Manipulations to cyclic nucleotide populations show considerable promise in the treatment of vasculopathies associated with luminal narrowing and PDE inhibition currently represents one of the most selective methods of clinically modifying levels of these second messengers. Many cardiovascular diseases are associated with a change in vascular smooth muscle cell (VSMC) phenotype, resulting in a hyperproliferative cell devoid of contractile properties. This cell has been defined as “synthetic/activated” and differs from the normal “contractile/quiescent” VSMC in several aspects. Previous investigations have established that phosphodiesterase 1C (PDE1C), a PDE not produced in contractile/quiescent VSMCs is upregulated, and the functionally dominant PDE in the presence of calcium in these cells. This study looked to establish a role for PDE1C in synthetic/activated VSMCs as it relates to the management of VSMC phenotype. Herein, we show that RNAi mediated knockdown of PDE1C decreased expression of phenotype-dependent markers in HASMCs including PDGF-alpha receptor, l-caldesmon, and TRPC1, while the expression of other markers, including PKG, vinculin, and beta-1 integrin were unaffected. Treatment with PDE1C siRNA also reduced cell migration, proliferation, and the ability of HASMCs to bind extracellular matrix proteins. These effects were mediated without any major changes in global cAMP levels. Furthermore, a novel interaction between PDE1C and the TRPC cation channel was identified that may establish a role for PDE1C in calcium-cAMP mediation. These findings establish an important role for PDE1C in the synthetic/activated HASMC, both phenotypically, and at the sub-cellular level. / Thesis (Master, Pharmacology & Toxicology) -- Queen's University, 2009-07-02 19:02:52.281

The phenotypic modulation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) from a “contractile/quiescent” to an “activated/synthetic” phenotype, with increased proliferative and migratory potential, is critical for the formation of advanced atherosclerotic lesions. Agents that regulate intracellular levels of the cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP) have been shown to reduce VSMC migration and proliferation, and to reduce intimal thickening in response to vascular damage. Interestingly, expression of a specific cyclic nucleotide phosphodiesterase, namely PDE1C that is not expressed in contractile VSMCs is induced in activated human VSMCs and this directly impacts human VSMC phenotypic modulation. This study was undertaken to identify potential mechanism(s) by which PDE1C could impact VSMC phenotypic modulation and associated cellular functions. Overall, my data indicate that PDE1C controls store operated calcium (Ca2+) channel (SOCC) activity in activated human VSMCs. Indeed, expression of PDE1C increases store operated Ca2+ entry (SOCE), which in turn activates PDE1C. This linkage between PDE1C and the SOCC complex increases cytosolic [Ca2+] and activates cell proliferation. A potential human VSMC SOCC, the Transient receptor potential channel 1 (TrpC1), was shown to physically associate with PDE1C in HEK293T cells expressing these proteins heterologously, as well as in human aortic Smooth Muscle Cells (HASMCs), which natively express these proteins. In HEK293T cells, I also identified association of adenylyl cyclase 6 (AC6) and of the inositol-trisphosphate receptor (IP3R) iii with TrpC1. Interaction between TrpC1 and PDE1C in HASMCs is decreased upon activation of SOCE, suggesting PDE1C is activated after release from TrpC1-PDE1C complex. From these studies I have established a potential mechanism by which PDE1C signaling impacts SOCE and shown that a TrpC1-PDE1C complex may be important. / Thesis (Master, Pharmacology & Toxicology) -- Queen's University, 2012-03-22 14:34:38.647

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Die Blutgefäßentwicklung ist ein mehrstufiger Prozess, der durch verschiedenste Signalwege und Zellmechanismen bestimmt wird. Murale Zellen sind mit dem Endothel assoziiert und wichtig für die Stabilisierung von Blutgefäßen. Ein essentieller Faktor für die Blutgefäßentwicklung ist die Bestimmung der Zellmigrationsrichtung durch verschiedene Faktoren. Einige dieser Faktoren wurden ursprünglich für die neurale Entwicklung beschrieben. Die Proteinfamilie der Neuron Navigators (NAV) sind neue Akteure, die die Migration von Zellen während des Neuronenwachstums beeinflussen. Ein möglicher Einfluss auf die Blutgefäßentwicklung ist bisher unbekannt. Wir nehmen an, dass das Protein NAV1 in Zellmigrationsprozessen während der Angiogenese eine Rolle spielt und verwendeten zur Aufklärung der Funktion von NAV1 Modelle in der Maus und im Zebrafisch. Das Blutgefäßnetzwerk in der Retina von neonatalen NAV1-/--Mäusen, als auch in einem aortic ring assay zeigte Defekte der Gefäßremodellierung durch eine verringerte Anzahl an Verzweigungspunkten der Blutgefäße auf. Es konnte erstmals eine Expression von NAV1 in muralen Zellen gezeigt werden. Die NAV1-defizienten Mäuse zeigten eine verringerte Anzahl von muralen Zellen auf Blutgefäßen auf. Dieser Defekt ging mit einer verstärkten Regression von Blutgefäßen einher, welche für die geringere Verzweigung dieser verantwortlich sein kann. In vitro Experimente mit primären muralen Zellen deuten auf einen zellautonomen Einfluss von NAV1 auf die Bewegung von Zellen in Abhängigkeit von Netrin-1 und der extrazelluären Matrixkomponente Kollagen I hin. Nav1-depletierte Zebrafische wiesen eine verringerte Komplexität von bestimmten zerebralen Blutgefäßen auf. Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss von Nav1 auf die Blutgefäßausbildung konserviert ist. Wir konnten NAV1 als einen neuen zelleigenen Faktor der Motilität von muralen Zellen identifizieren, der in Folge als positiver Modulator zur Regulation der Gefäßstrukturierung beiträgt. / Vessel development is a multistep process orchestrated by different cellular and signaling mechanisms. Mural cells are associated with the endothelium and thought to be important for vessel stabilization. Cell guidance is an essential factor during vascular development, accomplished by different attractive and repulsive factors. Some of these were originally described in neural development. The Neuron Navigator (NAV) protein family is a novel player in regulating cell migration events during neuron growth, but their potential impact in vessel development is unknown. We hypothesized that the family member NAV1 plays a role in cell migration events during angiogenesis and examined the function of NAV1 in vascular development using loss-of-function models in mouse and zebrafish. Analysis of the vessel network phenotype in neonatal retina and an aortic ring assay of NAV1-/--mice revealed defective vessel remodeling in the absence of NAV1, indicated by reduced branch point numbers of vessels. Characterization of cellular expression domains point to a prominent, so far unknown, NAV1 expression in mural cells and NAV1-knockout mice exhibited reduced mural cell numbers on vessels. Decreased mural cell recruitment accompanies with increased vessel regression in the retina that may be attributable for the vascular phenotype. In vitro data of primary mural cells indicate a cell-autonomous influence of NAV1 on cell locomotion in response to Netrin-1 and/or the extracellular matrix component Collagen I. Analysis of Nav1 depleted zebrafish embryos revealed less complex vessel networks of specific cerebral vessels, the central arteries, suggesting that the impact of Nav1 on vessel development is conserved in vertebrates.

Résumé : La contraction cellulaire est une activité centrale dans plusieurs processus physiologiques. Entre autre, elle joue un rôle dans la régulation de la perméabilité vasculaire et de la pression artérielle. Il est également établi qu’une contraction anormale des cellules du muscle lisse vasculaire (VSMC) est souvent associée à l’hypertension et ses complications. Il est donc suggéré que l’étude des mécanismes impliqués dans la transduction de signaux menant à la contraction cellulaire et les mécanismes impliqués dans la régulation de celle-ci pourrait permettre d’identifier de nouvelles cibles potentielles afin d’envisager de nouveaux traitements pour cette maladie. Étant donné le rôle connu du système angiotensinergique dans l’activité contractile des VSMC et les nombreux indices suggérant une dérégulation de ce système dans de développement de l’hypertension; la présente thèse a été consacrée, dans un premier temps, à identifier de nouveaux mécanismes de signalisation impliqués dans la contraction cellulaire induite par l’angiotensine II. Ainsi, il est montré, pour la première fois, que les β-arrestines; des protéines adaptatrices impliquées dans la désensibilisation et la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G, participent à la contraction cellulaire associée à l’activation du récepteur de l’angiotensine de type 1, et ce, en exerçant des effets opposés sur la phosphorylation de la chaîne légère de la myosine. Dans un second temps, étant donné qu’en condition diabétique une dysfonction vasculaire est observée et que cette dernière serait reliée à des changements dans le phénotype fonctionnel des VSMC; la deuxième partie de cette thèse traite des effets de l’exposition aux produits de glycation avancée (AGE) sur le phénotype et l’activité contractile des VSMC. Effet, les AGE, issus de la réaction entre les protéines et le glucose et dont la formation est particulièrement favorisée en contexte diabétique, pourraient être impliqués dans la dysfonction vasculaire observée. Ainsi, il est montré, pour la première fois, que l’exposition des VSMC aux AGE inhibe l’expression de leur phénotype contractile en affectant leurs propriétés mécaniques et diverses fonctions cellulaires telles que la signalisation, la contraction et l’organisation du cytosquelette. Dans un contexte plus large, cette thèse confirme également l’importance d’intégrer les approches biophysiques à la biologie cellulaire. En effet, les résultats obtenus par microscopie à force atomique sont uniques puisqu’ils offrent une nouvelle perspective concernant l’activité cellulaire via la caractérisation du phénotype mécanique de la cellule et la mesure de la contraction au niveau d’une seule cellule. || Abstract : Cell contraction plays a key role in a variety of physiological processes, among those; it regulates vascular permeability and blood pressure. It is known that abnormal contraction of vascular smooth muscle cells (VSMC) is often associated with hypertension and its complications. Therefore, it is suggested that studying mechanisms involved in signal transduction leading to cell contraction and mechanisms regulating the cell ability to contract may allow identifying new therapeutic targets in order to suggest new treatments for hypertension. Knowing the role of the angiotensin system in VSMC contractility and the numerous evidences suggesting a dysregulation of this system in the development of hypertension; this thesis first sought to identify new signaling mechanisms involved in cell contraction induced by angiotensin II. Therefore, it is shown here, for the first time, that β- arrestins; which are scaffolding proteins involved in the desensitisation and the signalling of protein G-coupled receptors, participate in cell contractile activity induced by angiotensin receptor type 1 activation by reciprocally regulating myosin activity through its light chain phosphorylation. Secondly, knowing that a vascular dysfunction is observed in diabetes which could be attributed to changes in VSCM functional phenotype; this thesis also investigated the effect of advanced glycation end-products (AGE) exposure on the contractile phenotype and function of VSMC. Indeed, AGE, which are the product of a reaction between proteins and glucose, are increased significantly in diabetes and are suspected to be involved in the vascular dysfunction observed in this metabolic disease. Therefore, it shown, for the first time, that AGE stimulation of the VSMC A7r5 interfere with the expression of their contractile phenotype by changing their mechanical properties and various cellular functions such as signal transduction, contraction and cytoskeletal organisation. Finally, this thesis also underlines the utility of integrating biophysical tools into studying cellular biology. Indeed, the various results obtained using atomic force microscopy are unique in a way that they provide new insights into studying cellular activity trough the measurement of single cell contraction and characterisation its mechanical phenotype

Une augmentation de la génération des dérivés réactifs de l’oxygène (DRO), tels que le peroxyde d’hydrogène (H2O2), joue un rôle clé dans la pathophysiologie des maladies cardiovasculaires (MCV). La croissance et la prolifération excessives des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) ont été suggérées comme étant les mécanismes à la base de la dysfonction vasculaire. Une implication potentielle du facteur de transcription Early growth response protein-1 (Egr-1) dans le développement des dommages vasculaires a été proposée. Des études ont démontré que le H2O2 augmente l’expression de l’Egr-1 dans les CMLV. Cependant, les voies de signalisation intracellulaire menant à l’expression de l’Egr-1 en réponse au H2O2 restent à établir. L’objectif de cette étude vise à examiner les différentes voies de signalisation impliquées dans l’expression de l’Egr-1 induite par le H2O2 dans les CMLV. Le H2O2 augmente l’expression de l’Egr-1 en fonction du temps et de la dose dans les CMLV A10. Le blocage pharmacologique des tyrosines kinases insulin-like growth factor-1 receptor (IGF-1R) et c-Src, par AG1024 et PP2 respectivement, atténue l’expression de l’Egr-1 induite par le H2O2, alors que l’AG1478, un inhibiteur de l’epidermal growth factor receptor (EGFR), et le PP3, l’analogue inactif du PP2, n’ont aucun effet sur l’expression de l’Egr-1. Le blocage pharmacologique de l’extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2), par UO126, et de la protéine kinase C (PKC), par rottlerin et rö-31-8220, diminue l’expression de l’Egr-1 induite par le H2O2. En résumé, nos résultats suggèrent que le H2O2 déclenche l’expression de l’Egr-1 via l’IGF-1R, la kinase c-Src, l’ERK1/2 et la PKC dans les CMLV. / Increased generation of reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O2), plays a key role in the pathophysiology of cardiovascular diseases (CVD). Excessive growth and proliferation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) has been suggested as an important contributor of vascular dysfunction. A potential involvement of early growth response protein-1 (Egr-1), a zinc-finger transcription factor, in the development of vascular injury has been proposed. Recent studies have shown that H2O2 increases Egr-1 expression in VSMCs. However, signaling events leading to H2O2-induced Egr-1 expression are not fully understood. Therefore, this study aims to examine the signaling pathways implicated in H2O2-induced Egr-1 expression in VSMC. H2O2 increased Egr-1 expression in a time and dose-dependent fashion in A10 VSMC. Pharmacological blockade of tyrosine kinases insulin-like growth factor-1 receptor (IGF-1R) and c-Src, by AG1024 and PP2 respectively, attenuated H2O2-induced Egr-1 expression, while AG1478, an epidermal growth factor receptor (EGFR) inhibitor, and PP3, the inactive analogue of PP2, have no effect on Egr-1 expression. Pharmacological blockade of extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2), by UO126, and proteine kinase C (PKC), by rottlerin and rö-31-8220, decreased H2O2-induced Egr-1 expression. In summary, our results suggest that H2O2 triggers Egr-1 expression through IGF-1R, c-Src, ERK1/2 and PKC in VSMC.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Contribuant à la pathophysiologie des maladies vasculaires comme dans le cas de l’hypertension, le remodelage vasculaire est associé à une altération de la croissance des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) (prolifération, taille, etc.). Or la prolifération des CMLV est augmentée par les peptides vasoactifs tels que l’angiotensine II (AngII) et l’endothéline-1 (ET-1). Ces peptides étant surexprimés lors de l’hypertension, cette étude fut entreprise pour déterminer leur contribution endogène ainsi que celles du facteur de croissance épidermique (EGF), du facteur de croissance insulinique (IGF-1) et du facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF) à la prolifération accrue des CMLV et aux mécanismes sous-jacents. Des CMLV A-10 et des CMLV de rats WKY et SHR âgés de 12 semaines ont été utilisées pour cette étude. La prolifération cellulaire fut déterminée par incorporation de [3H]thymidine. La phosphorylation de ERK 1/2 et du récepteur de EGF fut déterminée par immunobuvardage. Les CMLV de SHR, comparées à celles de WKY, ont montré une prolifération accrue qui fut atténuée par le losartan, un antagoniste du récepteur AT1 de l’AngII et par le BQ-123 et le BQ-788, antagonistes des récepteurs ETA et ETB de l’ET-1. La prolifération accrue des CMLV de SHR fut ramenée à celle des WKY par les inhibiteurs des récepteurs au PDGF (AG-1295), au IGF-1 (AG-1024) et au EGF (AG-1478). La phosphorylation du récepteur au EGF, accrue dans les CMLV de rats SHR comparée à celle des WKY, fut atténuée par le losartan, le BQ-123, le BQ-788 et l’AG-1478, mais ne fut pas atténuée par l’AG-1295 et l’AG-1024. De plus, la phosphorylation accrue de ERK 1/2 dans les CMLV de rats SHR fut atténuée par le losartan, le BQ-123, le BQ-788 et les inhibiteurs des récepteurs aux facteurs de croissance. Parallèlement, le rôle de la transactivation de EGF-R dans la prolifération accrue induite par AngII et ET-1 fut aussi examiné dans les CMLV A-10. L’augmentation, induite par AngII et ET-1, de la prolifération et de la phosphorylation de ERK 1/2 dans les CMLV A-10 fut ramenée au niveau contrôle par AG-1478. Ces données suggèrent que les peptides vasoactifs endogènes induisent la prolifération accrue des CMLV par la signalisation des MAP kinases résultant de la transactivation de EGF-R. / Vascular remodelling that contributes to the pathophysiology of vascular diseases, including hypertension, is associated with alteration in vascular smooth muscle cell (VSMC) growth, hypertrophy, etc. We have recently shown that vasoactive peptides such as angiotensin II (AngII) and endothelin-1 (ET-1) increased the proliferation of VSMC. Since the levels of AngII, ET-1 and growth factors are increased in hypertension, the present studies were undertaken to examine if these endogenous vasoactive peptides and growth factors contribute to the enhanced proliferation of VSMC in spontaneously hypertensive rats (SHR) and to further investigate the underlying mechanisms responsible for enhanced proliferation. A10 VSMC and aortic VSMC from 12 week old SHR and age-matched WKY rats were used for these studies. Cell proliferation was determined by [3H]thymidine incorporation and ERK ½ and growth factor receptor phosphorylation was determined by Western blotting. VSMC from SHR exhibited enhanced cell proliferation as compared to WKY as determined by enhanced [3H]thymidine incorporation which was attenuated by AngII AT1 receptor antagonist losartan, as well as by endothelin receptor ETA and ETB antagonists BQ-123 and BQ-788, respectively. The inhibitors of platelet derived growth factor receptor (PDGF-R); AG-1295, epidermal growth factor receptor (EGF-R); AG-1478, and insulin-like growth factor receptor (IGF-R); AG-1024 also attenuated the enhanced proliferation of VSMC from SHR to WKY control levels. In addition, VSMC from SHR exhibited enhanced phosphorylation of EGF-R as compared to WKY, which was attenuated by losartan, BQ-123, BQ-788 and AG-1478, and not by AG-1295 and AG-1024. Furthermore, the enhanced phosphorylation of ERK ½ in VSMC from SHR was also attenuated by losartan, BQ-123 and BQ-788 as well as by growth factor receptor inhibitors, AG-1478, AG-1024 and AG-1295. The implication of growth factor receptor transactivation in AngII and ET-1 induced enhanced cell proliferation was also examined in A10 VSMC. Ang II or ET-1 induced enhanced proliferation of A-10 VSMC and enhanced ERK ½ phosphorylation was also restored to control levels by EGF-R inhibitor. These data suggest that vasoactive peptide-induced growth factor receptor transactivation through MAP kinase signaling may contribute to the enhanced proliferation of VSMC from SHR.

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