Proteomic analysis of the Cdc48/Ubx network identifies a role for Ubx2 in the regulation of lipid biosynthesis

Cdc48/p97 is an essential, highly abundant hexameric member of the AAA (ATPase associated with various cellular activities) family. It has been linked to a variety of processes throughout the cell but it is best known for its role in the ubiquitin proteasome pathway. In this system it is believed that Cdc48 behaves as a segregase, transducing the chemical energy of ATP hydrolysis into mechanical force to separate ubiquitin-conjugated proteins from their tightly-bound partners.

Current models posit that Cdc48 is linked to its substrates through a variety of adaptor proteins, including a family of seven proteins (13 in humans) that contain a Cdc48-binding UBX domain. As such, due to the complexity of the network of adaptor proteins for which it serves as the hub, Cdc48/p97 has the potential to exert a profound influence on the ubiquitin proteasome pathway. However, the number of known substrates of Cdc48/p97 remains relatively small, and smaller still is the number of substrates that have been linked to a specific UBX domain protein. As such, the goal of this dissertation research has been to discover new substrates and better understand the functions of the Cdc48 network. With this objective in mind, we established a proteomic screen to assemble a catalog of candidate substrate/targets of the Ubx adaptor system.

Here we describe the implementation and optimization of a cutting-edge quantitative mass spectrometry method to measure relative changes in the Saccharomyces cerevisiae proteome. Utilizing this technology, and in order to better understand the breadth of function of Cdc48 and its adaptors, we then performed a global screen to identify accumulating ubiquitin conjugates in cdc48-3 and ubxΔ mutants. In this screen different ubx mutants exhibited reproducible patterns of conjugate accumulation that differed greatly from each other, pointing to various unexpected functional specializations of the individual Ubx proteins.

As validation of our mass spectrometry findings, we then examined in detail the endoplasmic-reticulum bound transcription factor Spt23, which we identified as a putative Ubx2 substrate. In these studies ubx2Δ cells were deficient in processing of Spt23 to its active p90 form, and in localizing p90 to the nucleus. Additionally, consistent with reduced processing of Spt23, ubx2Δ cells demonstrated a defect in expression of their target gene OLE1, a fatty acid desaturase. Overall, this work demonstrates the power of proteomics as a tool to identify new targets of various pathways and reveals Ubx2 as a key regulator lipid membrane biosynthesis.

Ninjurin-1 est une molécule d'adhérence de la barrière hémato-encéphalique impliquée dans le recrutement de monocytes au sein du système nerveux central

La sclérose en plaques (SEP) est caractérisée par des infiltrations périvasculaires de cellules immunitaires et par de la démyélinisation au sein du système nerveux central (SNC). Ces deux paramètres de la maladie sont associés à la fragilisation de la barrière hémato-encéphalique (BHE). En ce sens, le recrutement des cellules présentatrices d’antigène (CPA) myéloïdes, telles que les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques, dans le SNC à travers la BHE, est une étape cruciale dans l’initiation et la persistance de l’inflammation cérébrale. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1 est une nouvelle molécule d’adhérence qui médie une interaction de type homophilique et dont l’expression sur l’endothélium vasculaire de la BHE humaine fut identifiée grâce à une analyse protéomique des protéines associées à la BHE. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que l’expression de Ninjurin-1 augmente dans un contexte inflammatoire dans les cultures primaires de cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et sur les CPA myéloïdes humaines ex vivo et générées in vitro. De plus, les CPA infiltrantes retrouvées dans les lésions cérébrales de patients atteints de SEP et dans le SNC des souris atteintes d’encéphalomyélite autoimmune expérimentale (EAE), le modèle murin de la SEP, expriment de hauts niveaux de Ninjurin-1. À l’aide du modèle in vitro de la BHE, la neutralisation de Ninjurin-1 restreint spécifiquement la migration des monocytes à travers les CE-BHE sans affecter le recrutement des lymphocytes, ni la perméabilité des CE-BHE. Enfin, les souris atteintes d’EAE et traitées avec un peptide bloquant dirigé contre Ninjurin-1 présentent une maladie moins sévère ainsi qu’une diminution des CPA infiltrant le SNC et ce comparé au groupe contrôle. Ces résultats suggèrent que Ninjurin-1 est une molécule d’adhérence de la BHE impliquée dans le recrutement de CPA myéloïdes au sein du SNC et qu’elle peut être considérée comme une cible thérapeutique potentielle en SEP.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

CEP78, a novel centrosomal protein

Contexte: Le centrosome est un petit organite bien connu pour son rôle dans l'établissement du fuseau bipolaire pendant la division cellulaire. Les déficiences de la fonction du centrosome donnent souvent lieu à des maladies humaines, y compris le cancer et la formation de kystes rénaux. Nous sommes intéressés à étudier la fonction d'une nouvelle protéine centrosomale nommée CEP78, identifiée dans un criblage protéomique pour de nouveaux composants centrosomaux. Méthodes et résultats : Le traitement des cellules avec le nocodazole, un agent qui dépolymérise spécifiquement les microtubules cytoplasmiques mais pas les microtubules stabilisés du centrosome, a montré que CEP78 est un composant centrosomal stable. La colocalisation de cette protéine avec d'autres marqueurs centrosomaux tels que CEP164, SAS6, Centrine, tubuline polyglutamylée et POC5, à différentes phases du cycle cellulaire a indiqué que CEP78 est précisément à l'extrémité distale des centrioles, mères et filles. Il existe deux pointts CEP78 au cours de l’interphase et les cellules passent par la mitose, procentrioles maturent, et le nombre de points de CEP78 augmente à 4 par cellule et, à la fin de la télophase chaque cellule fille possède 2 points CEP78. La caractérisation des domaines fonctionnels de CEP78 a montré que des répétitions riches en leucine sont nécessaires pour la localisation centrosomale de la protéine. En outre, nous avons constaté que la surexpression de CEP78 ne change pas le nombre de mères/procentrioles mais diminue le nombre et l'intensité des points de CEP170 (protéine d'appendice sous-distal) sans diminution du niveau d'expression de cette protéine. D'autres études ont montré qu'il n'y a pas d'interaction entre ces deux protéines. Enfin, la surexpression de CEP78 protège des microtubules contre la dépolymérisation en présence de nocodazole, ce qui suggère qu'il possède la capacité de lier les microtubules. Conclusion : Nos résultats suggèrent que CEP78 est destiné à l'extrémité distale des centrioles matures par ses répétitions riche en lecuine, où il pourrait être impliqué dans la maturation ou la régulation de l'assemblage ou de la rénovation de l'appendice sous-distal centriolaire, une structure connue dans la nucléation des microtubules et d'ancrage. Comprendre la fonction de Cep78 contribuera à éclaircir le rôle du centrosome dans le cycle cellulaire.

Caractérisation du rôle de MCAM dans la sclérose en plaques

Objectifs: Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), des lymphocytes pro-inflammatoires utilisent des molécules d’adhérence afin de parvenir à traverser la barrière hémo-encéphalique (BHE) et former des lésions multifocales dans le système nerveux central (SNC). Dans le contexte de la SEP, les lymphocytes CD4 auto-agressifs polarisés en TH17 (sécrétant de l’IL-17) sont reconnus comme contribuant à la formation des lésions. Le rôle des lymphocytes CD8 TC17 est quant à lui encore mal défini. L’identification de marqueurs de surface spécifiquement exprimés par les lymphocytes TH17 et TC17 faciliterait la caractérisation de ces sous-populations pathogéniques et fournirait de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la SEP. Méthodologie: Nous avons identifié MCAM lors d’analyses protéomiques de cellules endothéliales de la BHE humaine et de lymphocytes T humains. Nous avons caractérisé le phénotype et la fonction de ces cellules exprimant MCAM ex vivo, in vitro, in situ et in vivo, à partir de matériel obtenu de témoins (contrôles), de patients atteints de SEP et d’animaux atteints d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Résultats: MCAM est exprimé à la fois par les cellules endothéliales de la BHE humaine et par une sous-population de lymphocytes T effecteurs mémoire CD161+ et CCR6+. Les lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ expriment plus d’IL-17, IL-22, GM-CSF et granzyme B (Gz B) que les lymphocytes MCAMneg. De plus, l’expression de MCAM est fortement augmentée à la surface des lymphocytes T CD4+ et CD8+ lors des poussées de SEP, alors que les traitements immunomodulateurs en diminuent l’expression. In situ, l’expression de MCAM par les cellules endothéliales de la BHE est plus marquée au site des lésions de SEP et d’EAE, et on retrouve des lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ au sein de ces infiltrats périvasculaires du SNC. In vitro, les lymphocytes CD8 MCAM+ causent plus de mort oligodendrocytaire et bloquer MCAM diminue la transmigration des CD8 TC17 et des CD4 TH17 à travers les cellules endothéliales de la BHE humaine. In vivo, dépléter les lymphocytes CD4 ou CD8 MCAM+ améliore les signes cliniques de l’EAE par transfert. Par ailleurs, l’expression de MCAM est régulée à la hausse à la surface des lymphocytes CD4 et CD8 de la souris transgénique TCR1640, un modèle animal d’EAE spontanée. Finalement, bloquer MCAM atténue les déficits neurologiques chroniques aussi bien du modèle d’EAE induite avec le MOG35-55 que du modèle d’EAE spontanée. Conclusion: Nos données démontrent que les lymphocytes encéphalitogéniques produisant de l’IL-17 et présentant une capacité effectrice et migratoire marquée expriment MCAM. MCAM pourrait servir de biomarqueur en SEP et constituer une cible thérapeutique valable pour traiter les conditions neuroinflammatoires.

Régulation du métabolisme des ARNm par les voies de signalisation MAPK et mTOR

Il est à ce jour bien établi que la régulation de l’expression génique dépend en grande partie des évènements post-transcriptionnels et que la traduction des ARNm tient un rôle de premier plan dans ces processus. Elle est particulièrement importante pour définir le protéome, maintenir l’homéostasie et contrôler la croissance et la prolifération cellulaire. De nombreuses pathologies humaines telles que le cancer découlent de dérèglements de la synthèse protéique. Ceci souligne l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires contribuant au contrôle de la traduction des ARNm. Le facteur d’initiation eIF4E est essentiel à la traduction et son activité est régulée par ses partenaires protéiques dont font partie les protéines 4E-BP et 4E-T. Les voies de signalisation PI3K/mTOR et MAPK qui sont fortement impliquées dans l’étiologie du cancer, contrôlent la traduction en modulant l’activité d’eIF4E via l’inhibition des protéines 4E-BP et la localisation de 4E-T. Afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes régulant la traduction des ARNm, nous avons utilisé plusieurs approches. Tout d’abord, nous avons caractérisé les mécanismes par lesquels le complexe mTORC1 est activé en réponse aux facteurs de croissance et avons déterminé que la kinase RSK, en aval de la voie Ras/ERK, contrôle directement l’activité de mTORC1 en phosphorylant Raptor, la sous-unité régulatrice du complexe mTORC1. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés au rôle joué par mTORC1 dans l’initiation de la traduction. Pour cela, nous avons réalisé un criblage protéomique dans le but d’identifier de nouveaux facteurs sous le contrôle de mTORC1 qui participent activement à la traduction. Ces travaux ont ainsi permis l’identification de la protéine de liaison à l’ARN LARP1 comme effecteur majeur de la traduction des ARNm et de la croissance cellulaire en aval de mTORC1. Finalement, notre étude de l’effet du stress oxydant dans la répression de la traduction nous a permis de montrer que la kinase JNK contrôle la localisation du répresseur 4E-T au sein des P-bodies, qui sont des granules cytoplasmiques concentrant des ARNm non traduits et des facteurs de la dégradation des ARNm. Nos travaux ont donc abouti à la découverte de mécanismes moléculaires cruciaux impliqués dans la régulation de la traduction des ARNm et de la synthèse protéique. Ces derniers étant largement impliqués dans la prolifération cellulaire et la croissance tumorale, nos recherches ouvrent sur un champ d’investigation plus large pour le développement de nouvelles molécules anti-cancéreuses.

Serum proteomic abnormality predating screen detection of ovarian cancer

Ovarian cancer is characterized by vague, non-specific symptoms, advanced stage at diagnosis and poor overall survival. A nested case control study was undertaken on stored serial serum samples from women who developed ovarian cancer and healthy controls (matched for serum processing and storage conditions as well as attributes such as age) in a pilot randomized controlled trial of ovarian cancer screening. The unique feature of this study is that the women were screened for up to 7 years. The serum samples underwent prefractionation using a reversed-phase batch extraction protocol prior to MALDI-TOF MS data acquisition. Our exploratory analysis shows that combining a single MS peak with CA125 allows statistically significant discrimination at the 5% level between cases and controls up to 12 months in advance of the original diagnosis of ovarian cancer. Such combinations work much better than a single peak or CA125 alone. This paper demonstrates that mass spectra from the low molecular weight serum proteome carry information useful for early detection of ovarian cancer. The next step is to identify the specific biomarkers that make early detection possible.

Proteomic profiling of high glucose primed monocytes identifies cyclophilin A as a potential secretory marker of inflammation in type 2 diabetes

Hyperglycemia is widely recognized to be a potent stimulator of monocyte activity, which is a crucial event in the pathogenesis of atherosclerosis. We analyzed the monocyte proteome for potential markers that would enhance the ability to screen for early inflammatory status in Type 2 diabetes mellitus (T2DM), using proteomic technologies. Monocytic cells (THP-1) were primed with high glucose (HG), their protein profiles were analyzed using 2DE and the downregulated differentially expressed spots were identified using MALDI TOF/MS. We selected five proteins that were secretory in function with the help of bioinformatic programs. A predominantly downregulated protein identified as cyclophilin A (sequence coverage 98%) was further validated by immunoblotting experiments. The cellular mRNA levels of cyclophilin A in various HG-primed cells were studied using qRT-PCR assays and it was observed to decrease in a dose-dependent manner. LC-ESI-MS was used to identify this protein in the conditioned media of HG-primed cells and confirmed by Western blotting as well as ELISA. Cyclophilin A was also detected in the plasma of patients with diabetes. We conclude that cyclophilin A is secreted by monocytes in response to HG. Given the paracrine and autocrine actions of cyclophilin A, the secreted immunophilin could be significant for progression of atherosclerosis in type 2 diabetes. Our study also provides evidence that analysis of monocyte secretome is a viable strategy for identifying candidate plasma markers in diabetes.

Identification of Novel Death-Associated Protein Kinase 2 Interaction Partners by Proteomic Screening Coupled with Bimolecular Fluorescence Complementation.

Death-associated protein kinase 2 (DAPK2) is a Ca(2+)/calmodulin-dependent Ser/Thr kinase that possesses tumor-suppressive functions and regulates programmed cell death, autophagy, oxidative stress, hematopoiesis, and motility. As only few binding partners of DAPK2 have been determined, the molecular mechanisms governing these biological functions are largely unknown. We report the identification of 180 potential DAPK2 interaction partners by affinity purification-coupled mass spectrometry, 12 of which are known DAPK binding proteins. A small subset of established and potential binding proteins detected in this screen was further investigated by bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assays, a method to visualize protein interactions in living cells. These experiments revealed that α-actinin-1 and 14-3-3-β are novel DAPK2 binding partners. The interaction of DAPK2 with α-actinin-1 was localized at the plasma membrane, resulting in massive membrane blebbing and reduced cellular motility, whereas the interaction of DAPK2 with 14-3-3-β was localized to the cytoplasm, with no impact on blebbing, motility, or viability. Our results therefore suggest that DAPK2 effector functions are influenced by the protein's subcellular localization and highlight the utility of combining mass spectrometry screening with bimolecular fluorescence complementation to identify and characterize novel protein-protein interactions.

A quantitative, high-throughput screen for protein stability

In proteomic research, it is often necessary to screen a large number of polypeptides for the presence of stable structure. Described here is a technique (referred to as SUPREX, stability of unpurified proteins from rates of H/D exchange) for measuring the stability of proteins in a rapid, high-throughput fashion. The method uses hydrogen exchange to estimate the stability of microgram quantities of unpurified protein extracts by using matrix-assisted laser desorption/ionization MS. The stabilities of maltose binding protein and monomeric λ repressor variants determined by SUPREX agree well with stability data obtained from conventional CD denaturation of purified protein. The method also can detect the change in stability caused by the binding of maltose to maltose binding protein. The results demonstrate the precision of the method over a wide range of stabilities.

Designing interaction for local communications : an urban screen study

This paper discusses the ongoing design and use of a digital community noticeboard situated in a suburban hub. The design intention is to engage residents, collect and display local information and communications, and spark discussion. A key contribution is an understanding of Situated Display navigation that aids retrieval from a long-term collection created by and for suburban community, and engaging qualities of this collection.

Developing a quick and practical screen to improve the identification of poor hydration in geriatric and rehabilitative care

Dehydration has been associated with increased morbidity and mortality. Dehydration risk increases with advancing age, and will progressively become an issue as the aging population increases. Worldwide, those aged 60 years and over are the fastest growing segment of the population. The study aimed to develop a clinically practical means to identify dehydration amongst older people in the clinical care setting. Older people aged 60 years or over admitted to the Geriatric and Rehabilitation Unit (GARU) of two tertiary teaching hospitals were eligible for participation in the study. Ninety potential screening questions and 38 clinical parameters were initially tested on a single sample (n=33) with the most promising 11 parameters selected to undergo further testing in an independent group (n=86). Of the almost 130 variables explored, tongue dryness was most strongly associated with poor hydration status, demonstrating 64% sensitivity and 62% specificity within the study participants. The result was not confounded by age, gender or body mass index. With minimal training, inter-rater repeatability was over 90%. This study identified tongue dryness as a potentially practical tool to identify dehydration risk amongst older people in the clinical care setting. Further studies to validate the potential screen in larger and varied populations of older people are required

CARRS-Q screen profiles

Staff from QUT’s Creative Industries Faculty (Drama, Film & TV) collaborated with CARRS-Q (Centre for Accident Research and Road Safety – Queensland) to research, develop and produce a series of screen products. These products are designed to profile CARRS-Q for a variety of Australian and international audiences including potential students, research colleagues and collaborators, industry partners and professional bodies. They are designed for multiplatform display, including web, DVD and mobile devices. This project entails the adoption of practice-led research methodologies to explore and apply innovative screen production techniques including multi-image display; rapid-cut editing; and a combination of trained and non-trained talent.