L’endocytose dépendante de la clathrine (EDC) est la principale voie d’internalisation des récepteurs de surface et de leurs ligands. L’internalisation se fait suite à l’invagination de la membrane plasmique vers l’intérieur de la cellule suite à la formation, dans un premier temps, de puits recouverts de clathrine (PRCs) qui bourgeonnent ensuite en vésicules recouvertes de clathrine dans le cytosol. L’EDC est un processus très dynamique qui a lieu en l’espace de 30 sec-1mn. Elle est impliquée dans de multiples fonctions et permet ainsi à la cellule de réguler l’expression de ses protéines en surface, de répondre aux signaux de prolifération ou migration envoyés par l’environnement immédiat via l’activation de voies de signalisation spécifiques ou encore de réguler le renouvellement des composants de la membrane plasmique. De par son importance, des dérégulations de l’endocytose dépendante de la clathrine ont déjà été observées dans les cancers. Ces modifications peuvent impliquer directement l’EDC en modifiant ses composants ou indirectement lors d’altérations de récepteurs régulés par celle-ci. La progression tumorale est elle-même régulée par de multiples facteurs, notamment l’accumulation de mutations qui ont des conséquences sur les cellules cancéreuses elle-même ou bien sur l’environnement immédiat, formant ainsi la « niche tumorale ». Ces changements agissent réciproquement sur la progression tumorale afin de l’amplifier. Lors de la croissance tumorale, les cellules cancéreuses recrutent des fibroblastes qui vont participer au remodelage et à l’augmentation de la rigidité autour de la tumeur. La rigidité de la matrice extracellulaire est détectée par les cellules ce qui envoie des signaux déclencheurs de prolifération et de migration en conséquence. Cette détection passe essentiellement par les intégrines à la surface membranaire qui vont s’agréger et induire des cascades de signalisation impliquées dans ces réponses. Ces intégrines peuvent se regrouper dans deux types de structures, les adhésions focales et les structures recouvertes de clathrine. En ce qui concerne ces dernières, il a été démontré précédemment que la rigidité du substrat augmente sa force d’interaction avec les intégrines, et empêche ainsi l’internalisation des vésicules recouvertes de clathrine, on parle alors d’ « endocytose frustrée ». Cette rétention des structures recouvertes de clathrine à la surface provoque une signalisation soutenue à la surface au lieu de l’arrêter par dégradation ultérieure des récepteurs dans les lysosomes. Le laboratoire a démontré que les structures de clathrine frustrées capturent ainsi différent récepteurs conduisant à une signalisation accrue dans la voie de la MAP Kinase Erk. Mon projet de thèse repose sur ces observations en s’intéressant plus particulièrement au rôle d’une autre modification induite par la croissance tumorale, le confinement. En effet, en se multipliant de manière incontrôlée dans un environnement spatialement restreint, les cellules tumorales se retrouvent soumises à des forces de compression. Les résultats mis en évidence au cours de ma thèse ont montré que le confinement provoque, comme la rigidité, une frustration des structures de clathrine qui ne sont donc plus capables de soutenir l’endocytose des récepteurs. De plus, la compression cellulaire induit le clivage d’un pro-ligand de l’EGFR, le HB-EGF, ce qui conduit à l’activation paracrine de l’EGFR et à l’activation de la voie Erk. En effet, l’absence de facteurs de croissance dans le milieu ainsi que l’inhibition de ce clivage démontrent la nécessité de la mise en place de ce mécanisme. En résumé, le confinement induit le clivage du pro-ligand HB-EGF, qui à son tour va activer le récepteur à l’EGF. En parallèle, l’endocytose est ralentie et provoque une signalisation accrue à la membrane. Ces deux évènements coopèrent pour mener à une très forte activation de la voie Erk. / Clathrin-mediated endocytosis (CME) is the major route of endocytosis for many cargos in eukaryotic cells. Endocytosis takes place at clathrin-coated pits (CCPs), small assemblies of clathrin and clathrin adaptors randomly distributed at the plasma membrane. Clathrin polymerization induces the progressive bending of the plasma membrane resulting in the formation of a vesicle budding off into the cytosol. CME is a highly dynamic process with an average lifetime of CCPs in the order of 30 seconds. In this manner, CME fulfills a range of different functions and enables cells to regulate the surface expression of proteins, to sample the cell’s environment for growth and guidance cues, to control the activation of signaling pathways and to turn over membrane components by sending these components for degradation in the endo-lysosomal pathway. A deregulation of the endocytic pathways was previously shown to be involve in cancer. These modifications can affect CME directly by modifying its actors, or indirectly with mutations on receptors or cargoes undertaken by CME. Tumor progression is dependent of several factors, the first one involving the accumulation of mutations which results in modifications in the cells themselves or on their surrounding environment by changing its biochemical and physical properties, leading to the formation of the tumor niche. These changes reciprocally foster cancer progression. During tumor growth, fibroblasts will be recruited around tumor cells, leading to the remodeling of the microenvironment and to an increase of rigidity nearby the tumor. This stiffness is sensed by the cells and send signals for proliferation and migration as a result. Stiffness sensing engages mainly integrins at the cell surface which will aggregate and initiate signaling cascades accountable for these responses. Integrins are capable of clustering into two types of structures: focal adhesions and clathrin-coated structures (CCSs). Regarding CCSs, it was shown previously that high stiffness strengthen the interaction between integrins and the substrate, hence preventing the budding off of the vesicle, and this is referred to as “frustrated endocytosis”. This holding of CCSs at the cell surface promotes a sustained signaling at the plasma membrane instead of a signal termination after internalization and further degradation in lysosomes. My PhD project relied on these previous findings, with a particular focus on another mechanical alteration observed in tumors, the confinement. Indeed, during the uncontrolled proliferation of cancer cells in a spatially restricted area, cells become subjected to compressive forces. The results I obtained indicate that confinement leads to frustrated endocytosis and hence to sustained signaling from the plasma membrane. In addition, compression also leads to HB-EGF shedding at the cell surface, and the resulting EGF product activate the EGFR in a paracrine manner, thus leading to the activation of the MAP kinase Erk signaling pathway. Indeed, both the absence of EGFR ligands in the medium and the inhibition of the shedding demonstrate the necessity of this mechanism in EGFR activation. To sum up, confinement induces the shedding of the EGFR pro-ligand HB-EGF necessary to EGFR activation in these conditions. Simultaneously, endocytosis is delayed and frustrated endocytosis leads to sustained signaling at the cell surface. Together, these events cooperate to strongly activate the Erk pathway. These findings highlight the interplay between the physical feature of the tumor environment and signaling pathways known to govern tumor growth.

LIV-1, a zinc transporter, is an effector molecule downstream from soluble growth factors. This protein has been shown to promote epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) in human pancreatic, breast, and prostate cancer cells. Despite the implication of LIV-1 in cancer growth and metastasis, there has been no study to determine the role of LIV-1 in prostate cancer progression. Moreover, there is no clear delineation of the molecular mechanism underlying LIV-1 function in cancer cells. In this study, we found increased LIV-1 expression in a progresssive manner in benign, PIN, primary and bone metastatic human prostate cancer. We characterized the mechanism by which LIV-1 drives prostate cancer EMT in an androgen-refractory human prostate cancer cell (ARCaP) bone metastasis model. LIV-1, when overexpressed in ARCaPE cells (derivative cells of ARCaP with epithelial phenotype), promoted EMT irreversibly. LIV-1 overexpressed ARCaPE cells had elevated levels of HB-EGF and matrix metalloproteinase (MMP) 2 and MMP 9 proteolytic enzyme activities, without affecting intracellular zinc concentration. The activation of MMPs resulted in the shedding of heparin binding-epidermal growth factor (HB-EGF) from ARCaPE cells, eliciting constitutive epidermal growth factor receptor (EGFR) phosphorylation and its downstream extracellular signal regulated kinase (ERK) signaling. Further investigation of the HB-EGF promoter revealed that both Stat3 and AP-1 controlled HB-EGF promoter activity. Ectopic LIV-1 overexpression induced AP-1 and Stat3 activation. Blockade of both Stat3 and AP-1 by specific inhibitors or dominant negative expression vectors diminished the HB-EGF promoter activity induced by LIV-1 overexpression. These results suggest that LIV-1 is involved in prostate cancer progression as an intracellular target of growth factor receptor signaling which promotes EMT and cancer metastasis. LIV-1 could be an attractive therapeutic target for the eradication of pre-existing human prostate cancer and bone and soft tissue metastases.

This thesis deals with the determination of biological activity of adiponectin, a recombinant protein using cell culture. First it was important to acquire the working skills for the cell culture of cell line 3T3-L1. An optimal concentration of inactivated fetal bovine serum in cell culture media was determined. A stimulation of the cell proliferation by HB-EGF, PDGF-BB and bFGF growth factors was observed at various concentration levels. Afterwards the biological activity of adiponectin was determined as an inhibition of growth stimulation with 5 ng/ml PDGF-BB. This biological activity assay for adiponectin was also conducted with lyophilized adiponectin and a growth factor bFGF (0.1 ng/ml). The lyophilization did not affect the biological activity of adiponectin.

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L'acide lysophosphatique est un biolipide naturel actif capable de réguler diverses fonctions biologiques et d'agir en tant que facteur de croissance, via l'activation de six différents récepteurs de surfaces couplées aux protéines G (LPA1-6). Notre laboratoire a montré que le ciblage thérapeutique du récepteur LPA1 bloque de façon remarquable la dissémination métastatique des cellules de cancer du sein. Les mécanismes moléculaires et génétiques impliqués dans ce processus sont cependant encore inconnus. De plus, la plupart des cellules de mammifères co-expriment plusieurs formes de récepteurs du LPA. La réponse cellulaire est la résultante de l'activation de multiples voies de signalisation, parfois synergiques ou opposées, compromettant la validation chez le patient de l'efficacité des thérapies ciblant ces récepteurs. Au cours de cette thèse, nous avons dans un premier temps montré que HB-EGF est un marqueur spécifique de l'activité de LPA1. Le blocage pharmacologique de ce récepteur via des antagonistes des récepteurs LPA1-3 (Ki16425/Debio0719) ou l'invalidation de son expression par une technique d'ARN interférence entraine une inhibition de la surexpression en HB-EGF. Le ciblage thérapeutique de LPA1 via l'antagoniste Ki16425, dans notre modèle animal préclinique de xénogreffe de cancer de la prostate PC3, conduit également à une diminution de l'expression en ARNm de HB-EGF au niveau de la tumeur primaire et à une diminution des concentrations en HB-EGF humain circulants dans le sérum. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressé au rôle des miRNAs, qui sont impliqués dans la régulation de l'expression de gènes. Grâce à l'analyse de 1488 patients atteins de cancers du sein référencés sur des bases de données publiques, nous avons pu établir une corrélation entre le gène LPA1 et le gène ZEB1. Nous avons également trouvé que le coefficient de corrélation entre ZEB1 et LPA1 était supérieur au niveau des tumeurs mammaires basales / Lysophosphatidic acid (LPA) is a natural bioactive lipid with growth factor-like functions due to activation of a series of six G protein-coupled receptors (LPA1-6). It has been demonstrated that blocking LPA1 activity in vivo inhibits breast cancer cell metastasis, however, activated genes involved in LPA-induced metastasis have not been defined yet. In addition most mammalian cells co-express multiple LPA receptors, resulting in the co-activation of multiple intracellular signaling pathways with potential redundant or opposite effects impairing the validation of target inhibition in patients because of missing LPA receptor-specific biomarkers. In the first part of this thesis I found that HB-EGF is a specific biomarker of LPA1 activity. HB-EGF upregulation was inhibited by LPA1-3 antagonists (Ki16425, Debio0719) and by stably silencing LPA1. Using a human xenograft prostate tumors mouse model with PC3 cells, we found that a five-day treatment with Ki16425 significantly decreased both HB-EGF mRNA expression at the primary tumor site and circulating human HB-EGF concentrations in serum. In the second part of experimental work, we focused our attention on miRNAs that are master gene regulators. We carried out correlation studies in 1488 human primary breast tumors from publically available databases and found ZEB1 as the most correlated gene with LPAR1. The coefficient of correlation between ZEB1 and LPAR1 was higher in human basal tumors than in non basal tumors. In three different basal cell lines LPA up-regulated ZEB1 through an LPA1/Phosphatidylinositol-3-Kinase (Pi3K)/AKT-dependent pathway. Based on microarray and real-time PCR analyses we found that LPA up-regulated the oncomiR miR-21 through an LPA1/Pi3K/AKT/ZEB1-dependent mechanism. MirVana miR-21 inhibitor, silencing LPA1 or silencing ZEB1 totally blocked in vitro LPA-induced cell migration and invasion, and in vivo tumor cell bone colonization. In all cases, basal breast cancer cell functions were rescued with mirVana miR-21 mimic. All together our results identify HB-EGF as a new and relevant biomarker with potentially high value in quantifying LPA1 activation state in patients receiving anti-LPA1 therapies

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance à l’action de l’insuline et une dysfonction des cellules β pancréatiques. Il apparait lorsque la cellule β devient incapable d’augmenter sa masse fonctionnelle afin de compenser la résistance périphérique à l’action de l’insuline. L’identification de molécules capables de stimuler la réplication des cellules β et ainsi de préserver leur masse fonctionnelle aurait donc un intérêt thérapeutique majeur. Nous avons établi un modèle d’excès de nutriments in vivo chez le rat, dans lequel nous avons observé qu’une augmentation de la prolifération des cellules β associée à une augmentation de l’expression du facteur de croissance « heparin-binding EGF-like growth factor » (HB-EGF). L’objectif de cette thèse était de valider l’effet mitogène du HB-EGF sur les cellules β de rats et humaines, puis d’identifier le mécanisme d’activation de la voie HB-EGF-EGFR. Dans une première étude, nous avons démontré ex vivo que le facteur croissance HB-EGF stimule la prolifération des cellules β pancréatiques d’îlots isolés de rats et humains via l’activation de son récepteur EGFR. Nous avons également observé que la stimulation de la prolifération des cellules β de rats par le glucose nécessite l’activation de la voie de signalisation HB-EGF-EGFR par un mécanisme qui implique à la fois une augmentation de l’expression du gène codant pour HB-EGF via le facteur de transcription ChREBP, et l’activation du récepteur EGFR via une protéine de la famille des protéines Src tyrosine kinase. Les cellules β des îlots humains étant réfractaires à la prolifération, il est essentiel de confirmer les résultats obtenus chez les rongeurs dans des tissus humains. Nous avons observé un effet mitogène d’HB-EGF sur les cellules β humaines. En revanche, nous n’avons pas pu détecter de manière reproductible un effet stimulant du glucose sur la prolifération des cellules β humaines. Notre deuxième étude a donc consisté à identifier la technique la plus appropriée pour mesurer la prolifération des cellules β humaines. Nous avons comparé systématiquement la mesure de la prolifération en réponse à divers stimuli par cytométrie en flux ou par immunohistochimie sur des îlots intacts ou dispersés. Nous avons testé trois facteurs mitogènes soit le glucose, l’HB-EGF et l’harmine. Nous avons observé que l’HB-EGF et l’harmine stimulent la prolifération des cellules β et non β indépendamment de la méthode utilisée. En revanche, l’action mitogène du glucose semble être dépendante de la méthode. En conclusion, nous avons d’abord démontré que l’effet mitogène du glucose nécessite l’activation de la voie de signalisation HB-EGF-EGFR. Ensuite, nous avons observé que la mesure de la prolifération des cellules β humaines par cytométrie en flux offre plusieurs avantages par rapport à l’immunohistochimie. / Type 2 diabetes (T2D) is characterized by peripheral insulin resistance and pancreatic β-cell dysfunction. T2D occurs when β cells become unable to increase their functional mass in order to compensate for insulin resistance. The identification of molecules capable of stimulating β-cell replication to preserve their functional mass would therefore be of major therapeutic interest. We previously established a model of nutrient excess in which we observed an increase in β-cell proliferation associated with enhanced expression of the growth factor "heparin-binding EGF-like growth factor" (HB-EGF). The objective of the work presented in this thesis was to test the hypothesis that HB-EGF stimulates both rodent and human β-cell proliferation and to identify the underlying mechanisms. In a first study, we demonstrated ex vivo that HB-EGF stimulates pancreatic β-cell proliferation of isolated rat and human islets by activating EGFR. We also demonstrated that glucose, an important mitogen of the β cells, requires the activation of this HB-EGF-EGFR signaling pathway, ex vivo and in vivo in an infused rat model, to stimulate β-cell replication. Mechanistically, we demonstrate that glucose promotes HB-EGF gene expression via the ChREBP transcription factor and EGFR activation via a protein from the Src kinase family. Since adult human β cells tend to be refractory to proliferation, it is essential to confirm the findings obtained in rodents in human tissues. In isolated human islets, we confirmed the mitogenic action of HB-EGF but we were unable to detect a consistent stimulation of human β-cell proliferation in response to glucose. Our second study therefore consisted in identifying the most appropriate technique to measure human β-cell proliferation. We systematically compared proliferation levels measured by flow cytometry or immunohistochemistry in intact and dispersed human islets. We tested three mitogenic factors: glucose, HB-EGF and harmine. We observed that HB-EGF and harmine stimulate non-β cells and β-cell proliferation regardless of the method used. In contrast, the mitogenic action of glucose is variable depending on the method used. In conclusion, we first demonstrated that the mitogenic effect of glucose in β cells requires the activation of the HB-EGF-EGFR signaling pathway. Then we demonstrated that assessment of human β cell proliferation by flow cytometry offers several advantages over the use of immunohistochemical methods.

Le diabète de type 2 (DT2) résulte d’une résistance à l’insuline par les tissus périphériques et par un défaut de sécrétion de l’insuline par les cellules β-pancréatiques. Au fil du temps, la compensation des îlots de cellules β pour la résistance à l’insuline échoue et entraine par conséquent une baisse progressive de la fonction des cellules β. Plusieurs facteurs peuvent contribuer à la compensation de la cellule β. Toutefois, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à la compensation de la masse de la cellule β reste à ce jour inconnue. Le but de ce mémoire était d’identifier précisément quel mécanisme pouvait amener à la compensation de la cellule β en réponse à un excès de nutriments et plus précisément à l’augmentation de sa prolifération et de sa masse. Ainsi, avec l’augmentation de la résistance à l’insuline et des facteurs circulants chez les rats de six mois perfusés avec du glucose et de l’intralipide, l’hypothèse a été émise et confirmée lors de notre étude que le facteur de croissance HB-EGF active le récepteur de l’EGF et des voies de signalisations subséquentes telles que mTOR et FoxM1 impliquées dans la prolifération de la cellule β-pancréatique. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la compensation de la masse de la cellule β dans un état de résistance à l’insuline et peuvent servir de nouvelles approches thérapeutiques pour prévenir ou ralentir le développement du DT2. / Type 2 diabetes (T2D) results from insulin resistance in peripheral tissues and impaired insulin secretion from the pancreatic β-cell. Over the time, compensation of the β cell islets for insulin resistance fails, and therefore leads to a gradual decline in β-cell function. Several factors may contribute to β-cell compensation. However, the cellular and molecular mechanisms underlying β-cell compensation remain unknown. The purpose of this thesis was to identify what mechanism could lead to β cell compensation in response to nutrients excess and specifically the increase in proliferation and β-cell mass. Thus, with increasing insulin resistance and circulating factors in the 6 month rats infused with glucose + intralipid, the hypothesis was made and confirmed in our study that the growth factor HB-EGF would activate the EGF receptor, and subsequent signaling pathways such as mTOR and FoxM1, both involved in the proliferation of the pancreatic beta-cell. Collectively, these results allow us to understand better the molecular mechanisms involved in the β cell compensation in the insulin resistance state and may serve as a potential new therapeutic approach to prevent or delay T2D development.