Protein engineering and in vitro selection systems are powerful methods to generate binding proteins. In nature, antibodies are the primary affinity proteins and their usefulness has led to a widespread use both in basic and applied research. By means of combinatorial protein engineering and protein library technology, smaller antibody fragments or alternative non-immunoglobulin protein scaffolds can be engineered for various functions based on molecular recognition. In this thesis, a 46 amino acid small albumin-binding domain derived from streptococcal protein G was evaluated as a scaffold for the generation of affinity proteins. Using protein engineering, the albumin binding has been complemented with a new binding interface localized to the opposite surface of this three-helical bundle domain. By using in vitro selection from a combinatorial library, bispecific protein domains with ability to recognize several different target proteins were generated. In paper I, a bispecific albumin-binding domain was selected by phage display and utilized as a purification tag for highly efficient affinity purification of fusion proteins. The results in paper II show how protein engineering, in vitro display and multi-parameter fluorescence-activated cell sorting can be used to accomplish the challenging task of incorporating two high affinity binding-sites, for albumin and tumor necrosis factor-alpha, into this new bispecific protein scaffold. Moreover, the native ability of this domain to bind serum albumin provides a useful characteristic that can be used to extend the plasma half-lives of proteins fused to it or potentially of the domain itself. When combined with a second targeting ability, a new molecular format with potential use in therapeutic applications is provided. The engineered binding proteins generated against the epidermal growth factor receptors 2 and 3 in papers III and IV are aimed in this direction. Over-expression of these receptors is associated with the development and progression of various cancers, and both are well-validated targets for therapy. Small bispecific binding proteins based on the albumin-binding domain could potentially contribute to this field. The new alternative protein scaffold described in this thesis is one of the smallest structured affinity proteins reported. The bispecific nature, with an inherent ability of the same domain to bind to serum albumin, is unique for this scaffold. These non-immunoglobulin binding proteins may provide several advantages as compared to antibodies in several applications, particularly when a small size and an extended half-life are of key importance. / <p>QC 20121122</p>

La régulation de la transcription des gènes par les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ joue un rôle important dans la croissance cellulaire et dans le développement du cancer du sein. Une augmentation de l’expression de CXCR4 et de son ligand SDF-1/CXCL12 corrèle avec un phénotype plus agressif du cancer du sein. Ici, nous démontrons un mécanisme de boucle de régulation positive entre la signalisation de CXCR4/SDF-1 et l’activité transcriptionnelle des ERs dans des cellules cancéreuses mammaires. L’activité transcriptionnelle de ER et l’expression de gènes cibles de ER, dont SDF-1 lui-même, sont augmentées dans la lignée cancéreuse mammaire MCF-7 en réponse à SDF-1. Ces effets sont bloqués par l’anti-estrogène fulvestrant et par la délétion de CXCR4. Par ailleurs, l’expression des gènes et la prolifération des cellules cancéreuses mammaires MCF-7 en réponse à l’estrogène sont altérées par l’inhibition de CXCR4. La signalisation par les facteurs de croissance joue un rôle important dans le cancer du sein. La surexpression et la dérégulation de la signalisation par le récepteur à activité tyrosine kinase ErbB2 corrèlent avec un phénotype tumoral mammaire plus agressif et un moins bon pronostic. Cependant, comment la signalisation de ErbB2 et de CXCR4 sont fonctionnellement reliées dans la régulation de la réponse de ER dans les cellules cancéreuses mammaires n’est pas connue. Nous démontrons ici que CXCR4 régule négativement l’expression protéique de ErbB2 et de son partenaire d’interaction ErbB3 ainsi que la phosphorylation de ErbB2. CXCR4 altère l’activation de la voie PI3-K/Akt par le dimère ErbB2/ErbB3 en réponse à héréguline alors qu’en présence de SDF-1, les niveaux d’activation sont récupérés. Nous avons trouvé que héréguline-β promouvoit la phosphorylation de la sérine 339 de CXCR4, un site important pour l’internalisation et la signalisation du récepteur. De plus, le recrutement de ErbB2 à CXCR4 est favorisé par ErbB3 et héréguline-β. L’activité transcriptionnelle ainsi que l’expression des gènes cibles de ER en réponse à l’héréguline sont relevées avec l’expression de CXCR4 et partiellement récupérées avec l’addition de SDF-1. Ces résultats démontrent que le recrutement de CXCR4 à ErbB2 altère la signalisation médiée par ErbB2/ErbB3 ainsi que l’activité hormonale de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. Nous travaux ont permis d’identifier et de caractériser l’impact de la signalisation médiée par des récepteurs membranaires sur la réponse transcriptionnelle de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. La signalisation membranaire est un facteur pouvant contribuer à la résistance aux thérapies endocriniennes et donc cibler les récepteurs impliqués s’avèrerait utile pour améliorer les traitements existants et mettre au point de nouvelles approches. / Induction of estrogen-regulated gene transcription by estrogen receptors ERα and ERβ plays an important role in breast cancer development and growth. High expression of the chemokine receptor CXCR4 and its ligand CXCL12/SDF-1 has also been correlated with aggressive breast tumor phenotypes. Here, we describe a positive regulatory loop between CXCR4/SDF-1 signaling pathway and ER transcriptional competence in human breast cancer cells. Treatment of breast carcinoma MCF-7 cells with SDF-1 increased ER transcriptional activity and expression of ER target genes, including SDF-1 itself. These effects were blocked by the antiestrogen ICI-182780 and by CXCR4 silencing, and conversely, estrogen-induced gene expression and growth of MCF-7 cells were impaired upon CXCR4 inhibition. Growth factor signaling also plays an important role in breast cancer. Overexpression and deregulated signaling of receptor tyrosine kinase ErbB2 correlate with aggressive breast tumor phenotype and poor outcomes. However, how ErbB2 and CXCR4 signaling is functionally related to regulate ER response in breast cancer cells is not known. Here we show that steady-state levels of ErbB2 and its dimeric partner ErbB3, as well as ErbB2 tyrosine phosphorylation were negatively regulated with the expression of CXCR4. CXCR4 downregulated ErbB2/ErbB3 dimer activation of the PI3-K/Akt pathway in response to ErbB3 ligand heregulin-β, whereas addition of SDF-1 restored activation levels. We found that heregulin-β promoted CXCR4 phosphorylation at serine 339, an important site for CXCR4 internalization and signaling. In addition, ErbB2 recruitment to CXCR4 was enhanced by ErbB3 and heregulin-β. Transcriptional activity and gene expression measurement showed that the hormonal repression of ER was relieved with the expression of CXCR4 and partially recuperated with the addition of SDF-1. Together, these results show that CXCR4 recruitment to ErbB2 alters ErbB2/ErbB3 signaling pathway and downstream regulation of ER hormonal activity in in breast cancer cells. Our work has enabled us to identify and characterize the impact of membrane receptors signaling on ER transcriptionnal response in breast cancer cells. Membrane signaling is one of the factors involved in endocrine therapy resistance and targeting the receptors implicated could be benificial to improve existing treatments and to work on the creation of new ones.

La régulation de la transcription des gènes par les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ joue un rôle important dans la croissance cellulaire et dans le développement du cancer du sein. Une augmentation de l’expression de CXCR4 et de son ligand SDF-1/CXCL12 corrèle avec un phénotype plus agressif du cancer du sein. Ici, nous démontrons un mécanisme de boucle de régulation positive entre la signalisation de CXCR4/SDF-1 et l’activité transcriptionnelle des ERs dans des cellules cancéreuses mammaires. L’activité transcriptionnelle de ER et l’expression de gènes cibles de ER, dont SDF-1 lui-même, sont augmentées dans la lignée cancéreuse mammaire MCF-7 en réponse à SDF-1. Ces effets sont bloqués par l’anti-estrogène fulvestrant et par la délétion de CXCR4. Par ailleurs, l’expression des gènes et la prolifération des cellules cancéreuses mammaires MCF-7 en réponse à l’estrogène sont altérées par l’inhibition de CXCR4. La signalisation par les facteurs de croissance joue un rôle important dans le cancer du sein. La surexpression et la dérégulation de la signalisation par le récepteur à activité tyrosine kinase ErbB2 corrèlent avec un phénotype tumoral mammaire plus agressif et un moins bon pronostic. Cependant, comment la signalisation de ErbB2 et de CXCR4 sont fonctionnellement reliées dans la régulation de la réponse de ER dans les cellules cancéreuses mammaires n’est pas connue. Nous démontrons ici que CXCR4 régule négativement l’expression protéique de ErbB2 et de son partenaire d’interaction ErbB3 ainsi que la phosphorylation de ErbB2. CXCR4 altère l’activation de la voie PI3-K/Akt par le dimère ErbB2/ErbB3 en réponse à héréguline alors qu’en présence de SDF-1, les niveaux d’activation sont récupérés. Nous avons trouvé que héréguline-β promouvoit la phosphorylation de la sérine 339 de CXCR4, un site important pour l’internalisation et la signalisation du récepteur. De plus, le recrutement de ErbB2 à CXCR4 est favorisé par ErbB3 et héréguline-β. L’activité transcriptionnelle ainsi que l’expression des gènes cibles de ER en réponse à l’héréguline sont relevées avec l’expression de CXCR4 et partiellement récupérées avec l’addition de SDF-1. Ces résultats démontrent que le recrutement de CXCR4 à ErbB2 altère la signalisation médiée par ErbB2/ErbB3 ainsi que l’activité hormonale de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. Nous travaux ont permis d’identifier et de caractériser l’impact de la signalisation médiée par des récepteurs membranaires sur la réponse transcriptionnelle de ER dans des cellules cancéreuses mammaires. La signalisation membranaire est un facteur pouvant contribuer à la résistance aux thérapies endocriniennes et donc cibler les récepteurs impliqués s’avèrerait utile pour améliorer les traitements existants et mettre au point de nouvelles approches. / Induction of estrogen-regulated gene transcription by estrogen receptors ERα and ERβ plays an important role in breast cancer development and growth. High expression of the chemokine receptor CXCR4 and its ligand CXCL12/SDF-1 has also been correlated with aggressive breast tumor phenotypes. Here, we describe a positive regulatory loop between CXCR4/SDF-1 signaling pathway and ER transcriptional competence in human breast cancer cells. Treatment of breast carcinoma MCF-7 cells with SDF-1 increased ER transcriptional activity and expression of ER target genes, including SDF-1 itself. These effects were blocked by the antiestrogen ICI-182780 and by CXCR4 silencing, and conversely, estrogen-induced gene expression and growth of MCF-7 cells were impaired upon CXCR4 inhibition. Growth factor signaling also plays an important role in breast cancer. Overexpression and deregulated signaling of receptor tyrosine kinase ErbB2 correlate with aggressive breast tumor phenotype and poor outcomes. However, how ErbB2 and CXCR4 signaling is functionally related to regulate ER response in breast cancer cells is not known. Here we show that steady-state levels of ErbB2 and its dimeric partner ErbB3, as well as ErbB2 tyrosine phosphorylation were negatively regulated with the expression of CXCR4. CXCR4 downregulated ErbB2/ErbB3 dimer activation of the PI3-K/Akt pathway in response to ErbB3 ligand heregulin-β, whereas addition of SDF-1 restored activation levels. We found that heregulin-β promoted CXCR4 phosphorylation at serine 339, an important site for CXCR4 internalization and signaling. In addition, ErbB2 recruitment to CXCR4 was enhanced by ErbB3 and heregulin-β. Transcriptional activity and gene expression measurement showed that the hormonal repression of ER was relieved with the expression of CXCR4 and partially recuperated with the addition of SDF-1. Together, these results show that CXCR4 recruitment to ErbB2 alters ErbB2/ErbB3 signaling pathway and downstream regulation of ER hormonal activity in in breast cancer cells. Our work has enabled us to identify and characterize the impact of membrane receptors signaling on ER transcriptionnal response in breast cancer cells. Membrane signaling is one of the factors involved in endocrine therapy resistance and targeting the receptors implicated could be benificial to improve existing treatments and to work on the creation of new ones.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué et la troisième cause de mortalité liée au cancer chez les hommes au Canada. Un quart des patients diagnostiqués développeront une forme plus agressive de ce cancer. Bien que nous possédions plusieurs indices cliniques pronostiques dans les cancers localisés (score de Gleason, taux sérique d’antigène prostatique spécifique (APS), stade, etc.), ceux-ci sont insuffisants pour adéquatement distinguer les patients à faible risque de progression de ceux à haut risque. A ce jour, aucun biomarqueur pronostique n’est encore utilisé en clinique. Les cliniciens ont donc besoin de nouveaux outils plus efficaces pour stratifier ce cancer et pour s’assurer d’adapter au mieux le traitement à chaque patient. En nous basant sur la littérature et sur des études préliminaires (cohortes de moins de 65 patients), notre hypothèse est que les protéines PUMA-NOXA et les récepteurs membranaires de la famille ERBB seraient, lorsqu’utilisés en combinaison, des biomarqueurs prédictifs de la progression du cancer de la prostate. Les objectifs de cette thèse sont : 1) identifier et valider de bons anticorps pour chaque biomarqueur d’intérêt, 2) définir les niveaux d’expression de chaque biomarqueur sur une cohorte de 285 patients, et 3) établir les corrélations entre les niveaux d’expression et les données cliniques des patients. Dans l’optique d’une utilisation en clinique, des anticorps de type monoclonal ont été choisis pour identifier les biomarqueurs d’intérêts. Ces anticorps ont été testés et validés pour leur spécificité par immunobuvardage de type western blot et par immunofluorescence. La localisation de la protéine d’intérêt a été validée sur des échantillons de tissus de patients suivie de l’optimisation du multi-marquage sur les cellules épithéliales et basales. Après perfectionnement de l’analyse d’images, nous avons montré qu’une expression extrême (faible ou forte) de PUMA couplée à une forte expression de NOXA dans les glandes bénignes est associée à la rechute biochimique des patients. La présence de ces biomarqueurs dans les glandes bénignes permet d’envisager d’améliorer l’identification lors des premières biopsies des patients se qualifiant pour la surveillance active. Par ailleurs, le suivi de l’expression des récepteurs de la famille ERBB dans les glandes tumorales permet une stratification des patients atteints d’un cancer de la prostate en fonction des risques de rechute biochimique, de développement de métastases et de mort liée au cancer. Ainsi, les patients présentant la combinaison d’une forte expression de EGFR et d’une faible expression de ERBB3 sont les plus susceptibles de mourir spécifiquement de leur cancer de la prostate, en particulier si les cellules tumorales présentes en plus une faible expression de ERBB2 entrainant un fort risque de développer des métastases. Mon projet de doctorat aura donc permis d’identifier et de valider des biomarqueurs d’intérêt pour prédire l’évolution du cancer de la prostate et démontrer l’intérêt de suivre ces biomarqueurs en combinaison afin d’obtenir une meilleure stratification des patients. Ces résultats devront être validés sur une cohorte indépendante et multicentrique en vue de fournir aux cliniciens un plus grand nombre d’outils pour leur permettre de réaliser une stratification fine des patients atteints d’un cancer de la prostate, et ouvrirait la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques plus ciblées. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer and the third leading cause of cancer-related death in men in Canada. A quarter of patients will develop a more aggressive form of this cancer. While there are several clinical prognostic variables for localized prostate cancer (Gleason score, prostate specific antigen (PSA) levels, stage, etc.), these are insufficient to adequately distinguish between low and high-risk of progression cases. As a result, clinicians need new, more effective tools to stratify this cancer and to ensure that treatments are best tailored to each patient. To date, no prognostic biomarker has yet been used clinically. Based on the literature and preliminary studies of small cohorts (less than 65 patients), we hypothesize that the protein expression of PUMA-NOXA and ERBB family members could help with the prediction of prostate cancer progression. The objectives of this thesis are: 1) to identify and validate antibodies for each biomarker of interest, 2) to define the expression levels of each biomarker on a 285 patient cohort, 3) to evaluate the correlation between marker expression levels and patient clinical data. For clinical use, monoclonal-type antibodies were chosen to identify the biomarkers of interest. These antibodies were validated for specificity by western blot and immunofluorescence techniques. The localization of the protein of interest was further identified within samples of patient tissues and additional optimization involving combinatorial staining for epithelial and basal cells. After refining the imaging and statistical analysis of PUMA and NOXA in benign glands, we found that extreme (weak or strong) PUMA expression coupled with high NOXA expression was associated with biochemical relapse. In addition, these proteins have significant potential for predicting disease evolution based on the initial radical prostatectomy sample. The presence of these proteins in benign glands would allow the identification of patients less suitable for active surveillance. Additionally, statistical analysis of ERBB family receptors in tumor glands, when used alone, allow stratification of prostate cancer patients for the prediction of biochemical relapse, development of metastases and also specific death from prostate cancer. Moreover, patients expressing a combination of high EGFR expression and low ERBB3 expression are at high risk of biochemical relapse and are at higher risk of prostate cancer specific mortality. In addition, coupling this high EGFR – low ERBB3 combination to a low ERBB2 expression helps classify patients at high risk of developing metastases. My doctoral research project will have made it possible to identify and validate biomarkers of interest for predicting the progression of prostate cancer and demonstrating the interest of combining these biomarkers in order to achieve better stratification of patients with prostate cancer. In the context of clinical utility, these results need to be validated on an independent and multicenter cohort in order to confirm these findings. This would eventually provide clinicians with a greater number of tools at their disposal to correctly anticipate patient trajectories and possibly identify new therapeutic targets for the control of the disease.

ErbB2 gehört zu den Klasse I Rezeptor-Tyrosinkinasen und funktioniert als Ko-rezeptor bei der Vermittlung des Neuregulin-Signals. Während der Embryonal-entwicklung wird ErbB2 im Herzen, in den Neuralleistenzellen, im Muskel und in den Epithelien exprimiert (Kokai et al. 1987). Embryonen mit einer Null-Mutation im ErbB2 Gen sterben am Tag 10,5 der Embryonalentwicklung. Die Mutation bewirkt eine morphogenetische Fehlbildung des Herzens, die durch das Fehlen von ventrikulären Trabekeln gekennzeichnet ist (Lee et al. 1995). Weiterhin zeigen diese Embryonen Defekte in den Kranialganglien und in der primären sympathischen Ganglien-Kette, die von Neuralleistenzellen gebildet werden (Lee et al. 1995; Erickson et al. 1997; Britsch et al. 1998). Die herzspezifische Expression von ErbB2 cDNA ermöglicht ErbB2-/- Tieren, sich bis zur Geburt zu entwickeln. Dies erlaubte mir, spätere Funktionen des Rezeptors zu untersuchen. In den geretteten ErbB2-/- Embryonen erfolgte die Bildung der ventrikulären Trabekel, der fingerähnlichen Ausstülpungen des Myokards, zwischen dem 9. und 10. Tag in der Embryonalentwicklung. In den späteren Phasen der intrauterinen Entwicklung war das Herz der geretteten Tiere normal ausgebildet. In den ErbB2-/-R Embryonen fehlten Schwann'sche Zellen entlang der peripheren Nerven. Die Abwesenheit von Schwann'schen Zellen führte zum massiven Absterben von sensorischen und motorischen Neuronen des Rückenmarkes. Dabei zeigten sensorische Neuronen eine frühe Abhängigkeit von neurotrophen Faktoren, die von Schwann'schen Zellen produziert werden, während Motoneuronen diese Faktoren in einer späteren Phase benötigen. Zusätzlich ist bekannt, daß sensorische Neuronen und Motoneuronen neurotrophe Fakten benötigen, die von den Zielorganen, z.B. den Muskeln, produziert werden. Motoneuronen im thorakalen Rückenmark sind nur minimal betroffen, während die Degeneration von Moto-neuronen in den zervikalen und lumbalen Segmenten stark ausgeprägt ist. Verschiedene Motoneuron-Typen unterscheiden sich also in ihrer Abhängigkeit von neurotrophen Signalen. Weiterhin sind die peripheren Nerven der ErbB2-/-R Tiere defaszikuliert und ungeordnet. Der N. phrenicus, der das Diaphragma innerviert, retrahiert und ist am Tag 17 der Entwicklung vollständig degeneriert. Deshalb können die mutanten Tiere bei der Geburt nicht atmen und sterben infolgedessen. Überraschenderweise erfolgt in den geretteten ErbB2-/-R Embryonen die post-synaptische Expression und Aggregation der Acetylcholin-Rezeptoren. Die Phäno-typen der ErbB2-/-R und ErbB3-/- mutanten Tieren sind sehr ähnlich. Dies zeigt, daß ErbB2 eine essentielle Korezeptor-Funktion für ErbB3 in der Vermittlung der Neuregulin-Signale übernimmt. / ErbB2 belongs to class I of receptor tyrosine kinases and functions as a co-receptor by the transduction of the neuregulin signal. During embryonic development the ErbB2 gene is expressed in the heart, neural crest, in muscle and epithelial cells (Kokai et al. 1987). Embryos with null mutation of the ErbB2 gene die at midgestation. The mutation causes a morphogenetic defect that results in the absence of trabecules (Lee et al. 1995). In addition the mutant embryos show defects in cranial ganglia and in the primary sympathetic ganglia chain (Lee et al. 1995; Erickson et al. 1997; Britsch et al. 1998). The heart specific expression of ErbB2 cDNA allowed the mutant animals to survive till birth. This enabels me to study the late function of the receptor. In rescued ErbB2-/- embryos the ventricular trabecules, which are finger-like extensions of the myocardium, form properly between E9 and E10 of embryonic development. At late stages of intrauteral development the hearts of the rescued animals showed an overall normal growth. ErbB2-/- embryos lack Schwann cells along peripheral nerves. The absence of Schwann cells leads to enormous degeneration of sensory and motoneurons. Whereas sensory neurons show an early dependency on neurotrophic factors produced by Schwann cells, motoneurons revealed requirement of these factors during the late phase of their development. Moreover it is known that sensory and motoneurons require neurotrophic factors which are produced by their target tissues such as muscle. Motoneurons at the thoracic level of the spinal cord are minimaly affected, whereas the degeneration of motoneurons at cervical and lumbar segments of the spinal cord are pronounced. This indicates that different motoneuron types differ in their dependency on neurotrophic signals. Furthermore axons of peripheral nerves in ErbB2-/-R (rescued) animals show defasciculation and desorganization. Nervous phrenicus, that innervates the diaphragm muscle retracts and degenerates entirely at E17 of embryonic development. As a result newborn animals can not breath and die shortly after birth. Surprisingly, the expression and aggregation of AchRs (Acetylcholine Receptors) take place in rescued ErbB2-/-R embryos. The overall phenotype of ErbB2-/-R embryos is very similar to that of ErbB3-/- embryos. This substantiates the essential function of ErbB2 as the functional co-receptor for ErbB3 to transmit the neuregulin signal.