This thesis defines a novel role for the Herpes Simplex Virus (HSV) tegument protein, virion protein (VP) 11/12 as a modulator of host cell signalling. Studies aimed at examining infection induced lymphocyte inactivation, revealed that VP11/12 is tyrosine phosphorylated in three lymphocyte lineages (T cell, B cell and NK cell) following exposure to HSV-1 or HSV-2 infected fibroblasts. Tyrosine phosphorylation of VP11/12 was greater in lymphocytes compared to fibroblasts or epithelial cells and phosphorylation was enhanced by the lymphocyte specific Src family kinase (SFK) Lck during transfection- or infection-based assays. This suggested that VP11/12 is a substrate of Lck or a kinase activated by Lck. Lck is best known for initiating intracellular signalling downstream of the T cell receptor (TCR) and NK cell receptors. However, VP11/12 null HSV mutants retained the ability to block TCR signalling and NK cell cytotoxicity. Phosphorylation of VP11/12 occurred in the absence of any known Lck stimulus, like TCR ligation. Infection alone may activate Lck since Lck in infected Jurkat cells displayed features characteristic of activation: a reduced electrophoretic mobility in sodium dodecyl sulphate polyacrylamide gel and a marked increase in phosphorylation at the activation loop tyrosine (Y394). SFK substrates sometimes activate their cognate kinase through high affinity binding of the SFK Src homology (SH) 2 or SH3 domains. VP11/12 may serve this dual function since it interacts with Lck or Lck signalling complexes and is strictly required for Lck activation during infection. SFKs including Lck lie upstream of the canonical phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-Akt pathway in signalling emanating from immune receptors, growth factor receptors and polyoma middle T antigen (MTAg). In HSV infection of Jurkat T cells and human embryonic lung fibroblasts, we find that VP11/12 interacts with PI3K either directly or indirectly and is required for infection induced activation of the PI3K-Akt signalling pathway. SFK activity is required for tyrosine phosphorylation of VP11/12, VP11/12-PI3K interactions, and Akt activation in infected fibroblasts. This data suggests that VP11/12 orchestrates signalling analogous to that of MTAg. In this model, VP11/12 activates SFKs to induce its own phosphorylation, subsequently allowing for interactions with PI3K and activation of Akt. / Virology

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Background: COPD is characterised by increased neutrophilic inflammation which further increases during exacerbations. Corticosteroids are currently one of the mainstays of treatment but they have limited effectiveness; there is a great need to develop new anti-inflammatory pharmacotherapies for use in COPD. Inhaled LPS has been used as a model of increased neutrophilic inflammation in healthy patients, smokers and asthmatics. Its use in patients with COPD as a model of exacerbations has not yet been evaluated. PI3 kinase is a vital intracellular enzyme, which upon activation leads to a number of cellular processes; the γ and δ isoforms of the enzyme are of particular importance in leucocyte migration, development and activation. There is increasing evidence for upregulation of this pathway in COPD.Aims: (1) To test the safety of the use of inhaled LPS in patients with COPD for use as a model of exacerbation and to investigate the systemic and airway inflammatory response in vivo. (2) To investigate the action of PI3 kinase enzyme inhibitors and dexamethasone in vitro on neutrophilic inflammation in COPD patients during the stable state and exacerbations. Methods: (1) 12 patients with mild to moderate COPD inhaled 5µg LPS; safety measurements and airway and systemic biomarkers were collected up to 24 hours post inhalation. (2) The effect of PI3 kinase enzyme inhibitors and dexamethasone on MMP-9 and ROS release from peripheral and airway neutrophils from stable COPD and exacerbations was examined in vitro. The effect of PI3 kinase enzyme inhibitors and dexamethasone on cytokine release from peripheral neutrophils from stable COPD patients was also investigated. Results: (1) Inhaled LPS (5µg) caused a significant fall in FEV1 and increase in sputum neutrophil numbers. There was an associated increase in systemic IL-6, CRP and CC-16, all with differing temporal patterns. No patients reported any significant symptoms. (2) PI3 kinase enzyme inhibitors significantly reduced MMP-9 and ROS release from airway and peripheral neutrophils from COPD patients in the stable state and during exacerbations; dexamethasone had minimal effect. Cytokine release from peripheral neutrophils from COPD patients in the stable state was also significantly inhibited by PI3 kinase enzyme inhibitors and dexamethasone. Conclusions: (1) Inhaled LPS in patients with COPD is a safe model to induce acute on chronic neutrophilic inflammation and therefore could be used as a model to study COPD exacerbations. (2) PI3 kinase enzyme inhibitors reduce COPD neutrophil MMP-9, ROS and cytokine release in vitro and are therefore are a promising new anti-inflammatory pharmacotherapy.

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La sous-unité catalytique p110 de la phosphatidylinositol-4,5-biphosphate 3-kinase (PI3K) est exprimée spécifiquement dans les leucocytes, et possède un rôle central dans la biologie des lymphocytes. Des mutations germinales dominantes gain-de-fonction de PI3KCD (codant p110 ) ont été identifiées récemment chez des patients présentant une immunodéficience combinée caractérisée par une présentation clinique hétérogène incluant des infections récurrentes des voies respiratoires et des lymphoproliférations associées à une virémie EBV et/ou CMV élevée, connue sous le nom de syndromes APDS. L’hétérogénéité des présentations cliniques suggère l’existence de facteurs secondaires, génétiques ou environnementaux. Au cours de ma thèse de doctorat, j’ai rapporté le cas de deux nouveaux patients présentant des anomalies génétiques affectant la voie PI3K. Le premier patient, né dans une famille consanguine, présentait une mutation gain- de-fonction de PIK3CD déjà décrite. Par séquençage de l’exome du patient, nous avons identifié une seconde mutation homozygote non-sens de SEC14L2, un régulateur connu de la voie PI3K. Nous avons analysé le phénotype et la fonctionnalité des lymphocytes du patient, et avons mis en évidence in vitro certains mécanismes de régulation de l’activation lymphocytaire par SEC14L2. Enfin, nous avons réalisé une étude de transcriptome afin d’identifier les voies de régulation dérégulées chez notre patient. Dans l’ensemble, ces résultats ont permis d’identifier le premier co-facteur génétique associé au syndrome APDS. Le second patient est également né dans une famille consanguine et présentait des infections sévères des voies respiratoires et un syndrome d’infection chronique à l’EBV (CAEBV) fatal. Par séquençage de l’exome du patient, nous avons identifié une mutation homozygote rare dans PIK3CD. Une modélisation de la structure de la protéine a montré que l’acide aminé muté se situe dans le domaine catalytique de p110 , dans une boucle phylogénétiquement conservée interagissant avec la sous-unité régulatrice p85↵ de la PI3K, et que la mutation conduisait à la perte de cette interaction. In vitro, la mutation de p110 cause la perte de l’activité PI3K, et les lymphocytes T du patient présentaient une diminution de phosphorylation d’AKT et de p70 S6K, deux cibles de la PI3K. Les lymphocytes T du patient présentaient également une production diminuée d’IFN- et de TNF↵, et un excès de prolifération et de flux calcium suite à la stimulation du TCR. Des lignées cellulaires Jurkat déficientes pour PIK3CD générées par CRISPR/Cas9 ont également présenté un défaut de phosphorylation d’ATK et un excès de prolifération et de flux calcium. L’expression de la version sauvage de p110 dans ces cellules, mais pas de la version mutée, a permis une restauration des réponses normales, prouvant l’implication de la mutation dans les phénotypes cellulaires identifiés. De manière intéressante, nous avons mis en évidence l’existence d’un équilibre entre l’activité PI3K et PLC- 1 lors de l’activation T, qui pourrait être expliqué par une compétition pour l’accès à leur substrat commun, le PIP2. Enfin, nous avons identifié chez notre patient une seconde mutation homozygote délétère dans le gène TNFRSF9. Cette mutation est également retrouvée chez la sœur saine du patient, qui présentait une réplication persistante de l’EBV dans le sang, suggérant que cette mutation pourrait agir comme facteur génétique secondaire. Dans l’ensemble, cette étude à permis l’identification de la première immunodéficience associée à des mutations perte-de-fonction de PIK3CD. / The pathway p110 catalytic subunit of phosphatidylinositol-4,5-biphosphate 3-kinase (PI3K) is selectively expressed in leukocytes and has a central role in lymphocytes biology. Gain-of-function dominant germline mutations of PIK3CD (encoding p110 ) have been recently described in patients presenting a heterogeneous combined immunodeficiency associated with respiratory tract infections, lymphadenopathy and high EBV and/or CMV viremia. The heterogeneous clinical presentation suggests the existence of genetic or environmental modifying factors. In my thesis I report two new patients with different genetic defects causing CID. The first patient, born from a consanguineous family, presented a known gain-of- function mutation of PIK3CD. His clinical presentation was partially compatible with the already described patients. By whole exome sequencing, we identified a homozygous nonsense mutation in SEC14L2, a known regulator of PI3K pathway. We further analyzed the phenotype and functions of patient’s lymphocytes, and performed a transcriptome analysis to better characterize the implication of SEC14L2 mutation in the pathology. The second patient was born from consanguineous family and presented recurrent severe respiratory tract infections and a fatal Chronic Active EBV disease (CAEBV). By Whole Exome Sequencing, we identified a homozygous rare missense mutation in PIK3CD. 3D structure modelization showed that the mutated amino acid is located in p110 catalytic domain, in an evolutionarily conserved loop that interacts with alpha-helix of PI3K regulatory subunit p85a, which interaction is lost in mutated p110 . Phenotyping of patient’s circulating lymphocytes showed increased CD8+ T cells and reduced NK and CD4+ T cells. The mutation in PI3KCD resulted in impaired PI3K activity in vitro and in vivo. Moreover, patient’s T cells exhibited reduced activation-induced phosphorylation of AKT and p70-S6K, two indirect targets of p110 , that we restored by expressing wild type p110 . Patient’s T cells also showed a decreased induction of IFN- and TNF-↵ and an increased proliferation and calcium flux after TCR stimulation. By CRISPR CAS9 technology, we generated Jurkat T- cell lines expressing wild type or mutated PI3K. Jurkat cells expressing mutant PI3K showed decreased AKT phosphorylation and increased calcium flux and proliferation after TCR stimulation, confirming the implication of PIK3CD mutation in patient’s cells phenotype. Interestingly, we highlighted the existence of a balance between PI3K and PLC- 1 activity during T cell activation, that may be due to a competition for access to their shared substrate, the PIP2. Finally, we identified in our patient a second deleterious mutation in TNFRSF9 that is shared by his healthy sister, who also presented persistent EBV replication in blood, suggesting that this additional mutation may act as a modifying genetic factor. Taken together, the results presented in this thesis identified the first loss-of-function mutation in PIK3CD causing CID.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Einfluss der Wachstumsfaktoren IGF-I, EGF und dem Zytokin IL-6 auf den Androgenrezeptor-Signalweg zeigten in verschiedenen Prostatakarzinom-zelllinien schon nach zwei Stunden eine deutliche Degradation des Androgenrezeptor-Proteins. Die ausschließlich auf Protein-Ebene stattfindende, Wachstumsfaktor-induzierte negative Regulation des Androgenrezeptors konnte durch einen schnellen Androgeneffekt wieder aufgehoben werden. Mittels Luziferase-Reportergen-Assays wurde kein Einfluss der Wachstums-faktorwirkung auf die transkriptionelle Aktivität des Androgenrezeptors nachgewiesen. Darüber hinaus konnte eine signifikant reprimierende Wirkung durch IGF-I und EGF in Kombination mit geringen Mengen DHT beobachtet werden. Weitere Resultate dieser Arbeit deuten auf einen, durch den PI3-Kinase-Signalweg vermittelten, proteasomalen Abbauprozess des Rezeptors hin. Da die Suppression der downstream gelegenen Proteinkinase Akt keine Veränderung hinsichtlich der Degradation aufwies, konzentrierte sich die weiterführende Arbeit auf eine mögliche direkte Regulation des Androgen-rezeptors durch die PI3-Kinase. Unter Verwendung von rekombinanten GST-Fusionsproteinen konnte in Interaktionsstudien unter in vitro Bedingungen eine Phosphotyrosin-unabhängige Bindung zwischen der C-SH2-Domäne der p85-Untereinheit der PI3-Kinase und dem N- und C-Terminus des Androgenrezeptors nachgewiesen werden. Durch die nähere Charakterisierung dieser Bindungsbereiche mit Hilfe von Peptidarrays und anschließenden Alanin-Substitutionen war es möglich, für den N-Terminus 18, für den C-Terminus des Androgenrezeptors 6 und für die p85-C-SH2-Domäne der PI3-Kinase 11 Aminosäuren zu identifizieren. Die durch gezielte Punktmutagenese an diesen Aminosäurepositionen hergestellten Androgenrezeptor-Einzel- und -Mehrfachmutanten wiesen in Bindungsstudien dennoch Interaktion zur PI3-Kinase auf. Eine von Anderson und Kollegen postulierte Phosphotyrosin-unabhängige Bindung der SH2-Domänen der p85-Untereinheit der PI3-Kinase durch sogenannte „basic-X-basic“-Motive wurde ebenfalls in Interaktionstests zwischen der PI3-Kinase und dem Androgenrezeptor überprüft. Aufgrund der Tatsache, dass einige der identifizierten Aminosäuren auf dem Androgenrezeptor Teil eines „basic-X-basic“-Bindungsmotives sind, wurden Kombinationsmutanten generiert, die sowohl im N-Terminus als auch im C﷓Terminus des Androgenrezeptors ein bzw. zwei zerstörte „basic-X-basic“-Motive enthielten. Untersuchungen zum Bindungsverhalten dieser Mutanten zeigten zwar weiterhin Interaktion zur p85-C-SH2-Domäne der PI3-Kinase, jedoch der durch Western-blot-Analyse überprüfte IGF-I-induzierte Degradationseffekt des Androgenrezeptor-Proteins konnte mit zwei der verwendeten Androgenrezeptor-Kombinationsmutanten nicht mehr beobachtet werden.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Einfluss der Wachstumsfaktoren IGF-I, EGF und dem Zytokin IL-6 auf den Androgenrezeptor-Signalweg zeigten in verschiedenen Prostatakarzinom-zelllinien schon nach zwei Stunden eine deutliche Degradation des Androgenrezeptor-Proteins. Die ausschließlich auf Protein-Ebene stattfindende, Wachstumsfaktor-induzierte negative Regulation des Androgenrezeptors konnte durch einen schnellen Androgeneffekt wieder aufgehoben werden. Mittels Luziferase-Reportergen-Assays wurde kein Einfluss der Wachstums-faktorwirkung auf die transkriptionelle Aktivität des Androgenrezeptors nachgewiesen. Darüber hinaus konnte eine signifikant reprimierende Wirkung durch IGF-I und EGF in Kombination mit geringen Mengen DHT beobachtet werden. Weitere Resultate dieser Arbeit deuten auf einen, durch den PI3-Kinase-Signalweg vermittelten, proteasomalen Abbauprozess des Rezeptors hin. Da die Suppression der downstream gelegenen Proteinkinase Akt keine Veränderung hinsichtlich der Degradation aufwies, konzentrierte sich die weiterführende Arbeit auf eine mögliche direkte Regulation des Androgen-rezeptors durch die PI3-Kinase. Unter Verwendung von rekombinanten GST-Fusionsproteinen konnte in Interaktionsstudien unter in vitro Bedingungen eine Phosphotyrosin-unabhängige Bindung zwischen der C-SH2-Domäne der p85-Untereinheit der PI3-Kinase und dem N- und C-Terminus des Androgenrezeptors nachgewiesen werden. Durch die nähere Charakterisierung dieser Bindungsbereiche mit Hilfe von Peptidarrays und anschließenden Alanin-Substitutionen war es möglich, für den N-Terminus 18, für den C-Terminus des Androgenrezeptors 6 und für die p85-C-SH2-Domäne der PI3-Kinase 11 Aminosäuren zu identifizieren. Die durch gezielte Punktmutagenese an diesen Aminosäurepositionen hergestellten Androgenrezeptor-Einzel- und -Mehrfachmutanten wiesen in Bindungsstudien dennoch Interaktion zur PI3-Kinase auf. Eine von Anderson und Kollegen postulierte Phosphotyrosin-unabhängige Bindung der SH2-Domänen der p85-Untereinheit der PI3-Kinase durch sogenannte „basic-X-basic“-Motive wurde ebenfalls in Interaktionstests zwischen der PI3-Kinase und dem Androgenrezeptor überprüft. Aufgrund der Tatsache, dass einige der identifizierten Aminosäuren auf dem Androgenrezeptor Teil eines „basic-X-basic“-Bindungsmotives sind, wurden Kombinationsmutanten generiert, die sowohl im N-Terminus als auch im C﷓Terminus des Androgenrezeptors ein bzw. zwei zerstörte „basic-X-basic“-Motive enthielten. Untersuchungen zum Bindungsverhalten dieser Mutanten zeigten zwar weiterhin Interaktion zur p85-C-SH2-Domäne der PI3-Kinase, jedoch der durch Western-blot-Analyse überprüfte IGF-I-induzierte Degradationseffekt des Androgenrezeptor-Proteins konnte mit zwei der verwendeten Androgenrezeptor-Kombinationsmutanten nicht mehr beobachtet werden.

Faculty of Science School of Molecular Medicine and Haematology Masters Dissertation / Studies on the development of drug resistance in several cancer types, including acute myeloid leukaemia (AML), have implicated the PI3-kinase pathway. This pathway phosphorylates Akt resulting in the activation of proteins involved in cell survival. The aim of this study is to determine the role that Akt plays in urvival and the relationship between Akt, IKK and IkB in HL-60 cells. This study demonstrated that etoposide caused apoptosis in HL-60 cells, which was slightly increased when the PI3-kinase pathway was inhibited by LY294002. Stimulation with PDGF resulted in cell proliferation and increased Akt, IKK and IkB phosphorylation. Although pre-treatment with LY294002 decreased the amount of Phospho-Akt, phosphorylation of IKK and IkB still occurred. Therefore additional pathways must be involved in IkB regulation in HL-60 cells. Akt mRNA transcription was decreased when the cells were pretreated with LY294002 and either PDGF or etoposide. In conclusion, the PI3-kinase pathway plays a minor role in the survival of HL-60 cells and Akt substrates other than IKK are mediating this survival.

Skeletal muscle has an integral role in many activities. Although mechanical stretch and active force generation are known to be required for the maintenance of healthy muscle function, the mechanism by which those signals mediate muscle growth is unknown. This project was based on the hypothesis that stretch and force generation activate the Calcineurin/NFAT pathway and induce Cox-2 expression and initiate muscle hypertrophy. The specific aims of this study were to 1) develop a minimally invasive system capable of initiating hypertrophic signaling in mice, 2) characterize the effects of isometric activation, passive lengthening, and active lengthening on signaling cascades, and 3) determine the involvement of the Calcineurin/NFAT pathway and activation of COX-2 gene expression. We propose a pathway in which stimuli increase intracellular calcium, which activates the phosphatase calcineurin. Calcineurin dephosphorylates NFAT, which is translocated into the nucleus and initiates transcription of the COX-2 gene. COX-2 mediated synthesis of PGG2 is the rate-limiting step in bioactive prostaglandin synthesis. Prostaglandins then stimulate known hypertrophic signals including the PI-3 Kinase and MAP Kinase signaling cascades.