Cellular expression and trafficking of stress-induced molecules in cancer

Beside their canonical chaperone function, Heat Shock Protein (HSPs) have been considered stress proteins and cellular signals in communication between cells and their interaction with the immune system need to be addressed more in detail. The work presented here aimed to explore the cytoplasmic stress and the endoplasmic reticulum stress in haematological malignancies and explore possible ways of cellular communication of stress to distant cells, through the investigation of mechanisms of Hsp surface presentation to plasma membrane and release especially through extracellular vesicles such as exosomes. Cytoplasmic inducible form of the Hsp72 family, HSPA1A, and the corresponding endoplasmic reticulum protein, Grp78 together with other UPR related proteins were analysed. The work was performed in vitro using a cell line of leukemic malignant cells and in vivo, collecting samples from patients with Myelodysplastic Syndrome (MDS). The work presented here demonstrate that cells exploit differential Hsp72 surface presentation and secretion pathways, depending on the stress applied: short stress induce Hsp72 membrane translocation and exosome release; a long stress induce release of Hsp72 mediated by the endo-lysosome pathway. The in-vitro model further demonstrated an UPR activation under stress, but more interesting the in-vivo model of MDS, a premalignant hematological disease, show an up-regulation of the cytoplasmic Hsp72 and also all the proteins related to UPR pathway. Exosomes purified from peripheral blood from MDS patients are able to promote macrophage differentiation and lymphocyte activation. In conclusion cells are able to secrete extracellular vesicles with different composition and membrane-inserted proteins, depending on the stress applied: these vesicles may be recognised by a variety of cell types, may trigger different responses and may be useful for the neighbour and distant cells for protein homeostasis, for cell stress adaptation and for immune system modulation.

Le Heat Shock Proteins oltre a ricoprire un ruolo fondamentale nel folding proteico sono considerate dei veri e propri segnali di comunicazione cellulare e la loro interazione con il sistema immunitario è ancora oggetto di studio. ll presente lavoro studia la risposta citoplasmatica e del reticolo endoplasmatico allo stress nei tumori ematologici ed inoltre indaga eventuali vie di comunicazione dello stress a lunga distanza. A tale scopo vengono analizzati i meccanismi di presentazione delle Hsp sulla membrana plasmatica e il loro rilascio, soprattutto attraverso vescicole extracellulari, come gli esosomi. Vengono analizzate la forma citoplasmatica inducibile della famiglia delle HSP70, Hsp72 (HSPA1A), la corrispondente proteina del reticolo endoplasmatico Grp78 ed altre proteine correlate al pathway UPR. Il lavoro è stato eseguito in-vitro utilizzando linee cellulari leucemiche e in-vivo, su campioni da pazienti con sindrome mielodisplastica (MDS). Il lavoro qui presentato dimostra che le cellule presentano in superficie e secernono Hsp72 in maniera diversa in base allo stress subito: in seguito a breve stress la Hsp72 strasloca sulla membrana plasmatica, e viene rilasciata mediante esosomi; dopo stress prolungato la Hsp72 viene secreta attraverso la via endo-lososomiale. Il modello in-vitro ha inoltre dimostrato l'attivazione dell'UPR sotto stress, ma più interessante il modello in-vivo di MDS, una malattia ematologica premaligna, che mostra una up-regolazione della Hsp72 e anche tutte le proteine legate alla via UPR. Gli esosomi purificati da sangue periferico di pazienti con MDS sono in grado di promuovere la differenziazione dei macrofagi e di attivare i linfociti. In conclusione le cellule sono in grado di secernere vescicole extracellulari con diversa composizione e diverse proteine inserite sulla membrana, a seconda delle sollecitazioni applicate: queste vescicole possono essere riconosciute da una varietà di tipi cellulari, e possono innescare risposte differenti ed essere utili sia alle cellule prossime che a quelle lontane e contribuire al mantenimento dell’omeostasi proteica, all’adattamento allo stress e alla modulazione del sistema immunitario.