Adenosine (ADO) is an endogenous neuroprotectant. Under ischemic conditions ADO levels rise in the brain up to 100-fold. ADO in the brain is dependent on the movement across cell membranes by equilibrative nucleoside transporters (ENT) or produced from membrane bound ecto-5’ nucleotidase (eN). We used transgenic neurons with neuronal specific expression of human ENT1 (hENT1) and eN knockout (CD73 KO) astrocytes. The aim of this research was to determine the role of ENT1 and eN in ADO release from ischemic-like conditions in primary cultured neurons, astrocytes or co-cultures. Neurons primarily release intracellular ADO via ENTs; this effect was blocked by transporter inhibitor, dipyridamole (DPR). Astrocytes primarily convert ADO extracellularly from eN; this effect was with eN inhibitor α, β-methylene ADP (AOPCP). Combined neuron and KO astrocytes produced less ADO, extracellular ADO was inhibited by DPR but not AOPCP. Overall these results suggest that eN is prominent in the formation of ADO but other enzymes or pathways contribute to rising ADO levels in ischemic conditions.

Adenosine (ADO) is an endogenous neuroprotectant. Under ischemic conditions ADO levels rise in the brain up to 100-fold. ADO in the brain is dependent on the movement across cell membranes by equilibrative nucleoside transporters (ENT) or produced from membrane bound ecto-5’ nucleotidase (eN). We used transgenic neurons with neuronal specific expression of human ENT1 (hENT1) and eN knockout (CD73 KO) astrocytes. The aim of this research was to determine the role of ENT1 and eN in ADO release from ischemic-like conditions in primary cultured neurons, astrocytes or co-cultures. Neurons primarily release intracellular ADO via ENTs; this effect was blocked by transporter inhibitor, dipyridamole (DPR). Astrocytes primarily convert ADO extracellularly from eN; this effect was with eN inhibitor α, β-methylene ADP (AOPCP). Combined neuron and KO astrocytes produced less ADO, extracellular ADO was inhibited by DPR but not AOPCP. Overall these results suggest that eN is prominent in the formation of ADO but other enzymes or pathways contribute to rising ADO levels in ischemic conditions.

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Microglial cells, the resident macrophages of the central nervous system (CNS), exist in a process-bearing, ramified/surveying phenotype under resting conditions. Upon activation by cell-damaging factors, they get transformed into an amoeboid phenotype releasing various cell products including pro-inflammatory cytokines, chemokines, proteases, reactive oxygen/nitrogen species, and the excytotoxic ATP and glutamate. In addition, they engulf pathogenic bacteria or cell debris and phagocytose them. However, already resting/surveying microglia have a number of important physiological functions in the CNS; for example, they shield small disruptions of the blood–brain barrier by their processes, dynamically interact with synaptic structures, and clear surplus synapses during development. In neurodegenerative illnesses, they aggravate the original disease by a microglia-based compulsory neuroinflammatory reaction. Therefore, the blockade of this reaction improves the outcome of Alzheimer’s Disease, Parkinson’s Disease, multiple sclerosis, amyotrophic lateral sclerosis, etc. The function of microglia is regulated by a whole array of purinergic receptors classified as P2Y12, P2Y6, P2Y4, P2X4, P2X7, A2A, and A3, as targets of endogenous ATP, ADP, or adenosine. ATP is sequentially degraded by the ecto-nucleotidases and 5′-nucleotidase enzymes to the almost inactive inosine as an end product. The appropriate selective agonists/antagonists for purinergic receptors as well as the respective enzyme inhibitors may profoundly interfere with microglial functions and reconstitute the homeostasis of the CNS disturbed by neuroinflammation.

CD73 est un ecto-enzyme qui a été associé à la suppression de l'immunité anti-tumorale. Ses valeurs pronostiques et thérapeutiques ont été mises de l'avant dans plusieurs types de cancer. La première hypothèse du projet est que l'expression de CD73 dans la tumeur prédit le pronostic des patients atteints du cancer de la prostate. L'expression de CD73 a été étudiée par immunofluorescence dans des échantillons de tumeur. Puis, des analyses univariées et multivariées ont été conduites pour déterminer si l'expression de CD73 permet de prédire la récidive biochimique des patients. Nous avons déterminé que CD73 prédit indépendamment le pronostic des patients atteints du cancer de la prostate. De plus, nous avons déterminé que son expression dans le tissu normal adjacent ou dans la tumeur prédit différemment la survenue de la récidive biochimique. La deuxième hypothèse est que l'inhibition de CD73 permet d'améliorer l'efficacité d'un vaccin thérapeutique contre le cancer de la prostate. L'effet d'un vaccin de type GVAX a été étudié dans des souris CD73KO ou en combinaison avec un anticorps ciblant CD73. Nous avons observé que l'efficacité du vaccin était augmentée dans les souris où CD73 était absent. Cependant, la combinaison avec l'anti-CD73 n'a pas permis d'améliorer l'efficacité. / The ectoenzyme CD73 has been associated with suppression of anti-tumor immunity. Its prognostic and therapeutic values have been highlighted in many types of cancer. The first hypothesis of this project is that tumor CD73 expression predicts the prognosis of prostate cancer patients. CD73 expression was determined by immunofluorescence in tumor tissues. Univariates and multivariates analysis were conducted to determine if CD73 expression could predict patients' biochemical recurrence. We determined that CD73 predicts independently the prognosis of prostate cancer patients. Moreover, we determined that CD73 expression in normal adjacent tissue or in the tumor predicts differently the occurrence of biochemical recurrence. The second hypothesis is that CD73 blockade enhances the efficacy of a therapeutic vaccine against prostate cancer. The GVAX-like vaccine was studied in CD73KO mice or in combination with an antibody against CD73. We observed that the vaccine was more efficient in mice where CD73 was absent. However, the combination with the anti-CD73 did not enhances the efficacy of the vaccine.

Le cancer représente l'un des problèmes majeurs en santé publique. Jusqu'à présent, en parallèle de l'intervention chirurgical, plusieurs traitements ont été mis au point et largement utilisés en thérapie clinique telles que les chimiothérapies. Cependant, leur efficacité est parfois limitée et couplée à des effets secondaires très néfastes, laissant les patients dans une impasse thérapeutique. Par conséquent, de nouvelles approches thérapeutiques doivent être développées sur de nouvelles cibles avérées en oncologie afin d'apporter des soins personnalisés aux patients. La première partie de mon travail de thèse a été dédiée à la compréhension des mécanismes moléculaires de la nucléotidase cytosolique de type II (cN-II), une enzyme du métabolisme des purines dont l'implication dans des phénomènes de résistance à des traitements anticancéreux a pu être démontrée. Aussi, une étude sur la cinétique enzymatique à l'état pré-stationnaire et stationnaire a été entreprise sur la forme sauvage et une forme mutée de l'enzyme lui conférant une activité accrue fortement impliquée dans les cas de résistance. Par cette approche, il a été possible de décortiquer le mécanisme cinétique, de définir l'étape cinétiquement limitant afin d'identifier les intermédiaires prépondérants de la réaction pouvant être ciblés pour le développement de nouveaux inhibiteurs. Cette étude cinétique est présentée dans ce premier volet de la thèse. En second lieu, mon travail s'est focalisée sur un second membre de cette famille d'enzyme qui est l'ecto-5'-nucléotidase (CD73). Cette enzyme exprimée sous forme dimérique à la surface extracellulaire régule la concentration en adénosine extracellulaire (par hydrolyse de l'adénosine monophosphate), ce dernier étant un puissant immunosuppresseur de la réponse immune anticancéreuse. L'objectif de mon travail de thèse a été de développer de nouveaux inhibiteurs de type allostérique en utilisant une approche basée sur la structure tridimensionnelle et la dynamique moléculaire. Une des étapes clés a été tout d'abord de mettre au point un système expression hétérologue afin d'obtenir l'enzyme recombinante en quantité suffisante pour les études enzymatiques ultérieures. Différents systèmes d'expression ont été testés et seul le système en cellules d'insecte infectées par le baculovirus a permis d'obtenir l'enzyme active en grande quantité. En parallèle, une étude in silico a permis de reproduire la dynamique fonctionnelle de l'enzyme requise pour sa fonction. A partir de ses données, un criblage virtuel d'une chimiothèque de 324 000 molécules a été réalisé sur le site de dimérisation et a permis d'identifier 33 composés chefs de files. Parmi, ces composés, dix molécules se sont avérés être de puissants inhibiteurs de CD73 (Ki < 1 µM) avec un mécanisme d'inhibition de type allostérique ou non-compétitif. La cytotoxicité des composés a été évaluée sur des lignées cellulaires transformées ou tumorales montrant un effet uniquement à des concentrations très élevées (supérieures à 100 µM). L'étude des relations structure-fonction devrait permettre à présent de proposer de voies d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité des composés les plus actifs afin d'aboutir à de nouveaux candidats médicaments. / Cancer burden still remains a major worldwide health problem. To date, several types of conventional anticancer treatments are widely used in clinical. However, the alternative effects of these treatments often leave patients impaired. Therefore, it is required to understand the unique medical needs of individual patients and to conduct effective, high–quality research focusing on the not yet identified oncotargets.The first part of my thesis is dedicated to decipher molecular basis of cN-II reaction. This study characterizes the steady state and transient state kinetics of cN-II wild type and hyperactive mutant which involved in cancer treatment resistance. Furthermore, the characterization of the rate-limiting step and reaction intermediates gave insights into the binding mechanisms and the development of small molecules inhibitors of cN-II.In the second part of this work, we aimed to investigate allosteric inhibitors of CD73 using structure-based drug design approach. In this study the suitable protein expression system was established for the production of sufficient quantities of fully active CD73. This work followed by in silico studies, including molecular dynamics, virtual screening, and hits identification and in vitro hits validations and kinetics characterizations. The cytotoxicity of the most powerful inhibitors exhibited on different cell types was determined. SAR studies gave insights into the binding mode of best compounds and function.

Les fonctions immunitaires déclinent au cours du vieillissement, un phénomène qui pourrait être lié à l'accumulation de cellules sénescentes dans les tissus. La sénescence est un état irréversible d'arrêt de croissance qui s'engage principalement en réponse à des dommages irréparables de l'ADN. Les cellules sénescentes ont un phénotype sécrétoire pro-inflammatoire (SASP) qui affecte les tissus voisins. CD73 est une enzyme qui travaille en collaboration avec CD39 pour produire de l’adénosine à partir d‘adénosine triphosphate (ATP). Il a été démontré que des concentrations plus élevées d'adénosine dans un microenvironnement tumoral nuisent aux fonctions des cellules immunitaires. L'objectif de ce projet est de déterminer si les fibroblastes sénescents ont la capacité d'induire l'expression de CD39/CD73 à la surface des cellules tueuses naturelles (NK) et d'inhiber la réponse immunitaire antitumorale. Nos résultats montrent que les cellules NK-92, NKAES (cellules tueuses naturelles amplifiées) et les cellules NK primaires expriment des niveaux plus élevés de CD39/CD73 lorsqu'elles sont cultivées avec des fibroblastes sénescents. De plus, nous avons observé que le marqueur CD73 est aussi augmenté dans les fibroblastes sénescents. L'augmentation était cependant plus prononcée lorsque la sénescence était induite en raison de la surexpression de l’oncogène hRASv12 plutôt que suite à l'exposition à des radiations ionisantes. En outre, la cytotoxicité des cellules NK diminue lorsque celles-ci sont exposées à un environnement sénescent et lorsqu'on traite les cellules avec 2-Chloro Adénosine (CADO), un analogue de l'adénosine. Nous supposons que l'augmentation de l'expression de CD39/CD73 conduira à une production accrue d'adenosine, créant ainsi un environnement immunosuppressif. La caractérisation de l'impact de la sénescence cellulaire sur les fonctions des cellules NK pourrait donner un aperçu du développement de stratégies visant à augmenter la capacité du système immunitaire à éliminer les cellules tumorales, améliorant potentiellement les résultats du traitement du cancer. / Immune functions decline during aging, a phenomenon that may be linked to the accumulation of senescent cells in tissues. Senescence is an irreversible state of cell growth arrest often in response to irreparable DNA damage. Senescent cells have a proinflammatory secretory phenotype (SASP) that affects nearby tissues. CD73 is an enzyme that works in collaboration with CD39 to produce adenosine from adenosine triphosphate (ATP). Higher concentrations of adenosine in a tumor microenvironment were shown to impair immune cell functions. The objective of this project is to determine whether senescent fibroblasts have the ability to induce CD39/CD73 expression at the surface of natural killer (NK) cells and inhibit the antitumoral immune response. Our results show that NK-92, NKAES and primary NK cells express higher levels of CD39/CD73 when grown in co-culture with senescent fibroblasts. Similarly, we also observed that the CD73 marker is increased in senescent fibroblasts. The effect was, however, more pronounced when fibroblasts were induced to senesce because of the overexpression of oncogenic hRASv12 compared to when induced to senesce following exposure to ionizing radiation. In addition, the cytotoxicity of NK cells decreases when NK cells are exposed to a senescent environment and when treated with 2- Chloroadenosine (CADO), an analog of adenosine. We hypothesize that increased CD39/CD73 expression will lead to an increased production of adenosine creating an immunosuppressive environment. Characterization of the impact of cellular senescence on the function of NK cells could provide insights into the development of strategies to increase the ability of the immune system to eliminate tumor cells, potentially improving cancer treatment outcomes.

Introduction: Le mélanome est le type de cancer de la peau le plus fréquent et les métastases du système nerveux central en sont une complication fréquente et grave. Les cellules de mélanome interagissent avec une grande variété de types de cellules dans le microenvironnement tumoral (MET), ce qui peut entraîner des effets pro- ou antitumoral. Plusieurs voies immunosuppressives ont été récemment découvertes comme des cibles médicamenteuses prometteuses, notamment la voie de l'adénosine. L'adénosine extracellulaire s'accumule dans le MET suite à l'hydrolyse de l'ATP par les ectonucléotidases CD39 et CD73. Les principaux régulateurs de la voie de l'adénosine sont CD39, CD73, et les récepteurs A2a et A2b. Matériel et Méthodes: Pour caractériser spatialement le MET des métastases cérébrales du mélanome (MCM), nous avons quantifié l'expression de 35 marqueurs protéiques à l'aide du time of flight (CyTOF) Imaging Mass Cytometry (IMC) dans 21 MCM, et segmenté et classé plus de 130 000 cellules. Ensuite, pour évaluer les effets du ciblage du récepteur A2b et du CD73 dans la voie de l'adénosine sur le développement du mélanome, nous avons utilisé les tests de prolifération IncuCyte et MTS pour évaluer la prolifération des cellules de mélanome. Résultats: Dans notre ensemble de données, les caractéristiques immunitaires du MET étaient hétérogènes dans tous les échantillons et le type de cellule le plus courant après les cellules cancéreuses du mélanome était les macrophages dérivés de la moelle osseuse (MDMO). Les échantillons à propagation leptoméningée avaient significativement moins de neutrophiles, de MDMO de type M1, d'autres cellules T et plus de cellules cancéreuses dans leur microenvironnement. Nous avons observé que la stimulation du récepteur A2b a un effet antiprolifératif sur les cellules cancéreuses du mélanome. Conclusion: Cette recherche met en évidence le rôle du MET dans la progression du mélanome et l'importance du MET comme base pour le développement de nouvelles thérapies pour les patients atteints de cancer. / Background: Melanoma is the most frequent type of skin cancer and metastasis to the central nervous system is a common and serious complication of it. Melanoma cells interact with a wide variety of cell types in the tumor microenvironment (TME) which can lead to tumor-promoting or tumor suppressive effects. Several immunosuppressive pathways have emerged as promising drug targets, including the adenosine pathway. The extracellular adenosine accumulates in the TME as the result of ATP hydrolysis by the ectonucleotidases CD39 and CD73. Key regulators of the adenosine pathway are CD39, CD73, A2a and A2b receptor. Methods: To spatially characterize the TME of melanoma brain metastases (MBM), we quantified the expression of 35 protein markers using time of flight (CyTOF) Imaging Mass Cytometry (IMC) in 21 MBMs, and segmented and classified over 130 000 cells. Then, to evaluate the effects of targeting the A2b receptor and CD73 in the adenosine pathway on the development of melanoma, we used the IncuCyte and MTS proliferation assays to assess the proliferation of melanoma cells. Results: In our dataset, the immune landscape of the TME was heterogeneous across all samples and the most common cell type after melanoma cancer cells were bone marrow derived macrophages (BMDM). Samples with leptomeningeal spread had significantly less neutrophils, M1-like BMDM, T other cells and more cancer cells in their microenvironment. We observed that stimulation of the A2b receptor has an antiproliferative effect on melanoma cancer cells. Conclusion: This research highlights the role of the TME in the progression of melanoma and the importance of the TME as grounds for development of new therapies for cancer patients.

Multipotent mesenchymal stem cells (MSCs), found in many adult tissues, may be useful for regenerative medicine applications. Their identification and purification have been difficult due to their low frequency and lack of unambiguous markers. Using a magnetic micro-beads negative selection technique to remove contaminating hematopoietic cells from mouse bone marrow stromal cells (BMSCs), our lab recently isolated a highly purified osteoprogenitor (HipOp) population that was also enriched for other mesenchymal precursors, including MSCs (Itoh and Aubin, 2009). To further enhance enrichment, we positively selected BMSCs and HipOps for CD73, a putative MSC marker, which resulted in no significant additional enrichment for osteoprogenitors when the population was tested in vitro. However, we also found that HipOps were enriched in vascular endothelial cells, and that removing these cells by further negative selection with CD31/PECAM resulted in a CD31(-) HipOp population with higher osteogenic capacity than HipOps in vitro and in vivo.

Multipotent mesenchymal stem cells (MSCs), found in many adult tissues, may be useful for regenerative medicine applications. Their identification and purification have been difficult due to their low frequency and lack of unambiguous markers. Using a magnetic micro-beads negative selection technique to remove contaminating hematopoietic cells from mouse bone marrow stromal cells (BMSCs), our lab recently isolated a highly purified osteoprogenitor (HipOp) population that was also enriched for other mesenchymal precursors, including MSCs (Itoh and Aubin, 2009). To further enhance enrichment, we positively selected BMSCs and HipOps for CD73, a putative MSC marker, which resulted in no significant additional enrichment for osteoprogenitors when the population was tested in vitro. However, we also found that HipOps were enriched in vascular endothelial cells, and that removing these cells by further negative selection with CD31/PECAM resulted in a CD31(-) HipOp population with higher osteogenic capacity than HipOps in vitro and in vivo.