Targeting histone deacetylases for the treatment of disease : Epigenetics Review Series

The 'histone code' is a well-established hypothesis describing the idea that specific patterns of post-translational modifications to histones act like a molecular 'code' recognized and used by non-histone proteins to regulate specific chromatin functions. One modification, which has received significant attention, is that of histone acetylation. The enzymes that regulate this modification are described as lysine acetyltransferases or KATs, and histone deacetylases or HDACs. Due to their conserved catalytic domain HDACs have been actively targeted as a therapeutic target. The pro-inflammatory environment is increasingly being recognized as a critical element for both degenerative diseases and cancer. The present review will discuss the current knowledge surrounding the clinical potential and current development of histone deacetylases for the treatment of diseases for which a pro-inflammatory environment plays important roles, and the molecular mechanisms by which such inhibitors may play important functions in modulating the pro-inflammatory environment. © 2009 Foundation for Cellular and Molecular Medicine/Blackwell Publishing Ltd.

Regulation of ROCK1 via Notch1 during breast cancer cell migration into dense matrices

Background The behaviour of tumour cells depends on factors such as genetics and the tumour microenvironment. The latter plays a crucial role in normal mammary gland development and also in breast cancer initiation and progression. Breast cancer tissues tend to be highly desmoplastic and dense matrix as a pre-existing condition poses one of the highest risk factors for cancer development. However, matrix influence on tumour cell gene expression and behaviour such as cell migration is not fully elucidated. Results We generated high-density (HD) matrices that mimicked tumour collagen content of 20 mg/cm3 that were ~14-fold stiffer than low-density (LD) matrix of 1 mg/cm3. Live-cell imaging showed breast cancer cells utilizing cytoplasmic streaming and cell body contractility for migration within HD matrix. Cell migration was blocked in the presence of both the ROCK inhibitor, Y-27632, and the MMP inhibitor, GM6001, but not by the drugs individually. This suggests roles for ROCK1 and MMP in cell migration are complicated by compensatory mechanisms. ROCK1 expression and protein activity, were significantly upregulated in HD matrix but these were blocked by treatment with a histone deacetylase (HDAC) inhibitor, MS-275. In HD matrix, the inhibition of ROCK1 by MS-275 was indirect and relied upon protein synthesis and Notch1. Inhibition of Notch1 using pooled siRNA or DAPT abrogated the inhibition of ROCK1 by MS-275. Conclusion Increased matrix density elevates ROCK1 activity, which aids in cell migration via cell contractility. The upregulation of ROCK1 is epigenetically regulated in an indirect manner involving the repression of Notch1. This is demonstrated from inhibition of HDACs by MS-275, which caused an upregulation of Notch1 levels leading to blockade of ROCK1 expression.

Infrared Spectroscopic Studies to Understand the Effect of Drugs at Molecular Level

In the recent past, there have been enormous efforts to understand effect of drugs on human body. Prior to understand the effect of drugs on human body most of the experiments are carried out on cells or model organisms. Here we present our study on the effect of chemotherapeutic drugs on cancer cells and the acetaminophen (APAP) induced hepatotoxicity in mouse model. Histone deacetylase inhibitors (HDIs) have attracted attention as potential drug molecules for the treatment of cancer. These are the chemotherapeutic drugs which have indirect mechanistic action against cancer cells via acting against histone deacetylases (HDAC). It has been known that different HDAC enzymes are over-expressed in various types of cancers for example; HDAC1 is over expressed in prostate, gastric and breast carcinomas. Therefore, in order to optimise chemotherapy, it is important to determine the efficacy of various classes of HDAC inhibitor drugs against variety of over-expressed HDAC enzymes. In the present study, FTIR microspectroscopy has been employed to predict the acetylation and propionylation brought in by HDIs. The liver plays an important role in cellular metabolism and is highly susceptible to drug toxicity. APAP which is an analgesic and antipyretic drug is extensively used for therapeutic purposes and has become the most common cause of acute liver failure (ALF). In the current study, we have focused to understand APAP induced hepatotoxicity using FTIR microspectroscopy. In the IR spectrum the bands corresponding to glycogen, ester group and were found to be suitable markers to predict liver injury at early time point (0.5hr) due to APAP both in tissue and serum in comparison to standard biochemical assays. Our studies show the potential of FTIR spectroscopy as a rapid, sensitive and non invasive detection technique for future clinical diagnosis.

Prognostic and therapeutic relevance of c-FLIP in acute myeloid leukaemia

Chemoresistance is a major contributor to the aggressiveness of AML and is often due to insufficient apoptosis. The CFLAR gene is expressed as long and short splice forms encoding the anti-apoptotic proteins c-FLIP(L) and c-FLIP(S) (CFLAR(L) and CFLAR(S) , respectively) that play important roles in drug resistance. In univariate analyses of CFLAR mRNA expression in adult AML patients, those individuals with higher than median mRNA expression of the long splice form CFLAR(L) (but not the short splice form) had significantly lower 3 year overall survival (P = 0·04) compared to those with low expression. In cell line studies, simultaneous down-regulation of c-FLIP(L) and c-FLIP(S) proteins using siRNA induced apoptosis in U937 and NB-4 AML cells, but not K562 or OCI-AML3 cells. However, dual c-FLIP(L/S) downregulation sensitized all four cell lines to apoptosis induced by recombinant tumour necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (rTRAIL). Moreover, specific downregulation of c-FLIP(L) was found to recapitulate the phenotypic effects of dual c-FLIP(L/S) downregulation. The histone deacetylase (HDAC)1/2/3/6 inhibitor Vorinostat was found to potently down-regulate c-FLIP(L) expression by transcriptional and post-transcriptional mechanisms and to sensitize AML cells to rTRAIL. Further analyses using more selective HDAC inhibitors revealed that HDAC6 inhibition was not required for c-FLIP(L) down-regulation. These results suggest that c-FLIP(L) may have clinical relevance both as a prognostic biomarker and potential therapeutic target for HDAC inhibitors in AML although this requires further study.

Sustained inhibition of deacetylases is required for the antitumor activity of the histone deactylase inhibitors panobinostat and vorinostat in models of colorectal cancer

Despite compelling preclinical data in colorectal cancer (CRC), the efficacy of HDACIs has been disappointing in the clinic. The goal of this study was to evaluate the effectiveness of vorinostat and panobinostat in a dose- and exposure-dependent manner in order to better understand the dynamics of drug action and antitumor efficacy. In a standard 72 h drug exposure MTS assay, notable concentration-dependent antiproliferative effects were observed in the IC50 range of 1.2-2.8 μmol/L for vorinostat and 5.1-17.5 nmol/L for panobinostat. However, shorter clinically relevant exposures of 3 or 6 h failed to elicit any significant growth inhibition and in most cases a >24 h exposure to vorinostat or panobinostat was required to induce a sigmoidal dose-response. Similar results were observed in colony formation assays where ≥ 24 h of exposure was required to effectively reduce colony formation. Induction of acetyl-H3, acetyl-H4 and p21 by vorinostat were transient and rapidly reversed within 12 h of drug removal. In contrast, panobinostat-induced acetyl-H3, acetyl-H4, and p21 persisted for 48 h after an initial 3 h exposure. Treatment of HCT116 xenografts with panobinostat induced significant increases in acetyl-H3 and downregulation of thymidylate synthase after treatment. Although HDACIs exert both potent growth inhibition and cytotoxic effects when CRC cells were exposed to drug for ≥ 24 h, these cells demonstrate an inherent ability to survive HDACI concentrations and exposure times that exceed those clinically achievable. Continued efforts to develop novel HDACIs with improved pharmacokinetics/phamacodynamics, enhanced intratumoral delivery and class/isoform-specificity are needed to improve the therapeutic potential of HDACIs and HDACI-based combination regimens in solid tumors.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Methods for the analysis of histone H3 and H4 acetylation in blood

LBH589 is one of the many histone deacetylase inhibitors (HDACi) that are currently in clinical trial. Despite their wide-spread use, there is little literature available describing the typical levels of histone acetylation in untreated peripheral blood, the treatment and storage of samples to retain optimal measurement of histone acetylation nor methods by which histone acetylation analysis may be monitored and measured during the course of a patient’s treatment. In this study, we have used cord or peripheral blood as a source of human leukocytes, performed a comparative analysis of sample processing methods and developed a flow cytometric method suitable for monitoring histone acetylation in isolated lymphocytes and liquid tumors. Western blotting and immunohistochemistry techniques have also been addressed. We have tested these methods on blood samples collected from four patients treated with LBH589 as part of an Australian Children’s Cancer Clinical Trial (CLBH589AAU03T) and show comparable results when comparing in vitro and in vivo data. This paper does not seek to correlate histone acetylation levels in peripheral blood with clinical outcome but describes methods of analysis that will be of interest to clinicians and scientists monitoring the effects of HDACi on histone acetylation in blood samples in clinical trials or in related research studies.

Effects of histone hyperacetylation on the preimplantation development of male and female bovine embryos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ruolo dell'Enantiomero (R)-9-HSA nel controllo della proliferazione in una linea di Adenocarcinoma del Colon umano

9-hydroxystearic acid (9-HSA) is an endogenous lipoperoxidation product and its administration to HT29, a colon adenocarcinoma cell line, induced a proliferative arrest in G0/G1 phase mediated by a direct activation of the p21WAF1 gene, bypassing p53. We have previously shown that 9-HSA controls cell growth and differentiation by inhibiting histone deacetylase 1 (HDAC1) activity, showing interesting features as a new anticancer drug. The interaction of 9-HSA with the catalytic site of the 3D model has been tested with a docking procedure: noticeably, when interacting with the site, the (R)-9-enantiomer is more stable than the (S) one. Thus, in this study, (R)- and (S)-9-HSA were synthesized and their biological activity tested in HT29 cells. At the concentration of 50 M (R)-9-HSA showed a stronger antiproliferative effect than the (S) isomer, as indicated by the growth arrest in G0/G1. The inhibitory effect of (S)-9-HSA on HDAC1, HDAC2 and HDAC3 activity was less effective than that of the (R)-9-HSA in vitro, and the inhibitory activity of both the (R)- and the (S)-9-HSA isomer, was higher on HDAC1 compared to HDAC2 and HDAC3, thus demonstrating the stereospecific and selective interaction of 9-HSA with HDAC1. In addition, histone hyperacetylation caused by 9-HSA treatment was examined by an innovative HPLC/ESI/MS method. Analysis on histones isolated from control and treated HT29 confirmed the higher potency of (R)-9-HSA compared to (S)-9-HSA, severely affecting H2A-2 and H4 acetylation. On the other side, it seemed of interest to determine whether the G0/G1 arrest of HT29 cell proliferation could be bypassed by the stimulation with the growth factor EGF. Our results showed that 9-HSA-treated cells were not only prevented from proliferating, but also showed a decreased [3H]thymidine incorporation after EGF stimulation. In this condition, HT29 cells expressed very low levels of cyclin D1, that didn’t colocalize with HDAC1. These results suggested that the cyclin D1/HDAC1 complex is required for proliferation. Furthermore, in the effort of understanding the possible mechanisms of this effect, we have analyzed the degree of internalization of the EGF/EGFR complex and its interactions with HDAC1. EGF/EGFR/HDAC1 complex quantitatively increases in 9-HSA-treated cells but not in serum starved cells after EGF stimulation. Our data suggested that 9-HSA interaction with the catalytic site of the HDAC1 disrupts the HDAC1/cyclin D1 complex and favors EGF/EGFR recruitment by HDAC1, thus enhancing 9-HSA antiproliferative effects. In conclusion 9-HSA is a promising HDAC inhibitor with high selectivity and specificity, capable of inducing cell cycle arrest and histone hyperacetylation, but also able to modulate HDAC1 protein interaction. All these aspects may contribute to the potency of this new antitumor agent.

Der Einfluss der Zellalterung auf die pathobiochemischen Prozesse von Morbus Alzheimer und weiteren neurodegenerativen Erkrankungen

Die am häufigsten auftretende altersassoziierte neurodegenerative Krankheit ist die Alzheimer Demenz. Ein mit entscheidender Schritt bei der Entstehung der Alzheimer Erkrankung ist wahrscheinlich die Produktion des Aβ-Peptids durch proteolytische Spaltung das Amyloid-Vorläuferproteins APP. In der vorliegenden Arbeit wurde die altersabhängige Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP) in Fibroblasten von Hautbiopsien von Familiärer Alzheimer-, Trisomie21 und Niemann-Pick Typ C-Krankheit untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten Fibroblasten wurden bis zum Erreichen des zellulären Wachstumsstopps (replikative Seneszenz) seriell passagiert und die Untersuchungen erfolgten an Zellen aufsteigender PDL. Dabei zeigte sich, dass, unabhängig von dem durch die Krankheit vorliegenden genetischen biochemischen Hintergrund, die APP-Prozessierung im Laufe der Zellalterung progressiv verringert wird. Die altersabhängig ansteigenden Cholesterinspiegel führten zu einer Reduktion der APP-Reifung und infolge dessen nahmen sowohl die intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) als auch die extrazellulären APP-Fragmente (sAPPα, sAPP) ab. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die γ-Sekretase-Aktivität abnimmt. Dies war verbunden mit einem Rückgang der Proteinspiegel von Nicastrin und Presenilin, beides Komponenten des γ-Sekretase-Komplexes. Obwohl die Proteinexpression der α-Sekretase ADAM10 altersassoziiert konstant blieb, nahm die α-Sekretase-Aktivität mit steigendem Lebensalter ab. Erste Untersuchungen zeigten, dass die NAD+-abhängige Histon-Deacetylase SIRT1 eine wichtige Rolle im Bezug auf die α-Sekretase-Aktivität spielen könnte. Im Gegensatz zu den Abnahmen der α- und γ-Sekretase-Aktivitäten konnte eine erhöhte Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen beobachtet werden. Die mRNA-Menge und Proteinspiegel der ß-Sekretase BACE1 blieben dabei unverändert. Des Weiteren zeigte sich eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität bei Behandlung von jungen Zellen mit konditioniertem Medium seneszenter Zellen. Da sensezente Zellen einem Proliferationsstopp in der G1-Phase unterliegen, wurde der Einfluss des Zellzyklus-Inhibitors Aphidicolin auf die β-Sekretase untersucht. Hier wurde sowohl in IMR90 Fibroblasten als auch in Neuroblastoma-Zellen N2a eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität nach Zugabe der Inhibitoren beobachtet. Auch kommt es im Zuge der Alterung zu einer verstärkten Expression inflammatorischer Zytokine, die mit der Entstehung von Aβ-Peptiden in Verbindung gebracht werden. Deshalb wurde der Einfluss von Zytokinen auf die β-Sekretase-Aktivität untersucht. Die Zugabe von Interferon-γ und Interleukin 6 führte bei jungen IMR90-Zellen zu einem Anstieg der β-Sekretase-Aktivität, während bei alten Zellen keine Änderung zu verzeichnen war.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Role of (R)-9-hydroxystearic acid in zebrafish development

9-hydroxystearic acid (9-HSA) belongs to a class of lipid peroxidation products identified in several human and murine cell lines. These products are greatly diminished in tumors compared to normal tissues and their amount is inversely correlated with the malignancy of the tumor. 9-HSA activity has been tested in cancer cell lines, where it showed to act as a histone deacetylase 1 (HDAC1) inhibitor. In particular, in a colon cancer cell line (HT29), its administration resulted in an inhibition of proliferation together with an induction of differentiation. In this thesis the effect of (R)-9-hydroxystearic acid has been tested in vivo on cell proliferation and differentiation processes, in the early stages of zebrafish development. The final aim of this work was to elucidate the role of (R)-9-HSA in the control of cell differentiation and proliferation during normal development, in order to better understand its molecular control of cancerogenesis. The molecule has been administered via injection in the yolk of zebrafish embryos. The analysis of the histone acetylation pattern showed a hyperacetilation of histone H4 after treatment with the molecule, as detectable in HDAC1 mutants. (R)-9-HSA was also demonstrated to interfere with the signaling pathways that regulate proliferation and differentiation in zebrafish retina and hindbrain. This resulted in a reduction of proliferation in the hindbrain at 24 hours post injection (hpi), and in a hyperproliferation at 48 and 72 hpi in the retina, with a concomitant inhibition of differentiation. Finally, (R)-9-HSA effects were evident on proliferation of stem cell located in the ciliary marginal zone (CMZ) of the retina. The presence of ROS and 4-hydroxynoneal in the CMZ of wild-type embryos supports the hypothesis that oxidative stress could regulate stem cells fate in zebrafish retina.

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.