The tristetraprolin family consists of mRNA destabilizing genes that bind to target mRNA and degrade them. In this context, TIS11 gene family is of primary interest in the spontaneous fetal loss seen in pigs. I hypothesized that the tristetraprolin family regulates these genes in this model. Higher levels of the TIS11 family transcripts in endometrium and trophoblast samples from healthy conceptuses at gd20 were found than in tissues from arresting conceptus attachment sites and significantly higher levels of TIS11 family transcripts were expressed in trophoblast samples associated with arresting conceptuses at gd50 compared to healthy endometrium and trophoblast. TIS11 proteins were expressed and localized at both maternal and fetal sides of maternal-fetal interface. These results provide a basis for understanding some aspects of gene regulation by mRNA destabilizing factors such as tristetraprolin at the maternal-fetal interface and how these factors may play a role in porcine pregnancy and fetal loss. / Department of Biomedical Sciences, NSERC, Ontario Pork, Bioniche Life Sciences Inc.

En 2002, notre équipe a montré que la stimulation de cellules primaires cortico-surrénaliennes bovines en culture primaire par l'hormone hypophysaire ACTH induisait l'expression du VEGF de manière indépendante de sa transcription. En effet, en réponse à l'ACTH, l'expression du VEGF est régulée au niveau post-transcriptionnel par la stabilisation/déstabilisation de son transcrit via des séquences riches en AU (ARE) situées dans la région 3‘ non traduite (3'UTR) de son ARNm. Le laboratoire a mis en évidence une protéine, TIS11b, exprimée également en réponse à une stimulation des cellules par l'ACTH, mais de manière concomitante avec la phase de déstabilisation de l'ARNm du VEGF. TIS11b appartient à une famille de protéines déstabilisatrices des ARNm via les séquences ARE. L'interaction de TIS11b avec l'ARNm du VEGF a été confirmée par la suite, et le site de liaison de la protéine à l'ARNm a également été identifié.<br /><br />Dans ce contexte, le premier objectif de ma thèse était d'évaluer la possibilité d'utiliser les propriétés déstabilisatrices de TIS11b sur l'ARNm du VEGF pour une thérapie anti-angiogène et anti-tumorale. Pour cela, la protéine a été vectorisée par la fusion de petits peptides ou PTD (protein transduction domain, Tat issu du VIH ou les polyarginines R7 et R9) lui permettant de traverser les membranes et d'atteindre sa cible intracellulaire, l'ARNm du VEGF. Nous avons pu montrer dans cette étude que 100 nM de protéines de fusion Flag-Tat-, Flag-R7- et Flag-R9-TIS11b sont capables d'induire une diminution du taux d'ARNm du VEGF ainsi que de la production de la protéine VEGF, dans des cellules en culture après 24 h d'incubation. De plus, nous avons pu montrer que l'injection de 100 nM de la protéine de fusion Flag-R9-TIS11b dans la glande corticosurrénalienne de souris, induisait une diminution d'environ 50 % de l'expression du VEGF par cette glande et que cette diminution était maintenue à 48 h. Des résultats préliminaires encourageants d'inhibition de croissance tumorale ont été obtenus avec l'injection de cette protéine de fusion dans des tumeurs pré-établies chez la souris nude, et doivent être confirmés.<br /><br />L'ACTH étant une hormone qui active la voie de l'AMPc et de la protéine kinase A (PKA), le deuxième objectif de ma thèse était de caractériser la phosphorylation de TIS11b par la PKA en réponse à une stimulation par l'ACTH et d'étudier les conséquences de cette phosphorylation sur son activité déstabilisatrice des ARNm. Nous avons pu montrer pour la première fois, que la PKA phosphoryle la protéine TIS11b, in vitro, au niveau de la sérine 54. Un deuxième site de phosphorylation en réponse à une stimulation par l'ACTH, via probablement une autre kinase que la PKA, a été mis en évidence au niveau de la sérine 334. Il semblerait que la protéine TIS11b comporte un domaine d'activation et un domaine d'inhibition susceptibles d'être régulés en réponse à une stimulation par l'ACTH. L'attribution de ces domaines aux sérines 54 et 334 nécessite des expériences complémentaires.

La formation de nouveaux vaisseaux sanguins ou angiogenèse soutient la croissance tumorale en fournissant l'oxygène et les nutriments qui lui sont nécessaires. Le rôle clé du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire VEGF dans ce processus a suscité le développement de stratégies anti-angiogéniques pour le traitement du cancer. Cependant, des travaux précliniques et des données cliniques suggèrent l'émergence de résistances aux anti-angiogéniques, en raison notamment de la redondance des facteurs de croissance pro-angiogéniques. Il est donc nécessaire de développer des stratégies alternatives plus efficaces. En 2010, notre laboratoire a apporté la preuve de concept d'une thérapie anti-tumorale et anti-angiogénique innovante basée la dégradation des ARNm à demi-vie courte par la protéine à doigts de zinc TIS11b. Néanmoins, l'instabilité de la protéine thérapeutique a entravé la caractérisation plus détaillée de cette stratégie. Dans ce contexte, l'objectif majeur de ma thèse était l'optimisation de la stabilité et de l'activité de TIS11b et l'évaluation de son efficacité thérapeutique. Pour cela, nous avons généré une nouvelle protéine TIS11b génétiquement modifiée sur la base d'études biochimiques et moléculaires. Notamment, nous avons observé que la phosphorylation de la sérine 334 située dans le domaine C-terminal de TIS11b augmente de façon très significative la stabilité de la protéine et potentialise son activité déstabilisatrice de l'ARNm du VEGF. De plus, la délétion du domaine N-terminal augmente également la stabilité de TIS11b sans altérer son activité. Nous avons alors généré deux nouvelles protéines thérapeutiques, la protéine ZnC et la protéine ZnC334D pour laquelle la troncation du domaine N-terminal et la substitution de la sérine S334 par un aspartate mimant une phosphorylation ont été combinées. Les nouvelles protéines ont été fusionnées à une étiquette polyarginine R9 leur permettant de traverser les membranes cellulaires (R9-ZnC et R9-ZnCS334D). Nous avons montré que R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de VEGF in vitro dans la lignée de cancer du sein murin 4T1. De plus, R9-ZnCS334D exerce une activité anti-proliférative, anti-migratoire et anti-invasive dans ces cellules. In vivo, l'injection intra-tumorale de R9-ZnCS334D dans des tumeurs 4T1 préétablies inhibe significativement l'expression du VEGF, la croissance et la vascularisation tumorales. De façon remarquable, l'analyse des extraits tumoraux indique que le traitement diminue l'expression de chimiokines clés dans les processus d'angiogenèse, d'inflammation et d'invasion (Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1, Pentraxin…). Enfin, R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse, un processus impliqué dans la dissémination métastatique. L'ensemble de ces travaux indique que R9-ZnC et R9-ZnCS334D sont des molécules anti-tumorales multi-cibles, qui inhibent plusieurs étapes clés de la progression tumorale. Cette étude confirme que le ciblage de la stabilité des ARNm est une stratégie prometteuse et novatrice pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses. / One of the innovative aspects of anti-cancer therapies is the possibility of preventing tumor growth by blocking blood supply. Cancer cells induce the formation of their own blood vessels from pre-existing vasculature, a process called angiogenesis. One of the most important proangiogenic factors is vascular endothelial growth factor (VEGF). The success of bevacizumab (a humanized anti-VEGF monoclonal antibody) combined to chemotherapy for the treatment of human metastatic cancers has validated VEGF as an efficient target. However, despite the initial enthusiasm, resistance to these anti-angiogenic treatments resulting from compensatory mechanisms occurs upon time. For this reason, there is a real need for new anti-angiogenic drugs that will target the angiogenic process through distinct mechanisms. In 2010, our laboratory has successfully developed an anti-angiogenic and anti-tumoral therapy based on destabilization of short-lived mRNAs by the zinc finger protein TIS11b. However, the therapeutic protein was highly unstable, thus making it difficult to further characterize the experimental therapy. In this context, the main task of my thesis was the optimization of TIS11b stability and activity followed by the evaluation of the multi-target action of our novel protein on tumor development. In a first part of this work, biochemical and molecular approaches allowed us to demonstrate that phosphorylation of the C-terminal serine S334 in TIS11b protein markedly increases its stability. In addition, deletion of the N-terminal domain of TIS11b highly increases its protein stability without affecting its activity. Therefore, we integrated N-terminal truncation (ZnC) and C-terminal substitution of S334 by an aspartate to mimic a permanent phosphorylation at S334 (ZnCS334D) as a novel TIS11b engineering strategy. Both proteins were fused subsequently to a cell-penetrating peptide polyarginine (R9). In vitro studies revealed that R9-ZnC and R9-ZnCS334D inhibit VEGF expression in the murine breast cancer cells 4T1. In addition, R9-ZnCS334D impaired proliferation, migration, invasion and anchorage-independent growth of 4T1 cells. In vivo, intra-tumoral injection of either protein significantly reduced VEGF expression and tumor vascularization. Strikingly, antibody array analyses of tumor extracts demonstrated a reduced expression of several chemokines such as Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1 and Pentraxin upon R9-ZnC or R9-ZnCS334D treatment. These factors, which are produced by several cell types within tumor tissue, are key drivers of tumor angiogenesis, tumor-promoting inflammation and invasion. Furthermore, the expression of markers of the epithelial-to-mesenchymal transition was also significantly reduced, suggesting an anti-metastatic effect of R9-ZnC and R9-ZnCS334D. Thus, we provide R9-ZnC and R9-ZnCS334D as potential novel multi-target agents which inhibit key hallmarks of cancer progression. This work supports the emerging link between mRNA stability and cancer and proposes novel concepts for the development of innovative anti-cancer therapies.