<p>A microarray analysis of RNA from contact inhibited CEF indicated a hypoxic signature in the contact inhibition program of gene expression (Ghosh <em>et al</em>., 2009). The purpose of this thesis was to investigate whether GAS genes known to be induced during contact inhibition are inducible by hypoxia. The gene p20K was selected as the model for this investigation because it is a growth arrest specific (GAS) gene with a well-characterized promoter (Mao <em>et al</em>., 1993). p20K expression was shown to be positively regulated in hypoxia. It was then determined by transient expression assay that this induction occurred at the promoter level. Interestingly by dissecting the promoter it was found that the quiescent responsive unit (QRU) was required for promoter induction during hypoxia. It has previously been shown that the QRU was required for contact inhibition induction of p20K in a C/EBPβ dependent manner (Mao <em>et al</em>., 1993; Kim <em>et al</em>., 1999).</p> <p>The mechanism behind hypoxic induction of the QRU was then investigated. The kinetics of HIF1α and p20K induction during hypoxia demonstrated that HIF1α was transiently expressed between 2-8 hrs of hypoxia while p20K was induced after 8 hrs of hypoxia. Co-Immuniprecipitation assay was also used to determine if a HIF1α-C/EBPβ interaction occurred, however, this molecular interaction could not be shown. These experiments suggests that HIF1α is not involved with the induction of the QRU. Over-expression of the dominant negative C/EBPβΔ184 repressed p20K induction, thus implicating C/EBPβ in activation in both contact inhibition and hypoxia. We also observed by western blot analysis that the C/EBP family member CHOP was repressed during hypoxia, causing a decrease in the amount of CHOP-C/EBPβ complexes in the cell. It was also found that over-expression of CHOP antagonized the induction of p20K by hypoxia. In conclusion hypoxia represses CHOP levels resulting in an increase of potent C/EBPβ homodimers at the expense of the inactive CHOP-C/EBPβ heterodimers.</p> / Master of Science (MSc)

<p>Catecholamine (CAT) secretion from adrenomedullary chromaffin cells (AMCs) is essential for survival of the fetus and for adaptation of the newborn to extrauterine life. CAT secretion protects the fetus from intrauterine hypoxia (low O₂) and is required for maintaining cardiac conduction and preparing the lungs for air breathing. Asphyxial stressors (e.g. hypoxia, hypercapnia (high PCO₂), and acidosis (low pH)) arising from labor contractions and postnatal apneas, are the main stimuli for the ‘non-neurogenic’ CAT release from perinatal AMCs. In the rat, the mechanisms of hypoxia chemosensitivity in AMCs involve inhibition of a variety of K⁺ channels, leading to membrane depolarization, voltage-gated Ca²⁺ entry, and CAT secretion. The magnitude of this depolarization is regulated by the simultaneous activation of ATP-sensitive K⁺ (K_ATP) channels, which tends to hyperpolarize the membrane potential during hypoxia. Interestingly, chemosensitivity of rat AMCs and CAT secretion in response to asphyxial stressors are markedly reduced postnatally following the development of functional innervation of these cells by the splanchnic nerve.</p> <p>The primary purpose of this thesis was to delineate molecular mechanisms involved in the suppression of hypoxia and hypercapnia chemosensitivity following splanchnic innervation in neonatal rat AMCs. Experiments were designed to test the general hypothesis that the ontogeny of O₂ and CO₂ sensitivity in AMCs is regulated by the activation of postsynaptic nicotinic ACh and opioid receptor signalling pathways following innervation. Previous studies in this laboratory showed that exposure of perinatal rat AMCs to nicotine <em>in utero </em>and <em>in vitro</em> resulted in the selective blunting of hypoxia (but <em>not</em> hypercapnia) chemosensitivity. The underlying mechanism was attributable to the increased membrane hyperpolarization caused by the functional upregulation of K_ATP channels. In Chapter 2, I report the results of investigations of molecular mechanisms involved in the nicotine-induced upregulation of K_ATP channels, using a rat fetal-derived, O₂- and CO₂-sensitive immortalized chromaffin cell line (MAH cells), as a model. Exposure of MAH cells to chronic nicotine (50 μM) for 7 days in culture caused an increase in the expression of the K_ATP channel subunit, Kir6.2. This effect was blocked by α-bungarotoxin, a blocker of homomeric α7 nicotinic acetylcholine receptors (α7 nAChRs). The upregulation of Kir6.2 in MAH cells was also dependent on the transcription factor, hypoxia inducible factor (HIF)-2α. First, whereas the upregulation of Kir6.2 was present in wild type and scrambled control MAH cells, it was absent in HIF-2α-deficient (shHIF-2α) MAH cells. Second, chronic nicotine caused a progressive, time-dependent increase in HIF-2α accumulation that occurred in parallel with the increase in Kir6.2 expression. Third, chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays revealed the binding of HIF-2α to a hypoxia response element (HRE) in the promoter region of the Kir6.2 gene. These data suggest that chronic nicotine causes the accumulation of HIF-2α which results in the transcriptional upregulation of the Kir6.2 gene. These observations were validated in an <em>in vivo</em> model where rat pups were exposed to nicotine <em>in utero</em>. Western blot analysis of adrenal gland tissues from nicotine-exposed (relative to saline-exposed) pups revealed a significant increase in Kir6.2 subunit expression and HIF-2α accumulation, and both were restricted to the medullary (but not cortical) tissue.</p> <p>Chapter 3 tested the hypothesis that postnatal innervation causes the suppression of O₂- and CO₂-chemosensitivity in neonatal AMCs via opioid receptor signalling. It was found that chronic μ- and δ-opioid agonists (2 μM) <em>in vitro </em>led to the suppression of both O₂- and CO₂-chemosensitivity; this was correlated with the upregulation of K_ATP channel expression and the downregulation of carbonic anhydrase (CA) I and II respectively. The underlying molecular and signalling mechanisms were further investigated in Chapter 4. Using the MAH cell model, it was found that exposure to a combination of μ- and δ-opioid agonists for 7 days resulted in the naloxone-sensitive upregulation of Kir6.2 subunit and the downregulation of CAII. Similar to chronic nicotine exposure, the effects of chronic opioids on the upregulation of Kir6.2 and downregulation of CAII were HIF-2α-dependent. Western blot analysis revealed that HIF-2α accumulation in opioid-treated MAH cells occurred along a time-course that paralleled the upregulation of Kir6.2 subunit. ChIP assays demonstrated the binding of HIF-2α to the promoter region of the Kir6.2 subunit gene in opioid-treated MAH cells. Moreover, PKA activity (but not PKC or CaMK) was found to be required for the effects of opioids on Kir6.2 and CAII expression, but not HIF-2α accumulation. In complementary <em>in vivo</em> studies, adrenomedullary tissues from morphine-exposed rat pups showed an increased expression of both HIF-2α and Kir6.2, and decreased expression of CA1 and II protein. These findings have uncovered novel mechanisms by which postnatal innervation contributes to the ontogeny of O₂- and CO₂-chemosensitivity in rat adrenal chromaffin cells. They also suggest mechanisms by which exposure of the fetus to nicotine in cigarette smoke or opioids from drug abuse might contribute to abnormal arousal reflexes, and pathophysiological conditions such as Sudden Infant Death Syndrome (SIDS).<strong></strong></p> / Doctor of Philosophy (PhD)

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

Yes / The chemokine receptor CCR7 is expressed on lymphocytes and dendritic cells and is responsible for trafficking of these cells in and out of secondary lymphoid organs. It has recently been shown that CCR7 expression is elevated in a number of cancers, including head and neck cancers, and that its expression correlates to lymph node (LN) metastasis. However, little is known about the factors that can induce CCR7 expression in head and neck cancers. We compared the protein expression and functional responses of CCR7 under normoxia and hypoxia in head and neck cancer cell lines OSC-19, FaDu, SCC-4, A-253 and Detroit-562 cultured as monolayers, spheroids, and grown in vivo as xenografts in balb/c mice. In addition, we analysed the correlation between hypoxia marker HIF-1α and CCR7 expression in a tissue microarray comprising 80 clinical samples with various stages and grades of malignant tumour and normal tissue. Under hypoxia, the expression of CCR7 is elevated in both in vitro and in vivo models. Furthermore, in malignant tissue, a correlation is observed between hypoxia marker HIF-1α and CCR7 across all clinical stages. This correlation is also strong in early histological grade of tumours. Hypoxia plays a role in the regulation of the expression of CCR7 and it may contribute to the development of a metastatic phenotype in head and neck cancers through this axis.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Comme dans le cancer, les maladies vasculaires à remodelage (MVR) sont caractérisées par un déséquilibre métabolique appelé paradoxe de Warburg (glycolyse augmentée par rapport à l'oxydation du glucose), une augmentation de cytokines circulantes et de facteurs de croissance comme TNF "tumor necrosis facton" et PDGF "platelet derived growth factor" favorisant la prolifération et la résistance à l'apoptose des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Les mécanismes permettant la durabilité de ce phénotype demeurent inconnus. Dans le cancer, ces anomalies résultent en partie de l'activation inappropriée du facteur de transcription HIF-1 "hypoxia inducible factor 1". Comme TNF et PDGF sont acceptés comme activateurs de HIF-1, nous avons émis l'hypothèse que l'activation de HIF-1 joue un rôle critique dans le mécanisme pathophysiologique des MVR. En utilisant des approches multidisciplinaires et translationnelles, nous avons démontré chez des CMLV d'artère carotide humaine que PDGF et TNF favorisent le paradoxe de Warburg, leur prolifération et leur résistance à l'apoptose. In vivo, nous avons démontré dans les artères carotides de rat que l'inhibition de HIF-1 par la transfection d'un ARN interférence localisé ou par l'injection d'un inhibiteur de TNF prévenaient le remodelage post-angioplastie de l'artère carotide. Nos découvertes démontrent pour la première fois l'implication de HIF-1 dans le processus de remodelage et nous proposons HIF-1 comme une nouvelle cible thérapeutique des MVR. Finalement, comme les MVR et le cancer possèdent plusieurs similarités, nos découvertes ne sont pas restreintes aux maladies vasculaires et ouvrent de nouvelles avenues dans la recherche du cancer.

Compte tenu de la faible disponibilité de l’oxygène (hypoxie) en haute altitude, l’adaptation à ce milieu constitue un vrai défi pour les espèces adaptées au niveau de la mer. Aussi, le rat et la souris constituent un modèle pertinent pour la compréhension des facteurs qui contribuent à une bonne adaptation en haute altitude. En effet, les rats et les souris de laboratoire élevées à haute altitude durant plusieurs générations possèdent un phénotype différent: les souris présentent une plus importante ventilation, des valeurs d’hématocrite/ hémoglobine diminuées et une hypertension pulmonaire réduite. Ces différences indiquent une mauvaise adaptation des rats qui montrent également une importante mortalité en haute altitude. Néanmoins, les mécanismes impliqués dans cette différence entre ces deux espèces ne sont pas connus. Nous avons donc recherché dans un premier temps si les différences observées entre rats et souris sont également présentent au niveau de la mer, puis dans un second temps si cela avait un lien avec l'expression du senseur moléculaire d'oxygène HIF (Hypoxia Inducible Factor). Nous avons mené une étude au niveau de la mer (Québec, Canada - 98m) pour comparer les réponses ventilatoire et moléculaire entre les rats et les souris. Pour se faire, les animaux sont exposés pendant 6 heures à différents gradients d’oxygène : 21%, 15%, et 12% O2. La ventilation est mesurée par pléthysmographie à corps entier. La consommation d’oxygène (VO2) et la production de CO2 (VCO2) sont évaluées durant la même période d’exposition. Après 6 heures d’exposition, les animaux sont anesthésiés et le tronc cérébral rapidement prélevé pour effectuer une mesure de l’expression de HIF-1α à l’aide de la technique ELISA (Enzyme LinkImmunosorbent Assay). Comparé aux rats, les souris présentent une élévation du débit ventilatoire, une diminution de la VO2 et de la VCO2 et une augmentation de l’équivalant ventilatoire à l’O2 (Ve/VO2) et au CO2 (Ve/VCO2) durant l’exposition à 15 et 12% d’O2. De plus, l’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral est plus élevée chez les souris en comparaison à celui des rats. En conclusion, la différence de la réponse ventilatoire à l’hypoxie peut être liée à la différence d’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral. Ces resultantssuggèrent que les souris possèdent une prédisposition génétique permettant une réponse adaptée en milieu hypoxique et pouvant aisément expliquer la facilité que possède cette espèce à survivre et à établir sa colonie en haute altitude. Mot clés : Hypoxie, haute altitude, réponse ventilatoire à l’hypoxie, tronc cérébral, HIF. / Successful adaptation at high altitude is very challenging for sea level natives due to the low level of available oxygen (hypoxia). Rats and mice offer an interesting model to understand the factors that contribute to efficient adaptation to high altitude. Indeed, laboratory rats and mice that have been raised at high altitude for several generations have a different phenotype with mice showing higher ventilation, lower hematocrit/hemoglobin values, and lower pulmonary hypertension. These differences are clearly a failure of adaptation to high altitude in rats, as underlined by data showing high mortality in the colony of high altitude rats. However the underlying mechanisms behind these differences are poorly understood. We sought to address whether these differences are also apparent in mice and rats living at Sea level, and if they are related to different responses of the O2 molecular sensor HIF (Hypoxia Inducible Factor). To test these hypotheses, we chose to perform the study at sea level i.e. at Quebec City, Canada (98m) to compare the ventilatory and molecular responses in male rats and mice. The animals were exposed to different oxygen gradients 21%O2, 15 % O2 and 12% O2 for 6 hours. Ventilation was measured by whole bodyplethysmography, oxygen consumption (VO2) and CO2 production rate (VCO2) were also measured during the exposure. After the 6 hour’s exposure, the animals were anesthetised, and the brainstem quickly dissected, Brainstem HIF-1α expression was measured by Enzyme Link Immunosorbent Assay (ELISA). Compared to rats, mice had higher minute ventilation, lower VO2, VCO2, and higher ventilatory equivalent to oxygen and carbon dioxide, (Ve/VO2, Ve/VCO2) at 15% and 12% O2. In addition, mice also had higher brainstem HIF-1α expression compared to rats. We conclude that the differences in ventilatory responses to hypoxia at sea level might be due to differences in expression of HIF-1α in the brainstem. This suggests that mice have a genetic pre-disposition that ensure adequate response to hypoxia. This trait helps to explain that mice are able to survive and successfully establish natural colonies at high altitude. Key Words: Hypoxia, high altitude, hypoxic ventilatory response, Brainstem, HIF.

[ES] Las células de los mamíferos secretan una gran variedad de vesículas extracelulares (EV) que participan activamente en la comunicación celular. Entre ellas, los exosomas son un tipo de EV cuyo tamaño está comprendido entre los 20 y 150 nanómetros que juegan un papel importante en la comunicación celular. De este modo, se ha descrito el papel de los exosomas en distintos procesos como la regeneración de tejidos, la respuesta inmunitaria o en la progresión de diferentes tipos de cánceres. Por otro lado, se ha observado que la actividad de la vía de señalización de Notch juega un papel importante en procesos de diferenciación celular, la angiogénesis o la proliferación, entre otros. Además, se ha relacionado con la aparición y progresión de un gran número de patologías, como el cáncer. Trabajos recientes han advertido que la actividad de la vía de Notch puede regularse mediante un nuevo mecanismo de señalización mediado por exosomas. En este trabajo se profundizó en este nuevo mecanismo de señalización de la vía de Notch en dos contextos diferentes como son las terapias regenerativas y el cáncer. Un trabajo previo de nuestro laboratorio demostró que las células madre mesenquimales (MSC) que mantenían una expresión aumentada del factor inducible por hipoxia 1&#945; (HIF-1&#945;; HIF-MSC) aumentaban el potencial terapéutico de las MSC nativas en un modelo de infarto agudo de miocardio (IAM) en rata a través de un aumento de la angiogénesis y una reducción de la fibrosis. Varios trabajos han estudiado la relación entre la vía de señalización de Notch y HIF-1&#945;; así como la influencia de ambos en el proceso angiogénico. Por estos motivos, en este trabajo nos interesamos por evaluar la relación de ambas vías y su efecto sobre la angiogénesis a través de los exosomas liberados por las HIF-MSC y las MSC. Los resultados permitieron observar que la expresión de HIF-1&#945; indujo un aumento en la secreción y la transferencia de exosomas de MSC a cultivos primarios de células endoteliales. Además, se observó que los exosomas derivados de HIF-MSC tenían un mayor potencial angiogénico tanto in vitro como in vivo en parte debido a una mayor incorporación del ligando de la vía de Notch Jagged1. Se ha observado que los exosomas derivados de células tumorales contribuyen a la progresión tumoral a través de mecanismos como la activación de la transición epitelio mesénquima (EMT), el establecimiento de nichos pre-metastáticos o la inmunomodulación. Así, se sabe que la vía de señalización de Notch es capaz de activar la EMT durante la progresión de distintos tipos de cánceres. Así mismo, los cánceres de mama de peor prognosis han sido relacionados con una desregulación de la vía de señalización de Notch. Por estas razones, nos inquietó la posibilidad de que la señalización de la vía de Notch a través de exosomas estuviera influyendo en la progresión del cáncer de mama. De este modo, estudiamos la presencia de componentes de la vía de señalización de Notch en los exosomas procedentes de dos líneas tumorales de cáncer de mama, una más agresiva (MDA-MB-231) y otra menos agresiva (MCF-7). Así, se observó que varios componentes de Notch se sobreexpresaron en los exosomas procedentes de MDA-MB-231 en comparación con los procedentes de MCF-7. Fue de particular interés la detección del dominio intracelular con actividad transcripcional de Notch1 (N1ICD) sobreexpresado en los exosomas procedentes de MDA-MB-231. Debido a que previamente había sido demostrado que una sobreexpresión de N1ICD en MCF-7 aumentaba su tumorigenicidad a través de una inducción de la EMT, se evaluó el efecto de los componentes de Notch incorporados en los exosomas procedentes de ambas líneas tumorales sobre cultivos de MCF-7. Nuestros resultados sugieren que los componentes de Notch incorporados en los exosomas procedentes de MDA-MB-231 son funcionales y contribuyen a la induc / [CA] Les cèl·lules dels mamífers secreten una gran varietat de vesícules extracel·lulars (EV) que participen activament en la comunicació celular. Entre elles, els exosomes són un tipus de EV amb una grandària compresa entre els 20 i 150 nanòmetres que juguen un paper important en la comunicació celular. D'aquesta manera, s'ha descrit el paper dels exosomes en diferents processos com la regeneració de teixits, la resposta immunitària o en la progressió de diferents tipus de càncers. D'altra banda, s'ha observat que l'activitat de la via de senyalització de Notch juga un paper molt important en processos de diferenciació cel·lular, la angiogénesis o la proliferació, entre altres. A més, s'ha relacionat amb l'aparició i progressió d'un gran nombre de patologies, com el càncer. Treballs recents han advertit que l'activitat de la via de Notch pot regular-se mitjançant un nou mecanisme de senyalització mediat per exosomes. En aquest treball es va aprofundir en aquest nou de mecanisme de senyalització de la via de Notch en dos contextos diferents com són les teràpies regeneratives i el càncer. Un treball publicat pel nostre equip de treball va demostrar que les cèl·lules mare mesenquimals (MSC) que mantenien una expressió augmentada del factor inducible per hipòxia 1&#945; (HIF-1&#945;; HIF-MSC) augmentaven el potencial terapèutic de les MSC natives en un model d'infart agut de miocardi (IAM) en rata a través d'un augment de la angiogénesis i una reducció de la fibrosi. Diversos treballs han estudiat la relació entre la via de senyalització de Notch i HIF-1&#945;; així com la influència de tots dos en el procés angiogénic. Per aquests motius, en aquest treball ens vam interessar en estudiar la relació de totes dues vies i el seu efecte sobre la angiogénesis a través dels exosomes alliberats per les HIF-MSC i les MSC. Els resultats van permetre observar que l'expressió de HIF-1&#945; va induir un augment en la secreció i la transferència d'exosomes de MSC a cultius primaris de cèl·lules endotelials. A més, es va observar que els exosomes derivats de HIF-MSC tenien un major potencial angiogénic tant in vitro com in vivo en part a causa d'una major incorporació del lligant de la via de Notch Jagged1. S'ha observat que els exosomes procedents de cèl·lules tumorals contribueixen a la progressió tumoral a través de mecanismes com l'activació de la transició epiteli mesènquima (EMT), l'establiment de nínxols pre-metastàtics o la inmunomodulació. En aquest sentit, se sap que la via de senyalització de Notch és capaç d'activar l'EMT durant la progressió de diferents tipus de càncers. Així mateix, els càncers de mama de pitjor prognosi han sigut reiteradament relacionats amb una desregulació de la via de senyalització de Notch. Per açò, ens va inquietar la possibilitat que la senyalització de la via de Notch a través d'exosomes estiguera influint en la progressió del càncer de mama. D'aquesta manera, estudiem la presència de components de la via de senyalització de Notch en els exosomes procedents de dues línies tumorals de càncer de mama, una més agressiva (MDA-MB-231) i una altra menys agressiva (MCF-7). Així, es va observar que diversos components de Notch es sobreexpresaben en els exosomes procedents de MDA-MB-231 en comparació amb els procedents de MCF-7. Va ser de particular interés la detecció del domini intracel·lular amb activitat transcripcional de Notch1 (N1ICD) sobreexpresat en els exosomes procedents de MDA-MB-231. Debut a que havia sigut demostrat que una sobreexpressió de N1ICD en MCF-7 augmentava la seua tumorigenicidad a través d'una inducció de l'EMT, es va evaluar l'efecte dels components de Notch incorporats en els exosomes procedents de les dues línies tumorals sobre cultius de MCF-7. Els nostres resultats suggereixen que els components de Notch incorporats en els exosomes procedents de MDA-MB-231 eren funcionals i contribuïen a la / [EN] Mammal cells secrete a great variety of extracellular vesicles (EV) that actively participate in intercellular communication. Among them, exosomes are a type of EV whose size is between 20 and 150 nanometers and play an important role in intercellular communication. In this way, the role of exosomes in different processes such as tissue regeneration, the immune response or in the progression of different types of cancers has been described. On the other hand, it has been observed that the Notch signaling pathway plays a very important role in processes such as cell differentiation, angiogenesis or proliferation, among others. In addition, it has been related to the appearance and progression of a large number of pathologies, such as cancer. Recent works have shown that the activity of the Notch pathway can be regulated by a new signaling mechanism mediated by exosomes. In this work, we deepened this new signaling mechanism of the Notch signaling pathway in two different contexts: the regenerative therapies and cancer. A work previously published by our laboratory showed that mesenchymal stem cells (MSC) that maintained an increased expression of hypoxia-inducible factor 1&#945; (HIF-1&#945;; HIF-MSC) increased the therapeutic potential of native MSC in a model of acute myocardial infarction (AMI) in rats through an increase in angiogenesis and a reduction in fibrosis. Several studies have studied the relationship between the Notch signaling pathway and HIF-1&#945; as well as the influence of both in the angiogenic process. For these reasons, in this work we were interested in evaluating the relationship of both pathways and their effect on angiogenesis through exosomes released by HIF-MSCs and MSCs. The results showed that the expression of HIF-1&#945; induced an increase in the secretion and the transfer of exosomes of MSC to primary cultures of endothelial cells. In addition, it was observed that exosomes derived from HIF-MSC had a greater angiogenic potential both in vitro and in vivo in part due to a greater incorporation of the Notch ligand Jagged1. In the last decade, it has been observed that exosomes from tumor cells contribute to tumor progression through mechanisms such as the activation of epithelial to mesenchymal transition (EMT), the establishment of pre-metastatic niches orimmunomodulation. In this sense, it is known that the Notch signaling pathway is capable of activating EMT during the progression of different types of cancers. Likewise, breast cancers of bad prognosis have been repeatedly related to a deregulation of the Notch signaling pathway. For these reasons, we were concerned about the possibility that the signaling of the Notch pathway through exosomes was influencing the progression of breast cancers. In this way, we studied the presence of Notch signaling pathway components in exosomes from the metastatic and more aggressive MDA-MB-231 and the non-metastatic and less aggressive MCF-7 cell lines. It was observed that several Notch components were overexpressed in exosomes from MDA-MB-231 compared to those from MCF-7. Of particular interest was the detection of the intracellular domain with transcriptional activity of Notch1 (N1ICD) overexpressed in MDA-MB-231 exosomes. It has been previously demonstrated that an overexpression of N1ICD in MCF-7 increases its tumorigenicity through an induction of EMT. Because of this, we evaluated the effect of Notch components incorporated in exosomes from both tumoral cell lines on MCF-7 cultures. Our results suggested that Notch components incorporated into MDA-MB-231 exosomes were functional and contributed to the induction of EMT when added to MCF-7 cultures in part due to N1ICD activity. / González-King Garibotti, H. (2019). Estudio de las Implicaciones de la Via de Señalización de Notch en Cardioregeneración y Cáncer [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124343

Il existe chez les différentes espèces de rongeurs une importante variabilité dans les capacités à établir des colonies stables en haute altitude (HA). Par exemple, on trouve des souris (Mus) jusqu'à 4000m alors qu’il n’y a pas de rats (Rattus). La capacité des animaux à survivre et réaliser des activités physiques en HA dépend d’adaptations biologiques physiologiques (plasticité phénotypique) et génétiques ou épigénétiques. Des rats Sprague Dawley (SD) maintenus en HA dans des conditions de laboratoire survivent pendant plusieurs générations (La Paz, Bolivia – 3600m) mais présentent des signes de maladaptations physiologiques (érythrocytose excessive, hypertrophie ventriculaire droite – signe d’hypertension artérielle pulmonaire – et altération des structures alvéolaires avec élargissements des espaces pulmonaires). Ces réponses sont principalement liées à une hypersensibilité au niveau d’oxygène (O2) ambient au cours de la période postnatale et élever les rats de HA à une pression d’O2 reproduisant celle du niveau de la mer (NM) au cours de cette période améliore significativement leur adaptation physiologique1,2. Actuellement, aucune adaptation génétique n’a été mise en évidence chez des souris (Mus musculus) sauvages capturées en HA. Notre hypothèse générale est que les souris possèdent des caractéristiques physiologiques spécifiques qui assurent leur survie en HA. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons réalisé 4 études comparant les réponses physiologiques (ventilation, métabolisme, hématologie, saturation artérielle en O2 et rythme cardiaque) entre des souris FVB et des rats SD élevés au NM (Québec, Canada) ou en HA (La Paz, Bolivie – 3600m). Nos principaux résultats démontrent que, par rapport aux rats, les souris adultes de HA présentent une surface alvéolaire augmentée associée avec une meilleure extraction d’O2 sans augmentation excessive de l’érythrocytose ni hypertrophie ventriculaire. Au NM, en conditions ambiantes, les deux espèces présentent des réponses physiologiques similaires. Par contre, après 6h d’exposition en hypoxie (12% d’O2), par rapport aux rats, les souris augmentent leur ventilation minute et diminuent leur métabolisme. Les souris augmentent également l’expression de l’hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – molécule principale de régulation des réponses cellulaires en hypoxie) dans le tronc cérébral après 6h d’hypoxie (15% d’O2) ; cet effet n’est pas présent chez les rats. Au NM, l’hypoxie postnatale induit une augmentation du volume pulmonaire et de la réponse ventilatoire à l’hypoxie chez les souris mais pas chez les rats. Cependant, chez les jeunes rats de HA, l’architecture pulmonaire est préservée comparée aux rats exposés en hypoxie postnatale au NM. En conclusion, les rats vivant en HA depuis plusieurs générations présentent des stratégies physiologiques pour faire face au manque d’O2 ambient leur permettant de survivre dans des conditions de laboratoire mais qui ne sont pas suffisantes pour assurer leur survie en milieu sauvage. Nos résultats confirment également que les souris possèdent des prédispositions physiologiques permettant la survie en altitude. / Different rodent species present divergent abilities to colonize and establish stable colonies at high altitude (HA). Ecological studies show that mice (Mus) can be found at HA (up to 4000m) while rats (Rattus) are absent. The ability of an animal to survive and do physical activities at HA depends upon biological adaptations that can include physiological (phenotypical plasticity) and genetic, or epigenetic modifications. Adult Sprague Dawley (SD) rats can live under laboratory conditions at HA for several generations (La Paz, Bolivia – 3600m), but they display signs of physiological maladaptation such as excessive erythrocytosis, right ventricular hypertrophy (a sign of pulmonary hypertension) and altered alveolar structure with enlarged airspace in the lungs. These responses are mainly linked to an excessive sensibility to the oxygen (O2) ambient level during postnatal life. Indeed, raising the HA rats under sea level (SL) O2 pressure during early postnatal life significantly improved the physiological adaptation1,2. Furthermore, in HA wild mice (Mus musculus) living at HA, there is no signs of genetic adaptation to this environment. Accordingly, our general hypothesis is that mice possess specific physiological traits ensuring survival at HA. To assess this hypothesis, we conducted 4 studies to compare physiological responses (including ventilation, metabolic rate, hematology, lung morphology, arterial O2 saturation and heart rate) between FVB mice and SD rats raised at SL (Quebec, Canada) or HA (La Paz, Bolivia – 3600m). Our main results show that compared with rats, HA adult mice display enhanced alveolar surface area associated with increased O2 extraction, and avoid excessive erythrocytosis and right ventricular hypertrophy. At SL, under ambient conditions, mice and rats display similar physiological variables. However, after 6 hours of sustained hypoxia (12% O2), mice have higher minute ventilation and lower metabolic rate than rats. Mice also had an increased expression of the hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – the principal mediator of the cellular responses in hypoxia) in the brainstem after 6 hours of hypoxia (15% O2), while this response was not observed in rats. Hypoxic exposure during postnatal life at SL increased the lung volume and the hypoxic ventilatory response in mice but not rats. However, young HA rats preserve their lung architecture compared with young SL rats exposed to postnatal hypoxia. We conclude that rats living at HA for several generations display physiological strategies to cope with the ambient hypoxia that allow them to survive in laboratory conditions but are not sufficient to establish stables colonies in the wild. Also, our results confirm that mice are predisposed to withstand hypoxic environment.

L’hypoxie est un processus physiopathologique impliqué dans l’embryogenèse et le développement de maladies cardiovasculaires, mais également dans la tumorigenèse et la progression tumorale. Au niveau cellulaire, la réponse hypoxique est médiée par une activité transcriptionnelle adaptative hautement régulée via le facteur de transcription induit en hypoxie, HIF-1(Hypoxia inducible factor-1). L’activité de ce facteur de transcription est dépendante de la stabilisation de sa sous-unité HIF-1α en fonction des niveaux d’oxygène. Dans des travaux récents, nous avons identifié un nouveau répresseur de l’expression de HIF-1α, soit la protéine arginine méthyltransférase 1 (PRMT1). En inhibant l’activité des facteurs de transcription Sp1 et Sp3 (Sp1/3) au promoteur de HIF-1α, PRMT1 module la disponibilité de la sous-unité HIF-1α et l’activité du facteur de transcription HIF-1. Dans ces mêmes travaux, nous avons montré que PRMT1 inhibe l’activité de Sp1/3 en empêchant leur phosphorylation via la répression de la voie de signalisation mitogénique MAPK (mitogen-activated protein kinases) composée entre autres des kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases) et de la kinase MEK (MAPK/ERK kinase) qui peut elle-même être activée par la kinase PAK1 (p21-activated kinase). Nous avons également identifié le facteur d’échange de nucléotides guanyliques DOCK6 comme partenaire de PRMT1 et comme intermédiaire dans la régulation de la voie MAPK. Le but de cette étude est donc de mieux caractériser le rôle de DOCK6 dans le contrôle de l’expression de HIF-1α et dans la régulation de la voie MAPK modulés par PRMT1. Nos résultats montrent que la méthylation de DOCK6 par PRMT1 inhibe son activité GEF(guanine exchange factor) ce qui résulte en l’inactivation de la signalisation PAK1/MEK/ERK1/2 en aval. De manière intéressante, nos résultats montrent également que l’expression protéique de DOCK6 est modulée en hypoxie de manière HIF-1 dépendante. Enfin, nous montrons queHIF-1α est nécessaire pour l’activation de la voie MAPK en hypoxie. Ces travaux permettent de mieux comprendre le mécanisme de rétrocontrôle régulant les protéines HIF-1, PRMT1, DOCK6 et la voie MAPK. Ce projet souligne ainsi l’importance et la complexité de la régulation du facteur de transcription HIF-1 lors de contextes cellulaires hypoxiques particuliers. / Conditions of low oxygen, or hypoxia, are involved in various pathophysiological situations including cancer and cardiovascular diseases. Hypoxic responses are mediated through a highly regulated transcriptional response in which hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) plays an important role. HIF-1transcriptional activity relies on hypoxia-dependent stabilization of HIF-1α, an essential HIF-1 subunit. In previous work, we identified protein-arginine methyltransferase 1 (PRMT1) as a novel repressor of HIF-1αexpression. By inhibiting the activity of specificity proteins 1 and 3 (Sp1, Sp3; Sp1/3) transcription factors, PRMT1 regulates HIF-1α subunit availability and HIF-1 activity. PRMT1 blocks Sp1/3 activity by preventing phosphorylation through the inhibition of the mitogen-activated protein kinases (MAPK) pathway. MAPK pathway iscomposed of ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases) and MEK (MAPK/ERK kinase), which can itself be activated by PAK1 (p21-activated kinases). In addition, we identified the guanine nucleotide exchange factor (GEF) DOCK6 as a novel PRMT1 binding partner and as an intermediate for the regulation of MAPK pathway. Therefore, the aim of this study is to better characterize the role of DOCK6 in HIF-1α expression and MAPK regulation. Our results show that DOCK6 is directly methylated by PRMT1. PRMT1 methylation of DOCK6 alters its GEF activity and results in the inactivation of downstream PAK1/MEK/ERK1/2signaling. Interestingly, our results indicate that DOCK6 levels are increased by hypoxia in a HIF-1 dependent manner. Finally, we show that HIF-1αis required for MAPK pathway activation in hypoxic conditions. These studies demonstrate the intricate feedback mechanism that can regulate HIF-1, highlight the complexity of HIF-1 regulation under hypoxic conditions and identify novel targets for potential intervention.

Die ständige Verfügbarkeit von molekularem Sauerstoff (O2) ist ein elementarer Bestandteil multizellulärer Lebensformen. Zur Aufrechterhaltung der Homöostase sind diese auf die Bildung des Energiesubstrates ATP durch oxidative Phosphorylierung angewiesen. Aus diesem Grunde mußten höhere Organismen während der Evolution komplexe Systeme entwickeln, die die Aufnahme und Verteilung von O2 in jede Zelle sicherstellen, sowie eine Adaptation in Phasen der Hypoxie erlauben. Mit der Identifikation des Transkriptionsfaktors "Hypoxia-inducible Factor-1" (HIF-1, 1995) wurde ein entscheidender Regulator der hypoxischen Adaptation gefunden. Unter anderem werden Prozesse wie die Erythropoiese, die Angiogenese, die Modulation des Gefäßtonus, des Glukosetransportes und der Glykolyse wesentlich durch HIF reguliert. HIF ist ein Heterodimer bestehend aus zwei Untereinheiten; einer konstitutiven beta- und einer regulativen alpha-Untereinheit. Letztere zeigt ein inverses Expressionsmuster zur perizellulären O2-Konzentration. Unter normoxischen Bedingungen ist HIFalpha instabil und wird mit einer Halbwertzeit von nur wenigen Minuten degradiert. Erst unter Hypoxie wird HIFalpha stabilisiert und ist transkriptionell aktiv. Es konnten bisher zwei funktionell relevante O2-abhängige alpha-Untereinheiten identifiziert werden: HIF-1 und HIF-2alpha. Die Bedeutung dieser beiden Systeme, der unterliegenden Regulationsmechanismen sowie die Relevanz dieses Systems in vivo waren weitgehend ungeklärt und sind wesentlicher Teil der hier zusammengefaßten Arbeiten. In den vorgelegten Studien ist es gelungen, die Expression und Regulation der beiden unterschiedlichen HIFalpha Isoformen sowohl in der Zellkultur, als auch in gesunden Geweben zu charakterisieren. In Zellkulturen zeigte sich ein sehr ähnliches Regulationsmuster hinsichtlich der O2-abhängigen Degradation, bzw. dem Induktionsverhalten unter Hypoxie, sowie der chemisch/pharmakologischen Modulation, so dass offensichtlich beide Isoformen über den gleichen O2-Sensing- und Transduktionsapparat reguliert werden. An Geweben von gesunden Ratten führten wir eine systematische Analyse der Expression und Regulation der beiden HIFalpha Isoformen durch. Nur unter systemischer Hypoxie konnten deutliche Signale für beide Isoformen gesehen werden. Interessanterweise zeigte sich, daß beide nur von spezifischen Zellpopulationen exprimiert werden. In vivo lassen sich also klare Unterschiede im Expressionsmuster der beiden Systeme feststellen. Über die unterschiedlichen zellulären Funktionen und different exprimierten Zielgene vermuten wir einen funktionell relevanten Unterschied. Mit der Identifikation des "von Hippel Lindau" Tumor Suppressor Gens als der bindende Anteil der E3 Ubiquitin Ligase, die für die HIFalpha Destruktion verantwortlich ist, konnte ein wichtiger Beitrag zu der späteren Klärung des O2-Sensing-Mechanismus geleistet werden. Diese Befunde wurden initial anhand von Zellkultur-Linien erhoben, liessen sich aber auf Nierenzellkarzinome aus einer klinischen Sammlung übertragen. Letzterer Befund ist daher für das Verständnis der Rolle von HIF für die Tumorbiologie, eventuell aber auch für die Entwicklung therapeutischer Ansätze von Bedeutung. / The permanent availability of molecular oxygen (O2) is an elemental need of multicellular life. For the maintenance of hemeostasis these are dependent on generation of the energy substrate ATP by oxidative phoshorylation. For this reason higher organisms had to develop complex systems during evolution that ensure the uptake and distribution of O2 into each cell, as well as permit adaptation to phases of hypoxia. With the identification of the transcription factor "Hypoxia-inducible Factor-1" (HIF-1, 1995) a master regulator of hypoxic adaptation has been found. Amongst others processes like erythropoiesis, angiogenesis, modulation of vascular tone, glucose transport and glycolysis are largely regulated by HIF. HIF is a heterodimer consisting of two subunits, a constitutive beta and a regulative alpha subunit. The latter shows an inverse relationship to the pericellular O2 concentration. HIFalpha is instable under normoxic conditions and degrades with a half life of only a few minutes. Under hypoxia the HIFalpha subunits are stabilised and are transcriptionally active. To date two functionally relevant O2-dependent alpha subunits have been identified: HIF-1 and HIF-2alpha. The importance of these two systems, the underlying regulatory mechanisms, as well as the relevance of this system in vivo were largely unknown and are a major part of the summarised studies. The presented work succeeded in characterising the expression and regulation of both HIFalpha isoforms in cell culture as well as healthy tissues. In tissue culture a very similar pattern of regulation was seen for oxygen dependent degradation, induction under hypoxia and chemical/pharmacological modulation, indicating that both subunits are regulated by the same O2-sensing and transduction apparatus. We undertook a systematic analysis of expression and regulation of both HIFalpha subunits in tissues of healthy rats. Signals for HIFalpha could only be seen under systemic hypoxia. Interestingly, both subunits were expressed by specific and different cell populations. Therefore, clear differences can be seen in expression pattern of both systems in vivo. We suspect that these differences will be functionally relevant through differing cellular functions and gene expression profile. With the identification of the "von Hippel Lindau" tumor suppressor gene as the binding part of the E3 ubiquitin ligase, which is responsible for HIF degradation, an important contribution to the clarification of the oxygen sensing mechanism was provided. Initially this data was generated in tissue culture lines, but could also be confirmed in renal cell carcinomas of a clinical collection. The latter finding is of importance for the understanding of the role of HIF in tumor biology, possibly also for the development of therapeutic strategies.