Pulmonary endothelial cell (EC) barrier dysfunction and recovery is critical to the pathophysiology of acute respiratory distress syndrome. Cytoskeletal and subsequent cell membrane dynamics play a key mechanistic role in determination of EC barrier integrity. Here, we characterizAQe the actin related protein 2/3 (Arp 2/3) complex, a regulator of peripheral branched actin polymerization, in human pulmonary EC barrier function through studies of transendothelial electrical resistance (TER), intercellular gap formation, peripheral cytoskeletal structures and lamellipodia. Compared to control, Arp 2/3 inhibition with the small molecule inhibitor CK-666 results in a reduction of baseline barrier function (1,241 +/- 53 vs 988 +/- 64 ohm; p < 0.01), S1P-induced barrier enhancement and delayed recovery of barrier function after thrombin (143 +/- 14 vs 93 +/- 6 min; p < 0.01). Functional changes of Arp 2/3 inhibition on barrier integrity are associated temporally with increased intercellular gap area at baseline (0.456 +/- 0.02 vs 0.299 +/- 0.02; p < 0.05) and thirty minutes after thrombin (0.885 +/- 0.03 vs 0.754 +/- 0.03; p < 0.05). Immunofluorescent microscopy reveals reduced lamellipodia formation after S1P and during thrombin recovery in Arp 2/3 inhibited cells. Individual lamellipodia demonstrate reduced depth following Arp 2/3 inhibition vs vehicle at baseline (1.83 +/- 0.41 vs 2.55 +/- 0.46 mm; p < 0.05) and thirty minutes after S1P treatment (1.53 +/- 0.37 vs 2.09 +/- 0.36 mm; p < 0.05). These results establish a critical role for Arp 2/3 activity in determination of pulmonary endothelial barrier function and recovery through formation of EC lamellipodia and closure of intercellular gaps.

Increased exposure to ambient particulate matter (PM) is associated with elevated morbidity and mortality in patients with cardiopulmonary diseases and cancer. We and others have shown that PM induces lung microvascular barrier dysfunction which potentially enhances the systemic toxicity of PM. However, the mechanisms by which PM disrupts vascular endothelial integrity remain incompletely explored. We hypothesize that PM induces endothelial cell (EC) cytoskeleton rearrangement via Rho GTPase-dependent pathways to facilitate vascular hyperpermeability. Fine PM induced time-dependent activation of cytoskeletal machinery with increases in myosin light chain (MLC) phosphorylation and EC barrier disruption measured by transendothelial electrical resistance (TER), events attenuated by the Rho-dependent kinase (ROCK) inhibitor Y-27632 or the reactive oxygen species (ROS) scavenger, N-acetylcysteine (NAC). Both Y-27632 and NAC prevented PM-induced stress fiber formation and phospho-MLC accumulation in human lung ECs. PM promotes rapid accumulation of Rho-GTP. This event is attenuated by NAC or knockdown of RhoA (siRNA). Consistent with ROCK activation, PM induced phosphorylation of myosin light chain phosphatase (MYPT) at Thr850, a post-translational modification known to inhibit phosphatase activity. Furthermore, PM activates the guanine nucleotide exchange factor (GEF) for Rho, p115, with p115 translocation to the cell periphery, in a ROS-dependent manner. Together these results demonstrate that fine PM induces EC cytoskeleton rearrangement via Rho-dependent pathways that are dependent upon the generation of oxidative stress. As the disruption of vascular integrity further contributes to cardiopulmonary physiologic derangements, these findings provide pharmacologic targets for prevention of PM-induced cardiopulmonary toxicity.

Les jonctions adhérentes (JA) sont nécessaires à l’élaboration d’une barrière vasculaire sélective dans laquelle la VE-cadhérine joue un rôle crucial. En effet, la VE-cadhérine est une molécule d’adhérence entrant dans la constitution des JA et présente spécifiquement au sein de l’endothélium. Lorsque la VE-cadhérine est exprimée à la surface des cellules endothéliales, l’intégrité de la barrière est préservée. En revanche, des modifications de la VE-cadhérine, comme par exemple sa phosphorylation, provoquent son internalisation, la dissociation des complexes adhésifs ou la désorganisation générale des jonctions endothéliales, défavorisant ainsi la sélectivité de la barrière. De manière générale, une perméabilité vasculaire élevée peut être observée au cours de l’activation de l’endothélium, telle que l’angiogenèse ou la réponse inflammatoire, en conditions physiologiques comme pathologiques. Par exemple, la phosphorylation de la VE-cadhérine provoquée par le facteur VEGF (vascular growth endothelial facteur) entraîne l’augmentation de la perméabilité vasculaire. En outre, une molécule pro-inflammatoire telle que l’interleukine-8 (IL-8) peut également provoquer la phosphorylation de la VE-cadhérine, aboutissant ainsi à l’augmentation de la perméabilité vasculaire. Tandis que les voies de signalisation régissant les effets pro-angiogéniques ou pro-inflammatoires du VEGF et de l’IL-8, respectivement, sont bien caractérisées, les mécanismes moléculaires sous-tendant spécifiquement l’augmentation de perméabilité endothéliale sont moins bien connus. Au cours de mon doctorat, je me suis donc attachée à examiner les interactions moléculaires entre la VE-cadhérine phosphorylée et la molécule d’échafaudage β-arrestine1, dans les cellules endothéliales humaines exposées au VEGF. J’ai également exploré la distribution de la VE-cadhérine dans les cellules endothéliales cérébrales dans un contexte tumoral, récapitulé par le sécrétome de cellules gliomateuses (GB). Mon travail a permis d’identifier la partie C-terminale (C-tail) de la β-arrestine1 qui comporte 43 acides aminés, comme une région interagissant directement avec la VE-cadhérine lorsqu’elle est phosphorylée sur le résidu S665. Cette liaison pourrait conduire alors à l’internalisation de la VE-cadhérine, lors de la stimulation par le VEGF. En outre, nous avons démontré le rôle inattendu du domaine C-tail de la β-arrestine1 dans la régulation négative de l’activité du promoteur de la VE-cadhérine. Ceci se traduit par une réduction des niveaux d’expression de la VE-cadhérine, contribuant ainsi à l’affaiblissement de la barrière endothéliale en réponse au VEGF. En outre, nous avons voulu évaluer l’effet des différents facteurs secrétés par le GB sur la perméabilité vasculaire. L’étude du sécrétome du GB a révélé une production abondante et majoritaire d’IL-8, qui provoque l’internalisation de la VE-cadhérine et la désorganisation des jonctions endothéliales. En plus de son action sur la perméabilité, l’IL-8 favorise la tubulogenèse des cellules endothéliales cérébrales. En conclusion, nous avons mis en évidence un rôle nouveau de la β-arrestine1 dans la régulation de la VE-cadhérine dans les cellules endothéliales humaines. Nous avons également démontré que la sécrétion d’IL-8 par le GB entraîne le remodelage des jonctions de la VE-cadhérine et conduit à une perte de la fonction de barrière des cellules endothéliales cérébrales. L’ensemble de nos résultats a donc permis d’améliorer nos connaissances des mécanismes moléculaires modulant la perméabilité endothéliale. / VE-cadherin is a major adhesion molecule composing endothelial adherens junctions (AJ), which ensure selectivity of the endothelial barrier. Stabilization of the VE-cadherin complex at the surface of endothelial cells plays a pivotal role in the maintenance of vascular homeostasis. Conversely, the disorganization or internalisation of VE-cadherin is a frequent consequence of VE-cadherin modifications (e.g phosphorylation), which promotes in turn vascular permeability. In general, vascular leakage can be observed in both physiological and pathological conditions. Indeed, VE-cadherin phosphorylation caused by pro-angiogenic and pro-permeability factors, among which vascular endothelial growth factor (VEGF) is the prototype, occurs during physiological angiogenesis, as well as tumour-associated angiogenesis. Besides, pro-inflammatory molecules, such as interleukin-8 (IL-8) can also participate in the phosphorylation of VE-cadherin and thereby promote vascular permeability. To best characterise VE-cadherin-mediated increase in vascular permeability under physiological VEGF challenge, we notably investigated the molecular interactions between serine (S665) phosphorylated VE-cadherin and the scaffolding molecule β-arrestin. We also studied the distribution of VE-cadherin in brain endothelial cells under pathological conditions, as provided by the secretome of glioblastoma (GB) brain tumour cells. My work allows the identification of a 43 amino-acid sequence within the C-terminus tail of β-arrestin1 (C-tail) that can directly bind to (S665) phosphorylated VE-cadherin and further triggers its internalisation upon VEGF stimulation. Moreover, we demonstrated the unexpected role of β-arrestin1 C-tail in the down-regulation of the VE-cadherin promoter activity, which results in reduction of VE-cadherin RNA and protein levels, thus contributing to the endothelial barrier properties. Furthermore, in order to evaluate the effects of tumour-secreted factors on the hyper-permeability associated with the tumour microenvironment, we explored the composition and function of the GB secretome on brain endothelial cells. We found that abundant secretion of IL-8 by GB cells causes VE-cadherin-mediated endothelial junction disorganization. Moreover, IL-8 promotes both brain endothelial cell permeability and tubulogenesis. In conclusion, we established a new role for β-arrestin1 in the control of VE-cadherin-based junctions in human endothelial cells. Likewise, we demonstrated that tumour cell-released IL-8 chemokine provokes VE-cadherin-dependent junction remodelling and thereby increases the permeability of human brain endothelial cells. Our results reinforce the central role of VE-cadherin in the modulation of the vascular barrier function in physiological and pathological conditions.