The advancement of cancer treatment depends on understanding the biological processes that contribute to disease progression. The spread of tumor cells from the primary site to distant organs is the biggest obstacle to efficacious treatment. The insulin receptor substrate (IRS) proteins IRS1 and IRS2 are cytoplasmic adaptor proteins that organize signaling events downstream of the Insulin receptor (IR) and the Insulin-like growth factor receptor 1 (IGF1R). Both of these receptors have been implicated in cancer progression. The IRS proteins share a significant level of homology and are both capable of recruiting and activating phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K). Despite these similarities, signaling through IRS1 and IRS2 leads to distinct tumor cell outcomes in vitro and in vivo. In vitro, IRS1 regulates cell proliferation and growth and IRS2 regulates metabolism, survival and invasion. In vivo, Irs2 is a positive regulator of tumor metastasis, whereas Irs1 does not promote metastasis. The major objective of this thesis work was to further the understanding of the mechanism by which IRS2 signaling regulates tumor progression. To investigate how IRS-1 and IRS-2 regulate distinct tumor cell outcomes, I examined the involvement of the microtubule cytoskeleton in IRS-dependent signaling. I determined that IRS2-mediated AKT activation is dependent upon an intact microtubule cytoskeleton, whereas IRS1-mediated AKT signaling occurs independently of microtubules. As a result, drugs that disrupt microtubules promote apoptosis in cells that signal through IRS2, but cells that signal through IRS1 are resistant to the effects of microtubule disruption. However, AKT inhibition sensitizes IRS1-dependent cells to apoptotic cell death upon microtubule disruption. From a clinical perspective, my studies identify IRS2 as a potential biomarker for the response of breast cancer patients to anti-microtubule drug therapy. To investigate further the mechanism of IRS2 contributions to tumor progression, I employed a mutagenesis approach to identify structural requirements of IRS2 for its function. I established that the ability of IRS2 to activate PI3K is necessary for its regulation of both invasion and tumor initiating cell (TIC) self-renewal. I also identified two independent regions within the IRS2 C-terminus that are required for invasion and self-renewal, respectively. Characterization of the invasion-promoting region identified BMP2-induced protein kinase (BMP2K) as an interacting protein. Suppression of BMP2K expression in mammary tumor cells disrupts IRS2-mediated tumor cell invasion. Taken together, my work advances the understanding of how IRS2 contributes to breast cancer progression and provides a molecular understanding for the development of novel approaches for the treatment of breast cancer and other malignancies that rely upon IRS2.

Strategies aimed at expanding functional beta cell mass remain a prime goal of diabetes research. Both the insulin signaling pathway, as well as the G1/S transition of the cell cycle are critically important for the maintenance of beta cell mass. We previously demonstrated in a mouse model of diabetes, insulin receptor substrate 2 (Irs2) deficient mice, that beta cell failure was attributed to reduced islet expression of Cyclin D2, and that overexpressing Cyclin D2 rescued proliferation in Irs2 deficient beta cells in vitro. Since Cyclin D2 partners with CDK4 to drive cell cycle progression, we hypothesized that an activated form of CDK4, Cdk4-R24C (resistant to inhibition by the INK4A cell cycle inhibitor p16), would rescue the in vivo proliferation defect in Irs2 deficient mice. Interestingly, Irs2 knockout mice with the active Cdk4 R24C allele, displayed rescued blood glucose, and normalized glucose tolerance, without affecting peripheral insulin resistance. I found that both and beta cell mass and proliferation were rescued in vivo, contributing to the rescue of glucose tolerance. Interestingly, the dedifferentiated phenotype of Irs2 knockout islets (ALDH1A3+ cells, nuclear FOXO1 and suppressed PDX1) was completely restored with the active Cdk4 allele, suggesting that CDK4 may play a role in promoting beta cell differentiation. Utilizing various in vitro models where FOXO1 represses Pdx1, overexpression of CDK4/CyclinD2 was consistently able to rescue the FOXO1-mediated repression of Pdx1, without significant impacts on FOXO1 subcellular localization. These results suggested that FOXO1 regulation in the beta cell is more complex than previously described, and also suggested that CDK4/Cyclin D2 may be instead modulating the acetylation status of FOXO1, impacting its transcriptional activity. To this end, inhibiting histone acetylate transferases (HATs) partially rescued FOXO1-mediated Pdx1 suppression, while inhibiting histone deacetylase enzymes (HDACs) showed the reverse effect of trending towards blocking the Cyclin D2/CDK4-mediated rescue of Pdx1. Finally, I found that CDK4/Cyclin D2 increases phosphorylation of sirtuin 1 (SIRT1), an HDAC that modulates the acetylation status, and transcriptional activity of FOXO1, and that CDK4/Cyclin D2 promotes FOXO1 degradation. In sum, we conclude that activated CDK4 rescues beta cell failure due to IRS2 deficiency through multiple mechanisms related to not only cell cycle regulation but also to beta cell differentiation status, primarily through modulation of FOXO1 transcriptional activity.

[ES] La resistencia a la insulina se define como un aumento en la cantidad de insulina necesaria para conseguir la homeostasis de glucosa. Una de las complicaciones más comunes de la resistencia a la insulina es el defecto en la reparación de herida. El sustrato 2 del receptor de la insulina (IRS2) es un mediador clave para la señalización de insulina en hígado que actúa de puente entre los receptores de la insulina y del factor de crecimiento insulínico (IGF-1) y sus cascadas de señalización. Tanto la resistencia a la insulina como cambios en los niveles de expresión de IRS2 han sido asociados con el desarrollo y la progresión de enfermedades hepáticas graves. El daño hepático crónico generado por algunos factores derivados de la resistencia a la insulina ha sido establecido como determinante en la patofisiología de las enfermedades hepáticas. Sin embargo, sigue siendo una incógnita cómo el daño hepático generado por la resistencia a la insulina escapa de la extraordinaria capacidad de regeneración del hígado. Durante el daño hepático crónico, la reparación epitelial está mediada por las células progenitoras hepáticas (CPH) que se expanden y diferencian hasta hepatocitos o células biliares rodeadas de un nicho estromal formado por un conjunto de células estrelladas hepáticas (CEH), células inflamatorias, componentes de la matriz extracelular (ECM) y factores de crecimiento. El factor de crecimiento de fibroblastos 7 (FGF7), expresado por las CEH, resulta crítico para la respuesta de las CPH y para la regeneración hepática. Durante el daño hepático crónico las CEH se activan transdiferenciandose desde células quiescentes a células fibrogénicas (CEHa) denominadas miofibroblastos que depositan ECM para reemplazar el tejido dañado. Para alcanzar una correcta regeneración hepática se requiere la resolución de la activación ("reversión fibrogénica") de las CEH. Empleando el modelo de ratón Irs2-/- durante el daño hepático crónico con la dieta DDC 0.1% y los modelos in vitro humanos de CPH (HepaRG) y de CEH (CEH primarias y la línea celular LX-2), los resultados de este trabajo demuestran que la señalización de insulina-IRS2 es necesaria para la epitelización dirigida por la comunicación paracrina a través de FGF7 en el nicho de CPH. Por un lado, IRS2 es necesario en la población de CEH para permitir su supervivencia durante la reversión fibrogénica, un proceso que según nuestros resultados induce un aumento en la expresión de FGF7. Nuestros datos descubren un potencial mecanismo de regulación mediante el que IRS2 induce la expresión de FGF7 en CEH a través de la remodelación en la ECM mediada por NRF2 y el integrante de la ECM SERPINE1 durante las etapas tempranas de la reversión fibrogénica. El eje NRF2-SERPINE1 ha sido descrito anteriormente en fibroblastos de piel como esencial para la reepitelización de herida. NRF2 es el principal factor de transcripción de respuesta frente al estrés oxidativo (ruta canónica). En hepatocitos, la activación de NRF2 también puede inducirse a través de una ruta no canónica mediada por la proteína cargo de la autofagia P62. A pesar de que nuestros datos descubren a P62 como capaz de inducir la actividad de NRF2 en CPH, también demuestran que IRS2 activa a NRF2 en CPH y en CEH de manera independiente a la ruta no canónica mediada por P62. Por otro lado, demostramos que la señalización de insulina-IRS2, por promover la producción de FGF7, permite un novedoso bucle de inducción positiva mediante el que la respuesta a FGF7 en CPH promueve la expresión de su receptor, FGFR2b, favoreciendo su propia sensibilidad y sosteniendo la reparación epitelial. Futuras estrategias para potenciar en hígado la actividad de NRF2 y la señalización de FGF7 podrían servir para mejorar el pronóstico de los pacientes con resistencia a la insulina, diabetes o enfermedad metabólica por promover la reparación epitelial en hígado y reducir su riesgo de desarrollar patologías hepáticas graves con elevada tasa de mortalidad. / [CAT] La resistència a la insulina es defineix com un augment en la quantitat d'insulina necessària per a aconseguir l'homeòstasi de glucosa. Una de les complicacions més freqüents de la resistència a la insulina és el defecte en la reparació de ferida. El substrat 2 del receptor de la insulina (IRS2) és un mediador clau per a la senyalització d'insulina en fetge que actua de pont entre els receptors de la insulina i del factor de creixement insulínic (IGF-1) i les seues cascades de senyalització. Tant la resistència a la insulina com els canvis en els nivells d'expressió d'IRS2 han sigut associats amb el desenvolupament i la progressió de malalties hepàtiques greus. El mal hepàtic crònic generat per alguns factors derivats de la resistència a la insulina s'ha establert com a determinant en la patofisiologia de les malalties hepàtiques. No obstant això, els motius pels quals el mal hepàtic generat per la resistència a la insulina escapa a l'extraordinària capacitat de regeneració del fetge són encara una incògnita. Durant el mal crònic, la reparació epitelial està mediada per les cèl·lules progenitores hepàtiques (CPH) que s'expandeixen i diferencien fins a hepatòcits o cèl·lules biliars envoltades d'un nínxol estromal format per un conjunt de cèl·lules estavellades hepàtiques (CEH), cèl·lules inflamatòries, components de la matriu extracelul·lar (ECM) i factors de creixement. El factor de creixement de fibroblasts 7 (FGF7), expressat en fetge per les CEH, resulta crític per a la resposta de les CPH i per a la regeneració hepàtica. Durant el mal hepàtic crònic les CEH s'activen transdiferenciant-se des de cèl·lules quiescents a cèl·lules fibrogèniques denominades miofibroblasts (CEH activades) que depositen ECM per a reemplaçar el teixit danyat. Per a aconseguir una correcta regeneració hepàtica es requereix la resolució de l'activació ("reversió fibrogènica") de les CEH. A partir de l'ús del model de ratolí Irs2-/- durant el mal hepàtic crònic amb la dieta DDC 0.1% i dels models in vitro humans de CPH (HepaRG) i de CEH (CEH primàries i la línia cel·lular LX-2), els resultats d'aquest treball demostren que la senyalització d'insulina-IRS2 és necessària per a l'epitelització dirigida per la comunicació paracrina mitjançant FGF7 en el nínxol de CPH. D'una banda, IRS2 és necessari en la població de CEH per a permetre la seua supervivència durant la reversió fibrogènica, que comporta un augment en l'expressió de FGF7. Les nostres dades descobreixen un potencial mecanisme de regulació mitjançant el qual IRS2 indueix l'expressió de FGF7 en CEH a través de la remodelació en la ECM mediada per NRF2 i per l'integrant de la ECM SERPINE1, que ocorre en les etapes primerenques de la reversió fibrogènica. L'eix NRF2-SERPINE1 ha sigut identificat anteriorment en fibroblasts de pell com a essencial per a la reparació de ferida. NRF2 és el principal factor de transcripció de resposta davant de l'estrés oxidatiu (ruta canònica). En hepatòcits, l'activació de NRF2 també pot induir-se a través d'una ruta no canònica mediada per la proteïna de càrrega de l'autofàgia P62. A pesar que les nostres dades indiquen que P62 és capaç d'induir l'activitat de NRF2 en CPH, també demostren que IRS2 activa NRF2 en CPH i CEH de manera independent a la ruta no canònica mediada per P62. D'altra banda, demostrem que la senyalització d'insulina-IRS2, per promoure la producció de FGF7, permet un nou bucle d'inducció positiva mitjançant el qual la resposta a FGF7 en CPH promou l'expressió del seu receptor, FGFR2b, afavorint la seua pròpia sensibilitat i sostenint la reparació epitelial. Futures estratègies per a potenciar en fetge l'activitat de NRF2 i la senyalització de FGF7 podrien servir per a millorar el pronòstic dels pacients amb resistència a la insulina, diabetis o malaltia metabòlica, per promoure la reparació epitelial en fetge i reduir, per tant, el seu risc de desenvolupar patologies hepàtiques greus amb elevada taxa de mortalitat. / [EN] Insulin resistance is defined as an increase in the amount of insulin that is necessary to achieve glucose homeostasis. One of the most prevalent complications of insulin resistance is the wound healing defect. Insulin receptor factor 2 (IRS2) is a key mediator of the insulin signaling in liver, which acts as a bridge between insulin and insulin growth factor 1 (IGF-1) receptors and its downstream molecular pathways. Both, insulin resistance and changes in the expression levels of IRS2, have been associated with the development and progression of severe liver diseases. Chronic liver injury produced by insulin resistance has been stablished as crucial in the pathophysiology of liver disease. However, it remains unknown how the chronic liver injury produced by insulin resistance escapes from the extraordinary ability of the liver to regenerate. During chronic liver injury, epithelial repair is mediated by liver progenitor cells (LPC), that expand and differentiate into hepatocytes and cholangiocytes surrounded by a stromal niche that consist of hepatic stellate cells (HSC), inflammatory cells, extracellular matrix (ECM) components and growth factors. Fibroblast growth factor 7 (FGF7), expressed by HSC, is critic for LPC response and liver regeneration. During chronic liver injury, HSC transdifferentiate from quiescent to active fibrogenic HSC (aHSC) called myofibroblast. aHSC deposit ECM to replace damaged tissue. A successful regeneration requires the resolution of the HSC activation, i.e., the "fibrogenic reversion" of HSC. Using the Irs2-/- mice model during chronic liver damage induced by 0.1% DDC diet and the human in vitro models of LPC (HepaRG) and HSC (primary HSC and the cell line LX-2), our results reveal a new role of insulin-IRS2 in the modulation of the paracrine FGF7 crosstalk in the LPC niche that drives LPC epithelization. On the one hand, IRS2 is necessary in HSC to allow survival during fibrogenic reversion, a process that according to our data induces an increase in FGF7 expression. Our results reveal a potential mechanism by which IRS2 promotes FGF7 expression in HSC through an ECM remodeling process that is mediated by NRF2 and the ECM constituent SERPINE1 during the early stages of fibrogenic reversion. NRF2-SERPINE1-mediated ECM remodeling has been previously identified in skin fibroblast as essential to promote re-epithelialization of wounds. NRF2 is a transcription factor that is activated in response to oxidative stress (canonical pathway). NRF2 activation in hepatocytes can be also induced by a non-canonical pathway mediated by the autophagy cargo protein P62. Although our data discovers a new ability of P62 to induce NRF2 activity in LPC, we also demonstrate that IRS2 activates NRF2 in LPC and HSC in a P62-independent manner. On the other hand, we demonstrate that insulin-IRS2 signaling, by promoting FGF7 production, enables a novel positive induction loop whereby FGF7 response in LPC promotes the expression of its receptor, FGFR2b, favoring its own sensitivity and sustaining epithelial repair. Future strategies to enhance NRF2 activity or FGF7 signaling in liver might be useful to improve the prognosis of insulin resistance, diabetic, and metabolic disease patients because of its uncovered ability to promote epithelial repair, thus, preventing the development of severe liver pathologies with high mortality risk. / Arámbul Anthony, MJ. (2022). Papel de IRS2 en la regulación de la comunicación a través de FGFs en el nicho de células progenitoras hepáticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188913