Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The addition and removal of phosphate groups is a key regulatory mechanism for many cellular processes. The balance between phosphorylation and dephosphorylation is delicate and must be maintained in order for proper cell functions to be carried out. Protein kinases and phosphatases are the keepers of this balance with kinases adding phosphate groups and phosphatases removing them. As such, mutation and/or altered regulation of these proteins can be the driving factor in disease. Phosphatase of Regenerating Liver (PRL) is a family novel of three dual specificity phosphatases (DSPs) first discovered in the regenerating liver tissue of rats. PRLs have also been shown to act as oncogenes in cell culture and in animal models. However, the physiological substrate and mechanisms of the PRLs are not yet known. Recently, our lab has developed a PRL 2 knockout mouse and found several striking phenotypes all of which correspond to a significant increase in PTEN. We also found that PRL 2 is targetable by small molecular inhibitors that can potentially be used to disrupt tumor growth and spermatogenesis. Furthermore, a PTEN heterozygous mouse model crossed into our PRL 2 knockout line was generated to investigate the relevance of PRL interaction with PTEN in cancer.

Le Phosphatidylinositol(4,5)P2 (PtdIns(4,5)P2) est essentiel pour réguler divers processus cellulaires, y compris la signalisation cellulaire, le trafic intracellulaire et la cytocinèse. Le contrôle strict de son homéostasie est donc crucial et la dérégulation des kinases, des phosphatases et des phospholipases qui la contrôlent conduit à de multiples pathologies. Parmi elles, le syndrome de Lowe est une maladie rare et incurable causée par des mutations du gène OCRL qui code pour la PtdIns(4,5)P2 phosphatase OCRL1. La déplétion de dOCRL, l’orthologue d’OCRL1 chez la drosophile altère l’homéostasie du PtdIns(4,5)P2 avec (i) une accumulation anormale de PtdIns(4,5)P2 sur les endomembranes conduisant (ii) à des défauts de cytocinèse et à de la multinucléation. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment le PtdIns(4,5)P2 est régulé sur les endomembranes. Dans les cellules de drosophile, nous avons découvert une fonction nouvelle et inattendue pour le suppresseur de tumeur PTEN, indépendante de son activité phosphatase. En effet, nous avons constaté que PTEN réduit les niveaux de PtdIns(4,5)P2 sur les endosomes grâce à l’action enzymatique de dPLCXD, une phospholipase C (PLC) atypique. Ainsi la voie de signalisation PTEN/dPLCXD peut compenser pour les défauts de cytocinèse dus à la perte de dOCRL. Enfin, nous avons identifié un activateur chimique des PLC qui restaure la perte fonctionnelle d’OCRL dans trois modèles de syndrome de Lowe distincts. Par la suite, nous avons étudié le rôle de la PTEN/PLCXD pendant l’autophagie, mécanisme d’autodigestion du matériel cellulaire. En effet, l’homéostasie du PtdIns(4,5)P2 lysosomale est essentielle pour l’étape autophagique de fusion des autophagosomes avec lysosomes. Nous avons observé que la déplétion de PLCXD et la surexpression d’un mutant catalytiquement inactif de PTEN altèrent l’autophagie chez les cellules de drosophile et de mammifère. Ces données suggèrent que la voie PTEN/PLCXD nouvellement identifiée régule le flux autophagique. Dans cette thèse, nous avons mis en lumière une nouvelle voie de signalisation PTEN/dPLCXD qui contrôle les niveaux de PtdIns(4,5)P2 sur les endolysosomes. Cette voie peut réguler l’autophagie et compenser la perte de dOCRL. Il s’agit d’une nouvelle fonction de PTEN indépendante de son activité phosphatase et c’est une première fonction biologique connue pour PLCXD. Cette découverte a conduit à l’identification d’une stratégie thérapeutique potentielle pour traiter les patients atteints du syndrome de Lowe. / Phosphatidylinositol(4,5)P2 (PtdIns(4,5)P2) is essential for various cellular processes, including cell signaling, intracellular traffic and cytokinesis. Therefore, strict control of its homeostasis is crucial. Indeed, the deregulation of the kinases, phosphatases and phospholipases which controls PtdIns(4,5)P2 leads to multiple pathologies. Among them, the Lowe syndrome is a rare and incurable disease caused by mutations in the OCRL gene which codes for PtdIns(4,5)P2 phosphatase OCRL1. Depletion of dOCRL, the orthologue of OCRL1 in drosophila, alters the homeostasis of PtdIns(4,5)P2 with (i) an abnormal accumulation of PtdIns(4,5)P2 on the endomembranes leading (ii) to cytokinesis defects and multinucleation. The objective of this thesis was to understand how PtdIns(4,5)P2 is regulated on endomembranes. In drosophila cells, we have discovered a new and unexpected function for the tumor suppressor PTEN independent of its phosphatase activity. Indeed, we have found that PTEN reduces the levels of PtdIns(4,5)P2 on endolysosomes thanks to the enzymatic action of dPLCXD, an atypical phospholipase C (PLC). Thus, the PTEN/dPLCXD signaling pathway can compensate for cytokinesis defects due to the loss of dOCRL. Finally, we identified a chemical activator of PLC that restores the functional loss of OCRL in three distinct Lowe syndrome models. Next, we studied the role of this newly identified PTEN/PLCXD pathway during autophagy, a self-digestion mechanism. Indeed, the homeostasis of lysosomal PtdIns(4,5)P2 is essential for the fusion of autophagosomes with lysosomes during autophagy. We have observed that depletion of PLCXD and overexpression of a catalytically inactive mutant of PTEN both alter autophagy in Drosophila and mammalian cells. These data suggest that this newly identified PTEN/PLCXD pathway regulates the autophagic flux. In this thesis, we have highlighted a new PTEN/dPLCXD signaling pathway which controls the levels of PtdIns(4,5)P2 on endolysosomes. This new PTEN function is independent of its phosphatase activity and the first biological function for PLCXD can regulate autophagy and compensate for the loss of dOCRL. This discovery led to the identification of a potential therapeutic strategy for treating patients with Lowe’s syndrome.

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<p>There is increasing evidence that prostate tumours are organized as a hierarchy with rare cancer stem cells (CSCs) implicated in initiating and maintaining the tumour. However, prospective prostate cancer stem cells (PCSCs) have not been thoroughly characterized from primary tissue specimens. Using the DU145 cell line, PCSCs have been propagated as non-adherent spheres <em>in vitro</em>. Approximately 1.25% of monolayer DU145 cells formed primary spheres while 26% of sphere cells formed subsequent spheres; a measure of PCSC self-renewal capacity. Spheres are enriched for cells expressing prostate basal and luminal cytokeratins and CSC markers (CD44, CD24, integrin alpha2beta1). PCSCs initiate xenograft tumours with enhanced capacity compared to monolayer cells. While epidermal growth factor (EGF) promoted PCSC propagation, basic fibroblast growth factor (bFGF) inhibited these events. Activation of EGF receptor (EGFR) signalling, following EGF treatment or expression of constitutively-active EGFR (EGFRvIII), increased sphere formation. Conversely, attenuation of EGFR signalling inhibited PCSC self-renewal. Consistent with the MEK-ERK pathway being a major target of EGFR signalling, the MEK-ERK pathway contributes to EGFR-facilitated PCSC propagation. Inhibition of ERK activation following MEK inhibitor treatment, expression of dominant-negative MEK1(K97M), or knockdown of ERK1 or ERK2 reduced PCSC propagation. Therefore, EGFR signalling promotes PCSC self-renewal by activating the MEK-ERK pathway.</p> <p>SOX2 is an essential transcription factor for stem cells, however, its role in PCSCs remains unclear. SOX2 protein is upregulated in PCSCs propagated as spheres, and its expression is regulated by EGFR signalling. EGFR activation, following EGF treatment or expression of constitutively-active EGFRvIII, increased SOX2 expression and PCSC self-renewal, while being attenuated by EGFR inhibitor treatment. Ectopic SOX2 expression enhanced EGF-induced PCSC self-renewal, while SOX2 knockdown renders PCSCs non-responsive to EGF-induced self-renewal and reduced their anchorage-independent growth. Furthermore, SOX2 expression is associated with the ability of PCSCs to form aggressive xenograft tumours. Collectively, SOX2 regulates EGFR-mediated PCSC self-renewal.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Colorectal cancer (CRC) is the third most widespread and fourth most fatal malignancy disease. The CRC from a primary site can spread to other tissues, forming secondary tumours. CRC can metastasise to the liver through the effect of K-Ras and Pten mutation (Mt.) (Abbas et al. 2020). This study aimed to assess the hypothesis that the Ran inhibitor mebendazole MBZ reduces cell invasion and metastasis of CRC. I have investigated MBZ effect on the CRC isogenic human cell lines with specific mutations (HCT-116 K-Ras, DLD-1 K-Ras and Pten deletion and wild type HCT-116 and DKO-3. I used qRT-PCR and western blotting to identify expression levels of various genes and signalling molecules after treatment with 0.5 mM MBZ. In addition, several assays were performed to investigate MBZ effect on biological properties of the cells such as proliferation, migration, invasion, and colony formation. MBZ downregulated Ran and induced apoptosis through inhibition of Bcl-2 expression as well as inducing caspase -3, -7, -9 and PARP cleavage. Moreover, MBZ showed an effect on immune response by down regulating C5a, IL-1ß and IL-1α analysed at mRNA level. When treated with MBZ, the migration, invasion and colony formation abilities of HCT-116 K-Ras Mt., DLD-1 K-Ras Mt. and HCT-116 Pten-/- were significantly reduced compared to a control treated cell line. This was also the case with wild type cell lines such as HCT-116 and DKO-3. Furthermore, signalling molecules such as p- Erk 1/2 and p- Akt were upregulated after MBZ treatment and exert inhibition on Akt 1/2/3 and VEGFR1/2 mRNA levels. In conclusion; MBZ which is a Ran inhibitor, has significantly reduced proliferation, colony formation, and migration in colorectal cell lines with K-Ras and Pten gene deletion compared to wild type cells in a dose-dependent manner. This work paves the way to clinical validation of MBZ as a combination therapy for reducing the invasion of CRC cells.

In der Entwicklung des peripheren Nervensystems formen Schwannzellen eine Myelinscheide um Axone mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm durch die Bildung multipler kompakter Membranschichten. Voraussetzung einer optimalen Nervenleitgeschwindigkeit ist dabei ein physiologisches Verhältnis der Dicke der Myelinscheide zu dem jeweiligen Axondurchmesser. Eine zentrale Rolle spielt dabei der axonale EGF-like growth factor NRG1 Typ III, der ErbB2/3- Rezeptoren der Schwannzelle bindet. Der PI3K-AKT-Signalweg ist ein bekannter intrazellulärer Effektor des ErbB2/3-Rezeptors und wurde bereits mit dem Prozess der Myelinisierung in Verbindung gebracht. Um die spezifische Funktion des PI3K-AKT-Signalwegs in Schwannzellen zu erforschen, generierten wir mit Hilfe des Cre/LoxP-Systems Mausmutanten, die eine zellspezifische Inaktivierung des Gens Phosphatase and Tensin Homolog (Pten) in myelinisierenden Gliazellen aufweisen (Pten-Mutanten). Der Verlust der Lipidphosphatase PTEN führte zu einer Anreicherung ihres Substrates, des second messenger Phosphatidyl-(3,4,5)-Trisphosphat (PIP3), und damit zu einer gesteigerten Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs in den Schwannzellen der Pten-Mutanten. Wir beobachteten in den Pten-Mutanten eine ektopische Myelinisierung von unmyelinisierten C- Faser-Axonen sowie eine Hypermyelinisierung von Axonen bis 2 μm Durchmesser. Bei Axonen über 2 μm Durchmesser kam es zu Myelinausfaltungen und fokalen Hypermyelinisierungen (Tomacula) anliegend an Regionen des unkompakten Myelins (Paranodien und Schmidt- Lantermann-Inzisuren). Weiterhin bildeten die mutanten Remak-Schwannzellen unkompakte Membranwicklungen um nicht-myelinisierte C-Faser-Axone und um Kollagenfaserbündel aus („Remak-Myelin“). Sowohl in den Regionen unkompakten Myelins als auch in Remak- Schwannzellen konnte eine erhöhte Aktivität des PI3K-AKT-Signalwegs nachgewiesen werden. Vermutlich setzt die Anreicherung von PIP3 mit Überaktivierung des PI3K-AKT-Signalwegs in den mutanten Gliazellen einen zellautonomen Prozess der Umwicklung von Axonen in Gang. Die zusätzliche Bildung von „Remak-Myelin“ um Kollagenfasern, die keine Membranoberfläche besitzen, weist darauf hin, dass dieser Prozess nicht von einer bidirektionalen axo-glialen Kommunikation abzuhängen scheint. Die beobachteten Tomacula und Myelinausfaltungen zeigten Ähnlichkeiten mit Mausmodellen für hereditäre Neuropathien des Menschen, wie HNPP und CMT4B. Wir vermuten, dass PTEN im unkompakten Myelin unkontrolliertes Membranwachstum verhindert und dass eine gestörte Balance von Phosphoinositiden einen Pathomechanismus von tomaculösen Neuropathien darstellt. Somit identifizieren wir den PI3K-AKT-Signalweg als ein mögliches Ziel zukünftiger Therapiekonzepte für hereditäre Neuropathien des Menschen.

G protein-coupled receptors (GPCRs) form the biggest family of membrane receptors and are involved in numerous physiological processes. Collectively, these receptors are also prominently targeted by the pharmaceutical industry due to their implications in multiple diseases and disorders. GPCR signaling is tightly regulated. Several kinases, activated downstream of the receptor, initiate negative feedback loops; and arrestins play a crucial role in these regulatory processes by desensitizing the ligand–activated receptor and promoting its endocytosis. By doing so, arrestins control the duration and the amplitude of signal transduction at the cell surface. In the last few years, several non-canonical roles have also been attributed to arrestins, such as the post-endocytic activation of several signalling pathways, or the regulation of crosstalks between GPCRs and various other signalling events. My thesis project was aimed at providing a better understanding of the non-canonical functions of arrestins. The first objective of my research work was to investigate a possible reciprocal effect of the activation of the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) on GPCR signaling. We demonstrated that stimulation of ERK1/2, either by a cell surface receptor or a constitutively active mutant, leads to a reduction in steady-state expression levels of many GPCRs at the cell surface. This receptor redistribution mechanism is dependent on beta-arrestins phosphorylation. In vitro kinase assays combined with complementation experiments in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) lacking beta-arrestins, revealed that beta-arrestin-2 phosphorylation on Ser14 and Thr276 is essential for the ERK1/2-promoted GPCR sequestration. This ERK1/2- and arrestins mediated regulatory process was found to result in a global dampening of cell responsiveness. The second objective of my research work was to identify and develop a small organic compound that inhibits the interaction between arrestins and the adaptor protein AP-2, without interfering with the recruitment of arrestin to the receptor. This inhibitor, named Barbadin, was found to specifically block endocytic processes that are dependent on the interaction between arrestins and the appendage domain of the b-subunit of AP-2. We demonstrated its value as an analytical tool in studying the role of the arrestins in GPCR signaling, such as cAMP production and ERK1/2 activation. These results support the concept that beta-arrestin/AP-2-dependent signaling is important to both G protein-dependent and -independent pathways. The third objective of my research work was to develop a BRET-based biosensor able to detect signal-dependent PTEN conformational changes. This biosensor was validated by monitoring PTEN activation induced by targeted mutations affecting key intramolecular interactions or by modulating signalling pathways that impact PTEN function. We also demonstrated the value of this biosensor in studying PTEN/protein interactions using two known interactors that activate PTEN, beta-arrestin-2 and RhoA. Finally, we uncovered PTEN activation by several GPCRs, previously unknown as PTEN regulators. Given the central role of the tumor suppressor PTEN in oncogenesis, this biosensor could also provide a precious tool for anti-cancer drug research. To conclude, my research work highlighted non-canonical mechanisms for arrestins to activate GPCR-dependent signaling pathways, such as cAMP, ERK1/2 and PTEN, as well as negatively regulate GPCR signaling upon phosphorylation by ERK1/2. This work was made possible by the development of new tools: a beta-arrestin inhibitor named Barbadin and a PTEN BRET-based biosensor that have both shown their usefulness in studying beta-arrestin noncanonical signaling. / Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) représentent la plus grande famille de récepteurs membranaires et sont impliqués dans un grand nombre de processus physiologiques. Cette famille de récepteurs constitue aussi une cible majeure dans la recherche pharmaceutique au vu de son importance dans de nombreuses pathologies. La signalisation des RCPG est étroitement régulée. Plusieurs kinases activées en aval du récepteur initient des boucles de régulation négative. Les arrestines jouent un rôle clé dans ces processus de régulation en favorisant la désensibilisation du récepteur activé par le ligand, suivie de son endocytose. Ainsi, les arrestines contrôlent la durée et l’amplitude de la transmission du signal à la surface de la cellule. Ces dernières années, plusieurs rôles non-canoniques ont été attribués aux arrestines comme l’activation de voies de signalisation post-endocytiques, ou la modulation de la régulation croisée entre les RCPG et d’autres acteurs de la signalisation cellulaire. Le premier objectif de mon travail de recherche est d’examiner l’effet réciproque de l’activation des kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2) sur la signalisation des RCPG. Nous avons démontré que la stimulation de ERK1/2, soit par un récepteur de surface soit par l’utilisation d’un mutant constitutivement actif, conduit à la baisse de l’expression de surface basale de nombreux RCPG. Des essais kinases in vitro, combinés à des expériences de complémentation dans des fibroblastes embryonnaires de souris (MEF), où les gènes beta-arrestine-1/2 ont été supprimés, démontrent l’importance de la phosphorylation par ERK1/2 des résidus Ser14 et Thr276 dans ce mécanisme de séquestration des RCPG. Cette régulation, contrôlée par ERK1/2 et arrestine, conduit à une baisse globale de la capacité de réponse de la cellule aux stimuli extracellulaires. Le deuxième objectif de mon travail de recherche est d’identifier et de développer une petite molécule organique qui inhibe l’interaction entre l’arrestine et la protéine adaptatrice du complexe d’endocytose AP-2, sans toutefois empêcher la formation du complexe arrestine/récepteur. Cet inhibiteur, nommé Barbadin, bloque sélectivement les processus d’internalisation dépendants de l’interaction entre arrestine- et la sous-unité beta2 de la protéine adaptatrice AP-2. Barbadin représente le premier inhibiteur des fonctions d’arrestine, et nous avons démontré son utilité comme outil analytique pour déterminer la contribution des arrestines dans l’activation de plusieurs voies de signalisation en aval des RCPG, telles que la production d’AMP cyclique (AMPc) ou l’activation des kinases ERK1/2. Nos résultats démontrent l’importance du complexe arrestine/AP-2 dans la signalisation dépendante et indépendante des protéines G. Le troisième objectif de mon travail de recherche est de développer un biosenseur BRET capable de mesurer les changements de conformation du suppresseur de tumeur PTEN. Nous avons validé ce biosenseur en mesurant l’activation de PTEN suite à des mutations ciblées déstabilisant les interactions intramoléculaires au sein de cette protéine ou en modulant différentes voies de signalisation qui affectent sa fonction. Nous avons démontré l’intérêt de ce nouvel outil dans l’étude des interactions entre PTEN et des partenaires protéiques, en utilisant deux interacteurs connus pour activer PTEN : b-arrestine-2 et RhoA. Finalement, en utilisant ce biosenseur, nous avons démontré pour la première fois la capacité de plusieurs RCPG à induire l’activation de PTEN. Étant donné le rôle central de PTEN dans le développement tumoral, ce biosenseur constitue aussi un outil précieux pour la recherche de nouveaux médicaments anticancer. Ainsi, au travers de ces trois lignes directrices, nous avons pu mettre en lumière de nouveaux rôles non-canoniques des arrestines, soit dans l’activation de voies de signalisation, (comme la production d’AMPc, l’activation de ERK1/2 ou de PTEN), soit comme régulateur négatif de la signalisation des RCPG après phosphorylation par ERK1/2. Ce travail a été rendu possible par le développement de nouveaux outils pour l’étude des RCPG : un inhibiteur de beta-arrestine, Barbadin, et un biosenseur BRET de PTEN ; tous deux ayant démontré leur utilité dans l’étude des voies de signalisation non-canoniques des arrestines.