The Mechanisms of Hedgehog Signal Transduction

Studies in both vertebrates and invertebrates have identified proteins of the Hedgehog (Hh) family of secreted signaling molecules as key organizers of tissue patterning. Initially discovered in Drosophila in 1992, Hh family members have been discovered in animals with body plans as diverse as those of mammals, insects and echinoderms. In humans three related Hh genes have been identified: Sonic, Indian and Desert hedgehog (Shh, Ihh and Dhh). Transduction of the Hh signal to the cytoplasm utilizes an unusual mechanism involving consecutive repressive interactions between Hh and its receptor components, Patched (Ptc) and Smoothened (Smo). Several cytoplasmic proteins involved in Hh signal transduction are known in Drosophila, but mammalian homologs are known only for the Cubitus interruptus (Ci) transcription factor (GLI(1-3)) and for the Ci/GLI-associated protein, Suppressor of Fused (Su(fu)). In this study I analyzed the mechanisms of how the Hh receptor Ptc regulates the signal transducer Smo, and how Smo relays the Shh signal from the cell surface to the cytoplasm ultimately leading to the activation of GLI transcription factors. In Drosophila, the kinesin-like protein Costal2 (Cos2) is required for suppression of Hh target gene expression in the absence of ligand, and loss of Cos2 causes embryonic lethality. Cos2 acts by bridging Smo to the Ci. Another protein, Su(Fu) exerts a weak suppressive influence on Ci activity and loss of Su(Fu) causes subtle changes in Drosophila wing pattern. This study revealed that domains in Smo that are critical for Cos2 binding in Drosophila are dispensable for mammalian Smo function. Furthermore, by analyzing the function of Su(Fu) and the closest mouse homologs of Cos2 by protein overexpression and RNA interference I found that inhibition of the Hh response pathway in the absence of ligand does not require Cos2 activity, but instead critically depends on the activity of Su(Fu). These results indicate that a major change in the mechanism of action of a conserved signaling pathway occurred during evolution, probably through phenotypic drift made possible by the existence in some species of two parallel pathways acting between the Hh receptor and the Ci/GLI transcription factors. In a second approach to unravel Hh signaling we cloned > 90% of all human full-length protein kinase cDNAs and constructed the corresponding kinase-activity deficient mutants. Using this kinome resource as a screening tool, two kinases, MAP3K10 and DYRK2 were found to regulate Shh signaling. DYRK2 directly phosphorylated and induced the proteasome dependent degradation of the key Hh-pathway regulated transcription factor, GLI2. MAP3K10, in turn, affected GLI2 indirectly by modulating the activity of DYRK2.

LKB1 tumor suppression in Peutz-Jeghers Syndrome

Kasvainten, ajatellaan syntyvän yksittäisen solun perimän mutaatioista, jonka seurauksena tuon solun kasvu häiriintyy. Ruoansulatuskanavan polyyppien syntyä käytetään usein mallina siitä, miten nämä epiteelisoluun kerääntyvät mutaatiot aiheuttavat asteittain pahenevan kasvuhäiriön. Peutz–Jeghersin oireyhtymä (PJS) on perinnöllinen polypoosisyndrooma, jossa oireita aiheuttavat erityisesti maha-suolikanavan hamartomatoottiset polyypit. Noin puolella PJS potilaista havaitaan mutaatioita LKB1 kasvunrajoite geenissä. Hiirille joilta toinen Lkb1 alleeli on poistettu (Lkb1+/-) kehittyy PJS-tyypin maha-suolikanavan polyyppeja, joissa on epiteelin liikakasvun lisäksi merkittävä sileälihaskomponentti, aivan kuten PJS polyypeissa. Kuten myös muissa ruoansulatuskanavan polypooseissa, sekä PJS että hiirten polyypeissa Cyclo-oxygenaasi-2:n (COX-2) määrä on usein kohonnut. PJS-polyyppien kehittymisen molekulaarinen mekanismi on kuitenkin selvittämättä. Koska vain osa PJS potilaista kantaa LKB1 mutaatioita, mutaatiot jossakin toisessa lokuksessa saattaisivat selittää osan PJS tapauksista. Jotta PJS:n geneettinen tausta selviäisi, seulottiin kolmen LKB1:n kanssa interaktoivan proteiinin (BRG1, STRADα ja MO25α) geenit PJS potilaista joilla ei ole havaittu LKB1 mutaatioita. Yhdessäkään tutkituista geeneistä ei havaittu tautia aiheuttavia mutaatioita. Näiden kolmen geenin pois sulkeminen, ja uusien menetelmien ansiosta kasvanut havaittujen Lkb1 mutaatioden määrä viittaavat LKB1:n olevan useimpien PJS tapausten taustalla. COX-2:n estäjien käyttö on tehokkaasti vähentänyt polyyppien määrää familiaarisessa adenomatoottisessa polypoosissa. Tästä johtuen COX-2:n eston tehokkuutta tutkittiin PJS polypoosissa. PJS-tyypin polypoosin havaittin pienenevän merkittävästi Lkb1+/- hiirissä, joilta oli lisäksi poistettu toinen tai molemmat COX-2:n alleeleista. Lisäksi farmakologinen COX-2:n esto Celecoxib:lla vähensi polypoosia tehokkaasti. Näin ollen COX-2:n eston tehokkuutta tutkittiin seuraavaksi PJS potilaissa. Kuuden kuukauden Celecoxib hoidon jälkeen polypoosin havaittiin vähentyneen merkittävästi osalla potilaista (2/6). Nämä tulokset osoittavat COX-2:n roolin PJS-polyyppien kehityksessä, ja viittaavat COX-2:n eston vähentävän polypoosia. Kasvunrajoitegeenin klassisen määritelmän mukaan kasvaimen kehitys vaatii perinnöllisen mutaation lisäksi geenin toisenkin alleelin mutaation, mutta PJS-polyyppien häiriintyneestä epiteelistä ei kuitenkaan systemaattisesti löydy toista LKB1:n mutaatiota. Havainto johti tutkimukseen, jossa selvitettiin voisiko LKB1:n kasvun rajoitus välittyäkin epäsuorasti tukikudokseksi ajatelluista sileälihassoluista. Tätä tutkittiin kehittämällä poistogeeninen hiirimalli jossa Lkb1 on mutatoitunut vain sileälihassoluissa. Näille hiirille kehittyi polyyppeja, jotka ovat kaikin tavoin PJS-polyyppien kaltaisia. Lkb1:n menettäneiden solujen havaittiin tuottavan vähemmän transformoivaa kasvutekijä beetaa (TGFß), joka aiheutti solujen välisen viestinnän heikentymisen ja mahdollisesti viereisten epiteelisolujen liikakasvun. Vastaava häiriö havaittiin myös PJS-potilaiden polyypeissa, mikä viittaa siihen, että potilaillakin sileälihassolujen häiriö on polyyppien taustalla. Havainto suuntaa täten hoitokohteiden etsintää ja osoittaa että LKB1 toimii kasvunrajoittajana epätyypillisellä tavalla pitäen naapurisolujen kasvun kurissa.

Sweet potato chlorotic stunt virus: Studies on viral synergism and suppression of RNA silencing

The studies presented in this thesis aimed to a better understanding of the molecular biology of Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV, Crinivirus, Closteroviridae) and its role in the development of synergistic viral diseases. The emphasis was on the severe sweet potato virus disease (SPVD) that results from a synergistic interaction of SPCSV and Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV, Potyvirus, Potyviridae). SPVD is the most important disease affecting sweetpotato. It is manifested as a significant increase in symptom severity and SPFMV titres. This is accompanied by a dramatic sweetpotato yield reduction. SPCSV titres remain little affected in the diseased plants. Viral synergistic interactions have been associated with the suppression of an adaptive general defence mechanism discovered in plants and known as RNA silencing. In the studies of this thesis two novel proteins (RNase3 and p22) identified in the genome of a Ugandan SPCSV isolate were shown to be involved in suppression of RNA silencing. RNase3 displayed a dsRNA-specific endonuclease activity that enhanced the RNA-silencing suppression activity of p22. Comparative analyses of criniviral genomes revealed variability in the gene content at the 3´end of the genomic RNA1. Molecular analyses of different isolates of SPCSV indicated a marked intraspecific heterogeneity in this region where the p22 and RNase3 genes are located. Isolates of the East African strain of SPCSV from Tanzania and Peru and an isolate from Israel were missing a 767-nt fragment that included the p22 gene. However, regardless of the absence of p22, all SPCSV isolates acted synergistically with SPFMV in co-infected sweetpotato, enhanced SPFMV titres and caused SPVD. These results showed that p22 is dispensable for development of SPVD. The role of RNase3 in SPVD was then studied by generating transgenic plants expressing the RNase3 protein. These plants had increased titres of SPFMV (ca. 600-fold higher in comparison with nontransgenic plants) 2-3 weeks after graft inoculation and displayed the characteristic SPVD symptoms. RNA silencing suppression (RSS) activity of RNase3 was detected in agroinfiltrated leaves of Nicotiana bethamiana. In vitro studies showed that RNase3 was able to cleave small interferring RNAs (siRNA) to products of ~14-nt. The data thus identified RNase3 as a suppressor of RNA silencing able to cleave siRNAs. RNase3 expression alone was sufficient for breaking down resistance to SPFMV in sweetpotato and for the development of SPVD. Similar RNase III-like genes exist in animal viruses which points out a novel and possibly more general mechanism of RSS by viruses. A reproducible method of sweetpotato transformation was used to target RNA silencing against the SPCSV polymerase region (RdRp) with an intron-spliced hairpin construct. Hence, engineered resistance to SPCSV was obtained. Ten out of 20 transgenic events challenged with SPCSV alone showed significantly reduced virus titres. This was however not sufficient to prevent SPVD upon coinfection with SPFMV. Immunity to SPCSV seems to be required to control SPVD and targeting of different SPCSV regions need to be assessed in further studies. Based on the identified key role of RNase3 in SPVD the possibility to design constructs that target this gene might prove more efficient in future studies.