The use of proteomics to identify markers associated with metastasis in "Leishmania Viannia" species the role of tryparedoxin peroxidase

RESUME En Amérique Centrale et en Amérique du Sud, la leishmaniose cutanéo-muqueuse (LCM) est provoquée par le protozoaire Leishmania du sous-genre Viannia dont font partie L. (V.) braziliensis, L. (V.) panamensis et L. (V.) guyanensis. Dans la LCM, après guérison apparente de la lésion primitive, des lésions secondaires peuvent apparaître dues à la migration de l'infection à partir du site d'inoculation vers les muqueuses de l'ororhino-pharynx. Ce type de dissémination, communément appelé métastase, peut se produire plusieurs années après la guérison de la lésion cutanée initiale, et est un facteur majeur contribuant à la morbidité associée à la LCM. L'expression reproductible de l'activité métastatique au sein de populations discrètes de leishmanies chez le hamster fournit un modèle expérimental permettant d'étudier le degré de virulence du parasite. Nous avons utilisé des clones de L. (V.) guyanensis présentant des phénotypes stables allant d'un caractère hautement métastatique (M+) à non-métastatique (M-) comme outils pour mettre en évidence des facteurs spécifiques liés à la métastase chez les leishmanies du Nouveau Monde. Des analyses protéomiques comparatives utilisant l'électrophorèse bidimensionnelle sur gel de polyacrylamide couplée à de la spectrométrie de masse ont permis l'identification de plusieurs formes de la tryparedoxine peroxidase (TXNPx) en tant que polypeptides associés au phénotype métastatique. TXNPx, une enzyme de la famille des peroxiredoxines (Prxs), protéines antioxydantes, fonctionne comme la dernière peroxydase d'une cascade d'oxydoréductases qui réduit le peroxyde d'hydrogène aux dépens de NADPH. Toutes les Prxs sont caractérisées par un (1-Cys Prx) ou par deux résidus cystéines (2-Cys Prx), respectivement placés dans un environnement structurel conservé de la protéine et sont centrales dans la réaction catalytique. Des immuno-empreintes (« immunoblotting ») ont révélé que TXNPx est présente sous forme dimérique dans les promastigotes (M+) alors que dans les promastigotes, (M-) TXNPx est présente sous forme monomérique et dimérique. Cette caractéristique spécifique de dimérisation pourrait expliquer les différentes activités enzymatiques observées entre les deux promastigotes (M+) et (M-) en présence de peroxyde d'hydrogène ainsi que leur différence de survie et de charge parasitaire à l'intérieur des macrophages. Par conséquent, le processus métastatique pourrait être lié à la capacité du parasite à échapper efficacement aux défenses microbicides de la cellule hôte. ABSTRACT In South and Central America, protozoan parasites of the Leishmania Viannia subgenus including L. (V.) braziliensis, L. (V.) guyanensis and L. (V). panamensis cause mucocutaneous leishmaniasis (MCL). In MCL, after apparent cure of the primary lesion, secondary lesions may appear in the nasopharyngeal tissues of the infected host due to dissemination of the infection from the inoculation site. This type of dissemination, known as metastasis, can occur several years after healing of the original cutaneous lesion, and is a major contributory factor to the morbidity associated with MCL. The reproducible expression of metastasis by discrete populations of Leishmania parasites in hamsters provides an experimental model to examine the expression of parasite virulence. We used laboratory clones of L. (V.) guyanensis with stable phenotypes ranging from highly metastatic (M+) to non-metastatic (M-) as tools for the discovery of specific factors associated with metastasis in New World Leishmania species. Comparative proteome analyses via 2D-electrophoresis (2-DE) coupled with mass spectrometry (MS) enabled the identification of various isoforms of tryparedoxin peroxidase (TXNPx) as polypeptides associated with the metastatic phenotype. TXNPx, an enzyme related to the antioxidant peroxiredoxin family (Prx) functions as the terminal peroxidase of a redox cascade that reduces hydroperoxides by NADPH. All Prxs are characterized by one (1-Cys Prx) or two cysteine residue(s) (2-Cys Prx), respectively, located in a conserved structural environment of the protein which are central for the catalytic reaction. Immunoblotting analysis revealed that, under non-reducing denaturing conditions, TXNPx is present in dimeric forms in (M+) promastigotes, whereas in (M-) promastigotes, both monomeric and dimeric forms are found. This specific dimerization feature may explain the different enzymatic activities of both (M+) and (M-) promastigote parasites in the presence of H2O2 and their difference in survival and parasite load inside macrophages. Therefore, the metastatic process could be related to the ability of the parasite to efficiently evade the microbicidal effect of the host cell.

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Activation mechanisms of the protease MALT1 and cleavage of one of its targets - the ribonuclease Regnase-1- in lymphocytes and lymphoma cell lines

Persistent infection induces an adaptive immune response that is mediated by T and B lymphocytes. Upon triggering with an antigen, these cells become activated and turn into fast expanding cells able to efficiently defend the host. Lymphocyte activation is controlled by a complex composed of CARMA1, BCL10 and MALT1 which regulates the NF-KB signaling pathway upon antigen triggering. Abnormally high expression or activity of either one of these three proteins can favor the development of lymphomas, while genetic defects in the pathway are associated with immunodeficiency. MALT1 was identified as a paracaspase sharing homology with other cysteine proteases, namely caspases and metacaspases. In order to be active, caspases need to dimerize. Based on their sequence similarity with MALT1, we hypothesized that dimerization might also be a mechanism of activation employed by MALT1. To address this assumption, we performed a bioinformatics modelling based on the crystal structures of several caspases. Our model suggested that the MALT1 caspase-like domain can indeed form dimers. This finding was later confirmed by several published crystal structures of MALT1. In the dimer interface of our model, we noticed the presence of charged amino acids that could potentially form salt bridges and thereby hold both monomers together. Mutation of one of these residues, E549, into alanine completely blocked the catalytic activity of MALT1. Additionally, we provided evidence for a role of E549 in promoting the MALTl-dependent growth of cells derived from diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) of the aggressive B cell-like type (ABC). To our initial surprise, the E549A mutation showed only a partial defect in dimerization, indicating that additional residues are essential to form a stable dimer. The MALT1 crystal structures revealed a key function for E549 in stabilizing the catalytic site of the protease via its interaction with an arginine which is located next to the catalytic active cysteine. In an additional study, we discovered that MALT1 monoubiquitination is required for the catalytic activity of the protease. Interestingly, we found that the MALT1 dimer interface mutant E549A could not be monoubiquitinated. Based on these findings, we suggest that correct formation of the dimer interface is a prerequisite for monoubiquitination. In a second project, we discovered a novel target of the protease MALT1, the ribonuclease Regnase¬la It was described that the RNase activity of Regnase-1 negatively regulates immune responses. We could show that in ABC DLBCL cell lines, Regnase-1 is not only cleaved by MALT1 but also phosphorylated, at least in part, by the inhibitor of KB kinase (IKK). Both regulations appear to restrain the RNase function of Regnase-1 and thereby allow the production of pro-survival proteins. In conclusion, our studies further highlight and explain the importance of the catalytic activity of MALT1 for the activation of lymphocytes and provide additional knowledge for the development of specific drugs targeting the catalytic activity of MALT1 for immunomodulation and treatment of lymphomas.  SUMMARY IN FRENCH PhD Thesis Katrin Cabalzar 2 SUMMARY IN FRENCH Une infection persistante induit une réponse immunitaire adaptative par l'intermédiaire des lymphocytes T et B. Quand elles reconnaissent l'antigène, ces cellules sont activées et se multiplient très rapidement pour défendre efficacement l'hôte. L'activation des lymphocytes est transmise par un complexe composé de trois protéines, CARMA1, BCL10 et MALT1, qui régule la voie de signalisation NF-KB lorsque l'antigène est reconnu. L'expression ou l'activité anormalement élevée de l'une de ces trois protéines peut favoriser le développement de lymphomes, tandis que des défauts génétiques de cette voie de signalisation sont associés à l'immunodéficience. MALT1 a été identifiée comme étant une paracaspase qui partage des séquences homologues avec d'autres protéases à cystéine, comme les caspases et les métacaspases. Pour être actives, les caspases ont besoin de dimériser. Etant donné leur similarité de séquence avec MALT1, nous avons supposé que la dimérisation pouvait aussi être un mécanisme d'activation utilisé par MALT1. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons conçu un modèle bioinformatique à partir des structures cristallographiques de plusieurs caspases. Et notre modèle a suggéré que le domaine catalytique de MALT1 était effectivement capable de former des dimères. Cette découverte a été confirmée plus tard par des publications qui montrent des structures cristallographiques dimériques de MALT1. Dans l'interface du dimère de notre modèle, nous avons remarqué la présence d'acides aminés chargés qui pouvaient former des liaisons ioniques et ainsi réunir les deux monomères. La mutation de l'un de ces résidus, E549, pour une alanine, a complètement inhibé l'activité catalytique de MALT1. De plus, nous avons mis en évidence un rôle d'E549 dans la croissance dépendante de MALT1, des cellules dérivées de lymphomes B diffus à grandes cellules (DLBCL) de sous-type cellules B actives (ABC). Dans un premier temps nous avons été surpris de constater que cette mutation révélait seulement un défaut partiel de dimérisation, ce qui indique que des acides aminés supplémentaires sont indispensables pour former un dimère stable. Les structures cristallographiques de MALT1 ont révélé un rôle primordial d'E549 dans la stabilisation du site catalytique de la protéase via son interaction avec une arginine qui se trouve à côté de la cystéine du site actif. Dans une autre étude, nous avons découvert que la monoubiquitination de MALT1 est requise pour l'activité catalytique de la protéase. A remarquer que nous avons trouvé que le mutant E549A de l'interface dimère de MALT1 n'a pas pu être monoubiquitiné. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que la formation correcte de l'interface du dimère est une condition préalable pour la monoubiquitination. Dans un second projet, nous avons découvert une nouvelle cible de la protéase MALT1, la ribonucléase Regnase-1. Il a été décrit que l'activité RNase de Regnase-1 régulait négativement les réponses immunitaires. Nous avons pu montrer que dans les lignées cellulaires ABC DLBCL, la Regnase-1 n'était pas seulement clivée par MALT1 mais également phosphorylée, au moins en partie, par la kinase de l'inhibiteur de KB (IKK). Les deux régulations semblent supprimer la fonction RNase de Regnase-1 et permettre ainsi la stabilisation de certains ARN messagers et la production de protéines favorisant la survie. En conclusion, nos études mettent en évidence le rôle-clé de la dimérisation de MALT1 et expliquent l'importance de l'activité catalytique de MALT1 pour l'activation des lymphocytes. Ainsi, nos résultats apportent des connaissances supplémentaires pour le développement de médicaments spécifiques ciblant l'activité catalytique de MALT1, qui pourraient être utiles pour modifier les réponses immunitaires et traiter des lymphomes.

Mécanismes moléculaires de l'homodimérisation de la protéine Scaffold IB1 et son implication dans la sécrétion d'insuline

RÉSUMÉ Les kinases activées par des mitogènes (MAPKs) constituent une importante famille d'enzymes conservée dans l'évolution. Elles forment un réseau de signalisation qui permet à la cellule de réguler spécifiquement divers processus impliqués dans la différenciation, la survie ou l'apoptose. Les kinases formant le module MAPK sont typiquement disposées en cascades de trois partenaires qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. Le module minimum est constitué d'une MAPK kinase kinase (MAPKKK), d'une MAPK kinase (MAPKK) et d'une MAPK. Une fois activée, la MAPK phosphoryle différents substrats tels que des facteurs de transcription ou d'autres protéines. Chez les mammifères, trois groupes principaux de MAPKs ont été identifiés. Il s'agit du groupe des kinases régulées par des signaux extracellulaires du type «mitogènes » (ERK), ainsi que des groupes p38 et cJun NH2-terminal kinase (JNK), ou SAPK pour stress activated protein kinase, plutôt activées par des stimuli de type «stress ». De nombreuses études ont impliqué JNK dans la régulation de différents processus physiologiques et pathologiques, comme le diabète, les arthrites rhumatoïdes, l'athérosclérose, l'attaque cérébrale, les maladies de Parkinson et d'Alzheimer. JNK, en particulier joue un rôle dans la mort des cellules sécrétrices d'insuline induite par l'interleukine (IL)-1 β, lors du développement du diabète de type 1. IB1 est une protéine scaffold (échafaud) qui participe à l'organisation du module de JNK. IB1 est fortement exprimée dans les neurones et les cellules β du pancréas. Elle a été impliquée dans la survie des cellules, la régulation de l'expression du transporteur du glucose de type 2 (Glut-2) et dans le processus de sécrétion d'insuline glucose-dépendante. IBl est caractérisée par plusieurs domaines d'interaction protéine-protéine : un domaine de liaison à JNK (JBD), un domaine homologue au domaine 3 de Src (SH3) et un domaine d'interaction avec des tyrosines phosphorylées (PID). Des partenaires d'IB1, incluant les membres de la familles des kinases de lignée mélangée (MLKs), la MAPKK MKK7, la phosphatase 7 des MAPKs (MKP-7) ainsi que la chaîne légère de la kinésine, ont été isolés. Tous ces facteurs, sauf les MLKs et MKK7 interagissent avec le domaine PID ou l'extrême partie C-terminale d'IBl (la chaîne légère de la kinésine). Comme d'autres protéines scaffolds déjà décrites, IBl et un autre membre de la famille, IB2, sont capables d'homo- et d'hétérodimériser. L'interaction a lieu par l'intermédiaire de leur région C-terminale, contenant les domaines SH3 et PID. Mais ni le mécanisme moléculaire, ni la fonction de la dimérisation n'ont été caractérisés. Le domaine SH3 joue un rôle central lors de l'assemblage de complexes de macromolécules impliquées dans la signalisation intracellulaire. Il reconnaît de préférence des ligands contenant un motif riche en proline de type PxxP et s'y lie. Jusqu'à maintenant, tous les ligands isolés se liant à un domaine SH3 sont linéaires. Bien que le domaine SH3 soit un domaine important de la transmission des signaux, aucun partenaire interagissant spécifiquement avec le domaine SH3 d'IB1 n'a été identifié. Nous avons démontré qu'IBl homodimérisait par un nouveau set unique d'interaction domaine SH3 - domaine SH3. Les études de cristallisation ont démontré que l'interface recouvrait une région généralement impliquée dans la reconnaissance classique d'un motif riche en proline de type PxxP, bien que le domaine SH3 d'IB1 ne contienne aucun motif PxxP. L'homodimère d'IB1 semble extrêmement stable. Il peut cependant être déstabilisé par trois mutations ponctuelles dirigées contre des résidus clés impliqués dans la dimérisation. Chaque mutation réduit l'activation basale de JNK dépendante d'IB 1 dans des cellules 293T. La déstabilisation de la dimérisation induite par la sur-expression du domaine SH3, provoque une diminution de la sécrétion d'insuline glucose dépendant. SUMMARY Mitogen activated kinases (MAPK) are an important and conserved enzyme family. They form a signaling network required to specifically regulate process involved in cell differentiation, proliferation or death. A MAPK module is typically organized in a threekinase cascade which are activated by sequential phosphorylation. The MAPK kinase kinase (MAPKKK), the MAPK kinase (MAPKK) and the MAPK constitute the minimal module. Once activated, the MAPK phosphorylates its targets like transcription factors or other proteins. In mammals, three major groups of MAPKs have been identified : the group of extra-cellular regulated kinase (ERK) which is activated by mitogens and the group of p38 and cJun NH2-terminal kinase (JNK) or SAPK for stress activated protein kinase, which are activated by stresses. Many studies implicated JNK in many physiological or pathological process regulations, like diabetes, rheumatoid arthritis, arteriosclerosis, strokes or Parkinson and Alzheimer disease. In particular, JNK plays a crucial role in pancreatic β cell death induced by Interleukin (IL)-1 β in type 1 diabetes. Islet-brain 1 (IB 1) is a scaffold protein that interacts with components of the JNK signal-transduction pathway. IB 1 is expressed at high levels in neurons and in pancreatic β-cells, where it has been implicated in cell survival, in regulating expression of the glucose transporter type 2 (Glut-2) and in glucose-induced insulin secretion. It contains several protein-protein interaction domains, including a JNK-binding domain (JBD), a Src homology 3 domain (SH3) and a phosphotyrosine interaction domain (PID). Proteins that have been shown to associate with IB 1 include members of the Mixed lineage kinase family (MLKs), the MAPKK MKK7, the MAPK phosphatase-7 MKP7, as well as several other ligands including kinesin light chain, LDL receptor related family members and the amyloid precursor protein APP. All these factors, except MLK3 and MKK7 have been shown to interact with the PID domain or the extreme C-terminal part (Kinesin light chain) of IB 1. As some scaffold already described, IB 1 and another member of the family, IB2, have previously been shown to engage in oligomerization through their respective C-terminal regions that include the SH3 and PID domains. But neither the molecular mechanisms nor the function of dimerization have yet been characterized. SH3 domains are central in the assembly of macromolecular complexes involved in many intracellular signaling pathways. SH3 domains are usually characterized by their preferred recognition of and association with canonical PxxP motif. In all these cases, a single linear sequence is sufficient for binding to the SH3 domain. However, although SH3 domains are important elements of signal transduction, no protein that interacts specifically with the SH3 domain of IB 1 has been identified so far. Here, we show that IB 1 homodimerizes through a navel and unique set of SH3-SH3 interactions. X-ray crystallography studies indicate that the dieter interface covers a region usually engaged in PxxP-mediated ligand recognition, even though the IB 1 SH3 domain lacks this motif. The highly stable IB 1 homodimer can be significantly destabilized in vitro by individual point-mutations directed against key residues involved in dimerization. Each mutation reduces IB 1-dependent basal JNK activity in 293T cells. Impaired dimerization induced by over-expression of the SH3 domain also results in a significant reduction in glucose-dependent insulin secretion in pancreatic β-cells.