Regulatory Mechanisms involved in Th2 Cell Differentiation. A Proteomics Approach.

Th2-solujen erilaistumista ohjaavat säätelyverkostot ja niiden tutkiminen proteomiikan avulla Astma ja allergiat ovat laajalle levinneitä ja vakavia sairauksia, joista kärsivät miljoonat ihmiset ympäri maailmaa. Koe-eläimillä tehdyt tutkimukset osoittavat, että interleukiini-4 (IL-4) on tärkeä allergisen astman ja allergioiden kehittymiselle ja kroonistumiselle. Se ohjaa T-auttajasolujen (Th-solujen) kehittymistä Th2-tyypin soluiksi, joilla on merkittävä rooli näiden tautien puhkeamisessa. Th2-solut tuottavat myös itse IL-4:ä, joka edesauttaa taudin seuraavien vaiheiden kehittymistä. Erityisesti STAT6-proteiini, joka aktivoituu IL-4-stimulaation seurauksena, on tarpeen Th2- vasteen syntymiselle ja kroonistumiselle antigeenin aiheuttamassa keuhkoputkien astmaattisessa tulehduksessa. Väitöskirjatyöni tarkoituksena oli käyttää kaksidimensionaaliseen elektroforeesiin (2- DE) perustuvaa proteomiikkaa ja massaspektrometriaa uusien Th2-solujen erilaistumista säätelevien proteiinien tunnistamiseksi. Erilaistumattomat Th-solut eristettiin vastasyntyneen napaverestä tai hiiren pernasta. Solut aktivoitiin Tsolureseptorin ja ns. ko-stimulatoristen reseptorien kautta ja erilaistettiin joko Th1- tai Th2-suuntaan vastaavasti erilaistavien IL-12- ja IL-4-sytokiinien avulla. Ensimmäisessä tutkimuksessa in vitro -erilaistettujen Th1- ja Th2-solujen proteomeja verrattiin keskenään proteiinien ilmenemisessä tai proteiinimodifikaatioissa olevien erojen tunnistamiseksi. Kaksi muuta päätutkimusta keskittyivät IL-4:n aiheuttamaan proteiinitason säätelyyn ensimmäisen vuorokauden aikana T-soluaktivaation jälkeen. Näistä ensimmäisessä IL-4:n aiheuttamia eroja tunnistettiin aktivoiduista ihmisen Thsoluista. IL-4:n todettiin säätelevän useita proteiineja kaspaasien välittämissä signalointiteissä sekä lisäävän T-solujen elävyyttä ja aktivoitumista. Toisessa tutkimuksessa STAT6-poistogeenisten hiirien lymfosyyttien proteomia verrattiin villityypin kontrollisoluihin T-soluaktivaation ja IL-4-stimulaation jälkeen. Näissä tutkimuksissa karakterisoitiin useita uusia IL-4:n ja STAT6:n kohdeproteiineja ja löydettiin uusia säätelyverkostoja. Tutkimustulokset ovat johtaneet uusiin Th2-erilaistumismekanismeja koskeviin hypoteeseihin.

Intracellular membrane trafficking in Osteoclasts The role of direct Rab protein – Rac 1 interactions in the targeting of intracellular vesicles

Osteoclasts are cells responsible for bone resorption. These cells undergo extensive membrane re-organization during their polarization for bone resorption and form four distinct membrane domains, namely the ruffled border, the basolateral membrane, the sealing zone and the functional secretory domain. The endocytic/biosynthetic pathway and transcytotic route(s) are important for the resorption process, since the endocytic/biosynthetic pathway brings the specific vesicles to the ruffled border whereas the transcytotic flow is believed to transport the degraded bone matrix away from the resorption lacuna to the functional secretory domain. In the present study, we found a new transcytotic route from the functional secretory domain to the ruffled border, which may compensate membrane loss from the ruffled border during the resorption process. We also found that lipid rafts are essential for the ruffled border-targeted late endosomal pathways. A small GTP-binding protein, Rab7, has earlier been shown to regulate the late steps of the endocytic pathway. In bone-resorbing osteoclasts it is involved in the formation of the ruffled border, which displays several features of late endosomal membranes. Here we discovered a new Rab7-interacting protein, Rac1, which is another small GTP-binding protein and binds to the GTP-form of Rab7 in vitro. We demonstrated further that Rab7 colocalizes with Rac1 at the fusion zone of the ruffled border in bone-resorbing osteoclasts. In other cell types, such as fibroblast-like cells, this colocalization is mainly perinuclear. Because Rac1 is known to control the actin cytoskeleton through its effectors, we suggest that the Rab7-Rac1 interaction may mediate late endosomal transport between microtubules and microfilaments, thus enabling endosomal vesicles to switch tracks from microtubules to microfilaments before their fusion to the ruffled border. We then studied the role of Rab-Rac1 interaction in the slow recycling pathway. We revealed that Rac1 also binds directly to Rab11 and to some other but not all Rab-proteins, suggesting that Rab-Rac1 interaction could be a general regulatory mechanism to direct the intracellular vesicles from microtubule mediated transport to actin filament mediated transport and vice versa. On the basis of our results we thus propose a new hypothesis for these GTPases in the regulation of intracellular membrane flow.

Role and regulatory mechanisms of heat shock factor 2

Protein homeostasis is essential for cells to prosper and survive. Various forms of stress, such as elevated temperatures, oxidative stress, heavy metals or bacterial infections cause protein damage, which might lead to improper folding and formation of toxic protein aggregates. Protein aggregation is associated with serious pathological conditions such as Alzheimer’s and Huntington’s disease. The heat shock response is a defense mechanism that protects the cell against protein-damaging stress. Its ancient origin and high conservation among eukaryotes suggest that the response is crucial for survival. The main regulator of the heat shock response is the transcription factor heat shock factor 1 (HSF1), which induces transcription of genes encoding protective molecular chaperones. In vertebrates, a family of four HSFs exists (HSF1-4), with versatile functions not only in coping with acute stress, but also in development, longevity and cancer. Thus, knowledge of the HSFs will aid in our understanding on how cells survive suboptimal circumstances, but will also provide insights into normal physiological processes as well as diseaseassociated conditions. In this study, the function and regulation of HSF2 have been investigated. Earlier gene inactivation experiments in mice have revealed roles for HSF2 in development, particularly in corticogenesis and spermatogenesis. Here, we demonstrate that HSF2 holds a role also in the heat shock response and influences stress-induced expression of heat shock proteins. Intriguingly, DNA-binding activity of HSF2 upon stress was dependent on the presence of intact HSF1, suggesting functional interplay between HSF1 and HSF2. The underlying mechanism for this phenomenon could be configuration of heterotrimers between the two factors, a possibility that was experimentally verified. By changing the levels of HSF2, the expression of HSF1-HSF2 heterotrimer target genes was altered, implementing HSF2 as a modulator of HSF-mediated transcription. The results further indicate that HSF2 activity is dependent on its concentration, which led us to ask the question of how accurate HSF2 levels are achieved. Using mouse spermatogenesis as a model system, HSF2 was found to be under direct control of miR-18, a miRNA belonging to the miR-17~92 cluster/Oncomir-1 and whose physiological function had remained unclear. Investigations on spermatogenesis are severely hampered by the lack of cell systems that would mimic the complex differentiation processes that constitute male germ cell development. Therefore, to verify that HSF2 is regulated by miR-18 in spermatogenesis, a novel method named T-GIST (Transfection of Germ cells in Intact Seminiferous Tubules) was developed. Employing this method, the functional consequences of miR-18-mediated regulation in vivo were demonstrated; inhibition of miR- 18 led to increased expression of HSF2 and altered the expression of HSF2 target genes Ssty2 and Speer4a. Consequently, the results link miR-18 to HSF2-mediated processes such as germ cell maturation and quality control and provide miR-18 with a physiological role in gene expression during spermatogenesis.Taken together, this study presents compelling evidence that HSF2 is a transcriptional regulator in the heat shock response and establishes the concept of physical interplay between HSF2 and HSF1 and functional consequences thereof. This is also the first study describing miRNA-mediated regulation of an HSF.

Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.

Novel cancer-related regulatory targets for the signalling sphingolipids sphingosine-1-phosphate and sphingosylphosphorylcholine

The signalling sphingolipid sphingosine-1-phosphate (S1P) is necessary for development of the immune system and vasculature and on a cellular level regulates migration, proliferation and survival. Due to these traits S1P has an important role in cancer biology. It is considered a primarily cancer-promoting factor and the enzyme which produces it, sphingosine kinase (SphK), is often over-expressed in tumours. S1P is naturally present in the blood, lymph, tissue fluids and cell cytoplasm and functions through its cell surface receptors (S1P1-5) and as an intracellular second messenger. Sphingosylphosphorylcholine (SPC) is closely related to S1P and has similar regulatory functions but has not been extensively studied. Both S1P and SPC are able to evoke either stimulatory or inhibitory effects on cancer cells depending on the context. The aim of this thesis work was to study novel regulatory targets of S1P and SPC, which mediate the effects of S1P/SPC signalling on cancer cell behaviour. The investigated targets are the transcription factor hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1), the intermediate filament protein vimentin and components of the Hippo signalling pathway. HIF-1 has a central role in cancer biology, as it regulates a multitude of cancer-related genes and is potently activated by intratumoural hypoxia through stabilization of the regulatory subunit HIF-1α. Tumours typically harbour high HIF-1α levels and HIF-1, in turn, facilitates tumour angiogenesis and metastasis and regulates cancer cell metabolism. We found S1P to induce follicular thyroid cancer cell migration in normal oxygen conditions by increasing HIF-1α synthesis and stability and subsequently HIF-1 activity. Vimentin is a central regulator of cell motility and is also commonly over-expressed in cancers. Vimentin filaments form a cytoskeletal network in mesenchymal cells as well as epithelial cancer cells which have gone through epithelial-mesenchymal transition (EMT). Vimentin is heavily involved in cancer cell invasion and gives tumours metastatic potential. We saw both S1P and SPC induce phosphorylation of vimentin monomers and reorganization of the vimentin filament network in breast and anaplastic thyroid cancer cells. We also found vimentin to mediate the anti-migratory effect of S1P/SPC on these cells. The Hippo pathway is a novel signalling cascade which controls cancer-related processes such as cellular proliferation and survival in response to various extracellular signals. The core of the pathway consists of the transcriptional regulators YAP and TAZ, which activate predominantly cancer-promoting genes, and the tumour suppressive kinases Lats1 and Lats2 which inhibit YAP/TAZ. Increased YAP expression and activity has been reported for a wide variety of cancers. We found SPC to regulate Hippo signalling in breast cancer cells in a two-fold manner through effects on phosphorylation status, activity and/or expression of YAP and Lats2. In conclusion, this thesis reveals new details of the signalling function of S1P and SPC and regulation of the central oncogenic factors HIF-1 and vimentin as well as the novel cancer-related pathway Hippo.