The Integrin Tail: A Tale of Cell Motility and Division

Integrin transmembrane receptor functions are regulated by adaptor molecules binding to their alpha and beta subunit intracellular domains, or tails, thus affecting integrin traffic and adhesion during e.g. cell motility. Interestingly, many cellular proteins function in both cell motility and cell division, thus raising the possibility that integrins might be involved in regulating the cell cycle. A thorough understanding of cell division is essential in cell biology and in human malignancies. It is well established that failures to complete cell cycle can give rise to genetically unstable cells with tumorigenic properties. Transformed cells promote the disruption of intercellular adhesions such as tight junctions, and this correlates with the onset of cell motility, invasion and unfavorable prognosis in cancer. In this study, we analyzed integrin regulation, mediated by adaptor binding to the  subunit tail, during cell motility and cell division. We revealed a novel molecular mechanism by which Rab21, through association with the integrin alpha subunits, drives integrin endosomal traffic during mitotic phases. In addition, we found indications for this finding in vivo, as RAB21 gene deletions were mapped in ovarian and prostate cancer samples. Importantly, the multinucleated phenotype of cultured ovarian cancer cells could be reverted by Rab21 overexpression. In this thesis work, we also show how the tight junction protein ZO-1 unexpectedly interacts with the 5 integrin cytoplasmic domain in the lamellipodia to promote cell motility and at the cleavage furrow to support separation of the daughter cells. The alpha5-ZO-1 complex formation was dependent on PKC which regulates ZO-1 phosphorylation and its subcellular localization. In addition, by an in situ detection method, we showed that a subset of metastatic human lung cancers expressed the alpha5beta-ZO-1 complex. Taken together, we were able to identify new molecular pathways that regulate integrin functions in an alpha tail-mediated fashion. These findings firmly suggest that genetic alterations in integrin traffic may lead to progression of tumorigenesis as a result of failed cell division. Also, the interplay of integrins and ZO-1 in forming spatially regulated adhesive structures broadens our view of crosstalk between pathways and distinct adhesive structures that can be involved in cancer cell biology.

A Farewell to Flat Biology. Three-dimensional Cell Culture Models in Cancer Drug Target Identification and Validation

Cells of epithelial origin, e.g. from breast and prostate cancers, effectively differentiate into complex multicellular structures when cultured in three-dimensions (3D) instead of conventional two-dimensional (2D) adherent surfaces. The spectrum of different organotypic morphologies is highly dependent on the culture environment that can be either non-adherent or scaffold-based. When embedded in physiological extracellular matrices (ECMs), such as laminin-rich basement membrane extracts, normal epithelial cells differentiate into acinar spheroids reminiscent of glandular ductal structures. Transformed cancer cells, in contrast, typically fail to undergo acinar morphogenic patterns, forming poorly differentiated or invasive multicellular structures. The 3D cancer spheroids are widely accepted to better recapitulate various tumorigenic processes and drug responses. So far, however, 3D models have been employed predominantly in the Academia, whereas the pharmaceutical industry has yet to adopt a more widely and routine use. This is mainly due to poor characterisation of cell models, lack of standardised workflows and high throughput cell culture platforms, and the availability of proper readout and quantification tools. In this thesis, a complete workflow has been established entailing well-characterised 3D cell culture models for prostate cancer, a standardised 3D cell culture routine based on high-throughput-ready platform, automated image acquisition with concomitant morphometric image analysis, and data visualisation, in order to enable large-scale high-content screens. Our integrated suite of software and statistical analysis tools were optimised and validated using a comprehensive panel of prostate cancer cell lines and 3D models. The tools quantify multiple key cancer-relevant morphological features, ranging from cancer cell invasion through multicellular differentiation to growth, and detect dynamic changes both in morphology and function, such as cell death and apoptosis, in response to experimental perturbations including RNA interference and small molecule inhibitors. Our panel of cell lines included many non-transformed and most currently available classic prostate cancer cell lines, which were characterised for their morphogenetic properties in 3D laminin-rich ECM. The phenotypes and gene expression profiles were evaluated concerning their relevance for pre-clinical drug discovery, disease modelling and basic research. In addition, a spontaneous model for invasive transformation was discovered, displaying a highdegree of epithelial plasticity. This plasticity is mediated by an abundant bioactive serum lipid, lysophosphatidic acid (LPA), and its receptor LPAR1. The invasive transformation was caused by abrupt cytoskeletal rearrangement through impaired G protein alpha 12/13 and RhoA/ROCK, and mediated by upregulated adenylyl cyclase/cyclic AMP (cAMP)/protein kinase A, and Rac/ PAK pathways. The spontaneous invasion model tangibly exemplifies the biological relevance of organotypic cell culture models. Overall, this thesis work underlines the power of novel morphometric screening tools in drug discovery.

Effects of polymorphisms in beta1-adrenoceptor and alpha-subunit of G protein on heart rate and blood pressure during exercise test. The finnish cardiovascular study.

J Appl Physiol vol 100, no 2, pp 507-511, 2006

Prognostic Markers and Prolonged Interferon-alpha Therapy in Renal Cell Carcinoma

Molekyylimarkkerit ja pitkäaikainen alfainterferonihoito munuaissyövässä Munuaissyöpäpotilaiden viiden vuoden elossaololuku on noin 50 %. Aikaisempien tutkimuksien mukaan viiden vuoden elossaololuku metastasoituneessa munuaissyövässä on 3-16 %, kun käytettiin alfainterferonia sisältävää hoitoa. Tyypillisesti alfainterferonia on käytetty vähemmäin kuin 6 kuukautta. Avoimia kysymyksiä ovat alfainterferonin optimaalinen hoitoannos ja hoidon kesto yksin tai yhdessä uusien täsmähoitojen kanssa. Tärkeimmät tavoitteet olivat tutkia 1) jaksotetun pitkäaikaisen alfainterferonihoidon tehoa ja siedettävyyttä metastasoituneessa munuaissyövässä ja 2) p53-, Ki-67- ja COX-2-proteiinituotannon ennusteellista merkitystä munuaissyövässä. Tutkimuksessa 117 metastasoituneelle munuaissyöpää sairastaneelle potilaalle etsittiin yksilöllinen hänen sietämänsä maksimaalinen hoitoannos rekombinanttia alfa2a-interferonia (Roferon-ATM). Hoitoa pyrittiin jatkamaan 24 kuukauden ajan. Kolmen hoitoviikon jälkeen pidettiin yhden viikon tauko. Hoito lopetettiin, jos ilmaantui vakavia haittavaikutuksia tai tauti eteni. Toisessa tutkimuksessa proteiinituotanto analysoitiin immunohistokemiallisesti munuaissyöpäpotilaiden kasvainnäytteistä, joita oli säilytetty parafiinissa. Kasvainnäytteet oli otettu talteen munuaisen poistoleikkauksen yhteydessä. Nämä potilaat jaettiin kolmeen eri ryhmään: metastasointi primaarivaiheessa (n=29), metastasointi myöhemmin (n=37) ja ei metastasointia (n=51). Keskimääräinen alfainterferonihoidon kesto oli 11 kuukautta (kk) [0,5 – 32 kk]. Objektiivinen hoitovaste todettiin 17 %:lla, tautitilanne pysyi ennallaan 42 %:lla ja myöhäinen vaste (yli 12 kk:tta hoidon aloittamisesta) todettiin 3 %:lla. Aika vasteen saavuttamisesta taudin etenemiseen oli keskimäärin 8 kk ja elinaika 19,1 kk. Viiden vuoden elossaololuku oli 16 %. Jos metastasoituneella munuaissyöpäpotilaalla oli keuhkometastasointi, hän selvisi todennäköisemmin viisi vuotta kuin muut potilaat. Henkeä uhkaavia sivuvaikutuksia ei todettu. Yli 12 kk:n ajan kestävä alfainterferonihoito on hyödyllistä niille potilaille, jotka ovat saaneet objektiivisen hoitovasteen tai tautitilanne on pysynyt ennallaan. Positiivinen p53- ja Ki-67-ekspressio yhdessä viittaavat suureen metastasoinnin todennäköisyyteen. Positiivinen COX-2-ekspressio viittaa viivästyneeseen metastaasien ilmaantumiseen. Metastasoituneilla potilailla positiiviset p53- ja Ki-67-ekspressiot viittaavat huonoon ennusteeseen, mutta positiivinen COX-2 ekspressio viittaa suotuisaan ennusteeseen. Positiivinen COX-2- ja negatiivinen Ki-67-ekspressio yhdessä viittaavat parantuneeseen ennusteeseen metastasoituneessa munuaissyövässä.

Novel CO2 Regulated Proteins in Synechocystis PCC 6803

The large biodiversity of cyanobacteria together with the increasing genomics and proteomics metadata provide novel information for finding new commercially valuable metabolites. With the advent of global warming, there is growing interest in the processes that results in efficient CO2 capture through the use of photosynthetic microorganisms such as cyanobacteria. This requires a detailed knowledge of how cyanobacteria respond to the ambient CO2. My study was aimed at understanding the changes in the protein profile of the model organism, Synechocystis PCC 6803 towards the varying CO₂ level. In order to achieve this goal I have employed modern proteomics tools such as iTRAQ and DIGE, recombinant DNA techniques to construct different mutants in cyanobacteria and biophysical methods to study the photosynthetic properties. The proteomics study revealed several novel proteins, apart from the well characterized proteins involved in carbon concentrating mechanisms (CCMs), that were upregulated upon shift of the cells from high CO₂ concentration (3%) to that in air level (0.039%). The unknown proteins, Slr0006 and flavodiiron proteins (FDPs) Sll0217-Flv4 and Sll0219-Flv2, were selected for further characterization. Although slr0006 was substantially upregulated under C_i limiting conditions, inactivation of the gene did not result in any visual phenotype under various environmental conditions indicating that this protein is not essential for cell survival. However, quantitative proteomics showed the induction of novel plasmid and chromosome encoded proteins in deltaslr0006 under air level CO₂ conditions. The expression of the slr0006 gene was found to be strictly dependent on active photosynthetic electron transfer. Slr0006 contains conserved dsRNA binding domain that belongs to the Sua5/YrdC/YciO protein family. Structural modelling of Slr0006 showed an alpha/beta twisted open-sheet structure and a positively charged cavity, indicating a possible binding site for RNA. The 3D model and the co-localization of Slr0006 with ribosomal subunits suggest that it might play a role in translation or ribosome biogenesis. On the other hand, deletions in the sll0217-sll218- sll0219 operon resulted in enhanced photodamage of PSII and distorted energy transfer from phycobilisome (PBS) to PSII, suggesting a dynamic photoprotection role of the operon. Constructed homology models also suggest efficient electron transfer in heterodimeric Flv2/Flv4, apparently involved in PSII photoprotection. Both Slr0006 and FDPs exhibited several common features, including negative regulation by NdhR and ambiguous cellular localization when subjected to different concentrations of divalent ions. This strong association with the membranes remained undisturbed even in the presence of detergent or high salt. My finding brings ample information on three novel proteins and their functions towards carbon limitation. Nevertheless, many pathways and related proteins remain unexplored. The comprehensive understanding of the acclimation processes in cyanobacteria towards varying environmental CO₂ levels will help to uncover adaptive mechanisms in other organisms, including higher plants.

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.