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Der JAK/STAT-Signalübertragungsweg ist im Tierreich evolutionär konserviert und spielt eine Rolle in der Entwicklung eines Organismus, sowie beim Erhalt von Stammzellen. Desweiteren verursacht eine erhöhte Signalaktivität in Blutzellen Leukämie. Mit Hilfe der genetischen und molekularen Methoden, die in der Taufliege Drosophila melanogaster verfügbar sind, wurden die Hauptkomponenten der JAK/STAT-Signalkaskade identifiziert.Ziel dieser Arbeit war die Identifikation von Effektoren, die durch die JAK/STAT-Signalkaskade in Drosophila angeschaltet werden und die Bildung von Bluttumoren verursachen. Die Untersuchung des Geneexpressionsmusters ergab, dass 1197 Gen-Loci direkt oder indirekt durch den Liganden der Signalkaskade namens UPD zu unterschiedlichen Zeitenpunkten reguliert werden. Mit Hilfe von bioinformatischen Methoden konnten diese 1197 Gene zu immunologisch relevanten Kategorien (auch Gene Ontology genannt) zugewiesen werden, welche ebenfalls eine zeitlich dynamische Verteilung aufweisen. Weiterhin identifizierte die Promotoranalyse von hoch-regulierten Genen DNA-Bindungsstellen, an die der Transkriptionsfaktor der JAK/STAT-Signalkaskade mit hoher oder niedriger Affinität bindet. Die Rolle von zehn der 1197 Gene wurde in der Taufliege bezüglich der Tumorentwicklung untersucht. Darunter befinden sich Gene, die für die Zellpolarität verantwortlich sind; eine Funktion, die kürzlich mit der Aktivierung der JAK/STAT-Signalkaskade im Epithelgewebe in Verbindung gebracht wurde.

Organisms such as mammals need tissue renewal as an important process for maintenance of their viability. Because proliferation is essential also for tumourigenesis, cells need tumour-suppressor mechanisms to protect organism against cancer. Cellular senescence, the permanent state of cell-cycle arrest, features one of these intrinsic barriers against tumourigenesis after DNA damage and understanding of this process may lead to finding of novel therapeutic targets and to optimization of chemotherapy for patients with cancer. In the first part of the PhD thesis, we investigated activation of JAK/STAT signalling pathway in drug-induced senescence. We used genotoxic drugs like aphidicolin, camptothecine, 5-bromo- 2'-doexyuridin, etoposide or thymidine to induce premature senescence in normal and cancer cells. All this chemicals were able to persistently activate JAK/STAT signalling in monitored cells. Activation of STATs was accompanied with up-regulation of expression of interferon-stimulated genes (ISGs), such as MX1, IRF1, IRF7 and PML. Since IRF1 and IRF7 can be directly involved in stimulation of the IFN genes, we show activated expression as well as secretion of IFNbeta and IFNgamma, but not IFNalpha in drug-induced senescent cells. Furthermore, an inhibition of JAK1 as a major kinase of STAT...

Une sous population de cellules au sein des tumeurs mammaires présente une capacité accrue de se renouveler et de reproduire l’hétérogénéité du cancer du sein. Maintenant il est bien connu que les cellules souches présomptives du cancer du sein possèdent des programmes d’expression des gènes qui correspondent à leurs caractéristiques biologiques uniques. Notre groupe a été impliqué dans la caractérisation épigénétique des cellules souches présomptives du cancer du sein et l’importance de la dérégulation des mécanismes épigénétiques comme la méthylation de l’ADN et le microARN au cours de la carcinogenèse. Plus spécifiquement cette étude détaille l’idée que la survie des cellules souches du cancer du sein peut être due à une signalisation via des circuits spécifiques de régulation, y compris la voie d’inflammation IL6-JAK-STAT. Ces cellules présentent une activation constitutive de cette voie associée à une configuration particulière de la chromatine. Une autre part de cette étude est d’explorer l’idée que des changements dans l’expression des microARN sont fondamentaux pour la maintenance des principales caractéristiques de ces cellules, et leur ciblage peut représenter une nouvelle approche de thérapie contre le cancer du sein. De plus, en testant directement les conséquences in vivo de la régulation de miR30a nous ouvrons la voie pour la recherche et la validation de l’utilisation potentielle des microARN comme thérapie anti cancéreuse. Ensemble, nos résultats apportent une nouvelle compréhension du rôle des modifications épigénétiques dans la maintenance des cellules souches du cancer du sein. De façon importante ces découvertes intègrent l’idée que des mécanismes de régulations différents mais coordonnés ont un rôle dans la survie des cellules souches du cancer du sien et donnent une perspective élargie pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques / A subpopulation of cells within breast tumors is known to display an increased ability to self-renew and reproduce breast cancer cell heterogeneity. It is now known that putative breast cancer stem cells (CSCs) display distinct programs of gene expression that correlate with their unique biological characteristics. Our group has been involved in the epigenetic characterization of putative breast CSCs and the importance of the deregulation of epigenetic mechanisms such as DNA methylation and microRNA during carcinogenesis. More specifically, this study is detailing the idea that the survival of breast CSC may be dependent on signaling through specific regulatory circuits, including the well known inflammatory IL6-JAK-STAT pathway. These cells display a constitutive activation of this pathway associated with a distinct chromatin configuration. Another part of the study is exploring the idea that changes in microRNA expression are fundamental in sustaining the main attributes of these cells, and their targeting may represent a novel approach for breast cancer therapy. In addition, by directly testing the in vivo consequences of miR30a regulation, we open a window of opportunity for testing and validating the potential use of microRNAs in anti-neoplastic therapy. Together our results bring a new understanding of the role of epigenetic modifications in the maintenance of breast CSC. Importantly, these findings integrate the idea that different but coordinated regulation mechanisms play a role in the survival of CSC and give a larger perspective for finding novel therapeutic targets

La leucémie myéloïde chronique (LMC) est une pathologie de la cellule souche hématopoïétique caractérisée par la présence de la translocation chromosomique t(9 :22) conduisant à l’expression de la kinase BCR-ABL responsable de la maladie. Un inhibiteur de l’activité de BCR-ABL a été identifié, l’Imatinib (IM). L’IM a révolutionné la prise en charge de la LMC en bloquant sélectivement la croissance des cellules tumorales, conduisant à la rémission des patients. Cependant, une majorité d’entre eux subissent des récidives en cas d’arrêt du traitement, et environ 15% développent des résistances à l’inhibiteur. BCR-ABL active de multiples voies de signalisation parmi lesquelles figurent les facteurs de signalisation STAT5. Nous avons analysé les rôles respectives des deux facteurs STAT5, STAT5A et STAT5B, dans les cellules souches hématopoïétiques normales et de LMC, par une approche d’ARN interférence. Nos observations indiquent que l’activité des deux facteurs STAT5 permet la survie et le maintien à long terme des cellules souches de patients LMC au diagnostic. Nous avons de plus montré qu’indépendamment de son activité transcriptionnelle, STAT5A aide les cellules normales et leucémiques à limiter leur stress oxydatif. Nous avons aussi pu observer que les cellules de patients présentant des résistances secondaires à l’IM, sans mutations ni surexpression de BCR-ABL, manifestent une dépendance caractéristique vis-à-vis de l’activité STAT5A. Pour mieux comprendre les mécanismes d’action des facteurs STAT5, nous avons recherché les gènes cibles de STAT5 par une approche transcriptomique et avons identifié le récepteur tyrosine kinase Axl dont l’expression est augmentée par STAT5A. L’inhibition d’Axl dans les cellules LMC sensibles à l’IM n’a aucun effet sur leur survie, alors qu’elle diminue fortement la survie des cellules LMC résistantes à l’IM. De plus, Axl contrôle le niveau des réactifs oxygénés dans les cellules de patients LMC. Nous avons analysé l’expression d’un des activateurs d’Axl, le ligand Gas6, et avons observé que son expression diminue fortement dans les cellules primaires de LMC par rapport aux contrôles sains. Ces résultats suggèrent que le tandem Gas6/Axl pourrait participer au processus leucémique de la LMC à différents niveaux. De manière globale, nos travaux montrent que les facteurs STAT5 favorisent le maintien des cellules souches de LMC, leur résistance au stress oxydatif et aux traitements thérapeutiques Ces deux dernières activités sont au moins en partie liées à l’activité d’une nouvelle cible de STAT5, le récepteur Axl, par ailleurs déjà impliqué dans la résistance aux traitements thérapeutiques. Les facteurs STAT5 représentent donc des nouvelles cibles thérapeutiques potentielles dans l’éradication de la maladie résiduelle. / The Chronic Myeloid Leukemia (CML) is a clonal hematopoietic stem cell disorder characterized by the t(9:22) genetic translocation and expression of the oncogenic tyrosine kinase BCR-ABL . A first BCR-ABL Tyrosine Kinase Inhibitor (TKI), Imatinib (IM), was identified that inhibits proliferation of BCR-ABL expressing hematopoietic cells and leads to disease remission. However, BCR-ABL mRNA remains detectable in the most immature HSCs and discontinuation of IM results in clinical relapse. STAT5 factors play a crucial role in the CML pathogenesis of human primary CML cells. However, the contribution of the two related STAT5 genes, STAT5A and STAT5B, was unknown. We used an RNAinterference based strategy to analyze STAT5A or STAT5B roles in normal and CML cells. We showed that STAT5A/5B double knock-down (KD) triggers normal and CML cell apoptosis and suppressed long-term clonogenic potential of immature hematopoietic stem and progenitor cells known to be resistant to TKI treatment and responsible for residual disease. STAT5A loss alone was ineffective at impairing growth of both normal and CML cells under standard conditions. In contrast, STAT5A loss was sufficient to enhance Reactive Oxygen Species (ROS) which correlated with enhanced DNA damages in both normal and leukemic cells. We reported that STAT5A regulates oxidative stress through unconventional mechanisms, in a non-transcriptional-dependent manner. We further showed that, in contrast to primary cells at diagnosis, IM-resistant cells exhibited enhanced STAT5A dependence, by being sensitive to STAT5A single KD. To investigate the molecular basis of STAT5A activity in TKI-resistance and oxidative stress, we performed a transcriptomic analysis of STAT5 regulated genes. We identified Axl, which encodes a receptor tyrosine kinase, recently shown to be crucial in TKI-resistant CML cells. Specifically, Axl expression is enhanced by STAT5A. We investigated the role of Axl and we found that Axl KD did not affect survival of IM-sensitive CML cells. However, Axl KD decreased survival of IM-resistant cells, miming the activity of STAT5A. Moreover, Axl loss increased ROS levels in CML cells, promoting STAT5A anti-oxidant activity. We further sought to determine the expression of the Axl ligand, Gas6. Gas6 expression is dramatically reduced in CML primary cells at diagnosis compared to healthy cells. The strong and consistent down-regulation of Gas6 in CML cells suggested a possible role in the pathophysiology. Collectively, our findings highlight the pro-survival, stress protection and drug resistance roles of STAT5 factors, providing new understanding for medical treatment of CML patients. We suggest that STAT5A acts in synergy with Axl to face exogenous insults and propose a new mechanism by which CML cells increase their proliferation and reduce their motility by down-regulating Gas6 expression.

La voie JAK / STAT est une voie majeure de signalisation intracellulaire, activée par plusieurs cytokines, y compris par les interférons (IFNs). Mon laboratoire a précédemment établi que l'endocytose et le trafic du récepteur de l’IFN alpha/beta (IFNAR) jusqu’à l'endosome précoce, joue un rôle clé dans l’activation de la voie de signalisation JAK/STAT et dans les activités antivirales et antiprolifératives induites par les IFNs de type I. Le récepteur de l’IFN de type I se compose de deux sous-unités: IFNAR1 et IFNAR2. Durant le trafic du récepteur vers l'endosome précoce, les deux sous-unités prennent des itinéraires différents - IFNAR1 est ubiquitiné et dégradé au lysosome tandis que IFNAR2 est recyclé vers la membrane plasmique. Les mécanismes moléculaires permettant un trafic différent des IFNAR1 et IFNAR2 restent mal compris.J’ai tout d’abord étudié le trafic intracellulaire des sous-unités IFNAR1 et IFNAR2 et j’ai pu montrer que les protéines Rab4 et Rab11 sont nécessaires au recyclage d’IFNAR2 à la membrane plasmique. Par la suite, j’ai identifié le complexe rétromère endosomal - VPS26A/VPS29/VPS35 comme un partenaire d’interaction avec IFNAR2 nécessaire pour son recyclage. En outre, j’ai montré que le complexe rétromère contrôle la séparation spatiotemporelle des sous-unités IFNAR1 et IFNAR2 au niveau de l'endosome précoce. En effet, la déplétion du complexe rétromère entraine une prolongation de l’association endosomale de deux sous-unités et une prolongation de la signalisation JAK/STAT induite par l’IFN tant pour la réponse précoce (phosphorylation de STAT1) que la réponse à plus long terme (expression des gènes stimulés par l'IFN). Des résultats en cours de publication par l’équipe montrent un rôle d’ESCRT-0 dans l’initiation de la signalisation JAK/STAT. J’ai montré que le rôle de la machinerie ESCRT dans ce processus est limité au complexe ESCRT-0. Les sous-complexes en aval d’ESCRT-0, bien que nécessaires à la dégradation d’IFNAR1, ne sont pas impliqués dans l’activation de la voie JAK/STAT.En conclusion, ces résultats nous ont permis d’établir un modèle dans lequel le retromère joue un rôle clef dans la régulation spatio-temporelle du tri endosomal d’IFNAR et de la signalisation JAK/STAT au niveau de l’endosome précoce. Après la séparation rétromère-dépendante des sous-unités du récepteur et la terminaison de la signalisation JAK/STAT, la dégradation lysosomale d’IFNAR1 est assurée par la machinerie ESCRT en aval d’ESCRT-0. / The JAK/STAT pathway is a major intracellular signaling pathway that is activated by several cytokines including interferons (IFNs). My laboratory has previously established that endocytosis and trafficking of the IFN alpha/beta receptor (IFNAR) to the early endosome is key for the activation of JAK/STAT signaling and for the antiviral and antiproliferative activities induced by type I IFNs. The functional type I IFN receptor - IFNAR - consists of two subunits: IFNAR1 and IFNAR2. Upon endocytosis to the early endosome, both subunits take different trafficking routes – IFNAR1 is ubiquitinated and degraded in the lysosome, whereas IFNAR2 recycles back to the plasma membrane. The molecular mechanisms behind the separation of IFNAR1 and IFNAR2, as well as their distinct trafficking routes remain poorly understood.First, I studied the intracellular trafficking of IFNAR1 and IFNAR2 subunits and showed the requirement for Rab4 and Rab11 in IFNAR2 recycling to the plasma membrane. Next, I identified the endosomal retromer complex – VPS26A/VPS29/VPS35 as an IFNAR2 interacting partner, required for IFNAR2 recycling. Additionally, I was able to show that retromer controls the spatiotemporal separation of IFNAR1 and IFNAR2 subunits at the early endosome. Indeed, retromer depletion resulted in prolonged endosomal association of both subunits and prolonged activation of IFN-induced JAK/STAT signaling, at both early (STAT1 phosphorylation) and longer time response (IFN-stimulated gene expression). Unpublished results of our team indicate the role of ESCRT-0 in initiation of the IFN-mediated JAK/STAT signaling. I found that role of the ESCRT machinery in this process is limited to the ESCRT-0. ESCRT subcomplexes downstream of ESCRT-0, although required for IFNAR1 degradation, are not involved in activation of the JAK/STAT pathway.In conclusion, these results permit us to draw a model in which the retromer is a key spatiotemporal regulator of IFNAR endosomal sorting and the JAK/STAT signaling at level of the early endosome. Once retromer-mediated subunits separation is accomplished and JAK/STAT signaling is terminated, ESRCT machinery downstream to ESCRT-0 mediates IFNAR1 lysosomal degradation.

Die Entstehung verschiedener Tumorentitäten kann häufig mit einer vorliegenden Virusinfektion korreliert werden. So lässt sich beispielsweise ein Zusammenhang zwischen der Infektion mit den zur Gruppe der Herpesviren gehörenden Epstein-Barr-Viren (EBV) und der Entwicklung von Burkitt-Lymphomen, Hodgkin-Lymphomen sowie Nasopharynx-Karzinomen herstellen. Für die Transformation einer mit EBV infizierten humanen B-Zelle ist die Expression des Latenten Membranproteins 1 (LMP1) des Epstein-Barr-Virus essentiell. LMP1 ist ein Membranprotein mit einem funktionellen C-terminus, das Homologien zu den Tumornekrosefaktoren (TNF)- und Toll-like-Rezeptoren aufweist. Im Zusammenspiel mit anderen viralen Faktoren trägt LMP1 durch die von ihm aktivierten Signalwege (z.B. NF-κB, JNK, p38) zur Immortalisierung und malignen Entartung von EBV-infizierten Zellen bei. Einer dieser Signalwege ist der Jak/STAT-Signalweg. Da dessen EBV-abhängige Aktivierung bislang nur unzureichend geklärt ist, ist es Zielsetzung dieser Arbeit, die durch das Epstein-Barr-Virus vermittelte Aktivierung des Jak/STAT-Signalweges in Burkitt-Lymphomzellen näher zu untersuchen. Als Negativregulatoren des Jak/STAT-Signalweges sind hierbei die SOCS-Moleküle (Suppressor of Cytokine Signaling) von Bedeutung. Von besonderem Interesse sind dabei die Mechanismen der Aktivierung von SOCS3 durch LMP1 und dem damit verbundenen möglichen Einfluss auf den transformierten Zustand einer Zelle. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in den untersuchten Burkitt-Lymphomzellen das exprimierte virale Onkoprotein LMP1 des Epstein-Barr-Virus ausreichend ist, den Jak/STAT-Signalweg zu aktivieren und SOCS3 zu induzieren. Die Aktivierung des Jak/STAT-Signalweges wird indirekt, das heißt über EBV-abhängig aktivierte Zytokinsignalwege, reguliert. Eine zusätzliche direkte Aktivierung durch eine Interaktion von Komponenten des Jak/STAT-Signalweges mit LMP1 kann derzeit jedoch nicht völlig ausgeschlossen werden.

Janus Kinase (JAK) activity specifies the cell fates of the follicular epithelium during Drosophila oogenesis by establishing a gradient of JAK activity with highest levels at the A/P poles. Unpaired (Upd), a ligand for the pathway, is expressed and secreted exclusively from the polar cells potentially establishing the JAK activity gradient. This project proposed that Upd acts as a morphogen to directly establish the JAK activity gradient, specifying the fates of the follicular epithelium. The aims of this work were to investigate the extracellular distribution of Upd and, in addition, factors that may be involved. Furthermore, upd3, a gene encoding a protein with sequence similarity to Upd, is also co-expressed with upd in the polar cells. An additional aim of this project was to determine what role, if any, Upd3 plays in follicular development. Immunostaining was used to reveal Upd distribution during oogenesis. The data revealed an Upd gradient on the apical membrane of the follicular epithelium. By virtue of the extracellular gradient, Upd fulfills the requirements necessary to be classified as a morphogen. Some morphogens are dependent on heparan sulphate proteoglycans (HSPGs) for distribution. Using mitotic recombination to make mosaics, this work reveals that Dally, a glypican, is essential for the distribution of Upd and establishment of the JAK gradient during oogenesis. The data suggests Dally is involved with stability of extracellular Upd. Mosaic analysis of an additional HSPGs revealed that they are not essential for the Upd gradient or JAK activity during oogenesis. upd3 mutant flies have small eyes and outstretched wings, a phenotype consistent reduced JAK activity. In upd3 mutant ovaries it is shown that there is a higher frequency of deteriorating egg chambers, a higher frequency of egg chamber fusions, and a decrease in border cells per egg chamber compared to wildtype controls; all of which support a reduction of JAK activity. Furthermore, ovarian phenotypes of upd3 get worse as the fly ages suggesting that upd3 is required over time. The data presented suggests that Upd3 does act to maintain JAK activity in the ovary as the fly ages.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.