Because of the severe toxicity and limiting side effects of traditional chemotherapy, there exists a critical need to develop better-tolerated, safer drugs to treat cancer. Recent advances in our understanding of the molecular mechanisms governing carcinogenesis have ushered in a new age in drug discovery and have enabled the design of much more sophisticated agents to treat cancer. This work describes two approaches to the development of novel, specifically targeted cancer therapeutics.The first approach involves the synthesis of a class of a new class of small molecules called epidithiodiketopiperazines (ETPs) designed to inhibit hypoxia-induced transcription. Specifically, these agents block the interaction of the transcription factor HIF-1α (hypoxia inducible factor-1α) and its required coactivator p300/CBP by inducing a structural change in p300 that renders it incapable of binding to HIF-1α. Preventing hypoxia-mediated transcription has the potential to stop the process of angiogenesis that is critical for sustained tumor growth and metastasis. Moreover, because HIF-1α also controls genes for energy production and matrix remodeling, ETPs may also halt metabolic adaptation and tumor progression. Our results show that ETPs prevent the association of HIF-1α and p300 and abrogate hypoxia signaling on both the transcriptional and translational levels in endogenous systems. In addition, they do not exhibit broad-spectrum cytotoxicity or global inhibition of the transcriptional response.The second approach addresses the validation of poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) as a new therapeutic target. This project describes studies aimed to further our understanding of the interaction between poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) and PARG with the ultimate goal of using this knowledge to design novel therapeutics. This portion of the dissertation involves a series of studies in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) with genetic mutations in their PARP and PARG function. MEF cell lines containing a truncated form of PARG lacking the regulatory domain demonstrate over-activation of PARP-1, but not PARP-2. Additionally, deletion of the PARG regulatory domain impairs the DNA damage response to SSBs and DSBs and significantly increases cell death resulting from genotoxic stress. Taken together, these studies suggest a specific interaction between PARP-1 and the regulatory domain of PARG that is critical for proper PARP-1 function.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 102-123. Publié aussi en version électronique.

Positionnée en aval des voies PI3K/AKT et RAS/MAPK, la protéine kinase mTOR joue un rôle déterminant dans le développement et la progression tumorale des cancers colorectaux où elle est fortement surexprimée. Par ailleurs, les cancers colorectaux comme toutes les tumeurs solides, ont un microenvironnement hypoxique. L’adaptation des cellules tumorales à l’hypoxie est notamment régulée par la voie PI3K/AKT/mTOR ainsi que par les facteurs de transcription HIFs dont l’expression protéique et l’activité transcriptionnelle est en partie régulée par mTOR. Dans cette étude, nous avons montré que l’inhibition verticale et complète de l’axe PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α par l’utilisation combinée d’irinotecan à faible dose et d’inhibiteurs catalytiques de mTOR inhibe significativement la prolifération cellulaire de lignées coliques humaines, la croissance tumorale et le développement de métastases de xénogreffes de tumeurs coliques dérivées de patients.En parallèle, une étude de cohorte de tumeurs coliques humaines de stade III par Tissue Micro Array montre que les facteurs HIFs sont fortement exprimés dans l’épithélium et le stroma de cancers du côlon de stade III, qu’une faible expression nucléaire de HIF-1α dans les cellules épithéliales confère une mauvaise survie aux patients et qu’elle a une valeur prédictive de moins bonne réponse au traitement 5-FU. / Downstream of the PI3K/AKT and RAS/MAPK pathways, mTOR protein kinase plays a decisive role in the development and tumor progression of colorectal cancers. Furthermore, the microenvironment of colorectal cancers is hypoxic. The adaptation of the tumor cells to hypoxia is regulated by the PI3K/AKT /mTOR pathway as well as by the HIFs transcription factors whose protein expression and transcriptional activity is partially regulated by mTOR. In this study, we showed that the vertical and complete inhibition of the PI3K / AKT / mTOR /HIF-1α axis by the combined use of low-dose irinotecan and mTOR catalytic inhibitors significantly inhibits human colon cancer cell proliferation, as well as the growth and metastatic development of xenografted human colon tumors. In parallel, a Tissue Micro Array study on a cohort of stage III human colic tumors shows that the HIFs are strongly expressed in the epithelium and stroma of the tumors and a low nuclear expression of HIF-1α in epithelial cells provides with poor survival to patients and has a predictive value of worse response to 5-FU treatment.

L’hypoxie tumorale est l’une des principales causes de l’agressivité des glioblastomes (GB). Plusieurs études attestent de l’implication de l’isoforme HIF-1α (hypoxia inducible factor-1α) dans la progression de ces tumeurs et dans leur résistance à la radiothérapie (RT). Plus récemment, il a été établi que l’isoforme HIF-2α régule la capacité tumorigénique des cellules souches de GB (CSG). Cependant, le rôle de ce facteur dans la croissance des cellules de GB différenciées et leur réponse à la RT est moins documenté. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de renforcer ces connaissances à l’échelle préclinique en utilisant deux approches d’ARN interférence (ARNi) pour moduler l’expression de HIF-2 : cibler directement HIF-2α ou cibler HAF (hypoxia associated factor), un facteur impliqué dans le switch de HIF-1α vers HIF-2α. Les résultats obtenus sur un modèle orthotopique de cellules humaines de GB (U251-MG) différenciées montrent que l’invalidation de HAF conduit à un fort ralentissement de la croissance de ces tumeurs mais indépendamment de HIF-1α ou HIF-2α. L’effet de l’invalidation de HIF-2α serait, quant à lui, dépendant de l’environnement tumoral. En effet, la diminution d’expression de HIF-2α dans les cellules U251 ne modifie pas la croissance tumorale dans un modèle de greffe sous-cutanée, alors que celle-ci favorise la croissance tumorale lorsque les cellules de GB sont implantées en intracérébral. Par comparaison aux tumeurs contrôles, ces tumeurs sont plus invasives et mieux perfusées. In vitro, l’inhibition de l’expression de HIF-2α n’a aucun effet sur la survie des cellules U251 alors qu’elle diminue la mort apoptotique de ces cellules exposées aux rayons X.L’ensemble des données présentées dans cette étude suggère que HAF et HIF-2α pourraient réguler la capacité tumorigénique des cellules de GB différenciées, tout comme observé pour les CSG. En outre, ces résultats soulignent la nécessité de prendre en compte le microenvironnement cellulaire afin de mieux comprendre le comportement de la tumeur dans son environnement hypoxique. / Hypoxia is one of the main causes of glioblastoma (GB) aggressiveness. Various studies attest on the involvement of the HIF-1α isoform (hypoxia inducible factor-1α) in the progression of these tumors and in their resistance to radiation therapy (RT). More recently, it was established that the HIF-2α isoform regulates the tumorigenic capacity of GB stem cells (GSC). However, the role of this factor in the growth of differentiated GB cells and their response to RT is less documented. In this context, the goal of this work was to strengthen this knowledge at the preclinical level by using two RNA interference (RNAi) strategies to modulate the expression of HIF-2: one directly targets HIF-2α, the other one targets HAF (hypoxia associated factor), a factor involved in the switch of HIF-1α to HIF-2α. Our results obtained on an orthotopic model of differentiated human GB (U251-MG) cells showed that the invalidation of HAF leads to a strong slowdown in tumor growth but independently of HIF-1α or HIF-2α. On the other hand, the effect of HIF-2α silencing seems dependent on the tumor environment. Indeed, the extinction ofHIF-2α expression in U251 cells does not modify tumor growth in a subcutaneous model, whereas it promotes tumor growth when GB cells are intracerebrally grafted. Compared to control tumors, these tumors are more invasive and highly perfused. In vitro, the inhibition of HIF-2α expression has no effect on GB cell survival whereas decreasing the X-rays induced apoptotic death.Collectively, these data suggest that HAF and HIF-2α could regulate the tumorigenic capacity of differentiated GB cells, like it does in CSGs. In addition, these results highlight the need to take into account the cellular microenvironment to better understand the behavior of the tumor in its hypoxic environment.

Hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) est un facteur de transcription hétérodimérique ubiquitaire responsable de l’activation de nombreux gènes essentiels à l’adaptation des cellules suite à une diminution de la disponibilité en oxygène. En raison de l’induction du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF), une puissante molécule pro-angiogénique, HIF-1 joue un rôle particulièrement important au niveau des cellules vasculaires et dans la formation de nouveaux vaisseaux sanguins. Dernièrement, plusieurs études ont clairement démontré que la sphingosine-1-phosphate (S1P) est également un facteur pro-angiogénique majeur. Relâché dans le sérum principalement par les plaquettes activées, ce phospholipide bioactif vital lie et stimule des récepteurs spécifiques des cellules endothéliales (ECs) et musculaires lisses vasculaires (VSMCs), engendrant ainsi une variété de réponses cellulaires cruciales et essentielles dans la régulation du système vasculaire dont la prolifération, la migration et la survie. D’autres études ont clairement démontré que des stimuli non-hypoxiques peuvent aussi mener à l’activation de HIF-1 en conditions normales d’oxygénation. Puisque HIF-1 et S1P jouent un rôle central au niveau de l’angiogenèse et de la biologie des cellules vasculaires et qu’ils sont tout deux impliqués dans la pathogénèse de maladies comme l’athérosclérose et le cancer, cette thèse visait à déterminer le rôle potentiel de la S1P dans l’induction et l’activation de HIF-1 au niveau vasculaire et à identifier les mécanismes moléculaires conduisant à cette activation. Brièvement, nous montrons que le traitement des ECs et des VSMCs avec la S1P induit fortement l’expression de la protéine HIF-1αla sous-unité active de HIF-1. Le complexe nucléaire ainsi formé est actif transcriptionnellement et se lie spécifiquement à la séquence promotrice de ses gènes cibles. Nous démontrons également que la stabilisation protéique, indépendante de pVHL (protéine von Hippel-Lindau), est le mécanisme principal à l’origine de cette induction et ce, suite à l’activation spécifique du récepteur S1P2. Finalement, l’expression de gènes dépendants de HIF-1, apportée par la S1P, est fortement diminuée suite à l’utilisation d’ARN interférants ciblant la protéine HIF-1α. Nous croyons que les résultats de ces travaux, qui identifient S1P comme étant un nouvel et puissant activateur de HIF-1, auront un impact certain sur différents aspects de la biologie vasculaire. / Hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) is a ubiquitous heterodimeric transcription factor responsible for the activation of many genes essential for adaptation to low oxygen conditions. Among these genes, HIF-1 strongly induces vascular endothelial growth factor (VEGF), a potent angiogenic molecule. Therefore, HIF-1 plays a crucial role in vascular cell biology and the formation of new blood vessels. Recent studies have clearly shown that sphingosine-1-phosphate (S1P) is also a key player in the angiogenic process. Released into circulation mainly upon platelet activation, this bioactive phospholipid binds to and activates specific receptors located on vascular endothelial (ECs) and smooth muscle cells (VSMCs). This leads to the stimulation of a wide range of essential vascular cell responses like proliferation, migration and survival, which are crucial in the regulation of the vascular system. Other studies have shown that non-hypoxic stimuli can also activate HIF-1 in oxygenated conditions. Since S1P and HIF-1 are both important regulators of vascular cell biology and especially angiogenesis and that they are also both implicated in the pathogenesis of different diseases like atherosclerosis and cancer, the goal of the present thesis was to determine whether S1P can modulate the vascular induction and activation of HIF-1 and to identify the molecular mechanisms underlying this activation. Briefly, we show that treatment of ECs and VSMCs leads to a strong induction of HIF-1α protein levels through the specific activation of the S1P type-2 receptor in a time and dose-dependant manner. We also demonstrate that the S1P-dependant HIF-1 nuclear complex formation, achieved through pVHL-independent (protein von Hippel-Lindau) stabilization of HIF-1α, is transcriptionally active and specifically binds to hypoxia-responsive elements. Moreover, S1P activates the expression of genes known to be closely regulated by HIF-1 and this induction could be blocked by the use of RNA interference oligonucleotides targeting HIF-1α protein. Thus, this work identifies S1P as a novel and potent non-hypoxic activator of HIF-1. We believe that understanding the role played by HIF-1 in S1P gene regulation will have a strong impact on different aspects of vascular biology.

Les facteurs de transcription induits par l’hypoxie (HIF) sont responsables de la transcription de nombreux gènes impliqués dans la réponse à l’hypoxie. En plus de réguler de nombreux processus cellulaires et physiologiques, ces facteurs sont impliqués dans plusieurs pathologies. Hétérodimères constitués d’une sous-unité β constitutive et d’une sous-unité α sensible à l’oxygène, ces facteurs sont majoritairement régulés par l’hydroxylation et la dégradation de la sous-unité α. En situation d’hypoxie, ce mécanisme de dégradation est inhibé, ce qui favorise la formation de complexes HIF. Les travaux présentés dans cette thèse visent à élucider les mécanismes régulant l’activation de HIF en situation d’hypoxie ou de normoxie. Dans la section Résultats, vous retrouverez une section consacrée à l’activation de HIF par l’angiotensine II (AngII) chez les cellules musculaires lisses vasculaires. Plus précisément, le rôle de la transactivation de récepteurs à activité tyrosine kinase suivi de l’implication de HIF dans la biologie de ces cellules seront abordés. Dans un deuxième temps, un inhibiteur des métalloprotéases, le BiPS, vous sera présenté comme étant un puissant inducteur des protéines HIF-α. En effet, le BiPS est un puissant inhibiteur des enzymes responsables de la dégradation des protéines HIF-α. En outre, le BiPS permet l’activation des complexes HIF ainsi formés. Ces résultats inattendus pourraient avoir des répercussions importantes dans l’utilisation de cet agent à des fins angiostatiques dans le traitement du cancer en plus de présenter un nouvel agent ayant un potentiel thérapeutique important dans le traitement de pathologies ischémiques. Finalement, vous retrouverez une section consacrée à l’étude d’un nouveau répresseur de HIF, l’histone acétyltransférase HBO1. De façon étonnante, HBO1 réprime l’activité des complexes HIF par un mécanisme indépendant de la stabilisation des sous-unités α mais dépendant du remodelage de la chromatine. En conclusion, ces résultats mettent en lumière de nouveaux mécanismes de régulation de l’activité des facteurs de transcription HIF. Considérant les rôles physiologiques importants de ces complexes ainsi que leurs implications dans diverses maladies, ces résultats permettront d’accroître les connaissances disponibles quant aux fonctions de ces complexes et mèneront vers le développement d’outils thérapeutiques efficaces. / Hypoxia-inducible transcription factors (HIF) are decisive elements in the transcriptional regulation of numerous genes expressed in conditions of hypoxic stress. In addition to their roles in many physiological and cellular processes, HIF are also involved in diverse pathological situations. Obligate heterodimers composed of a constitutive β subunit and of an oxygen tension-regulated α subunit, these transcription factors are mainly regulated by the hydroxylation and subsequent degradation of the α subunit. In hypoxia, this degradation mechanism is inhibited, resulting in HIF complex formation and binding to specific DNA sequences. The work presented in this thesis aims to elucidate regulatory mechanisms involved in HIF activation during hypoxia or in normal oxygen conditions. In the Results section, you will find a study devoted to HIF activation by angiotensin II (Ang II) in vascular smooth muscle cells. Specifically, the role of receptor tyrosine kinase transactivation on HIF activation was evaluated along with a description of HIF-1’s role in smooth muscle cells biology. Next, an inhibitor of matrix metalloproteases, BiPS, will be presented as a novel and potent HIF activator. This unexpected effect may have important implications for the use of this compound for its angiostatic potential in cancer treatment. In addition, BiPS and derivative molecules could also have strong therapeutic potential in ischemic diseases. Finally, you will find a section devoted to the study of a new transcriptional repressor of HIF complexes, the histone acetyltransferase bound to ORC-1, HBO1. Surprisingly, HBO1 represses the activity of HIF complexes by a mechanism independent of the availability of the α subunits, but dependent on a chromatin remodelling event. In conclusion, this thesis highlights new regulatory mechanisms responsible for HIF activation. Considering the important physiological roles of HIF complexes and their implications in the pathogenesis of different diseases, these studies increase the available knowledge concerning the biological functions of these complexes and could contribute to the development of more effective and safe therapeutic tools.

La polyglobulie (PG) a un arrière plan clinique et physiopathologique varié, et dont la connaissance a beaucoup évolué depuis 5 ans. Elle a pour caractéristique nécessaire et commune une augmentation du volume globulaire total qui peut résulter de mécanismes moléculaires différents. L'érythrocytose est une forme de la PG ou` seule la lignée érythroïde semble être augmentée. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la mutation JAK2 (Val617Phe) et aux gênes EPOR, VHL, PHD2 chez des patients présentant une érythrocytose d'origine inconnue (98 familles). Nous avons trouvé 3 nouvelles mutations délétionnelles et d'autres mutations faux-sens et silencieuses sur EPOR. Les cellules FDCP-1 et 32D transfectées, qui expriment les récepteurs tronqués ont montré une hypersensibilité à l'EPO à concentration basse. Les analyses EPO-dose-réponse pour une mutation faux-sens étaient semblables à celles du type sauvage. La mutation JAK2(Val617Phe) était présente avec une faible fréquence dans la série de patients étudiés. La recherche des mutations dans le gêne PHD2 nous a permis de trouver 3 nouvelles mutations frame-shift et non-sens, les seules connues à ce jour: Elles entraînent la perte d'une partie ou de l'ensemble du site catalytique de PHD2 dans l'hypothèse où elles seraient synthétisées. Ainsi, ces mutations et les deux autres mutations faux-sens décrites démontrent l'importance de PHD2 dans la régulation de la voie de HIF-a, et qu'une perturbation de cette régulation pourrait conduire à une PG. La majorité des patients reste sans défaut moléculaire identifié, et des recherches complémentaires sont nécessaires. Nous avons également étudié deux Hbs augmentant l'affinité pour l'oxygène: les Hbs Nantes et La Coruña. Enfin, nous avons cherché des mutations dans les 3 exons de DPGM chez 4 patients avec un taux de 2,3-DPG bas. Une seule mutation a été trouvée dans la région 5`, dans l'exon 1 non traduit, elle nécessite des études complémentaires. / Polycythemia has a varied clinical and physiopathological background, of which our knowledge has greatly evaluated since 5 years. It is characterised by augmentation of the red cell mass which can be resulted from different molecular mechanisms. Erythrocytosis is a form of polycythemia where only the erythrocytes are augmented. In this context, we looked for the mutation JAK2 (Val617Phe), and other mutations in the genes of EPOR, VHL, PHD2 in a series of patients with erythrocytosis of unknown origin (98 families). We found 3 new frame-shift mutations and other missense and silent mutations in the EPOR. Transfected FDCP-1 and 32D cell lines expressing a truncated EpoR showed increased sensitivity at low concentration of Epo. However, in the case of a missense EPOR mutation, the Epo-dose response assays were similar to that of the wild type. The mutation JAK2 (Val617Phe) was found at a low frequency in the studied patients. Looking for mutations in the PHD2 gene allowed us to find 3 new frame-shift and nonsense mutations, the only reported to date. The encoded PHD2, if synthesized, would lose its active site or a part of it. These mutations with the other two missense mutations reported provide the evidence of the importance of PHD2 in the regulation of HIF-a pathway, and that disturbing the oxygen-sensing pathway might be a cause of polycythemia. The molecular basis of polycythemia in the majority of patients is still to be identified, and complementary studies are necessary. We studied then two examples of Hbs with a high oxygen affinity: Hb Nantes et La Coruña. Finally, we looked for mutations in the 3 exons of DPGM in a series of 4 patients. One mutation in exon 1 in the 5`region was found, and needs further studies.

The primary function of erythrocytes is transport of oxygen from lungs to various tissues of the body. Red blood cell mass, due to this important role, must be controlled at precise levels. The number of erythrocytes is primarilly increased by the glycoprotein hormon erythropoietin, which expression is controlled by HIF (hypoxia inducible factor). Transcriptional factor HIF consists of the two subunits, HIFα and HIFβ. Under normoxic conditions, alfa subunit of HIF is hydroxylated by PHD protein. This hydroxylation provides a recognition motif for the VHL protein, a part of an E3 ubiquitin ligase complex that targets hydroxylated HIF for proteasomal degradation. Under hypoxic conditions, the degradation is inhibited. The alfa subunit is translocated to the nucleus, where binds the beta subunit and regulates gene expression. HIF pathway regulates a broad spectrum of cellular functions - energy metabolism, angiogenesis, apoptosis and many others. This diploma thesis is focused on HIF2α and its role in erythropoiesis. In this present study, we used CRISPR/Cas9 technology and created HEL (human erythroleukemia) cell line with knock-out of the gene for HIF2α (EPAS1). To reveal the role of HIF2α, we used specific HIF2α inhibitor in order to block its function in HEL cell line. We also tested this...

Factor inhibiting HIF (FIH) negatively regulates hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) transcriptional activity, selectively controlling certain HIF-1 target genes, such as vascular endothelial growth factor (VEGF) and prolyl hydroxylase domain 3 (PHD3), but not others. PHD3 and VEGF are important for placental development and function and are overexpressed in preeclampsia (PE). The purpose of this study was to examine FIH in both normal and pathological human placentae. I hypothesized that FIH regulates VEGF and PHD3 in the placenta and that this rheostat is altered in PE. Results show that FIH suppresses PHD3 and VEGF in JEG-3 cells; this effect was abrogated by FIH gene silencing. Moreover, my data indicate that seven in absentia homologue-1 (Siah-1) targets FIH for degradation in the placenta; this degradation is enhanced in PE and likely contributes to aberrant VEGF and PHD3 expression. Overall, my data suggest an important role for FIH in the pathogenesis of PE.

Factor inhibiting HIF (FIH) negatively regulates hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) transcriptional activity, selectively controlling certain HIF-1 target genes, such as vascular endothelial growth factor (VEGF) and prolyl hydroxylase domain 3 (PHD3), but not others. PHD3 and VEGF are important for placental development and function and are overexpressed in preeclampsia (PE). The purpose of this study was to examine FIH in both normal and pathological human placentae. I hypothesized that FIH regulates VEGF and PHD3 in the placenta and that this rheostat is altered in PE. Results show that FIH suppresses PHD3 and VEGF in JEG-3 cells; this effect was abrogated by FIH gene silencing. Moreover, my data indicate that seven in absentia homologue-1 (Siah-1) targets FIH for degradation in the placenta; this degradation is enhanced in PE and likely contributes to aberrant VEGF and PHD3 expression. Overall, my data suggest an important role for FIH in the pathogenesis of PE.