proliferation and differentiation. PPARgamma is expressed as two isoforms, of which PPARgamma2 is found at high levels in the adipose tissues, whereas PPARgamma1 has a broader expression pattern. Transcriptional regulation by PPARs requires heterodimerization with the retinoid X receptor (RXR). When activated by a ligand, the dimer modulates transcription via binding to a specific DNA sequence element called a peroxisome proliferator response element (PPRE) in the promoter region of target genes. A wide variety of natural or synthetic compounds was identified as PPAR ligands. Among the synthetic ligands, the lipid-lowering drugs, fibrates, and the insulin sensitizers, thiazolidinediones, are PPARalpha and PPARgamma agonists, respectively, which underscores the important role of PPARs as therapeutic targets. Transcriptional control by PPAR/RXR heterodimers also requires interaction with coregulator complexes. Thus, selective action of PPARs in vivo results from the interplay at a given time point between expression levels of each of the three PPAR and RXR isotypes, affinity for a specific promoter PPRE, and ligand and cofactor availabilities.

Peroxisome proliferator-activated receptor agonists.

The peroxisome proliferator-activated receptors are a family of three ligand-activated transcription factors. Fibrate antihyperlipidemic drugs and thiazolidinedione antihyperglycemic drugs were recently identified as synthetic ligands for these receptors. In addition, certain unsaturated fatty acids and eicosanoids were shown to bind the receptors, and thus represent naturally occurring PPAR ligands. The synthetic and natural ligands have proven to be powerful tools in dissecting the biology of these orphan receptors.

Évaluation de l'effet des antagonistes synthétiques du récepteur de chimiokine, CXCR4 sur CXCR7

Le récepteur de chimiokine CXCR7 a été récemment identifié comme liant la chimiokine SDF-1, anciennement considérée comme ligand exclusif du récepteur CXCR4. Ces deux récepteurs sont exprimés majoritairement dans les mêmes types cellulaires et, ainsi, la découverte de CXCR7 incite à réévaluer les effets respectifs de SDF-1 sur CXCR4. Étant donné son rôle dans le cancer, CXCR4 est une cible de choix pour le développement de molécules thérapeutiques. Également, CXCR7 semble être impliqué dans la croissance tumorale. AMD3100, un antagoniste «sélectif» pour CXCR4, est maintenant commercialisé. Cet antagoniste a été identifié comme liant lui aussi CXCR7. De plus, sur CXCR7, l’AMD3100 agit comme agoniste puisqu’il induit le recrutement de la β-arrestine, à l’opposé de son effet sur. En revanche, AMD3100 n’induit pas le recrutement de la β-arrestine à CXCR4. Basé sur ces résultats, il est nécessaire de revoir la sélectivité d’autres antagonistes synthétiques de CXCR4. À l’aide de la technique de BRET (Résonance d’un transfert d’énergie par bioluminescence), nos résultats montrent que le Tc14012, un autre antagoniste synthétique de CXCR4, et structurellement distinct de l’AMD3100, interagit avec CXCR7. Contrairement à CXCR4, les deux antagonistes de CXCR4 agissent comme agonistes sur CXCR7 en induisant le recrutement de la β-arrestine. Nos résultats suggèrent que l’organisation spatiale du corps du récepteur serait responsable de cet effet opposé. En conclusion, AMD3100 et Tc14012 ne sont pas sélectifs pour CXCR4, puisqu’ils interagissent avec CXCR7. Lors du développement de nouvelles molécules synthétiques ciblant CXCR4, il serait alors nécessaire d’en évaluer leur sélectivité, et leurs effets en les testant aussi sur CXCR7.

Le récepteur CD36 : implication dans le développement de l'athérosclérose et dans le recrutement des leucocytes aux sites inflammatoires

Le CD36 est un récepteur éboueur de classe B exprimé par plusieurs types cellulaires dont les macrophages et les cellules endothéliales de la microvasculature. Le CD36 présente une haute affinité de liaison pour les ligands lipidiques tels que les lipoprotéines oxydées de basse densité (LDLox). De part sa capacité à internaliser les LDLox au niveau des macrophages et de son implication dans la formation des cellules spumeuses, le CD36 joue un rôle critique dans le développement des lésions athérosclérotiques. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique sélectif du CD36, exerce des effets anti-athérosclérotiques chez les souris déficientes en apolipoprotéine E. Un traitement prolongé (12 semaines) avec le EP 80317 réduit fortement (de 51%) la surface des lésions athérosclérotiques par comparaison aux souris témoins. L'effet anti-athérosclérotique est associé à une diminution des taux de cholestérol plasmatique, à une réduction de l’internalisation des LDLox au niveau des macrophages et à une augmentation de l’expression des protéines impliquées dans le transport inverse du cholestérol. De plus, un traitement par le EP 80317 est également associé une diminution de l’expression aortique et plasmatique de protéines pro-inflammatoires. Nos études ont aussi montré un rôle pour le CD36 dans le recrutement des phagocytes mononucléés au niveau des lésions athérosclérotiques, tel que démontré par une réduction de l’accumulation des phagocytes mononucléés radiomarqués CD36–/– par rapport aux cellules CD36+/+. À l’échelle moléculaire, nous avons montré que les phospholipides oxydés induisent la phosphorylation de la kinase Pyk2 des podosomes des monocytes/macrophages de manière dépendante de l’expression du CD36 et de Src. Cette phosphorylation est atténuée par un traitement par le EP80317. Nos résultats appuient le rôle important du CD36 dans l’athérosclérose et suggèrent que les ligands synthétiques qui modulent la fonction du CD36 représentent potentiellement une nouvelle classe d'agents anti-athérosclérotiques. Le CD36 exprimé par les cellules endothéliales de la microvasculature est un récepteur de l’hétérodimère protéique S100A8/A9. Ces protéines s’associent à l’acide arachidonique intracellulaire (AA) des neutrophiles polymorphonucléaires (PMN) et le complexe S100A8/A9/AA peut être sécrété par les PMN activés au contact de l’endothélium. Nous avons vérifié l’hypothèse selon laquelle le CD36 exprimé par la microvasculature est impliqué dans le métabolisme transcellulaire de l’AA par la liaison du complexe S100A8/A9/AA et la réponse inflammatoire. Chez deux modèles murins d'inflammation aiguë (ischémie/reperfusion des membres inférieurs et poche d’air dorsale), nous avons observé que la réponse inflammatoire, notamment l’accumulation des PMN au niveau des sites inflammatoires, est diminuée en moyenne de 63% chez les souris CD36-/-. De même, un traitement par le EP 80317 ou par les anticorps anti-S100A8/A9 diminue chacun de 60% en moyenne l’extravasation des PMN vers les tissus inflammatoires. L’administration simultanée des deux traitements n’a aucun effet supplémentaire, et ces traitements n’exercent aucun effet chez les souris CD36-/-. Nos résultats appuient le rôle du récepteur CD36 de la microvasculature dans la régulation de la réponse inflammatoire. L’utilisation des ligands synthétiques du CD36 pourrait représenter une nouvelle avenue thérapeutique dans le traitement des réponses inflammatoires aiguës.

The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

Structural modeling of high-affinity thyroid receptor-ligand complexes

Understanding the molecular basis of the binding modes of natural and synthetic ligands to nuclear receptors is fundamental to our comprehension of the activation mechanism of this important class of hormone regulated transcription factors and to the development of new ligands. Thyroid hormone receptors (TR) are particularly important targets for pharmaceuticals development because TRs are associated with the regulation of metabolic rates, body weight, and circulating levels of cholesterol and triglycerides in humans. While several high-affinity ligands are known, structural information is only partially available. In this work we obtain structural models of several TR-ligand complexes with unknown structure by docking high affinity ligands to the receptors` ligand binding domain with subsequent relaxation by molecular dynamics simulations. The binding modes of these ligands are discussed providing novel insights into the development of TR ligands. The experimental binding free energies are reasonably well-reproduced from the proposed models using a simple linear interaction energy free-energy calculation scheme.

Gaining ligand selectivity in thyroid hormone receptors via entropy

Nuclear receptors are important targets for pharmaceuticals, but similarities between family members cause difficulties in obtaining highly selective compounds. Synthetic ligands that are selective for thyroid hormone (TH) receptor beta (TR beta) vs. TR alpha reduce cholesterol and fat without effects on heart rate; thus, it is important to understand TR beta-selective binding. Binding of 3 selective ligands (GC-1, KB141, and GC-24) is characterized at the atomic level; preferential binding depends on a nonconserved residue (Asn-331 beta) in the TR beta ligand-binding cavity (LBC), and GC-24 gains extra selectivity from insertion of a bulky side group into an extension of the LBC that only opens up with this ligand. Here we report that the natural TH 3,5,3`-triodothyroacetic acid (Triac) exhibits a previously unrecognized mechanism of TR beta selectivity. TR x-ray structures reveal better fit of ligand with the TR alpha LBC. The TR beta LBC, however, expands relative to TR alpha in the presence of Triac (549 angstrom(3) vs. 461 angstrom(3)), and molecular dynamics simulations reveal that water occupies the extra space. Increased solvation compensates for weaker interactions of ligand with TR beta and permits greater flexibility of the Triac carboxylate group in TR beta than in TR alpha. We propose that this effect results in lower entropic restraint and decreases free energy of interactions between Triac and TR beta, explaining subtype-selective binding. Similar effects could potentially be exploited in nuclear receptor drug design.