Le fer est un oligo-élément nécessaire pour le fonctionnement normal de toutes les cellules de l'organisme et joue un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions biologiques. Cependant, le niveau de fer dans le corps doit être bien réglé, sinon la carence en fer entraine des divers états pathologiques tels que l'anémie et la diminution de l’immunité. D'autre part, une surcharge en fer potentialise la multiplication des germes, aggrave l’infection et la formation de radicaux libres ayant des effets toxiques sur les cellules et leurs composants, ce qui favorise les maladies cardio-vasculaires, l'inflammation et le cancer. L'hepcidine (HAMP), un régulateur négatif de l'absorption du fer, induit la dégradation de la ferroportine (FPN), le seul exportateur connu de fer ce qui réduit sa libération par les macrophages et inhibe son absorption gastro-intestinale. HAMP est synthétisé principalement par les hépatocytes, mais aussi par les macrophages. Cependant, il y a très peu de données sur la façon dont HAMP est régulé au niveau des macrophages. Plus récemment, nous avons constaté que l’induction de l’hepcidin dans le foie par le polysaccharide (LPS) est dépendante de la voie de signalisation médiée par « Toll-like receptor 4 » (TLR4). Grâce au TLR4, le LPS induit l'activation des macrophages qui sécrètent de nombreuses différentes cytokines inflammatoires, y compris Interleukine 6 (IL-6), responsable de l'expression de HAMP hépatique. Dans le premier chapitre de la présente étude, nous avons étudié la régulation de HAMP dans la lignée cellulaire macrophagique RAW264.7 et dans les macrophages péritonéaux murins stimulés par différents ligands des TLRs. Nous avons constaté que TLR2 et TLR4 par l'intermédiaire de la protéine adaptatrice « myeloid differentiation primary response gene 88 » (MyD88) activent l'expression de HAMP dans les cellules RAW264.7 et les macrophages péritonéaux sauvages murins, tandis que cette expression a été supprimée dans les macrophages isolés des souris TLR2-/-, TLR4-déficiente ou MyD88-/-. En outre, nous avons constaté que la production d'IL-6 par les cellules RAW264.7 stimulées avec du LPS a été renforcée par l’ajout des quantités élevées de fer dans le milieu de culture. Au cours de l’inflammation, le niveau de HAMP est fortement augmenté. Ainsi, lorsque l'inflammation persiste, l’expression de HAMP continue à être activée par des cytokines pro-inflammatoires conduisant à une hyposidérémie. Malgré que cette dernière soit considérée comme une défense de l'hôte pour priver les micro-organismes de fer, celle ci cause un développement d'anémies nommées anémies des maladies chroniques. Ainsi, dans le deuxième chapitre de la présente étude, nous avons étudié l'implication des TLRs et leurs protéines adaptatrices MyD88 et TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) dans le développement des hyposidérémies. En utilisant des souris déficientes en MyD88 et TRIF, nous avons montré que les voies de signalisations MyD88 et TRIF sont essentielles pour l’induction de HAMP par le LPS. Malgré l'absence de HAMP, les souris déficientes ont été capables de développer une hyposidérémie, mais la réponse des souris déficientes en MyD88 a été très légère, ce qui indique l'exigence de cette protéine pour assurer une réponse maximale au LPS. En outre, nous avons constaté que la signalisation MyD88 est nécessaire pour le stockage du fer au niveau de la rate, ainsi que l'induction de lipocaline 2 (LCN2), qui est une protéine impliquée dans la fixation du fer pour limiter la croissance bactérienne. Indépendamment de MyD88 ou TRIF, l'activation de TLR4 et TLR3 a conduit, au niveau de la rate, à une diminution rapide de l’expression de FPN et du « Human hemochromatosis protein » (HFE) qui est une protéine qui limite la séquestration du fer cellulaire à partir de la circulation. Cependant, malgré cette baisse d’expression, le manque de la signalisation MyD88 a altéré de manière significative la réponse hyposidérémique. En établissant le rôle des TLRs et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la diminution du taux du fer sérique au cours de la réponse inflammatoire, nous avons remarqué qu’en réponse au surcharge en fer les souris déficientes en MyD88 accumulent de manière significative plus de fer hépatique par rapport aux souris sauvages, et cela indépendamment des TLRs. Ainsi, dans le troisième chapitre de la présente étude, nous avons étudié le phénotype observé chez les souris déficientes en MyD88. Nous avons trouvé que l'expression de HAMP chez ces souris a été plus faible que celle des souris de type sauvage. Pour cela, nous avons exploré la signalisation à travers la voie du « Bone Morphogenetic Proteins 6 » (BMP6) qui est considérée comme étant la voie fondamentale de la régulation de HAMP en réponse aux concentrations du fer intracellulaires et extracellulaires et nous avons trouvé que l'expression protéique de Smad4, un régulateur positif de l'expression de HAMP, est significativement plus faible chez les souris MyD88-/- par rapport aux souris sauvages. En outre, on a montré que MyD88 interagit avec « mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 » (Smad4) et que cette interaction est essentielle pour l’induction de HAMP à travers la voie BMP6. En conclusion, notre étude montre que l'expression de HAMP dans les macrophages est régulée principalement par TLR2 et TLR4 à travers la voie MyD88 et que l'accumulation du fer dans les macrophages peut affecter les niveaux des cytokines pro-inflammatoires. En outre, nos analyses démontrent que le développement d’hyposidérémie en réponse au LPS se produit par l'intermédiaire d’un mécanisme dépendant de MyD88 qui est dissociée de la production de cytokines et de HAMP. En plus, nos recherches montrent que MyD88 est nécessaire pour l'expression de Smad4 et cela pour garantir une réponse optimale à travers la signalisation BMP6, conduisant ainsi à une expression adéquate de HAMP. Enfin, la protéine MyD88 joue un rôle crucial dans, la régulation de HAMP au niveau des macrophages, la diminution du taux du fer sérique en réponse au LPS et le maintien de l'homéostasie du fer. / Iron is an oligoelement necessary for normal functioning of all body cells and plays an essential role in many biological functions. However, the level of iron in the body must be well regulated, otherwise iron deficiency results in various pathological conditions such as anemia and decreased immunity. On the other hand, iron overload potentiates the multiplication of germs and infection worsens, and the formation of free radicals with toxic effects on cells and their components, thus promoting cardiovascular diseases, inflammation and cancer. Hepcidin (HAMP), a negative regulator of iron absorption, induces the degradation of the only known iron exporter ferroportin (FPN) resulting in the reduction of iron release by macrophages and in the inhibition of its gastrointestinal uptake. HAMP is synthesized mainly by hepatocytes but also by macrophages. However, there are very little data about how HAMP is regulated in macrophages. More recently, we found that HAMP induction in the liver by polysaccharide (LPS) is dependent on the signaling pathway mediated by Toll-like receptor 4 (TLR4). Through TLR4, LPS induces the activation of macrophages which will secrete many different inflammatory cytokines, including Interleukine 6 (IL-6), responsible of hepatic HAMP expression. In the first chapter of the present study, we investigated HAMP regulation in the RAW264.7 macrophage cell line and in murine peritoneal macrophages stimulated with different TLR ligands. We found that TLR2 and TLR4 signaling through the myeloid differentiation primary response gene 88 (MyD88) adaptor protein activate hepcidin expression in RAW264.7 cells and in wild-type murine peritoneal macrophages, while this expression was abolished in TLR2−/−, TLR4-deficient or MyD88−/− isolated macrophages. Moreover, we found that IL-6 production by RAW264.7 cells stimulated with LPS was enhanced by high amounts of iron present in the culture medium. During inflammation, the level of HAMP is greatly increased. Thus, when inflammation persists, HAMP expression continues to be activated by proinflammatory cytokines leading to hypoferremia. Despite that the latter is considered as host defence to deprive microorganisms of iron, this will cause the development of anemia of chronic disease. Thus, in the second chapter of the present study, we investigated the involvement of TLRs signaling through their adaptor proteins MyD88 and TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) in the development of hypoferremia. Using MyD88-deficient and TRIF-deficient mice, we show that MyD88 and TRIF signaling pathways are critical for HAMP up-regulation by LPS. Despite the lack of HAMP, both deficient mice were able to develop hypoferremia; however the response in MyD88 deficient mice was very mild, indicating the requirement of MyD88 adaptor protein for the acute hypoferremic response to LPS. Furthermore, we found that MyD88 signaling is required for iron sequestration in the spleen and the induction of lipocalin 2 (LCN2) which is a protein involved in iron sequestration that in turn limits bacterial growth. Independently of MyD88 or TRIF, the activation of TLR4 and TLR3 signaling resulted in rapid down-regulation of splenic FPN and the Human hemochromatosis protein (HFE) which is a protein that limit cellular iron uptake from the circulation. However, despite the latter down-regulation, the lack of MyD88 signaling significantly impaired the hypoferremic response. While establishing the role of TLRs signaling through MyD88 adaptor protein in the acute phase of hypoferemia, we noticed that MyD88-deficient mice accumulate significantly more iron in their livers than wild-type mice in response to iron loading, and this independently of TLRs. Thus, in this third chapter of the present study, we studied the phenotype observed in MyD88-deficient mice. We found that HAMP expression in MyD88-deficient mice was lower than wild-type mice. Regarding this result, we explored the Bone Morphogenetic Proteins 6 (BMP6) signaling which is considered to be the fundamental pathway regulating HAMP levels in response to intracellular and extracellular iron concentrations and we found by western blot that Smad4 expression is significantly lower in MyD88-/- mice when compared to wild-type mice. We further show that MyD88 interacts with the mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 (Smad4), a positive regulator of HAMP expression, and that this interaction is critical for HAMP induction through the Smad4 iron-sensing pathway. In conclusion, our study shows that HAMP expression in macrophages is regulated mainly through TLR2 and TLR4 receptors via the MyD88-dependent signaling pathway and that autocrine regulation of iron accumulation in macrophages by HAMP may affect the levels of proinflammatory cytokine production. Furthermore, our analysis shows that the development of hypoferremia during LPS response occur via a MyD88-dependent mechanism that is dissociated from peripheral cytokine production and hepatic HAMP induction. This work shows that MyD88 is required for Smad4 expression to guarantee an optimum response to BMP6 signaling, leading to adequate HAMP expression. Finally, the MyD88 adopter protein plays a crucial role in the regulation of HAMP expression by macrophages, the development of the hypoferremic response by LPS and the maintenance of iron homeostasis.

The Aryl hydrocarbon receptor (AhR) is a ligand-activated transcription factor and member of the basic helix-loop-helix Per/ARNT/Sim (bHLH/PAS) family of chemosensors and developmental regulators. As a member of the PAS domain family of transcription factors responsive to exogenous signals, the AhR exerts influence on many processes relating to cellular fate. The activation of AhR is widely associated with toxic endpoints related to dioxin exposure. However, the AhR also activates endogenous gene programs related to development, cellular growth, and differentiation. The AhR is able to bind a variety of ligands, leading to a wide range of biological outcomes. Recent reports have shown that the AhR can mediate tumor suppressive effects. As a ligand-activated transcription factor, the AhR has the potential to actuate a variety of transcriptional programs that are dependent on the AhR ligand. Our central hypothesis is that AhR ligands can be identified that are capable of initiating tumor suppressive functions of the AhR. We utilized complementary cell-based and in silico virtual screening approaches to identify potential AhR ligands. We developed homology models of the AhR ligand-binding domain (LBD) for virtual ligand screening (VLS) of small molecule libraries. This led to the identification of new AhR ligands 5,7- dihydroxyflavanone!and 5-hydroxy-7-methoxyflavone. Additional small molecule libraries were screened in parallel that led to identification of flutamide as a putative AhR ligand. Flutamide is clinically approved for the treatment of prostate cancer due to its ability to antagonize androgen receptor mediated transcription. We investigated the biological effects of flutamide in AhR positive cancer cells that do not express the androgen receptor and found that flutamide inhibited the growth of HepG2 cells. Suppression of AhR expression reversed the anti-proliferative effects of flutamide. We tested 15 structural analogs of flutamide, including the flutamide metabolite 2-hydroxyflutamide for activation of AhR transcriptional activity. Flutamide is unique in its ability to activate the AhR, and suppresses hepatoma cell growth. These data suggests that flutamide-induced AhR transcriptional activity is required to initiate the tumor suppressive effects. We examined changes in cell cycle checkpoint proteins after flutamide treatment and discovered increased expression of cell cycle inhibitory proteins p27[superscript Kip1] and p15[superscript INK]. We also found that transforming Growth Factor β1 (TGFβ1), which regulates both p27[superscript Kip1] and p15[superscript INK], is upregulated by flutamide. We demonstrate that TGFβ1 is upregulated by flutamide in an AhR-dependent manner and is required for suppression of proliferation by flutamide. We identify specific and unique transcriptional signatures of the AhR upon activation by flutamide, that are distinct from the potent AhR agonist 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). In summary, we characterize flutamide as an AhR ligand and demonstrate its AhR-dependent tumor suppressive effects in hepatoma cells. We provide the first direct evidence that AhR regulates TGFβ signaling in a ligand dependent manner. We demonstrate that the AhR-induced downstream transcriptional signature and subsequent biological effects are specific to the AhR ligand. Our studies have broad impact for characterizing the AhR as a new therapeutic target in hepatocellular carcinoma. / Graduation date: 2013 / Access restricted to the OSU Community at author's request from March 28, 2013 - March 28, 2015