Increased IGF-II protein affects p57kip2 expression in vivo and in vitro: Implications for Beckwith–Wiedemann syndrome

In both human and mouse, the Igf2 gene, localized on chromosomes 11 and 7, respectively, is expressed from the paternally inherited chromosome in the majority of tissues. Insulin-like growth factor-II (IGF-II) plays an important role in embryonic growth, and aberrant IGF2 expression has been documented in several human pathologies, such as Beckwith–Wiedemann syndrome (BWS), and a wide variety of tumors. Human and mouse genetic data strongly implicate another gene, CDKN1C (p57kip2), located in the same imprinted gene cluster on human chromosome II, in BWS. p57KIP2 is a cyclin-dependent kinase inhibitor and is required for normal mouse embryonic development. Mutations in CDKN1C (p57kip2) have been identified in a small proportion of patients with BWS, and removal of the gene from mice by targeted mutagenesis produces a phenotype with elements in common with this overgrowth syndrome. Patients with BWS with biallelic expression of IGF2 or with a CDKN1C (p57kip2) mutation, as well as overlapping phenotypes observed in two types of mutant mice, the p57kip2 knockout and IGF-II-overexpressing mice, strongly suggest that the genes may act in a common pathway of growth control in situations where Igf2 expression is abnormal. Herein, we show that p57kip2 expression is reduced on IGF-II treatment of primary embryo fibroblasts in a dose-dependent manner. In addition, p57kip2 expression is down-regulated in mice with high serum levels of IGF-II. These data suggest that the effects of increased IGF-II in BWS may, in part, be mediated through a decrease in p57kip2 gene expression.

Imprinting of the gene encoding a human cyclin-dependent kinase inhibitor, p57KIP2, on chromosome 11p15.

Parental origin-specific alterations of chromosome 11p15 in human cancer suggest the involvement of one or more maternally expressed imprinted genes involved in embryonal tumor suppression and the cancer-predisposing Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS). The gene encoding cyclin-dependent kinase inhibitor p57KIP2, whose overexpression causes G1 phase arrest, was recently cloned and mapped to this band. We find that the p57KIP2 gene is imprinted, with preferential expression of the maternal allele. However, the imprint is not absolute, as the paternal allele is also expressed at low levels in most tissues, and at levels comparable to the maternal allele in fetal brain and some embryonal tumors. The biochemical function, chromosomal location, and imprinting of the p57KIP2 gene match the properties predicted for a tumor suppressor gene at 11p15.5. However, as the p57KIP2 gene is 500 kb centromeric to the gene encoding insulin-like growth factor 2, it is likely to be part of a large domain containing other imprinted genes. Thus, loss of heterozygosity or loss of imprinting might simultaneously affect several genes at this locus that together contribute to tumor and/or growth- suppressing functions that are disrupted in BWS and embryonal tumors.

Role of cell cycle regulators in development of the inner ear

The inner ear originates from an ectodermal thickening called the otic placode. The otic placode invaginates and closes to an otic vesicle, the otocyst. The otocyst epithelium undergoes morphogenetic changes and cell differentiation, leading to the formation of the labyrinth-like mature inner ear. Epithelial-mesenchymal interactions control inner ear morphogenesis, but the modes and molecules are largely unresolved. The expressions of negative cell cycle regulators in the epithelium of the early-developing inner ear have also not been elucidated. The mature inner ear comprises the hearing (cochlea) and balance (vestibular) organs that contain the nonsensory and sensory cells. In mammals, the inner ear sensory cells, called hair cells, exit the cell cycle during embryogenesis and are mitotically quiescent during late-embryonic differentiation stages and postnatally. The mechanisms that maintain this hair cell quiescense are largely unresolved. In this work I examined 1) the epithelial-mesenchymal interactions involved in inner ear morphogenesis, 2) expression of negative cell cycle regulators in the epithelium of the early developing inner ear and 3) the molecular mechanisms that maintain the postmitotic state of inner ear sensory cells. We observed that during otocyst stages, epithelial fibroblast growth factor 9 (Fgf9) communicates with the surrounding mesenchyme, where its receptors are expressed. Fgf9 inactivation leads to reduced proliferation of the surrounding vestibular mesenchyme and to the absence of semicircular canals. Semicircular canal development is blocked, since fusion plates do not form. These results show that the mesenchyme directs fusion plate formation and give direct evidence for the existence of reciprocal epithelial-mesenchymal interactions in the developing inner ear. Cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs) are negative regulators of proliferation. We show that the members of the Cip/Kip family of CKIs (p21Cip1, p27Kip1 and p57Kip2) are expressed in the early-developing inner ear. Our expression data suggest that CKIs divide the otic epithelium into proliferative and nonproliferative compartments that may underlie shaping of the otocyst. At later stages, CKIs regulate proliferation of the vestibular appendages, and this may regulate their continual growth. In addition to restricting proliferation, CKIs may play a role in regional differentiation of various epithelial cells. Differentiating and adult inner ear hair cells are postmitotic and do not proliferate in response to serum or mitogenic growth factors. In our study, we show that this is the result of the activity of negative cell cycle regulators. Based on expression profiles, we first focused on the retinoblastoma (Rb) gene, which functions downstream of the CKIs. Analysis of the inner ear phenotype of Rb mutant mice show, that the retinoblastoma protein regulates the postmitotic state of hair cells. Rb inactivation leads to hyperplasia of vestibular and cochlear sensory epithelia that is a result of abnormal cell cycle entry of differentiated hair cells and of delayed cell cycle exit of the hair cell precursor cells. In addition, we show that p21Cip1 and p19Ink4d cooperate in maintaining the postmitotic state of postnatal auditory hair cells. Whereas inactivation of p19Ink4d alone leads to low-level S-phase entry (Chen et al., 2003) and p21Cip1 null mutant mice have a normal inner ear phenotype, codeletion of p19Ink4d and p21Cip1 triggers high-level S-phase entry of auditory hair cells during early postnatal life, which leads to supernumerary hair cells. The ectopic hair cells undergo apoptosis in all of the mutant mice studied, DNA damage being the immediate cause of this death. These findings demonstrate that the maintenance of the postmitotic state of hair cells is regulated by Rb and several CKIs, and that these cell cycle regulators are critical for the lifelong survival of hair cells. These data have implications for the future design of therapies to induce hair cell regrowth.

Modèles murins de prééclampsie et effets préventifs de l’entraînement physique

La prééclampsie est la première cause de mortalité et de morbidité périnatale et aucun traitement, mis à part l’accouchement, n’est connu à ce jour. Pour mieux comprendre cette maladie, nous avons utilisé trois modèles animaux. Dans un premier temps, nous avons voulu confirmer la présence de prééclampsie chez les souris déficientes en p57kip2, une protéine impliquée dans le cycle cellulaire des trophoblastes. Contrairement au groupe japonais, l’hypertension et la protéinurie au cours de la gestation ne survenaient pas, malgré une perte de structure des trophoblastes dans le labyrinthe ainsi qu’une microcalcification au niveau de leurs placentas. Nous avons alors observé que la diète japonaise induisait à elle seule une diminution de la croissance fœtale, ainsi qu’une dysfonction endothéliale chez ces souris. Nos résultats démontrent que ni les altérations placentaires, ni la génétique ne sont suffisantes pour induire les symptômes de la prééclampsie dans ce modèle, et que la diète peut avoir des effets délétères chez la souris gestante peu importe le génotype. Ensuite, nous avons démontré que les souris hypertendues surexprimant la rénine et l’angiotensinogène humaine développent de la protéinurie et une augmentation de la pression artérielle au cours de la gestation. Leurs placentas sont affectés par de la nécrose et une perte de structure des trophoblastes du labyrinthe en plus de surexprimer le gène du récepteur sFlt-1. Ces souris représentent le premier modèle animal de prééclampsie superposée à de l’hypertension chronique. Finalement, en utilisant des femelles normotendues surexprimant l’angiotensinogène humaine qui développent les symptômes de la prééclampsie lorsqu’elles sont accouplées à des mâles qui surexpriment la rénine humaine, nous avons établi que l’entraînement physique normalisait la hausse de pression ainsi que l’apparition de protéinurie en fin de gestation. Aussi, l'entraînement améliorait la croissance fœtale et placentaire ainsi que la réponse vasculaire indépendante de l’endothélium, et ce, indépendamment du génotype des souris. La présence d’une prolifération exagérée et désorganisée des trophoblastes dans ce modèle était aussi normalisée. L’entraînement physique prévient donc l’apparition des symptômes de la prééclampsie dans ce modèle. Mis ensemble, nos résultats aideront à mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la prééclampsie et de sa prévention.

Étude du rôle de Pax6 dans la gliogenèse

Les astrocytes sont des cellules gliales présentes dans le système nerveux central, qui exercent de nombreuses fonctions physiologiques essentielles et sont impliquées dans la réponse aux lésions et dans plusieurs pathologies du cerveau. Les astrocytes sont générés par les cellules de la glie radiale, les précurseurs communs de la plupart des cellules neuronales et gliales du cerveau, après le début de la production des neurones. Le passage de la neurogenèse à la gliogenèse est le résultat de mécanismes moléculaires complexes induits par des signaux intrinsèques et extrinsèques responsables du changement de propriété des précurseurs et de leur spécification. Le gène Pax6 code pour un facteur de transcription hautement conservé, impliqué dans plusieurs aspects du développement du système nerveux central, tels que la régionalisation et la neurogenèse. Il est exprimé à partir des stades les plus précoces dans les cellules neuroépithéliales (les cellules souches neurales) et dans la glie radiale, dérivant de la différenciation de ces cellules. L’objectif de cette étude est d’analyser le rôle de Pax6 dans la différenciation et dans le développement des astrocytes. À travers l’utilisation d’un modèle murin mutant nul pour Pax6, nous avons obtenu des résultats suggérant que la suppression de ce gène cause l'augmentation de la prolifération et de la capacité d'auto-renouvellement des cellules souches neurales embryonnaires. In vitro, les cellules mutantes prolifèrent de façon aberrante et sous-expriment les gènes p57Kip2, p16Ink4a, p19Arf et p21Cip1, qui inhibent la progression du le cycle cellulaire. De plus, Pax6 promeut la différenciation astrocytaire des cellules souches neurales embryonnaires et est requis pour la différenciation des astrocytes dans la moëlle épinière. Les mutants nuls pour Pax6 meurent après la naissance à cause de graves défauts développementaux dus aux fonctions essentielles de ce gène dans le développement embryonnaire de plusieurs organes. En utilisant un modèle murin conditionnel basé sur le système CRE/ loxP (hGFAP-CRE/ Pax6flox/flox) qui présente l’inactivation de Pax6 dans les cellules de la glie radiale, viable après la naissance, nous avons montré que Pax6 est impliqué dans la maturation et dans le développement post-natal des astrocytes. Le cortex cérébral des souris mutantes conditionnelles ne présente pas d’astrocytes matures à l’âge de 16 jours et une très faible quantité d’astrocytes immatures à l’âge de trois mois, suggérant que Pax6 promeut la différenciation et la maturation des astrocytes. De plus, Pax6 semble jouer un rôle même dans le processus de différenciation et de maturation de cellules gliales rétiniennes. L’étude des gènes et des mécanismes moléculaires impliqués dans la génération des astrocytes est crucial pour mieux comprendre le rôle physiologique et les altérations pathologiques des ces cellules.

Role of Notch signalling in human hepatocellular carcinoma

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

Transforming growth factor β targeted inactivation of cyclin E:cyclin-dependent kinase 2 (Cdk2) complexes by inhibition of Cdk2 activating kinase activity

Transforming growth factor β (TGF-β)-mediated G1 arrest previously has been shown to specifically target inactivation of cyclin D:cyclin-dependent kinase (Cdk) 4/6 complexes. We report here that TGF-β-treated human HepG2 hepatocellular carcinoma cells arrest in G1, but retain continued cyclin D:Cdk4/6 activity and active, hypophosphorylated retinoblastoma tumor suppressor protein. Consistent with this observation, TGF-β-treated cells failed to induce p15INK4b, down-regulate CDC25A, or increase levels of p21CIP1, p27KIP1, and p57KIP2. However, TGF-β treatment resulted in the specific inactivation of cyclin E:Cdk2 complexes caused by absence of the activating Thr160 phosphorylation on Cdk2. Whole-cell lysates from TGF-β-treated cells showed inhibition of Cdk2 Thr160 Cdk activating kinase (CAK) activity; however, cyclin H:Cdk7 activity, a previously assumed mammalian CAK, was not altered. Saccharomyces cerevisiae contains a genetically and biochemically proven CAK gene, CAK1, that encodes a monomeric 44-kDa Cak1p protein unrelated to Cdk7. Anti-Cak1p antibodies cross-reacted with a 45-kDa human protein with CAK activity that was specifically down-regulated in response to TGF-β treatment. Taken together, these observations demonstrate that TGF-β signaling mediates a G1 arrest in HepG2 cells by targeting Cdk2 CAK and suggests the presence of at least two mammalian CAKs: one specific for Cdk2 and one for Cdk4/6.

Human and Yeast Cdk-activating Kinases (CAKs) Display Distinct Substrate Specificities

Cell cycle progression is controlled by the sequential functions of cyclin-dependent kinases (cdks). Cdk activation requires phosphorylation of a key residue (on sites equivalent to Thr-160 in human cdk2) carried out by the cdk-activating kinase (CAK). Human CAK has been identified as a p40MO15/cyclin H/MAT1 complex that also functions as part of transcription factor IIH (TFIIH) where it phosphorylates multiple transcriptional components including the C-terminal domain (CTD) of the large subunit of RNA polymerase II. In contrast, CAK from budding yeast consists of a single polypeptide (Cak1p), is not a component of TFIIH, and lacks CTD kinase activity. Here we report that Cak1p and p40MO15 have strikingly different substrate specificities. Cak1p preferentially phosphorylated monomeric cdks, whereas p40MO15 preferentially phosphorylated cdk/cyclin complexes. Furthermore, p40MO15 only phosphorylated cdk6 bound to cyclin D3, whereas Cak1p recognized monomeric cdk6 and cdk6 bound to cyclin D1, D2, or D3. We also found that cdk inhibitors, including p21CIP1, p27KIP1, p57KIP2, p16INK4a, and p18INK4c, could block phosphorylation by p40MO15 but not phosphorylation by Cak1p. Our results demonstrate that although both Cak1p and p40MO15 activate cdks by phosphorylating the same residue, the structural mechanisms underlying the enzyme-substrate recognition differ greatly. Structural and physiological implications of these findings will be discussed.

The cyclin-dependent kinase inhibitor p27Kip1 induces N-terminal proteolytic cleavage of cyclin A

Progression through the cell cycle is regulated in part by the sequential activation and inactivation of cyclin-dependent kinases (CDKs). Many signals arrest the cell cycle through inhibition of CDKs by CDK inhibitors (CKIs). p27Kip1 (p27) was first identified as a CKI that binds and inhibits cyclin A/CDK2 and cyclin E/CDK2 complexes in G1. Here we report that p27 has an additional property, the ability to induce a proteolytic activity that cleaves cyclin A, yielding a truncated cyclin A lacking the mitotic destruction box. Other CKIs (p15Ink4b, p16Ink4a, p21Cip1, and p57Kip2) do not induce cleavage of cyclin A; other cyclins (cyclin B, D1, and E) are not cleaved by the p27-induced protease activity. The C-terminal half of p27, which is dispensable for its kinase inhibitory activity, is required to induce cleavage. Mechanistically, p27 does not appear to cause cleavage through direct interaction with cyclin/CDK complexes. Instead, it activates a latent protease that, once activated, does not require the continuing presence of p27. Mutation of cyclin A at R70 or R71, residues at or very close to the cleavage site, blocks cleavage. Noncleavable mutants are still recognized by the anaphase-promoting complex/cyclosome pathway responsible for ubiquitin-dependent proteolysis of mitotic cyclins, indicating that the p27-induced cleavage of cyclin A is part of a separate pathway. We refer to this protease as Tsap (pTwenty-seven- activated protease).

Multiple genetic loci within 11p15 defined by Beckwith-Wiedemann syndrome rearrangement breakpoints and subchromosomal transferable fragments.

Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS) involves fetal overgrowth and predisposition to a wide variety of embryonal tumors of childhood. We have previously found that BWS is genetically linked to 11p15 and that this same band shows loss of heterozygosity in the types of tumors to which children with BWS are susceptible. However, 11p15 contains > 20 megabases, and therefore, the BWS and tumor suppressor genes could be distinct. To determine the precise physical relationship between these loci, we isolated yeast artificial chromosomes, and cosmid libraries from them, within the region of loss of heterozygosity in embryonal tumors. Five germ-line balanced chromosomal rearrangement breakpoint sites from BWS patients, as well as a balanced chromosomal translocation breakpoint from a rhabdoid tumor, were isolated within a 295- to 320-kb cluster defined by a complete cosmid contig crossing these breakpoints. This breakpoint cluster terminated approximately 100 kb centromeric to the imprinted gene IGF2 and 100 kb telomeric to p57KIP2, an inhibitor of cyclin-dependent kinases, and was located within subchromosomal transferable fragments that suppressed the growth of embryonal tumor cells in genetic complementation experiments. We have identified 11 transcribed sequences in this BWS/tumor suppressor coincident region, one of which corresponded to p57KIP2. However, three additional BWS breakpoints were > 4 megabases centromeric to the other five breakpoints and were excluded from the tumor suppressor region defined by subchromosomal transferable fragments. Thus, multiple genetic loci define BWS and tumor suppression on 11p15.

Effects of exercise training on intrauterine growth restriction in an animal model

Résumé Selon l'OMS, la retard de croissance intra-utérine (RCIU; 10% en dessous du poids normal pendant la grossesse) affecte 5-10% des grossesses et est une cause principale de la morbidité et de la mortalité périnatales. Dans notre étude précédente sur un modèle de souris transgénique de prééclampsie (R+A+), nous avons constaté que l’entraînement physique (ExT) avant et pendant la grossesse réduisait la pression artérielle maternelle et empêchait la RCIU en améliorant le développement placentaire. Dans le cadre de mon projet, nous avons confirmé les bénifices de l’ExT dans un modèle de RCIU (souris déficiente en p57Kip2 (p57-/+). Ainsi, nous avons observé la présence de RCIU, d’une masse placentaire réduite, d’une augmentation de la pathologie placentaire ainsi qu’une plus petite taille des portées chez les souris p57-/+ sédentaire. L’ExT prévient la RCIU ainsi que tous les paramètres mentionnés ci-haut. Nous avons observé que l'expression du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire, un régulateur clé de l'angiogenèse lors de la croissance placentaire, était réduite dans le placenta des souris p57-/+ et normalisée par l’ExT. Nous avons également trouvé que l'expression en ARN dans le placenta de 2 facteurs inflammatoires (interleukine-1β et MCP-1) était augmenté chez les souris sédentaires p57-/+ alors que ceci n’était pas présent chez les souris entraînées, ce qui suggère que l'inflammation placentaire peut contribuer à la pathologie placentaire. Toutefois, contrairement aux souris R+A+, le système rénine-angiotensine placentaire chez les souris p57-/+ était normale et aucun effet de l’ExT a été observé. Ces résultats suggèrent que l’ExT prévient la RCIU en normalisant la pathologie placentaire, l’angiogenèse et l’inflammation placentaire.

Effects of exercise training on intrauterine growth restriction in an animal model

Résumé Selon l'OMS, la retard de croissance intra-utérine (RCIU; 10% en dessous du poids normal pendant la grossesse) affecte 5-10% des grossesses et est une cause principale de la morbidité et de la mortalité périnatales. Dans notre étude précédente sur un modèle de souris transgénique de prééclampsie (R+A+), nous avons constaté que l’entraînement physique (ExT) avant et pendant la grossesse réduisait la pression artérielle maternelle et empêchait la RCIU en améliorant le développement placentaire. Dans le cadre de mon projet, nous avons confirmé les bénifices de l’ExT dans un modèle de RCIU (souris déficiente en p57Kip2 (p57-/+). Ainsi, nous avons observé la présence de RCIU, d’une masse placentaire réduite, d’une augmentation de la pathologie placentaire ainsi qu’une plus petite taille des portées chez les souris p57-/+ sédentaire. L’ExT prévient la RCIU ainsi que tous les paramètres mentionnés ci-haut. Nous avons observé que l'expression du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire, un régulateur clé de l'angiogenèse lors de la croissance placentaire, était réduite dans le placenta des souris p57-/+ et normalisée par l’ExT. Nous avons également trouvé que l'expression en ARN dans le placenta de 2 facteurs inflammatoires (interleukine-1β et MCP-1) était augmenté chez les souris sédentaires p57-/+ alors que ceci n’était pas présent chez les souris entraînées, ce qui suggère que l'inflammation placentaire peut contribuer à la pathologie placentaire. Toutefois, contrairement aux souris R+A+, le système rénine-angiotensine placentaire chez les souris p57-/+ était normale et aucun effet de l’ExT a été observé. Ces résultats suggèrent que l’ExT prévient la RCIU en normalisant la pathologie placentaire, l’angiogenèse et l’inflammation placentaire.