Role of heme regulated eIF2α kinase in pancreatic beta cell function and viability

The eukaryotic translation initiation factor 2 alpha (eIF2α) is part of the initiation complex that drives the initiator amino acid methionine to the ribosome, a crucial step in protein translation. In stress conditions such as virus infection, endoplasmic reticulum (ER) stress, amino acid or heme deficiency eIF2α can be phosphorylated and thereby inhibit global protein synthesis. This adaptive mechanism prevents protein accumulation and consequent cytotoxic effects. Heme-regulated eIF2α kinase (HRI) is a member of the eIF2α kinase family that regulates protein translation in heme deficiency conditions. Although present in all tissues, HRI is predominantly expressed in erythroid cells where it remains inactive in the presence of normal heme concentrations. In response to heme deficiency, HRI is activated and phosphorylates eIF2α decreasing globin synthesis. This mechanism is important to prevent accumulation of heme-free globin chains which cause ER stress and apoptosis. RNA sequencing data from our group showed that in human islets and in primary rat beta cells HRI is the most expressed eIF2α kinase compared to the other family members. Despite its high expression levels, little is known about HRI function in beta cells. The aim of this project is to identify the role of HRI in pancreatic beta cells. This was investigated taking a loss-of-function approach. HRI knock down (KD) by RNA interference induced beta cell apoptosis in basal condition. HRI KD potentiated the apoptotic effects of palmitate or proinflammatory cytokines, two in vitro models for type 2 and type 1 diabetes, respectively. Increased cytokine-induced apoptosis was also observed in HRI-deficient primary rat beta cells. Unexpectedly, we observed a mild increase in eIF2α phosphorylation in HRI-deficient cells. The levels of mRNA or protein expression of C/EBP homologous protein (CHOP) and activating transcription factor 4 (ATF4) were not modified. HRI KD cells have decreased spliced X-box binding protein 1 (XBP1s), an important branch of the ER stress response. However, overexpression of XBP1s by adenovirus in HRI KD cells did not protect from HRI siRNA-induced apoptosis. HRI deficiency decreased phosphorylation of Akt and its downstream targets glycogen synthase kinase 3 (GSK3), forkhead box protein O1 (FOXO1) and Bcl-2-associated death promoter (BAD). Overexpression of a constitutively active form of Akt by adenovirus in HRI-deficient beta cells partially decreased HRI KD-mediated apoptosis. Interestingly, BAD silencing protected from apoptosis caused by HRI deficiency. HRI silencing in beta cells also induced JNK activation. These results suggest an important role of HRI in beta cell survival through modulation of the Akt/BAD pathway. Thus, HRI may be an interesting target to modulate beta cell fate in diabetic conditions.

Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.