Des études cliniques indiquent que l’hétérogénéité des récepteurs tyrosine kinase (RTK) dérégulés dans le cancer colorectal (CCR) contribue à la résistance aux thérapies ciblant qu’un seul RTK. Une alternative serait de cibler les protéines effectrices engagées par plusieurs RTK régissant les processus clés à la progression du CCR, mais la signalisation des RTK dans le CCR reste peu définie. Des travaux réalisés au laboratoire ont démontré par une approche dominante négative que le pouvoir oncogénique du RTK Met chez les cellules épithéliales intestinales transformées par une forme active de Met (Tpr-Met-IEC-6) serait dépendant des protéines Gab (Grb2-associated binder). Cette approche reposait sur l’inhibition de l’interaction entres les protéines Gab et Met par l’expression du domaine de Gab1 renfermant un motif d’interaction indirect aux RTK, via la protéine Grb2, et le site de liaison direct, unique à Gab1, avec Met. Ainsi, cette approche ne permet pas de discerner les effets de Gab1 de ceux de Gab2 en aval de Met. L’objectif de cette présente étude était de définir les rôles qui sont propres à Gab1 et à Gab2, en aval de Met, dans les cellules Tpr-Met-IEC-6. Pour ce faire, nous avons évalué l’impact d’une modulation de l’expression de Gab1 et de Gab2, par une approche d’interférence à l’ARN et de surexpression, sur les caractéristiques oncogéniques de ces cellules. De façon surprenante, nous démontrons que Gab1 affecte positivement l’expression Tpr-Met, la transformation morphologique ainsi que la croissance cellulaire. De plus, nous démontrons que la diminution ou la surexpression de Gab2 dans les cellules Tpr-Met-IEC-6 n’a aucun effet sur la morphologie, la croissance cellulaire, la capacité des cellules à croître au-delà de la confluence et sans ancrage à la matrice extracellulaire et enfin sur la migration. En conclusion, mes travaux de recherche suggèrent que la protéine Gab1, et non Gab2, joue un rôle essentiel dans le pouvoir oncogénique de Met dans les cellules épithéliales intestinales. Ainsi, Gab1 et ses voies de signalisation pourraient représenter des cibles prometteuses pour l’élaboration de nouvelles thérapies contre le CCR.

Receptor tyrosine kinase (RTK) inhibitors are emerging as an effective therapeutic option for treatment of breast cancer patients overexpressing particular RTKs. However, more patients may benefit from an inhibitor targeting a common effector protein downstream several RTKs. The presented studies herein identify c-Jun N-Terminal Kinase 2 (JNK2), a kinase downstream multiple RTKs, as a novel target to effectively inhibit Phosphatidylinositol 3-kinase/AKT activation and metastasis. Knockdown of JNK2 in the highly metastatic 4T1.2 mammary cancer cells significantly decreased growth factor induced invasion in Boyden chambers, orthotopic tumor growth, and metastatic lesions in lungs and bone. Intra-cardiac introduction of cancer cells is utilized to specifically study the later steps in the metastatic cascade including travel of disseminated cancer cells to a secondary location. Thus, earlier steps such as the process of acquiring a malignant phenotype leading to escape from the primary tumor are bypassed. Survival was prolonged in mice receiving intra-cardiac injection of cells deficient of JNK2 either in the host or in the tumor cells, suggesting a potential role for JNK2 as a therapeutic target for advanced stage breast cancer patients. Using siRNA and inhibitors against Src and PI3K, we determined that JNK2 activity is dependent on Src and PI3K, positioning JNK2 downstream of two critical factors involved in tumor progression. Microarray analysis of JNK2 deficient tumors revealed that JNK2 positively regulates the adaptor protein Grb2 associated binding protein 2 (Gab2). Knockdown of Gab2 in 4T1.2 cells resulted in decreased tumor growth and a trend for decreased lung metastasis. In vitro, stimulation of 4T1.2 shJNK2 or 4T1.2 shGab2 cells with HGF, heregulin, or insulin resulted in impaired AKT activation, suggesting involvement of Gab2 and JNK2 in multiple RTK signaling pathways. Understanding of the intricate mechanisms involved in RTK signal transduction can contribute to drug design geared towards more effective targets, namely JNK2. The secondary goal of this research was to decipher the individual roles of JNK2 and JNK1 in metastatic breast cancer. Survival was significantly shortened in mice injected intra-cardiac with 4T1.2 shJNK1 cells. In congruence, serum Cathepsin K levels were increased and bone lesions observed were higher in mice injected with shJNK1 expressing tumor cells compared to mice injected with control cells. In sharp contrast, jnk1-/- mice displayed dramatically increased survival and fewer bone lesions upon intra-cardiac injections of 4T1.2 cells. Collectively, these data suggest cell and isoform specific roles for JNKs. / text

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La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers. / Receptor tyrosine kinase (RTK) signaling plays an essential role in modulating cell growth, proliferation, differentiation and motility. Abnormal regulation of RTKs results in many human diseases, including breast cancer, the second leading cause of cancer mortality in women by the frequent amplification and mutation of the HER2 (ERBB2) tyrosine kinase. The Grb2-associated binder (Gab) 2 is an adaptor protein that acts downstream of several RTKs, including HER2, to regulate multiple signaling pathways. In response to the stimulation of a number of growth factors and cytokines, Gab2 is recruited to the plasma membrane, where it potentiates the activation of the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) and PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B) pathways. In addition to playing an important role in the hematopoietic system during development, GAB2 is often amplified in cancers including breast cancer and melanoma, however, little is known about the molecular mechanisms that regulate Gab2 function. It has been well established that upon RTKs activation, Gab2 becomes phosphorylated on several Tyr residues leading to diverse adaptor protein associations, such as p85 and Shp2. Aside from the tyrosine phosphorylation, our lab and other groups noticed that Gab2 is also phosphorylated on Ser/Thr residues upon activation of MAPK signaling. However, less is known about this post-translational modification in the regulation of Gab2 functions. In order to understand how Gab2 is regulated by the MAPK pathway, we used different approaches. In the first part of my thesis, we determined a new mechanism by which the Ras/MAPK pathway through RSK (p90 ribosomal S6 kinase) phosphorylated Gab2 on three conserved Ser/Thr residues, both in vivo and in vitro. Mutation of these phosphorylation sites promoted Shp2 recruitment leading to increased cell motility, suggesting that RSK restricts Gab2-dependent functions as a result of participation in the negative feedback loop of MAPK signaling. In the second part of the thesis, we found that ERK1/2 phosphorylated Gab2 on several potential pS/T-P residues, both in vivo and in vitro, resulting in inhibited p85 recruitment. In addition, to the best of our knowledge, we established for the first time that Gab2 physically interacted with ERK1/2 in cells upon activation of the MAPK pathway. Furthermore, we revealed a novel ERK1/2 docking domain in Gab2. Mutation of the essential residues in this docking domain not only disrupted ERK1/2-Gab2 interaction, but also diminished ERK1/2-dependent phosphorylation on Gab2. Taken together, our data showed that the MAPK pathway regulates Gab2 functions through both RSK- and ERK1/2-dependent manners. Given that Gab2 is overexpressed in several cancers, this thesis decodes a complete figure of modulating actions of Gab2 by MAPK signaling in cancer development.

La protéine d’échafaudage Gab1 amplifie la signalisation de plusieurs récepteurs à fonction tyrosine kinase (RTK). Entre autres, elle promeut la signalisation du VEGFR2, un RTK essentiel à la médiation de l’angiogenèse via le VEGF dans les cellules endothéliales. En réponse au VEGF, Gab1 est phosphorylé sur tyrosine, ce qui résulte en la formation d’un complexe de protéines de signalisation impliqué dans le remodelage du cytosquelette d’actine et la migration des cellules endothéliales. Gab1 est un modulateur essentiel de l’angiogenèse in vitro et in vivo. Toutefois, malgré l’importance de Gab1 dans les cellules endothéliales, les mécanismes moléculaires impliqués dans la médiation de ses fonctions, demeurent mal définis et la participation du second membre de la famille, Gab2, reste inconnue. Dans un premier temps, nous avons démontré que tout comme Gab1, Gab2 est phosphorylé sur tyrosine, qu’il s’associe de façon similaire avec des protéines de signalisation et qu’il médie la migration des cellules endothéliales en réponse au VEGF. Cependant, contrairement à Gab1, Gab2 n’interagit pas avec le VEGFR2 et n’est pas essentiel pour l’activation d’Akt et la promotion de la survie cellulaire. En fait, nous avons constaté que l’expression de Gab2 atténue l’expression de Gab1 et l’activation de la signalisation médiée par le VEGF. Ainsi, Gab2 semble agir plutôt comme un régulateur négatif des signaux pro-angiogéniques induits par Gab1. La migration cellulaire est une des étapes cruciales de l’angiogenèse. Nous avons démontré que Gab1 médie l’activation de la GTPase Rac1 via la formation et la localisation d’un complexe protéique incluant la GEF VAV2, la p120Caténine et la Cortactine aux lamellipodes des cellules endothéliales en réponse au VEGF. De plus, nous montrons que l’assemblage de ce complexe corrèle avec la capacité du VEGF à induire l’invasion des cellules endothéliales et le bourgeonnement de capillaires, deux phénomènes essentiels au processus angiogénique. La régulation des RhoGTPases est également régulée par des inactivateurs spécifiques les « Rho GTPases activating proteins », ou GAPs. Nous décrivons ici pour la première fois le rôle de la GAP CdGAP dans les cellules endothéliales et démontrons son importance dans la médiation de la signalisation du VEGF via la phosphorylation sur tyrosine de Gab1 et l’activation des RhoGTPases Rac1 et Cdc42. Ainsi, dù à son importance sur l’activation de voies de signalisation du VEGF, CdGAP représente un régulateur crucial de la promotion de diverses activités biologiques essentielles à l’angiogenèse telles que la migration cellulaire, et le bourgeonnement de capillaires in vitro et d’aortes de souris ex vivo. De plus, les embryons de souris CdGAP KO présentent des hémorragies et de l’œdème, et ces défauts vasculaires pourraient être responsables de la mortalité de 44% des souris CdGAP knock-out attendues. Nos études amènent donc une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires induits par le VEGF et démontrent l’implication centrale de Gab1 et des régulateurs des RhoGTPases dans la promotion de l’angiogenèse. Cette meilleure compréhension pourrait mener à l’identification de nouvelles cibles ou approches thérapeutiques afin d’améliorer le traitement des patients souffrant de maladies associées à une néovascularisation incontrôlée telles que le cancer. / The Gab1 scaffolding protein allows signaling of multiple Receptors Tyrosine Kinase (RTKs). Among other things, it allows VEGFR2 signaling, an essential RTK to mediate angiogenesis via VEGF in endothelial cells. In response to VEGF, Gab1 is tyrosine phosphorylated, resulting in the formation of a signaling protein complex involved in the remodeling of the actin cytoskeleton and the migration of endothelial cells. Gab1 is a key modulator of angiogenesis in vitro and in vivo. However, despite the importance of Gab1 in endothelial cells, the molecular mechanisms involved in mediating its functions remain poorly defined and the participation of the second family member, Gab2, remains unknown. Initially, we demonstrated that as with Gab1, Gab2 is tyrosine phosphorylated, it associates with similar signaling proteins and induces cell migration in response to VEGF in endothelial cells. However, Gab2 does not interact with VEGFR2 and is not essential for the activation of Akt and the promotion of cell survival. In fact, we found that the expression of Gab2 attenuates the expression of Gab1 and activation of VEGF-mediated signaling. In light of these results, we propose that in endothelial cells stimulated with VEGF, Gab2 acts as a negative regulator of pro-angiogenic signals induced by Gab1. Cell migration is a crucial step in angiogenesis, though, few studies have investigated the involvement of Gab1 in regulating different molecular mechanisms for actin remodeling leading to endothelial cell migration. We demonstrated that Gab1 mediates activation of Rac1 GTPase via the formation and localization of a protein complex including the GEF VAV2, p120 Catenin and Cortactin to lamellipodia of endothelial cells in response to VEGF. Furthermore, we show that the assembly of this complex correlates with the ability of VEGF to induce endothelial cell invasion and capillary sprouting, phenomena essential to the angiogenic process. RhoGTPases are also regulated by specific inactivators, "Rho GTPase activating proteins" or GAPs. The involvement of GAPs in promoting angiogenesis is relatively poorly described. Here we describe for the first time the role of the GAP CdGAP in endothelial cells and demonstrate its importance in mediating VEGF signaling via tyrosine phosphorylation of Gab1 and activation of Rac1 and Cdc42 RhoGTPases. Due to its importance in the activation of signaling pathways critical in VEGF signaling, CdGAP is thus an important protein for the regulation of various essential biological activities such as cell migration, sprouting and therefore in vitro and ex vivo angiogenesis. In addition, embryos of CdGAP knock-out mice exhibit vascular defects, excessive branching vessels, haemorrhages and edema which may be responsible for the 44% mortality seen in CdGAP knock-out mice expected. Our studies contribute to a better understanding of the molecular mechanisms induced by VEGF and demonstrate the central involvement of Gab1 and regulators of RhoGTPases in promoting angiogenesis. This understanding could lead to the identification of new targets and therapeutic approaches to improve the treatment of patients with uncontrolled neovascularization associated with diseases such as cancer.

Hydrogen bonds are directional, non-covalent interactions between hydrogen and electronegative atoms. Although generally weak, these interactions are critical to the stability of many biological systems including proteins and DNA. This dissertation explores small molecules in which an intramolecular hydrogen bond is the key determinant of conformation. Chapter 1 introduces the protein Grb2 SH3C, details its role in cancer signalling, and delineates the idea of peptidomimetics—small molecules which are functionalized to mimic the structure of a peptide and disrupt protein-protein interactions. Chapter 2 describes a virtual screen for binders to Grb2 SH3C. From a library of 6.3 million compounds, 34 were tested in vitro and two found to bind to the protein in two orthogonal assays. Chapter 3 describes mimics of the polyproline II helix using a benzoylurea scaffold. A small library of these compounds was synthesized and tested for binding to Grb2 SH3C using SPR, a competition assay, and NMR. Chapter 4 describes attempts to mimic a 310 helix using benzamide-based peptidomimetics. The synthesis and in vitro evaluation of these molecules as ligands of Grb2 SH3C is described. Chapter 5 uses quantum chemical calculations to assess the energies of a series of molecular switches. These calculations benchmark a range of modern density functional theory calculations, and attempt to quantify the accuracy of these methods for a large, flexible system. The role of solvation, entropy, geometry, and torsional angles are assessed in accurately calculating the energies of the critical hydrogen bonds.