T-cell acute lymphocytic leukemia (T-ALL) affects approximately 1,500 people per year in the United States, many of them children. The overall survival rate of children with T-ALL is greater than 80%. However, patients in a newly identified subtype called early T-cell progenitor acute lymphocytic leukemia (ETP-ALL), have a survival rate of only 19%. We have used the Sleeping Beauty (SB) transposon/transposase system in mice to model the T-ALL subtypes and identify cancer-causing mutations in the diseases. We have also developed three strains of NOTCH1 transgenic mice. NOTCH1 is a gene that is mutated in over 60% of cases of T-ALL, and these NOTCH1 transgenic mice could be used to better understand the role NOTCH1 plays in T-cell transformation. In order to model T-ALL subtypes we crossed SB mice to Vav-iCre mice, Lck-Cre mice, and CD4-Cre mice. This causes activation of SB in hematopoietic stem cells (HSCs), double negative (DN) thymocytes, and double positive (DP) T-cells, respectively. The Vav/SB tumors were characterized by mutations in Notch1, Ikzf1, and Rasgrp1. The predominant mutations found in the Lck/SB and CD4/SB models were Stat5b, Myc, Gfi1, Whsc1, and Jak1. Microarray was performed on a subset of samples. It was found that the CD4/SB tumors had expression profiles very similar to human ETP-ALL samples, and the Vav/SB tumors had expression profiles very similar to typical T-ALL samples. This data indicates that the cell-of-origin for ETP-ALL may not be an early T-cell progenitor, but instead may be a double positive or single positive T-cell. It also indicates that the cell-of-origin for typical T-ALL may be a stem/progenitor cell of the T-lineage. In order to better study the oncogenic potential of mutant NOTCH1 in T- ALL, we produced three NOTCH1 transgenic mouse strains that mimic the most common NOTCH1 mutations found in human T-ALL patients. These mutations are found in two distinct regions of the gene, the heterodimerization (HD) domain and the PEST domain and can occur alone or in combination. The strains also contain a lox-stop-lox (LSL) cassette in the first exon of NOTCH1, making expression Cre-dependent. Preliminary results from NOTCH1-HD-PEST (NHDP) transgenic mice indicate that, when crossed to Lck-Cre mice, offspring do not develop T- cell lymphoma. However, when NHDP/Lck-Cre mice are crossed to SB mice, the mutant NOTCH1 transgene accelerates a SB-induced model of T-cell lymphoma.

Delta-like 1 Homologue (DLK1), a transmembrane protein of 383 amino acids, belongs to a family of epidermal growth factor (EGF)-like repeat-containing proteins that include Notch/Delta/Serrate, which are involved in cell fate determination. DLK1 is also known as preadipocyte factor-1, pG2, and FA-1, which are identical or polymorphic products of a single gene. Structural analysis revealed that DLK1 consists of an extracellular domain with six EGF-like repeats, a transmembrane domain, and an intracellular domain. The extracellular EGF-like region of DLK1 (DLK1-EC) can be released to the medium by the action of tumor necrosis factor alpha converting enzyme (TACE). DLK1 participates in various differentiation processes including adipogenesis, hematopoiesis, and adrenal gland differentiation. Besides, DLK1 overexpression was observed in patients with biliary atresia and in glioblastoma. Recently, the extracellular domain of thrombomodulin, which also contains six EGF¡Vlike structures, has been delineated to stimulate angiogenesis in vitro and in vivo. This prompted us to investigate whether DLK1-EC played a role in angiogenesis. To test such hypothesis, recombinant DLK1-EC was expressed and purified in E. coli. Adding DLK1-EC recombinant protein inhibited the adipogenesis of adipocytes-derived stem cells in a dose-dependent manner. Despite marginal effect on matrix-metalloproteinase secretion, exogenous DLK1-EC significantly stimulated the proliferation, motility and tube-forming capability of cultured endothelial cells. Above all, implantation of DLK1-EC-containing hydron pellets induced cornea neovascularization in a dose-dependent manner. Western blot analysis revealed that exogenous DLK1-EC induced angiogenesis through Notch1 activating downstream gene Hes1 and subsequently signaling such as Akt/eNOS, p38 MAPK, and ERK pathway to perform its function. Indeed, blockade of Notch1 signaling using £^-secretase inhibitor leads to decreased angiogenesis and inhibits DLK1 EC-induced endothelial cell tubular formation in vitro and in vivo. These findings indicate that DLK1-EC induced Notch1 activation mediated by £^-secretase and tansactivation Akt/eNOS pathway and that Notch1 is critical for DLK1 EC-induced angiogenesis. These results may bring further insights into the physiological and pathological functions of DLK1

Cell proliferation is a process that is strictly regulated by a large number of proteins. An alteration in one of the encoding genes inserts an error into the regulative protein, which may result in uncontrolled cell growth and eventually tumor formation. Lymphoma is a cancer type originating in the lymphocytes, which are part of the body’s immune defence. In the present thesis, Znfn1a1, Notch1 and Bcl11b were studied; all involved in the differentiation of T lymphocytes. The three genes are located in chromosomal regions that have previously shown frequent loss of heterozygosity in tumor DNA. Ikaros is a protein involved in the early differentiation of T lymphocytes. In this thesis, mutation analysis of the Znfn1a1 gene in chemically induced murine lymphomas revealed point mutations and homozygous deletions in 13 % of the tumors. All of the detected deletions lead to amino acid substitutions or abrogation of the functional domains in the Ikaros protein. Our results support the role of Ikaros as a potential tumor suppressor in a subset of tumors. Notch1 is a protein involved in many differentiation processes in the body. In lymphocytes, Notch1 drives the differentiation towards a T-cell fate and activating alterations in the Notch1 gene have been suggested to be involved in T-cell lymphoma. We identified activating mutations in Notch1 in 39 % of the chemically induced murine lymphomas, supporting the involvement of activating Notch1 mutations in the development of T-cell lymphoma. Bcl11b has been suggested to be involved in the early T-cell specification, and mutations in the Bcl11b gene has been identified in T-cell lymphoma. In this thesis, point mutations and deletions were detected in the DNA-binding zinc finger regions of Bcl11b in 15 % of the chemically induced lymphomas in C57Bl/6×C3H/HeJ F1 mice. A mutational hotspot was identified, where four of the tumors carried the same mutation. Three of the identified alterations, including the hotspot mutation in Bcl11b, increased cell proliferation when introduced in a cell without endogenous Bcl11b, whereas cell proliferation was suppressed by wild-type Bcl11b in the same cell line. Mutations in Bcl11b may therefore be an important contributing factor to lymphomagenesis in a subset of tumors. A germ line point mutation was identified in BCL11B in one of 33 human B-cell lymphoma patients. Expression of BCL11B in infiltrating T cells was significantly lower in aggressive compared to indolent lymphomas, suggesting that the infiltrating T cells may affect the B-cell lymphomas.

La leucémie lymphoïde représente 30% de tous les cancers chez l’enfant. SCL (« Stem cell leukemia ») et LMO1/2 (« LIM only protein ») sont les oncogènes les plus fréquemment activés dans les leucémies aiguës des cellules T chez l'enfant (T-ALL). L’expression ectopique de ces deux oncoprotéines dans le thymus de souris transgéniques induit un blocage de la différenciation des cellules T suivie d’une leucémie agressive qui reproduit la maladie humaine. Afin de définir les voies génétiques qui collaborent avec ces oncogènes pour induire des leucémies T-ALL, nous avons utilisé plusieurs approches. Par une approche de gène candidat, nous avons premièrement identifié le pTalpha, un gène crucial pour la différenciation des cellules T, comme cible directe des hétérodimères E2AHEB dans les thymocytes immatures. De plus, nous avons montré que pendant la différenciation normale des thymocytes, SCL inhibe la fonction E2A et HEB et qu’un dosage entre les protéines E2A, HEB et SCL détermine l’expression du pTalpha. Deuxièmement, par l’utilisation d’une approche globale et fonctionnelle, nous avons identifié de nouveaux gènes cibles des facteurs de transcription E2A et HEB et montré que SCL et LMO1 affectent la différenciation thymocytaire au stade préleucémique en inhibant globalement l’activité transcriptionnelle des protéines E par un mécanisme dépendant de la liaison à l’ADN. De plus, nous avons découvert que les oncogènes SCL et LMO1 sont soit incapables d’inhiber totalement l’activité suppresseur de tumeur des protéines E ou agissent par une voie d’induction de la leucémie différente de la perte de fonction des protéines E. Troisièmement, nous avons trouvé que Notch1, un gène retrouvé activé dans la majorité des leucémies T-ALL chez l’enfant, opère dans la même voie génétique que le pré-TCR pour collaborer avec les oncogènes SCL et LMO1 lors du processus de leucémogénèse. De plus, cette collaboration entre des facteurs de transcription oncogéniques et des voies de signalisation normales et importantes pour la détermination de la destinée cellulaire pourraient expliquer la transformation spécifique à un type cellulaire. Quatrièmement, nous avons trouvé que les oncogènes SCL et LMO1 sont des inducteurs de sénescence au stade préleucémique. De plus, la délétion du locus INK4A/ARF, un évènement retrouvé dans la majorité des leucémies pédiatriques T-ALL associées avec une activation de SCL, collabore aves les oncogènes SCL et LMO1 dans l’induction de la leucémie. Cette collaboration entre la perte de régulateurs de la sénescence suggère qu’un contournement de la réponse de sénescence pourrait être nécessaire à la transformation. Finalement, nous avons aussi montré que l’interaction directe entre les protéines SCL et LMO1 est critique pour l’induction de la leucémie. Ces études ont donc permis d’identifier des évènements collaborateurs, ainsi que des propriétés cellulaires affectées par les oncogènes associés avec la leucémie et de façon plus générale dans le développement du cancer. / Lymphoid leukemia represents 30% of all cancers in children. SCL (Stem cell leukemia) and LMO1/2 (LIM only protein) are the most frequently activated oncogenes in children T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). Ectopic expression of the SCL and LMO1 oncogenes in the thymus of transgenic mice causes T cell differentiation arrest during the preleukemic stage followed by development of aggressive leukemia that reproduce human disease. We therefore took several approaches to decipher the genetic pathway collaborating with these oncogenes in T-ALL induction. Using a candidate approach, we first identified the pTalpha, a gene crucial for T cell differentiation, as a direct target of E2A and HEB heterodimers in immature thymocytes. Moreover, we showed that during normal thymocyte differentiation, SCL inhibits E2A and HEB function and that a dosage between E2A, HEB and SCL normally determines pTalpha gene expression. Second, using both global and functional approaches, we identified novel target genes of E2A and HEB transcription factors and showed that SCL and LMO1 impairs thymocyte differentiation at the preleukemic stage by globally inhibiting E proteins transcriptional activity through a DNA binding mechanism. Moreover, we found that SCL and LMO1 oncogenes are either not totally able to inhibit E protein tumor suppressor activity or act in a different leukemic inducing pathway than E protein loss of function. Third, we found that Notch1, a gene found activated in almost all cases of pediatric T-ALL, operate in the same genetic pathway as the pre-TCR to collaborate with the SCL and LMO1 oncogenes in leukemogenesis. Moreover, this collaboration between oncogenic transcription factors and normal signalling pathways important for cell fate determination might explain cell-type specific transformation. Fourth, we found that the SCL and LMO1 oncogenes are inducers of senescence at the preleukemic stage. Moreover, deletion of INK4A/ARF, an event found in almost all cases of SCL associated pediatric T-ALL, collaborate with SCL and LMO1 oncogenes in leukemogenesis. This collaboration with loss of senescence regulators suggests that a bypass of senescence response would be necessary for transformation. Finally, we also showed that SCL and LMO1 direct interaction is critical for leukemia induction. These studies permitted the identification of collaborating events and cellular properties affected by oncogenes associated with leukemia and more generally in cancer development.

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) reguliert die Genexpression, Proliferation und Differenzierung in verschiedenen Zelltypen. Die Funktion von C/EBPbeta wird durch Interaktionen mit einer Reihe von Kofaktoren moduliert, die Bestandteile von Chromatin-verŠndernden oder Transkriptions-regulierenden makromolekularen Maschinen sind. Die Identifikation und funktionelle Charakterisierung dieser Kofaktoren trŠgt ma§geblich zum VerstŠndnis der Biologie von C/EBPbeta bei. C/EBPbeta wird zudem in vielfŠltiger Weise posttranslational reguliert. Beispielsweise kann C/EBPbeta phosphoryliert, SUMOyliert, acetyliert und an mehreren Positionen an Arginin- und Lysinresten methyliert werden. Die SUMOylierung von C/EBPbeta gilt als SchlŸsselmodifikation, die nachfolgende Modifikationen steuert und zu einer VerŠnderung der genregulatorischen Eigenschaften von C/EBPbeta fŸhrt. C/EBPbeta bindet an zwei Enzyme der SUMOylierungsmaschinerie, Ubc9 und PIAS3. Es konnte gezeigt werden, dass PIAS3 nicht nur als E3-Ligase bei der SUMOylierungsreaktion dient, sondern auch mit SUMO-modifiziertem C/EBPbeta interagieren und als transkriptioneller Repressor wirken kann. Um weitere Interaktionspartner von C/EBPbeta zu identifizieren wurde ein System zur Proteom-weiten Identifikation von Bindungspartnern etabliert. Dazu wurden radioaktiv markierbare Proteinsonden hergestellt, welche die Identifikation von Bindungspartnern auf Protein-Macroarrays ermšglichten. Neben der transaktivierenden DomŠne (TAD) wurde die regulatorische Region in ihrer SUMOylierten und nicht-modifizierten Form in Screening-Experimenten eingesetzt. Eine Vielzahl von neuen C/EBPbeta-Bindungspartnern konnte identifiziert werden, wobei die konstitutive SUMOylierung C/EBPbeta-Interaktionen verŠndern kann. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um Mitglieder der Polycomb Gruppe, Chromatin-modifizierende Enzyme, SignaltransduktionsmolekŸle und transkriptionelle Koregulatoren. Wissenschaftlich besonders interessant war die Identifikation der Lysin-Methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) als Bindungspartner der transaktivierenden Region von C/EBPbeta. Diese Interaktion wurde durch GST-Bindungs- und KoimmunoprŠzipitationsstudien bestŠtigt. Durch massenspektrometrische Analysen konnte Monomethylierung der AminosŠuren K39 und K168 in C/EBPbeta nachgewiesen werden. Dadurch ergab sich die Vermutung, dass G9a nicht nur die Methylierung von Histon H3 katalysiert, sondern auch fŸr die Methylierung und Regulation von C/EBPbeta verantwortlich ist. Rekombinantes C/EBPbeta konnte durch G9a in vitro methyliert werden. Koexpression von C/EBPbeta und G9a fŸhrte zu einer Reduktion der transaktivierenden Eigenschaften von C/EBPbeta in AbhŠngigkeit von der katalytischen SET-DomŠne von G9a. Dieser Reduktion konnte durch Mutation der AminosŠuren K39 und K168 in Alanin entgegengewirkt werden. Als Bindungspartner der C/EBPbeta TAD konnte au§erdem die intrazellulŠre DomŠne von Notch1 (Notch1-ICD) identifiziert werden. Der Notch-Signalweg ist ein evolutionŠr konservierter Genschalter, der an vielen Entscheidungen in der Entwicklung sowie bei physiologischen und pathophysiologischen Prozessen im adulten Organismus, wie z. B. akuter lymphatischer T-Zell LeukŠmie (T-ALL), beteiligt ist. Die Interaktion zwischen Notch1-ICD und C/EBPbeta konnte in GST-Bindungsexperimenten und KoimmunoprŠzipitationsstudien verifiziert werden. In Reportergenstudien wurde eine Stimulation der C/EBPbeta-abhŠngigen Transkription durch Notch1-ICD beobachtet. C/EBPbeta ist demnach ein ZielmolekŸl des Notch1-Signalweges. / The transcription factor CCAAT/Enhancer Binding Protein beta (C/EBPbeta) regulates gene expression, proliferation and differentiation of various cell types. The function of C/EBPbeta is modulated by a number of co-factors which are components of macromolecular machines that alter the state of chromatin or that regulate gene transcription. Identification and functional characterisation of these co-factors is crucial for understanding the biology of C/EBPbeta. C/EBPbeta is regulated by a number of posttranslational modifications and can be found in phosphorylated, SUMOylated, acetylated and arginine- or lysine-methylated forms. SUMOylation of C/EBPbeta is considered a key modification which controls subsequent modifications. These modifications alter the gene regulatory functions of C/EBPbeta. C/EBPbeta binds two enzymes of the SUMOylation machinery, Ubc9 and PIAS3. This study shows that PIAS3 not only has E3-ligase activity during the SUMOylation of C/EBPbeta, but also interacts with SUMO-modified C/EBPbeta leading to repression of transcription. A proteome-wide screening procedure was established to identify novel interaction partners of C/EBPbeta. It was based on radioactively labelled proteins that can be utilized as probes to identify binding partners on solid phase protein-macroarrays. The C/EBPbeta transactivation domain (TAD) and its regulatory region in SUMOylated and non-SUMOylated form were used in different screening approaches. Using this procedure a number of novel C/EBPbeta interaction partners were identified, that depended in part on the SUMOylation status of C/EBPbeta. The major part of the C/EBPbeta-interacting proteins are members of the Polycomb group, chromatin-modifying enzymes, signal transduction molecules and transcriptional co-regulators. Interestingly, the lysine-methyltransferase H3-K9-HMTase 3 (G9a) was among the binding partners of C/EBPbeta that interacted with the TAD. This interaction was verified by GST-pulldown and co-immunoprecipitation studies. Mass spectrometrical analysis identified the amino acids K39 and K168 of C/EBPbeta to be mono-methylated. Therefore it was speculated that G9a not only catalyzes the methylation of Histone H3 but may also methylate and regulate C/EBPbeta. Indeed, recombinant C/EBPbeta could be methylated by G9a in vitro. Co-expression of C/EBPbeta and G9a resulted in a reduction of the transactivating potential of C/EBPbeta, which depended on the catalytical SET domain of G9a. This reduction could be counteracted by mutating the amino acids K39 and K168 to alanine. In addition to G9a, the Notch1 intracellular domain (Notch1-ICD) could also be identified as a novel binding partner of the C/EBPbeta TAD. Notch is a component of an evolutionary conserved pathway that acts on numerous physiological and pathophysiological processes during development and in the adult, e.g. T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). The interaction between Notch1-ICD and C/EBPbeta could be verified in GST-pulldown studies and by co-immunoprecipitation. Reporter gene studies showed a stimulation of C/EBPbeta-dependent transcription through Notch1-ICD. C/EBPbeta is therefore a novel target molecule of the Notch1 signaling pathway.

La leucémie lymphoïde représente 30% de tous les cancers chez l’enfant. SCL (« Stem cell leukemia ») et LMO1/2 (« LIM only protein ») sont les oncogènes les plus fréquemment activés dans les leucémies aiguës des cellules T chez l'enfant (T-ALL). L’expression ectopique de ces deux oncoprotéines dans le thymus de souris transgéniques induit un blocage de la différenciation des cellules T suivie d’une leucémie agressive qui reproduit la maladie humaine. Afin de définir les voies génétiques qui collaborent avec ces oncogènes pour induire des leucémies T-ALL, nous avons utilisé plusieurs approches. Par une approche de gène candidat, nous avons premièrement identifié le pTalpha, un gène crucial pour la différenciation des cellules T, comme cible directe des hétérodimères E2AHEB dans les thymocytes immatures. De plus, nous avons montré que pendant la différenciation normale des thymocytes, SCL inhibe la fonction E2A et HEB et qu’un dosage entre les protéines E2A, HEB et SCL détermine l’expression du pTalpha. Deuxièmement, par l’utilisation d’une approche globale et fonctionnelle, nous avons identifié de nouveaux gènes cibles des facteurs de transcription E2A et HEB et montré que SCL et LMO1 affectent la différenciation thymocytaire au stade préleucémique en inhibant globalement l’activité transcriptionnelle des protéines E par un mécanisme dépendant de la liaison à l’ADN. De plus, nous avons découvert que les oncogènes SCL et LMO1 sont soit incapables d’inhiber totalement l’activité suppresseur de tumeur des protéines E ou agissent par une voie d’induction de la leucémie différente de la perte de fonction des protéines E. Troisièmement, nous avons trouvé que Notch1, un gène retrouvé activé dans la majorité des leucémies T-ALL chez l’enfant, opère dans la même voie génétique que le pré-TCR pour collaborer avec les oncogènes SCL et LMO1 lors du processus de leucémogénèse. De plus, cette collaboration entre des facteurs de transcription oncogéniques et des voies de signalisation normales et importantes pour la détermination de la destinée cellulaire pourraient expliquer la transformation spécifique à un type cellulaire. Quatrièmement, nous avons trouvé que les oncogènes SCL et LMO1 sont des inducteurs de sénescence au stade préleucémique. De plus, la délétion du locus INK4A/ARF, un évènement retrouvé dans la majorité des leucémies pédiatriques T-ALL associées avec une activation de SCL, collabore aves les oncogènes SCL et LMO1 dans l’induction de la leucémie. Cette collaboration entre la perte de régulateurs de la sénescence suggère qu’un contournement de la réponse de sénescence pourrait être nécessaire à la transformation. Finalement, nous avons aussi montré que l’interaction directe entre les protéines SCL et LMO1 est critique pour l’induction de la leucémie. Ces études ont donc permis d’identifier des évènements collaborateurs, ainsi que des propriétés cellulaires affectées par les oncogènes associés avec la leucémie et de façon plus générale dans le développement du cancer. / Lymphoid leukemia represents 30% of all cancers in children. SCL (Stem cell leukemia) and LMO1/2 (LIM only protein) are the most frequently activated oncogenes in children T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL). Ectopic expression of the SCL and LMO1 oncogenes in the thymus of transgenic mice causes T cell differentiation arrest during the preleukemic stage followed by development of aggressive leukemia that reproduce human disease. We therefore took several approaches to decipher the genetic pathway collaborating with these oncogenes in T-ALL induction. Using a candidate approach, we first identified the pTalpha, a gene crucial for T cell differentiation, as a direct target of E2A and HEB heterodimers in immature thymocytes. Moreover, we showed that during normal thymocyte differentiation, SCL inhibits E2A and HEB function and that a dosage between E2A, HEB and SCL normally determines pTalpha gene expression. Second, using both global and functional approaches, we identified novel target genes of E2A and HEB transcription factors and showed that SCL and LMO1 impairs thymocyte differentiation at the preleukemic stage by globally inhibiting E proteins transcriptional activity through a DNA binding mechanism. Moreover, we found that SCL and LMO1 oncogenes are either not totally able to inhibit E protein tumor suppressor activity or act in a different leukemic inducing pathway than E protein loss of function. Third, we found that Notch1, a gene found activated in almost all cases of pediatric T-ALL, operate in the same genetic pathway as the pre-TCR to collaborate with the SCL and LMO1 oncogenes in leukemogenesis. Moreover, this collaboration between oncogenic transcription factors and normal signalling pathways important for cell fate determination might explain cell-type specific transformation. Fourth, we found that the SCL and LMO1 oncogenes are inducers of senescence at the preleukemic stage. Moreover, deletion of INK4A/ARF, an event found in almost all cases of SCL associated pediatric T-ALL, collaborate with SCL and LMO1 oncogenes in leukemogenesis. This collaboration with loss of senescence regulators suggests that a bypass of senescence response would be necessary for transformation. Finally, we also showed that SCL and LMO1 direct interaction is critical for leukemia induction. These studies permitted the identification of collaborating events and cellular properties affected by oncogenes associated with leukemia and more generally in cancer development.

Senescent cells interact with the surrounding microenvironment achieving both pro- oncogenic and tumour-suppressive outcomes. In addition to autocrine and paracrine signalling mediated by factors of the senescence-associated secretory phenotype (SASP), we have recently identified that NOTCH1 can drive a unique form of senescence in adjacent cells via juxtacrine signalling. Here, we show that NOTCH1 signalling confers a dramatic impact on chromatin structure during senescence. RAS-induced senescent (RIS) fibroblasts often develop chromatin structures called senescence-associated heterochromatic foci (SAHF). We find that NOTCH1 inhibits SAHF formation at least partially through transcriptional repression of a critical structural component, high-mobility group A (HMGA). Using ATAC-sequencing (assay for transposase accessible chromatin) we demonstrate that nucleosome positioning is substantially altered in RIS and that this re-distribution is also antagonised by NOTCH1, resulting in a distinct chromatin landscape. Importantly, normal or cancer cells that express the NOTCH ligand jagged-1 can drive similar chromatin structural changes in adjacent cells in a cell-cell contact dependent manner. In addition, using a highly optimised chromatin immunoprecipitation (ChIP-seq) protocol and the proximity ligation assay ‘Hi-C’, we demonstrate that HMGA proteins are directly involved in the formation of long-range interactions in RIS cells that may underpin SAHF formation. These ChIP-seq data have also allowed us to identify a unique HMGA1 binding profile, potentially suggesting a novel role for HMGA1 in gene regulation. Together, our data indicate that NOTCH signalling, both cell-autonomously and non-cell-autonomously, can repress HMGA1, a multi-faceted protein that regulates nucleosome positioning (1D structure), SAHF formation (3D structure) and potentially mRNA abundance.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22036号 / 医博第4521号 / 新制||医||1038(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 滝田 順子, 教授 松田 道行, 教授 山田 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Gain of function NOTCH1 mutations are common in both patients with T-ALL and in mouse models of the disease. Inhibiting the Notch pathway in T-ALL cell lines results in growth arrest and/or apoptosis in vitro, suggesting a requirement for Notch signaling in T-ALL. Therefore, we sought to examine the role of Notch1 signaling in both premalignancy and in the maintenance of leukemic growth. Using a murine model of T-ALL, in which expression of the Tal1 and Lmo2 oncogenes arrests thymocyte development, our preleukemic studies reveal that Notch1 mutations are early events that contribute to the clonal expansion of DN3 and DN4 progenitors. We also demonstrate that progenitors are maintained within the tumor and are enriched in leukemia-initiating cell (L-IC) activity, suggesting Notch1 may contribute to L-IC self-renewal. By studying the effects of Notch signaling in murine T-ALL cell lines, we also demonstrate that Notch1 promotes the proliferation and survival of leukemic blasts through regulation of Lef1 and the Akt/mTOR pathways. Given that T-ALL cell lines are dependent on Notch signaling in vitro, we investigated the effects of Notch inhibition in vivo. We provide evidence that Notch1 can be successfully targeted in vivo and that Notch inhibition, with γ-secretase inhibitors (GSIs), significantly extends the survival of leukemic mice. We also demonstrate that administration of GSIs in combination with rapamycin inhibits human T-ALL growth and extends survival in a mouse xenograft model. Given that NOTCH1 may be required to maintain both L-IC and bulk leukemic growth, targeting NOTCH1 may prove to be an efficacious targeted therapy for T-ALL patients with aberrant NOTCH1 activation.

L’allogreffe des cellules souches hématopoïétiques (CSH) dans les situations d’incompatibilité HLA partielle représente une option thérapeutique irremplaçable pour des patients nécessitant une greffe de cellules souches hématopoïétiques, en absence d’un donneur HLA-identique. Toutefois, le retard de la restauration du système immunitaire en particulier dans du compartiment lymphocytaire après greffe est l'une des complications majeures. Une nouvelle stratégie pour promouvoir la reprise de la thymopoïèse à partir des CSH provenant du donneur et d'accélérer la reconstitution cellulaire T chez des patients après greffe de CSH consiste en le transfert adoptif des progéniteurs T générés in vitro. L’identification de Notch1 comme le régulateur-clé du développement lymphocytaire T a permis l’établissement de systèmes de culture à base de ligands de Notch, qui permettent la génération efficace de progéniteurs lymphoïdes T in vitro. L'efficacité des progeniteurs T-lymphoïdes murins pour promouvoir la reconstitution des lymphocytes T a été bien démontrée dans des modèles de greffe chez la souris. De même, des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains générés in vitro et greffés aux souris humanisées favorisent la reprise de la thymopoïèse. Pourtant, aucune donnée n’a encore démontré leur capacité à donner naissance à un compartiment lymphocytaire T périphérique. De plus, les systèmes de co-culture à base de ligand de Notch actuellement utilisés consistent en des lignées stromales murines génétiquement modifiées. Afin d'établir un système cliniquement applicable, il est donc indispensable d’établir des systèmes de culture qui soutiennent la génération de progéniteurs T en absence d’un support des cellules nourricières. Au cours de mon projet de thèse, j'ai développé un nouveau système de culture pour la génération des progéniteurs T-lymphopoïétiques humains T basé sur l’immobilisation du ligand de Notch Delta-like-4 (DL-4) sous sa forme protéique. La culture des progéniteurs hématopoïétiques CD34+ issue de sang en présence de DL-4 immobilisé permet la génération d’un grand nombre de cellules ayant un phénotype de progéniteurs thymiques précoces (early thymic progenitor: ETP) et de prothymocytes (proT). Les cellules ETP et ProT ainsi générées expriment à des niveaux élevés des gènes impliqués dans le développement lymphocytaire précoce (i.e. pTa, Rag1, IL7Ra et BCL11b). Elles montrent des signes de réarrangement du récepteur des cellules T (TCR) similaires à leurs homologues thymiques. Par des expériences de dilution limite sur une co-culture OP9/DL-1 secondaire, j’ai pu montrer que les progéniteurs générés sur DL-4 possédaient un potentiel lymphoïde T très augmenté, qui pourrait être entièrement attribué aux sous populations ETP et ProT. Suite à leur transfert dans des souris NOD/SCID/γc-/-, les progéniteurs lymphoïde T générés par exposition a DL-4 sont capable de migrer dans le thymus, d’y poursuivre des étapes ultérieures de leur développement et d’accélérer la différentiation T intra thymique ainsi que l’émergence des lymphocytes T mature, polyclonaux et fonctionnels en périphérie. Dans une approche de co-transplantation, qui se rapproche des conditions cliniques envisagées, j’ai simultanément injecté dans le même récipient des progéniteurs générées sur DL-4 et des cellules CD34+ non traitées (d’un 2èm donneur HLA-incompatible). Cette procédure a permis une reconstitution des lymphocytes T encore plus rapide et plus. Etant donné que les progéniteurs T générées sur DL-4 et les cellules CD34+ non-traitées étaient issue de deux donneurs avec un HLA différent, cette expérience a permis de montrer que les progéniteurs préalablement exposés à DL-4 reconstituaient spécifiquement les compartiments lymphoïdes T alors que les autres lignées hématopoïétiques provenaient des progéniteurs CD34+ non-traités... / Human leukocyte antigen (HLA)-mismatched haematopoietic stem cell transplantation (HSCT) represents an important therapeutic option for patients lacking suitable donors. Delayed posttransplant immune recovery constitutes one of its major complications and is most pronounced in the T cellular compartment. A novel strategy to promote de novo thymopoiesis from donor derived HSCs and to accelerate T cellular reconstitution in patients after HSCT consists in the adoptive transfer of in vitro generated T cell progenitor cells. Identification of Notch1 as the key regulator of early T-lineage development has allowed the generation of Notch ligand-based culture systems, which provide a powerful tool to generate T-lymphoid progenitors in vitro. The efficacy of murine T-lymphoid progenitors to promote T cell reconstitution has been well demonstrated in conventional mouse models. In consistency, in vitro-generated human T cell progenitors were demonstrated to promote thymic recovery in humanized mice. Yet, positive effects of in vitro generated human T cell precursors on peripheral T cell reconstitution have not been demonstrated. Moreover currently used Notch-based co-culture systems consist of genetically modified murine cell lines. With view to establishing a clinically applicable system, feeder-cell-free Notch-ligand culture systems for the generation of T-lymphopoietic progenitors are warranted. During my PhD project I developed a new culture system based on the immobilized Notch ligand Delta-like-4 (DL-4). Exposure of human CD34+ cord blood cells to immobilized DL-4 enabled the in vitro generation of high number of T cell progenitors, which harboured the phenotype of immature early thymic progenitor cells (ETP) and prothymocytes (proT). ETP and proT cell generated during DL-4 culture upregulated essential genes involved in early T-lymphoid development (i.e. IL7Rα, PTα, RAG1 and BCL11b) and had undergone stage-specific recombination of the T cell receptor (TCR) locus in a similar way as in native human thymopoiesis. In limiting dilution analysis after secondary OP9/DL-1 co-culture, DL-4 progenitors displayed a highly increased T-lymphoid potential, which could be entirely attributed to the ETP and proT subset. When transferred into NOD/SCID/γc-/- mice, DL-4 primed T cell progenitors migrated to the thymus and accelerated intrathymic T cell differentiation and emergence of functional, mature and polyclonal αβ T cells in the periphery. In a co-transplantation approach, which more closely mimics a clinical setting, DL-4 progenitors and untreated CD34+ cells from HLA-disparate donors were simultaneously injected in the same recipient. This procedure allowed even more rapid and more robust T cell reconstitution. HLA-tracking of the distinct graft sources further showed, that DL-4 progenitors specifically reconstituted the T-lymphoid compartments. This work provides further evidence for the ability of in vitro-generated human T cell progenitors to promote de novo thymopoiesis and shows for the first time, that these cells accelerate peripheral T cell reconstitution in humanized mice. The availability of the efficient feeder-cell-free DL-4 culture technique represents an important step towards the future clinical exploitation translation of in vitro generated T-lymphoid progenitor cells to improve posttransplant immune reconstitution / Die Wiederherstellung der T-lymphozytären Immunität nach T-Zell depletierter hämatopoetischer Stammzelltransplantation (HSZT) ist ein langwieriger Prozess. Eine potentielle Strategie zur Beschleunigung der Neubildung von T-Zellen aus den transplantierten Stammzellen besteht in der Gabe von T-lymphozytären Vorläuferzellen. Die Entdeckung von Notch1 als wichtigster Regulator der frühen T-Zell-Entwicklung hat zur Etablierung Notchligand-basierter Zellkulturen geführt, mit deren Hilfe T-lymphoide Vorläuferzellen aus hämatopoetischen Stammzellen in vitro gebildet werden können. Das therapeutische Potential dieses Zelltyps wurde eindrucksvoll in konventionellen, syngenen und allogenen Maustransplantationsmodellen belegt, in denen nach Injektion in vitro generierter, muriner T-Vorläuferzellen eine Verbesserung der Neubesiedlung des Thymus sowie eine beschleunigte Wiederherstellung der T-zellulären Immunität erreicht werden konnte. Notchbasierte Co-Kultursysteme wurden ebenfalls für die invitro Herstellung humaner T-lymphoider Vorläuferzellen verwendet. Das in-vivo Potential humaner T Vorläuferzellen ist bislang jedoch nur lückenhaft charakterisiert: Zwar konnte gezeigt werden, dass humane T-Vorläuferzellen den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln können. Ihre Wirksamkeit, die Wiederherstellung eines funktionellen, peripheren T-Zellkompartiments zu beschleunigen, gelang bislang jedoch nicht. Darüber hinaus werden Notchliganden in derzeit verwendeten Kultursystemen von genetisch modifizierten, murinen Stromazellen präsentiert. Die Entwicklung stromazellfreier, proteinbasierter Notchligand-Kultursysteme ist daher von grosser Bedeutung für eine mögliche therapeutische Nutzung in vitro generierter T-Vorläuferzellen. Durch Immobilisierung von Notchligand Delta-like 4 (DL-4) habe ich im Rahmen meines PhD Projekts ein stromazellfreies Kultursystem zur Züchtung T-zellulärer Vorläuferzellen aus humanen CD34+ Nabelschnurblutzellen etabliert. In DL-4 Kultur generierte Zellen besitzen phänotypische und molekulare Eigenschaften von frühen thymischen Vorläuferzellen (ETP) und Prothymocyten (proT). ETP und proT Zellen aus DL-4 Kulturen exprimieren wesentliche Geneder frühen T-Zellentstehung (z.B. IL7Ra, PTa, RAG1 und BCL11b). Die entwicklungsstadiumspezifischen TCR-Rekombinationsprozesse in DL-4 Zellen erfolgen nach dem gleichen Muster wie in der nativen Thymusentstehung. Die in DL4 Kultur generierten T-Vorläuferzellen können sich in reife T-Zellen weiterentwickeln und durchlaufen die weitere T-Zelldifferenzierung innerhalb kürzerer Zeit als native CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen. 13 Darüber hinaus können DL-4 generierte T-Vorläuferzellen nach Xenotransplantation den hypoplastischen Thymus von immundefizienten NOD/SCID/γc-/- Mäusen besiedeln, intrathymische T-Zellentwicklung begünstigen und die Neubildung reifer und funktionaler TZellen in der Peripherie beschleunigen. Zur Simulation einer klinischen Anwendung führte ich weiterhin Co-Transplantationen mit DL-4 Vorläuferzellen und unbehandelten CD34+ Zellen in gleiche Empfänger durch und konnte hiermit eine weitere Verbesserung der Immunrekonstitution erzielen. Durch Verwendung HLA-divergenter Spender in diesen Versuchen konnte ich zeigen, dass DL-4 Zellen sich vornehmlich in T-Zellen weiterentwickelten, während die restlichen Blutzellreihen von unbehandelten CD34-poitiven Zellen gebildet wurden. Im Rahmen dieses Projekts konnte ich mit einem für die klinische Anwendung geeigneten Kulturmodell wichtige präklinische Belege für das therapeutische Potential in vitro generierter TVorläuferzellen erbringen. Diese Arbeit bildet somit eine wichtige Grundlage für eine zukünftige klinische Anwendung von T-Vorläuferzellen zur Verbesserung der T-Zell-Immunität nach HSZT