<p>Multiple myeloma (MM) is an incurable B-cell malignancy mainly localized to the bone marrow. Our aim was to examine the growth- and survival-promoting role of the IGF-IR and its downstream signaling components in MM cells to identify potential targets for therapy. </p><p>Octreotide, a somatostatin analog that has been demonstrated to interfere with the actions of IGF-I, induced growth inhibition in both IL-6-dependent and IL-6-independent MM cell lines expressing the somatostatin receptors sst2, sst3 and sst5. Additionally, a slight pro-apoptotic effect could be observed in a few cell lines. In primary MM cells octreotide induced apoptosis, an effect that was abrogated by exogenously added IGF-I, but not by IL-6.</p><p>Inhibition of IGF-I signaling in Karpas 707 cells, using either the anti-IGF-IR antibody αIR3 or the PI 3-K inhibitors LY294002 and wortmannin, increased sensitivity to apoptosis induced by dexamethasone. Exogenously added IGF-I prevented dexamethasone-induced apoptosis, an effect that could partly be mimicked by the pharmacological GSK-3β inhibitors LiCl and SB415286. Thus, we suggest the GSK-3β as an important mediator of the anti-apoptotic effects of IGF-IR signaling in MM.</p><p>Using rapamycin we selectively inhibited mTOR, a phosphoprotein downstream of the IGF-IR. In MM cell lines rapamycin induced G0/G1-arrest, an effect being associated with an increase of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 and a decrease of the cyclins D2, D3 and E. Interestingly, in primary MM cells rapamycin induced apoptosis. Moreover, rapamycin potentiated dexamethasone-induced apoptosis, an effect that was associated with a downregulation of the anti-apoptotic protein survivin. Strikingly, the combinatorial treatment with rapamycin and dexamethasone suppressed the anti-apoptotic effects of exogenously added IGF-I and IL-6, thus suggesting this drug-combination to be active also in vivo. </p><p>Two newly developed, selective IGF-I RTK inhibitors proved to be very effective in MM cell lines and in primary MM cells providing 50-90% growth inhibition within 48 h of incubation. The inhibitors induced massive apoptosis together with a prominent cell cycle arrest in the G2/M-phase. Importantly, the IGF-I RTK inhibitors downregulated the tyrosine phosphorylation of the IGF-IR β-chain but not of the insulin receptor β-chain. </p><p>In conclusion, the IGF-IR potently promotes growth and survival of MM cells. Therefore, interfering with the IGF-IR signaling pathway might be a suitable strategy to improve MM treatment.</p>

Multiple myeloma (MM) is an incurable B-cell malignancy mainly localized to the bone marrow. Our aim was to examine the growth- and survival-promoting role of the IGF-IR and its downstream signaling components in MM cells to identify potential targets for therapy. Octreotide, a somatostatin analog that has been demonstrated to interfere with the actions of IGF-I, induced growth inhibition in both IL-6-dependent and IL-6-independent MM cell lines expressing the somatostatin receptors sst2, sst3 and sst5. Additionally, a slight pro-apoptotic effect could be observed in a few cell lines. In primary MM cells octreotide induced apoptosis, an effect that was abrogated by exogenously added IGF-I, but not by IL-6. Inhibition of IGF-I signaling in Karpas 707 cells, using either the anti-IGF-IR antibody αIR3 or the PI 3-K inhibitors LY294002 and wortmannin, increased sensitivity to apoptosis induced by dexamethasone. Exogenously added IGF-I prevented dexamethasone-induced apoptosis, an effect that could partly be mimicked by the pharmacological GSK-3β inhibitors LiCl and SB415286. Thus, we suggest the GSK-3β as an important mediator of the anti-apoptotic effects of IGF-IR signaling in MM. Using rapamycin we selectively inhibited mTOR, a phosphoprotein downstream of the IGF-IR. In MM cell lines rapamycin induced G0/G1-arrest, an effect being associated with an increase of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 and a decrease of the cyclins D2, D3 and E. Interestingly, in primary MM cells rapamycin induced apoptosis. Moreover, rapamycin potentiated dexamethasone-induced apoptosis, an effect that was associated with a downregulation of the anti-apoptotic protein survivin. Strikingly, the combinatorial treatment with rapamycin and dexamethasone suppressed the anti-apoptotic effects of exogenously added IGF-I and IL-6, thus suggesting this drug-combination to be active also in vivo. Two newly developed, selective IGF-I RTK inhibitors proved to be very effective in MM cell lines and in primary MM cells providing 50-90% growth inhibition within 48 h of incubation. The inhibitors induced massive apoptosis together with a prominent cell cycle arrest in the G2/M-phase. Importantly, the IGF-I RTK inhibitors downregulated the tyrosine phosphorylation of the IGF-IR β-chain but not of the insulin receptor β-chain. In conclusion, the IGF-IR potently promotes growth and survival of MM cells. Therefore, interfering with the IGF-IR signaling pathway might be a suitable strategy to improve MM treatment.

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Thesis (MScMedSc)--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: INTRODUCTION: Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3) is a serine-threonine protein kinase that was first discovered as a regulator of glycogen synthase thus playing a role in glycogen synthesis (Embi et al. 1980). GSK-3 has also been shown to down regulate the expression of SERCA-2a (a calcium ATPase pump) thus playing a role in myocardial contractility (Michael et al. 2004). However, SERCA-2a activity is regulated by phospholamban (PLM) and sarcolipin (SLN) (Asahi et al. 2003). GSK-3 is constitutively active in cells and can be acutely inactivated by insulin through phosphorylation by PKB/Akt. However, GSK-3 is known to phosphorylate and inhibit IRS-1 protein, thus disrupting insulin signaling (Eldar-Finkelman et al. 1996). In addition, abnormally high activities of GSK-3 protein has been implicated in several pathological disorders which include type 2 diabetes, neuron degenerative and affective disorders (Eldar-Finkelman et al 2009). This led to the development of new generations of inhibitors with specific clinical implications to treat these diseases (Martinez 2008). GSK-3 inhibition has been shown to improve insulin and blood glucose levels and to be cardioprotective during ischemia/reperfusion (Nikoulina et al. 2002; Kumar et al. 2007). AIMS: To determine whether myocardial GSK-3 protein and its substrate proteins are dysregulated in obesity and insulin resistance, and whether a specific GSK-3 inhibitor can prevent or reverse the cardiovascular pathology found in obese and insulin resistant animals. OBJECTIVES: To correlate the alterations in expression and activation of GSK-3 protein in a well characterised rat model of obesity coupled to insulin resistance with: i) myocardial contractile dysfunction and an inability of hearts to withstand ischemia/reperfusion, ii) the activation and expression of phospholamban and SERCA-2a in the sarcoplasmic reticulum, iii) the activation of intermediates (IRS-1, IRS-2 and PKB/Akt) that lie upstream in the activation pathway of GSK-3 and iv) to determine the effects of inhibition of GSK-3 on the abovementioned parameters. METHODS: Age and weight matched male Wistar rats (controls and diet induced obese (DIO) animals) were used in the present study. Controls were fed normal rat chow, while DIOs were fed a rat chow diet supplemented with sucrose and condensed milk, for 8 or 16 weeks. Half of each group of animals were treated with the GSK-3 inhibitor for 4 weeks (from 12 to 16 weeks). After the feeding and treatment period, animals were weighed, sacrificed, hearts removed and freeze clamped immediately or perfused with Krebs-Henseleit buffer and subjected to low flow ischemia (25 min) followed by 30 min reperfusion. Biometric (body weight, intraperitoneal fat, ventricular weight and tibia length) and biochemical (fasting blood glucose and insulin levels) parameters were determined. Expression of GSK-3, PKB/Akt, IRS-1, IRS-2, SERCA-2a and Phospholamban were determined by Western blotting. Ca2+ ATPase activity was determined spectrophotometrically. RESULTS: At both 8 and 16 weeks DIO animals were significantly bigger than control animals and this was associated with increased intraperitoneal fat in DIOs. In DIO animals: IRS-1 was downregulated at 8 weeks and both IRS-1 and IRS-2 as well as PKB/Akt at 16 weeks. There was an increased tendency of GSK-3 expression at both 8 and 16 weeks in DIO animals while SERCA-2a was severely downregulated from 8 weeks onwards and associated with lower Ca2+-ATPase activity. PLM expression was upregulated but its phosphorylation was attenuated. At 16 weeks, baseline heart rate (225 vs 275 in control, P<0.0001, n=6) and rate pressure product (21000 vs 30000 in control, P=0.019, n=6) were significantly lower in hearts from DIO animals. Functional recovery was unchanged but the time to ischemic contracture development was increased (11.6±0.4 control vs 16.2±0.5 min DIO, P<0.01, n=6). Treatment had no effect on total GSK-3 expression. However, GSK-3 phosphorylation was significantly increased in treated controls, while there was no significant difference in DIO animals. However, there was a tendency for an increased GSK-3 phosphorylation in treated DIO animals. GSK-3 inhibitor, improved hypertrophy in DIO animals, while it led to its development in control animals. GSK-3 inhibitor improved IRS-2 expression in both control and DIO animals while it had no effect on IRS-1 and SERCA-2a expression and activity. However, GSK-3 inhibition increased PKB/Akt and phospholamban phosphorylation in DIO animals. CONCLUSION: These findings show that high calorie diet as well as imbalance between energy intake and expenditure lead to the development of obesity and insulin resistance in male Wistar rats. We showed that GSK-3 and its substrate proteins are dysregulated in obesity and insulin resistance. The reduced SERCA-2a expression at baseline may have a negative impact on cardiac function. By treating the animals with GSK-3 inhibitor, we showed that GSK-3 protein may not be responsible for changes seen at baseline. The decreased IRS-1 and SERCA-2a expression may have been caused by a different mechanism other than the actions of GSK-3. However, according to this study, GSK-3 may play a role in regulation of IRS-2 expression but not in IRS-1. Increased PKB/Akt phosphorylation may contribute to the GSK-3 inhibition. In addition, GSK-3 inhibition may reverse cardiac hypertrophy in DIO animals, thus acting as a negative regulator of hypertrophy. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Inleiding: Glikogeen sintase kinase-3 (GSK-3), 'n serien/threonien proteïen kinase, is oorspronklik ontdek as 'n rolspeler in glikogeen sintese, aangesien dit 'n reguleerder van glikogeen sintase is (Embi et al.1980). Intussen is dit ook bevind dat GSK-3 die uitdrukking van SERCA-2a ('n kalsium ATPase pomp) kan afreguleer en dus sodoende 'n rol speel in miokardiale kontraktiliteit (Michael et al. 2004). Die aktiwiteit van SERCA-2a kan egter ook gereguleer word deur fosfolamban (PLM) en sarkolipin (Asahi et al. 2003). GSK-3 is deurgaans aktief, maar kan tydelik geïnaktiveer word onder kondisies van insulien stimulasie deur PKB/Akt gemedieerde fosforilering. Aan die ander kant is dit bekend dat GSK-3 die IRS-1 proteïen kan fosforileer om dus sodoende insulien sein-transduksie af te reguleer (Eldar-Finkelman et al. 1996). Daarmee saam is abnormaal hoë vlakke van GSK-3 aktiwiteit geassosieer met verskeie patologiese versteurings, insluitend tipe 2 diabetes, neuron degeneratiewe en affektiewe versteurings (Eldar-Finkelman et al. 2009). Daar is dus nuwe generasies GSK-3 inhibitore ontwikkel met die kliniese potensiaal om hierdie patologieë te behandel (Martinez 2008). Dit is al bevind dat GSK-3 inhibisie geassosieer kan word met beide die normalisering van plasma insulien- en glukose vlakke, asook kardiobeskerming in die konteks van iskemie/herperfusie (Nikoulina et al. 2002; Kumar et al. 2007). Doelwitte: Om te bepaal of GSK-3 proteïen en sy substraat proteïene gedisreguleer is onder kondisies van obesiteit en insulien weerstandigheid, asook om vas te stel of 'n spesifieke GSK-3 inhibitor die kardiovaskulêre patologie wat gevind word in obese en insulien weerstandige diere kan verhoed of omkeer. Mikpunte: Om veranderinge in uitdrukking en aktiwiteit van GSK-3 proteïen in 'n goed gekarakteriseerde rotmodel van obesiteit, gekoppel aan insulien weerstandigheid, te korreleer met die volgende: i) miokardiale kontraktiele disfunksie en onvermoë om kardiale iskemie/herperfusie besering te weerstaan, ii) aktivering en uitdrukking van PLM en SERCA-2a in die sarkoplasmiese retikulum, iii) die aktivering van intermediêres wat proksimaal geleë is in die insulienseintransduksiepad van GSK-3 (IRS-1, IRS-2 en PKB/Akt) en iv) om die effek van behandeling met 'n spesifieke inhibitor van GSK-3 op die bogenoemde punte te bepaal. Metodes: Ouderdoms- en gewigsgepaarde manlike Wistar rotte (kontrole en dieet geïnduseerde obees (DIO) diere) is in die studie gebruik. Kontrole diere was normale rotkos gevoer, terwyl die DIO diere op 'n dieet van rotkos aangevul met sukrose en kondensmelk geplaas is vir 'n periode van 8 of 16 weke. Helfte van die diere van elke groep is behandel met die GSK-3 inhibitor vir 4 weke (vanaf week 12 tot 16). Na afloop van die voer- en behandelingsperiode is die diere geweeg, doodgemaak en die harte verwyder om dan of onmiddelik gevriesklamp te word, of retrograad geperfuseer te word met Krebs-Hensleit buffer. Ex vivo geperfuseerde harte is dan blootgestel aan 25 minute lae vloei iskemie gevolg deur 30 minute herperfusie. Biometriese (liggaamsgewig, intraperitoneale vet, ventrikulêre gewig en tibia lengte) en biochemiese (vastende bloedglukose en -insulien vlakke) parameters is telkens bepaal. Western klad tegnieke is gebruik om die uitdrukking en fosforilering van GSK-3, PKB/Akt, IRS-1, IRS-2, SERCA-2a en PLM te bepaal. Ca2+-ATPase aktiwiteit is spektrofotometries bepaal. Resultate: Na beide 8 en 16 weke was die DIO diere beduidend swaarder as die kontrole diere. Hierdie gewigstoename was geassosieer met meer intraperitoneale vet in die DIO diere. Verder, in die DIO diere was IRS-1 afgereguleer na 8 weke, terwyl beide IRS-1 en IRS-2 asook PKB/Akt afgereguleer was na 16 weke. GSK-3 uitdrukking het 'n neiging getoon om toe te neem na beide 8 en 16 weke in die DIO diere, terwyl SERCA-2a beduidend afgereguleer was reeds vanaf 8 weke, geassosieer met laer Ca2+-ATPase aktiwiteit. PLM uitdrukking het toegeneem en die fosforilering daarvan was verlaag. Op 16 weke was die basale harttempo (225 vs 275 in die kontrole groep, P<0.0001, n=6) en tempo druk produk (21000 vs 30000 in die kontrole groep, P=0.019, n=6) betekenisvol laer in die DIO diere. Funksionele herstel het onveranderd gebly, alhoewel die tyd tot iskemiese kontraktuur toegeneem het in die DIO groep (kontrole: 11.6±0.4 min vs DIO: 16.2±0.5 min, P<0.01, n=6). Toediening van die inhibitor het geen effek op totale GSK-3 uitdrukking gehad nie. Fosforilering van GSK-3 was egter wel beduidend verhoog in die behandelde kontrole diere, terwyl daar geen verskille in die DIO groep was nie. Die fosforilering van GSK-3 het wel geneig na 'n toename in die behandelde DIO diere. Die GSK-3 inhibitor het kontrasterende effekte op hipertrofie gehad: dit het dit omgekeer in die DIO groep, maar veroorsaak in die kontrole diere. Daarmee saam het die inhibitor die uitdrukking van IRS-2 in beide DIO en kontrole diere gestimuleer, maar geen effek op IRS-1 en SERCA-2a uitdrukking en aktiwiteit gehad nie. GSK-3 inhibisie het wel PKB/Akt en PLM fosforilering in die DIO diere verhoog. Gevolgtrekking: Hierdie bevindinge toon dat 'n hoë kalorie dieet, tesame met 'n wanbalans tussen energie inname en verbruiking, lei tot die ontwikkeling van obesiteit en insulien weerstand in manlike Wistar rotte. Die studie het ook getoon dat GSK-3 en sy substraat proteïene wel gedisreguleer is in obesiteit en insulien weerstandigheid. Die verlaagde basale uitdrukking van SERCA-2a mag dalk 'n negatiewe impak hê op kardiale funksie. Behandeling van die diere met 'n GSK-3 inhibitor het getoon dat GSK-3 moontlik nie verantwoordelik is vir die basislyn veranderinge nie. Die afname in IRS-1 en SERCA-2a uitdrukking kan moontlik toegeskryf word aan ander meganismes buiten die effekte van GSK-3. Hierdie studie toon wel dat GSK-3 moontlik 'n rol speel in die regulering van die uitdrukking van IRS-2, maar nie IRS-1 nie. Verhoogde PKB/Akt fosforilering mag dalk bydra tot die inhibisie van GSK-3. Daarmee saam blyk dit dat GSK-3 inhibisie hipertrofie kan omkeer in DIO diere, om dan sodoende op te tree as 'n negatiewe reguleerder van hipertrofie, maar in normale kontrole diere, hipertrofie in die hand werk. / South African Medical Research Council / University of Stellenbosch, Dept. of medical Physiology

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les estrogènes jouent un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement des tissus reproducteurs par leurs interactions avec les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ. Ces récepteurs nucléaires agissent comme facteurs de transcription et contrôlent l’expression des gènes de façon hormono-dépendante et indépendante grâce à leurs deux domaines d’activation (AF-1 et AF-2). Une dérégulation de leur activité transcriptionnelle est souvent à l’origine de pathologies telles que le cancer du sein, de l’endomètre et des ovaires. Alors que ERα est utilisé comme facteur pronostic pour l’utilisation d’agents thérapeutiques, l’importance de la valeur clinique de ERβ est encore controversée. Toutefois, des évidences récentes lui associent un pouvoir anti-tumorigénique en démontrant que sa présence favorise l’inhibition de la progression de ces cancers ainsi que l’efficacité des traitements. En combinaisons avec d’autres études, ces observations démontrent que bien que les deux isoformes partagent une certaine similitude d’action, les ERs sont en mesure d’exercer des fonctions distinctes. Ces différences sont fortement attribuables au faible degré d’homologie observé entre certains domaines structuraux des ERs, comme le domaine AF-1, ce qui fait en sorte que les différents sites de modifications post-traductionnelles (MPTs) présents sur les ERs sont très peu conservés entre les isoformes. Or, l’activité transcriptionnelle ligand-dépendante et indépendante des ERs est hautement régulée par les MPTs. Elles sont impliquées à tous les niveaux de l’activation des ERs incluant la liaison et la sensibilité au ligand, la localisation cellulaire, la dimérisation, l’interaction avec l’ADN, le recrutement de corégulateurs transcriptionnels, la stabilité et l’arrêt de la transcription. Ainsi, de par leur dissimilitude, les ERs seront différemment régulés par la signalisation cellulaire. Comme un débalancement de plusieurs voies de signalisation ont été associées à la progression de tumeurs ER-positives ainsi qu’au développement d’une résistance, une meilleure compréhension de l’impact des MPTs sur la régulation spécifique des ERs s’avère essentielle en vue de proposer et/ou développer des traitements adéquats pour les cancers gynécologiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre les rôles des MPTs sur l’activité transcriptionnelle de ERβ qui sont, contrairement à ERα, très peu connus. Nous démontrons une régulation dynamique de ERβ par la phosphorylation, l’ubiquitination et la sumoylation. De plus, toutes les MPTs nouvellement découvertes par mes recherches se situent dans l’AF-1 de ERβ et permettent de mieux comprendre le rôle capital joué par ce domaine dans la régulation de l’activité ligand-dépendante et indépendante du récepteur. Dans la première étude, nous observons qu’en réponse aux MAPK, l’AF-1 de ERβ est phosphorylé au niveau de sérines spécifiques et qu’elles jouent un rôle important dans la régulation de l’activité ligand-indépendante de ERβ par la voie ubiquitine-protéasome. En effet, la phosphorylation de ces sérines régule le cycle d’activation-dégradation de ERβ en modulant son ubiquitination, sa mobilité nucléaire et sa stabilité en favorisant le recrutement de l’ubiquitine ligase E6-AP. De plus, ce mécanisme d’action semble être derrière la régulation différentielle de l’activité de ERα et ERβ observée lors de l’inhibition du protéasome. Dans le second papier, nous démontrons que l’activité et la stabilité de ERβ en présence d’estrogène sont étroitement régulées par la sumoylation phosphorylation-dépendante de l’AF-1, processus hautement favorisé par l’action de la kinase GSK-3. La sumoylation de ERβ par SUMO-1 prévient la dégradation du récepteur en entrant en compétition avec l’ubiquitination au niveau du même site accepteur. De plus, contrairement à ERα, SUMO-1 réprime l’activité de ERβ en altérant son interaction avec l’ADN et l’expression de ses gènes cibles dans les cellules de cancers du sein. Également, ces recherches ont permis d’identifier un motif de sumoylation dépendant de la phosphorylation (pSuM) jusqu’à lors inconnu de la communauté scientifique, offrant ainsi un outil supplémentaire à la prédiction de nouveau substrat de la sumoylation. En plus de permettre une meilleure compréhension du rôle des signaux intracellulaires dans la régulation de l’activité transcriptionnelle de ERβ, nos résultats soulignent l’importance des MPTs dans l’induction des différences fonctionnelles observées entre ERα et ERβ et apportent des pistes supplémentaires à la compréhension de leurs rôles physiopathologiques respectifs. / Estrogens play a pivotal role in reproductive physiology through direct interaction with the estrogen receptors ERα and ERβ, which belong to the nuclear hormone receptor family of ligand-activated transcription factors. Harbouring two activation domains (AF-1 and AF-2), gene expression can be controlled by ERs either in a hormone-dependent and/or independent manner. Disruption of ER transcriptional regulation is associated with pathological events such as breast and endometrial cancers. While ERα is considered a strong predictive factor in endocrine therapy of reproductive cancers, the clinical value of ERβ is still debated, although greater expression of ERβ has been associated with a favourable outcome since recent evidence has associated ERβ with anti-tumorigenic properties and a better response to anti-estrogenic compounds. Along with others studies, those individual outcomes indicate that even though the two receptors can exert similar roles by sharing resemblances in terms of structure and general response to hormone, they can also carry out distinct functions. These variations can be attributed to the fact that most of the structural domains shared by ERs exhibit a low level of homology, especially at the AF-1 domain. Consequently, the majority of the post-translational modifications sites (PTMs) on ERs are not shared between both isoforms. In fact, ligand-induced and ligand-independent activities of ERs are critically influenced by PTMs. PTMs controls the multiple aspects of ER-dependent activation by modulating ERs ligand binding, specificity, cellular localization, dimerization, interaction with their cognate DNA response element, combinatory recruitment of transcriptional coregulators, stability and transcriptional arrest. Hence, by their discrepancies, ERs will be differently influenced by the cellular environment. Furthermore, as the deregulation of different signalling pathway in cancers is associated with ER-dependant tumour progression and in the acquisition of a therapeutic resistant phenotype, it is crucial to understand the how PTMs affect ERs transactivation in order to eventually propose and/or develop adequate treatment. The results presented in this thesis were carried out with the objective of gaining a better understanding of PTM’s roles on ERβ transcriptional control which, as opposed to ERα, remain unclear. We demonstrate here a dynamic regulation of ERβ by phosphorylation, ubiquitination and sumoylation. Furthermore, as all the newly identified PTM are located within de AF-1 domain of ERβ, our results highlight the key role of this domain in the regulation of ligand-dependent and independent transcriptional properties of this receptor. The first study shows that in response to MAPK, specific serine residues in the AF-1 of ERβ are phosphorylated and play an important role in the regulation of ERβ ligand-independent activity by the ubiquitin-proteasome pathway. In fact, the activation-degradation cycle of ERβ induced by MAPK is regulated upon phosphorylation of these serines coordinating ERβ ubiquitination, subnuclear mobility and stability by promoting the recruitment of the ubiquitin ligase E6-AP. Moreover, this molecular process plays part in the differential regulation of ERα and ERβ activity upon proteasome inhibition. In the second paper, we demonstrate that ERβ activity and stability in presence of estrogen is closely regulated by the phosphorylation-dependent sumoylation of the AF-1 domain, amplified by GSK-3 action. SUMO-1 attachment prevents ERβ degradation by competing with ubiquitin at the same acceptor site and dictates ERβ transcriptional inhibition, as opposed to ERα, by altering estrogen-responsive target promoter occupancy and gene expression in breast cancer cells. Furthermore, these findings uncover a novel phosphorylated sumoylation motif (pSuM) and offer a valuable tool to predict novel SUMO substrates under protein kinase regulation. In combination to our better understanding on how intracellular signals controls ERβ transcriptional activity, our results highlight the significant role of PTMs in ERs isoforms discrepancies and allows supplementary comprehension of their respective physiopathologicals roles.

Les estrogènes jouent un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement des tissus reproducteurs par leurs interactions avec les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ. Ces récepteurs nucléaires agissent comme facteurs de transcription et contrôlent l’expression des gènes de façon hormono-dépendante et indépendante grâce à leurs deux domaines d’activation (AF-1 et AF-2). Une dérégulation de leur activité transcriptionnelle est souvent à l’origine de pathologies telles que le cancer du sein, de l’endomètre et des ovaires. Alors que ERα est utilisé comme facteur pronostic pour l’utilisation d’agents thérapeutiques, l’importance de la valeur clinique de ERβ est encore controversée. Toutefois, des évidences récentes lui associent un pouvoir anti-tumorigénique en démontrant que sa présence favorise l’inhibition de la progression de ces cancers ainsi que l’efficacité des traitements. En combinaisons avec d’autres études, ces observations démontrent que bien que les deux isoformes partagent une certaine similitude d’action, les ERs sont en mesure d’exercer des fonctions distinctes. Ces différences sont fortement attribuables au faible degré d’homologie observé entre certains domaines structuraux des ERs, comme le domaine AF-1, ce qui fait en sorte que les différents sites de modifications post-traductionnelles (MPTs) présents sur les ERs sont très peu conservés entre les isoformes. Or, l’activité transcriptionnelle ligand-dépendante et indépendante des ERs est hautement régulée par les MPTs. Elles sont impliquées à tous les niveaux de l’activation des ERs incluant la liaison et la sensibilité au ligand, la localisation cellulaire, la dimérisation, l’interaction avec l’ADN, le recrutement de corégulateurs transcriptionnels, la stabilité et l’arrêt de la transcription. Ainsi, de par leur dissimilitude, les ERs seront différemment régulés par la signalisation cellulaire. Comme un débalancement de plusieurs voies de signalisation ont été associées à la progression de tumeurs ER-positives ainsi qu’au développement d’une résistance, une meilleure compréhension de l’impact des MPTs sur la régulation spécifique des ERs s’avère essentielle en vue de proposer et/ou développer des traitements adéquats pour les cancers gynécologiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre les rôles des MPTs sur l’activité transcriptionnelle de ERβ qui sont, contrairement à ERα, très peu connus. Nous démontrons une régulation dynamique de ERβ par la phosphorylation, l’ubiquitination et la sumoylation. De plus, toutes les MPTs nouvellement découvertes par mes recherches se situent dans l’AF-1 de ERβ et permettent de mieux comprendre le rôle capital joué par ce domaine dans la régulation de l’activité ligand-dépendante et indépendante du récepteur. Dans la première étude, nous observons qu’en réponse aux MAPK, l’AF-1 de ERβ est phosphorylé au niveau de sérines spécifiques et qu’elles jouent un rôle important dans la régulation de l’activité ligand-indépendante de ERβ par la voie ubiquitine-protéasome. En effet, la phosphorylation de ces sérines régule le cycle d’activation-dégradation de ERβ en modulant son ubiquitination, sa mobilité nucléaire et sa stabilité en favorisant le recrutement de l’ubiquitine ligase E6-AP. De plus, ce mécanisme d’action semble être derrière la régulation différentielle de l’activité de ERα et ERβ observée lors de l’inhibition du protéasome. Dans le second papier, nous démontrons que l’activité et la stabilité de ERβ en présence d’estrogène sont étroitement régulées par la sumoylation phosphorylation-dépendante de l’AF-1, processus hautement favorisé par l’action de la kinase GSK-3. La sumoylation de ERβ par SUMO-1 prévient la dégradation du récepteur en entrant en compétition avec l’ubiquitination au niveau du même site accepteur. De plus, contrairement à ERα, SUMO-1 réprime l’activité de ERβ en altérant son interaction avec l’ADN et l’expression de ses gènes cibles dans les cellules de cancers du sein. Également, ces recherches ont permis d’identifier un motif de sumoylation dépendant de la phosphorylation (pSuM) jusqu’à lors inconnu de la communauté scientifique, offrant ainsi un outil supplémentaire à la prédiction de nouveau substrat de la sumoylation. En plus de permettre une meilleure compréhension du rôle des signaux intracellulaires dans la régulation de l’activité transcriptionnelle de ERβ, nos résultats soulignent l’importance des MPTs dans l’induction des différences fonctionnelles observées entre ERα et ERβ et apportent des pistes supplémentaires à la compréhension de leurs rôles physiopathologiques respectifs. / Estrogens play a pivotal role in reproductive physiology through direct interaction with the estrogen receptors ERα and ERβ, which belong to the nuclear hormone receptor family of ligand-activated transcription factors. Harbouring two activation domains (AF-1 and AF-2), gene expression can be controlled by ERs either in a hormone-dependent and/or independent manner. Disruption of ER transcriptional regulation is associated with pathological events such as breast and endometrial cancers. While ERα is considered a strong predictive factor in endocrine therapy of reproductive cancers, the clinical value of ERβ is still debated, although greater expression of ERβ has been associated with a favourable outcome since recent evidence has associated ERβ with anti-tumorigenic properties and a better response to anti-estrogenic compounds. Along with others studies, those individual outcomes indicate that even though the two receptors can exert similar roles by sharing resemblances in terms of structure and general response to hormone, they can also carry out distinct functions. These variations can be attributed to the fact that most of the structural domains shared by ERs exhibit a low level of homology, especially at the AF-1 domain. Consequently, the majority of the post-translational modifications sites (PTMs) on ERs are not shared between both isoforms. In fact, ligand-induced and ligand-independent activities of ERs are critically influenced by PTMs. PTMs controls the multiple aspects of ER-dependent activation by modulating ERs ligand binding, specificity, cellular localization, dimerization, interaction with their cognate DNA response element, combinatory recruitment of transcriptional coregulators, stability and transcriptional arrest. Hence, by their discrepancies, ERs will be differently influenced by the cellular environment. Furthermore, as the deregulation of different signalling pathway in cancers is associated with ER-dependant tumour progression and in the acquisition of a therapeutic resistant phenotype, it is crucial to understand the how PTMs affect ERs transactivation in order to eventually propose and/or develop adequate treatment. The results presented in this thesis were carried out with the objective of gaining a better understanding of PTM’s roles on ERβ transcriptional control which, as opposed to ERα, remain unclear. We demonstrate here a dynamic regulation of ERβ by phosphorylation, ubiquitination and sumoylation. Furthermore, as all the newly identified PTM are located within de AF-1 domain of ERβ, our results highlight the key role of this domain in the regulation of ligand-dependent and independent transcriptional properties of this receptor. The first study shows that in response to MAPK, specific serine residues in the AF-1 of ERβ are phosphorylated and play an important role in the regulation of ERβ ligand-independent activity by the ubiquitin-proteasome pathway. In fact, the activation-degradation cycle of ERβ induced by MAPK is regulated upon phosphorylation of these serines coordinating ERβ ubiquitination, subnuclear mobility and stability by promoting the recruitment of the ubiquitin ligase E6-AP. Moreover, this molecular process plays part in the differential regulation of ERα and ERβ activity upon proteasome inhibition. In the second paper, we demonstrate that ERβ activity and stability in presence of estrogen is closely regulated by the phosphorylation-dependent sumoylation of the AF-1 domain, amplified by GSK-3 action. SUMO-1 attachment prevents ERβ degradation by competing with ubiquitin at the same acceptor site and dictates ERβ transcriptional inhibition, as opposed to ERα, by altering estrogen-responsive target promoter occupancy and gene expression in breast cancer cells. Furthermore, these findings uncover a novel phosphorylated sumoylation motif (pSuM) and offer a valuable tool to predict novel SUMO substrates under protein kinase regulation. In combination to our better understanding on how intracellular signals controls ERβ transcriptional activity, our results highlight the significant role of PTMs in ERs isoforms discrepancies and allows supplementary comprehension of their respective physiopathologicals roles.

Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures. / Type 2 diabetes is a chronic disease for which incidence is continuously increasing. The risk of developing type 2 diabetes among Aboriginal people in Canada is three to five times higher than the rest of the Canadian population. The boreal forest has several medicinal plants with potential for the treatment or prevention of diabetes. Some of these plants are part of the Cree traditional and alternative medicine. Ethnobotanical surveys led our research team to identify 17 medicinal plant extracts used by the Crees of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec) to treat symptoms of diabetes. Some extracts showed anti-diabetic activities in muscle cells, adipocytes and in vivo studies in animals. The aim of this thesis is to elucidate the effect of these 17 plants on hepatic glucose homeostasis, to identify the most promising species and isolate its active constituents. Similarly, Canadian lowbush blueberry, Vaccinium angustifolium.Ait, is part of the Canadian boreal forest and is known for its anti-diabetic activities. Biotransformation of blueberry juice gives it an increased antioxidant activity and a different biological profile. The second aim of this thesis is to elucidate the mechanisms of action by which biotransformed blueberry juice (BJ) exerts its anti-diabetic effect and identify its active constituents. The results showed that three Cree plants stood out with their effect on hepatic glucose homeostasis. Picea glauca exerts its effect by reducing glucose production whereas Larix laricina works by increasing its the storage. Abies balsamea showed the most promising profile, simultaneously and powerfully reducing glucose-6-phosphatase (G6Pase) involving both insulin-dependent and -independent pathways and stimulating Glycogen synthase (GS) via phosphorylation of Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3). Bioassay-guided fractionation of Abies balsamea led to the isolation of three active compounds; Abietic acid (AA), dehydroabietic acid (DAA) and squalene (SQ). The active constituents have shown the same mechanism of action as the crude extract by decreasing the activity of G6Pase, increasing that of the GS and activating signaling pathways. DAA stood out for its most powerful effect close to that of the crude extract in all experiments. Our results showed that anti-diabetic activity of BJ involves decrease in hepatic glucose production, increase of storage and enhancement of glucose uptake in muscle. Its bioassayiv guided fractionation led to isolate seven fractions, three of which were the most active. Identification of components in the active fractions resulted in four isolated phenolic compounds; chlorogenic acid, gallic acid, protocatechuic acid and catechol. Catechol stood out with its most powerful effects by decreasing the activity of G6Pase, increasing the GS and stimulating glucose transport in muscle. Our results thus confirm that the reduction of hepatic glucose production likely contributes to the therapeutic potential of several anti-diabetic Cree traditional plant and especially that of Abies balsamea whose active compounds may help in the development of new anti-diabetic molecules. In addition, the results of this thesis showed that the anti-diabetic activity of BJ involves control of glucose homeostasis in the liver and muscle. Identification of catechol as an active compound with anti-diabetic promising potential can be used for future therapeutic purposes.

The phosphatidylinositol 3' kinase (PI3K) pathway is involved in many cellular processes including cell proliferation, survival, and glucose transport, and is implicated in various disease states such as cancer and diabetes. Though there have been numerous studies dissecting the role of PI3K signaling in different cell types and disease models, the mechanism by which PI3K signaling regulates embryonic stem (ES) cell fate remains unclear. It is believed that in addition to proliferation and tumorigenicity, PI3K activity might also be important for self-renewal of ES cells. Paling et al. (2004) reported that the inhibition of PI3K led to a reduction in the ability of leukemia inhibitory factor (LIF) to maintain self-renewal causing cells to differentiate. Studies in our lab have revealed that ES cells completely lacking GSK-3 remain undifferentiated compared to wildtype ES cells. GSK-3 is negatively regulated by PI3K suggesting that PI3K may play a vital role in maintaining pluripotency in ES cells through GSK-3. By using a modified Flp recombinase system, we expressed activated alleles of PDK-1 and PKB to create stable, isogenic ES cell lines to further study the role of the PI3K signaling pathway in stem cell fate determination. In vitro characterization of the transgenic cell lines revealed a strong tendency towards maintenance of pluripotency, and this phenotype was found to be independent of canonical Wnt signal transduction. To assess growth and differentiation capacity in vivo, the ES cell lines were grown as subcutaneous teratomas. The constitutively active PDK-1 and PKB ES cell lines were able to form all three germ layers when grown in this manner – in contrast to ES cells engineered to lack GSK-3. The resulting PI3K pathway activated cells exhibited a higher growth rate which resulted in large teratomas. In summary, PI3K signaling is sufficient to maintain self-renewal and survival of stem cells. Since this pathway is frequently mutationally activated in cancers, its effect on suppressing differentiation may contribute to its oncogenicity.