Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Charakterisierung und funktionelle Analyse verschiedener Isoformen von Clusterin (Apolipoprotein J)

Clusterin (CLU), auch bekannt unter dem Namen Apolipoprotein J (ApoJ), wird von Zellen als hetreodimeres Glykoprotein exprimiert und in den extrazellulären Raum sezerniert. Es wird daher auch als sezerniertes CLU (sCLU) bezeichnet. Neben sCLU sind auch nicht-sezernierte Isoformen von CLU bekannt, die in der vorliegenden Arbeit erforscht wurden. Ziel dabei war es, die Expression, die Biogenese, sowie die Funktion dieser Proteine zu ergründen. Nicht-sezernierte CLU-Formen werden ausschließlich von Zellen exprimiert, die zuvor einer Stresssituation ausgesetzt wurden. Dies konnte insbesondere durch Kultur verschiedener Zelllinien bei erhöhter Temperatur oder durch Behandlung mit dem Proteasominhibitor MG 132 demonstriert werden, worauf neben sCLU auch 50 kDa bzw. 45 kDa große, nicht-sezernierte CLU-Proteine in geringen Mengen exprimiert wurden. Bezüglich der Biogenese dieser Proteine wurden mehrere Hypothesen bzw. Mechanismen diskutiert und in dieser Arbeit untersucht: alternative Translationsstartpunkte auf verschiedenen mRNAs, alternatives Splicing einzelner mRNAs sowie Retrotranslokation oder Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen. Um die Hypothesen eruieren zu können, musste zuerst eine Expressionsanalyse der bekannten CLU-mRNAs durchgeführt werden. Über 5’-RACE, semi-quantitative und quantitative PCRs wurde die Expression von vier CLU-mRNAs sowie deren Induktion auf Zellstress hin festgestellt. Variante 1 (BP211675) ist die dominante CLU-mRNA und macht über 99,5 % an CLU-mRNA in unbehandelten sowie in gestressten Zellen aus. Des Weiteren sind geringste Mengen der mRNA-Varianten 2 und 3 (NR_038335.1 und NR_045494.1) detektiert worden, deren Sequenzen sich lediglich in ihrem alternativen Exon 1 von Variante 1 unterscheiden. Schließlich konnte die Expression von Variante 1 [Δex2] festgestellt werden, welcher durch alternatives Splicing, i.e. Exon-skipping, das Exon 2 mit der ER-Signalsequenz-codierenden Region (SSCR) fehlt. HEK 293-Zellen, die transient mit je einer der rekombinanten CLU-mRNAs in Form rekombinanter cDNA transfiziert wurden, exprimierten neben großen Mengen sCLU auch geringe Mengen an den nicht-sezernierten CLU-Isoformen. Die anschließend durchgeführten in vitro Mutagenesen belegen, dass alle Isoformen ausgehend von distinkten Translationsstartpunkten aus synthetisiert werden. CLU1-449 (50 kDa) wird als prä-Proprotein von sCLU ausgehend von einem Startcodon auf Exon 2 unmittelbar vor der SSCR translatiert. Unter Zellstress-Bedingungen kann es zu einer Mistranslokation während der co-translationalen Translokation kommen, sodass Teile von CLU1-449 im Cytosol akkumulieren. CLU21-449 (50 kDa) wird ausgehend von einem CUG-Startcodon downstream der SSCR über interne Translationsinitiation gebildet. Analoges gilt für CLU34-449 (45 kDa), welches von einem AUG-Startcodon auf Exon 3 translatiert wird. CLU34-449 ist außerdem die einzige CLU-Form die von Variante 1 [Δex2] codiert wird. Somit konnten drei der in der Literatur postulierten Mechanismen zur Ent-stehung nicht-sezernierter CLU-Isoformen in gestressten Zellen verifiziert werden. Die Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen, welche entscheidend zum Auftreten der nicht-sezernierten CLU-Formen beiträgt, die Alternative Translationsinitiation an distinkten Startcodons sowie das alternative Splicing von CLU-mRNA-Variante 1. Weiterführende Experimente bestätigten, dass alle nicht-sezernierten CLU-Isoformen im Cytosol der Zellen lokalisiert sind und keine Glykosylierungen tragen. Somit konnte ein weiterer, in der Literatur kontrovers diskutierter Punkt bezüglich dieser Proteine geklärt werden. Abschließend wurde die physiologische Funktion der einzelnen CLU-Isoformen analysiert. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich sCLU eine Chaperonaktivität zukommt, die es ermöglicht, durch Hitze denaturierte Zielproteine in Lösung zu halten. Diese Funktion konnte nicht für die cytosolischen Iso¬formen bestätigt werden. Weiterhin konnte keine Auswirkung einzelner CLU-Formen auf die intrinsische Apoptose oder auf den NF κB-vermittelten Signaltransduktionsweg festgestellt werden, obgleich entsprechende Einflüsse von anderen Arbeitsgruppen postuliert wurden. Die hier gemachten Beobachtungen werfen daher die Frage auf, ob den nicht-sezernierten, cytosolischen CLU-Isoformen überhaupt eine physiologische Funktion zukommt und stellen aktuelle Hypothesen bezüglich der Rolle von CLU bei pathophysiologischen Prozessen infrage.

Die Regulation der Ubiquitinligase CHIP durch das Cochaperon BAG2 im zellulären System und im Kontext der replikativen Seneszenz

Eine funktionierende Proteinqualitätskontrolle ist essenziell für die Vitalität einer Zelle. Das dynamische Gleichgewicht zwischen Proteinfaltung und -degradation wird von molekularen Chaperonen aufrechterhalten, deren Aktivität wiederum durch die Interaktion mit zahlreichen Cochaperonen moduliert wird. Das Cochaperon CHIP ist ein zentraler Faktor in Proteintriage-Entscheidungsprozessen, da es als Ubiquitinligase Chaperonsubstrate dem Abbau zuführt und somit die Chaperonmaschinerie direkt mit den Systemen der Proteindegradation verbindet. Um Polypeptide vor einem vorzeitigen Abbau zu schützen, wird die destruktive Aktivität von CHIP durch weitere Cochaperone reguliert. rnIn dieser Arbeit konnte die Hemmung der Ligaseaktivität von CHIP durch das Cochaperon BAG2 mechanistisch erstmals in einem zellulären System nachgewiesen werden. Dazu wurde die humane IMR-90 Fibroblasten Zelllinie verwendet. Die Ubiquitinierungsaktivität von CHIP wurde anhand von HSP72 als Modell-CHIP-Substrat untersucht. Durch die verringerte Ubiquitinierung, und damit dem reduzierten Abbau von HSP72, regulierte BAG2 dessen intrazelluläre Proteinspiegel, ohne dabei selbst eine Hitzeschockantwort zu induzieren. Überexprimiertes BAG2 wirkte sich trotz stabilisierter HSP72-Spiegel bei einem appliziertem Hitzestresses negativ auf die Zellvitalität aus, vermutlich da BAG2 durch die Inhibition von CHIP-vermittelter Ubiquitinierung massiv in das Gleichgewicht zwischen Substratfaltung und -degradation eingreift.rnDa sich die Mechanismen der Proteinqualitätskontrolle in der Alterung stark verändern und sich den wandelnden Bedingungen in der Zelle anpassen, wurde in einem zweiten Teil dieser Arbeit mit Hilfe des IMR-90 Zellsystems als etabliertes Modell zellulärer Seneszenz analysiert, inwieweit sich die Aktivität und die Regulation von CHIP durch BAG2 in der zellulären Alterung ändern. In seneszenten Zellen war HSP72 erheblich weniger ubiquitiniert als in jungen Fibroblasten, was auf eine reduzierte CHIP-Aktivität hinweist. Diese blieb jedoch durch BAG2 weiterhin modulierbar. Die Funktion von BAG2 als Inhibitor der Ubiquitinligase CHIP blieb demnach in seneszenten Zellen bestehen. In gealterten Fibroblasten regulierte BAG2 außerdem die Proteinspiegel des CHIP-Substrates und Seneszenzinitiators p53, was BAG2 eine mögliche Rolle in der Etablierung des Seneszenz-Phänotyps zuspricht. Weiterhin unterlagen die Proteinspiegel der beiden funktionell redundanten CHIP-Modulatoren BAG2 und HSPBP1 in der zellulären Alterung einer reziproken Regulation. In gealterten Mäusen trat die gegenläufige Veränderung der beiden Cochaperone gewebsspezifisch in der Lunge auf. Außerdem waren die BAG2-Proteinspiegel im Hippocampus gealterter Tiere signifikant erhöht.rnZusammenfassend konnte anhand der erzielten Ergebnisse die Funktion von BAG2 als Inhibitor von CHIP im zellulären System bestätigt werden. Außerdem durchlaufen die Aktivität und die Regulation von CHIP einen seneszenzspezifischen Adaptationsprozess, welcher für die Erhaltung der Proteostase in der Alterung relevant sein könnte und in welchem die Funktion von BAG2 als CHIP-Modulator möglicherweise eine wichtige Rolle spielt.rnZukünftige Studien könnten die komplexen Mechanismen weiterführend aufklären, mit denen CHIP-Aktivität reguliert wird. Dies kann helfen, der altersbedingten Abnahme an proteostatischer Kontrolle entgegenzuwirken und aberrante Proteinaggregation in altersassoziierten Erkrankungen vorzubeugen.rn

Biochemische Untersuchungen des Lichtsammlerprotein (LHCP) im Komplex mit seinem Chaperon, dem plastidären Signalerkennungspartikel cpSRP

Das Lichtsammlerprotein (light harvesting chlorophyll a/b-binding protein, LHCP) ist das Apoprotein des Haupt-Lichtsammelkomplexes (LHCII) und stellt das häufigste Membranprotein der Erde dar. Nicht nur aufgrund seiner Abundanz, sondern auch wegen seiner speziellen Translokation als stark hydrophobes Membranprotein durch hauptsächlich wässrige Milieus von cytosolischen Ribosomen bis in die Thylakoidmembran der Chloroplasten ist der Biogeneseweg dieses Proteins von besonderem Interesse. LHCP ist kernkodiert und wird nach seinem Import in Chloroplasten als Transitkomplex mit dem stromalen Signalerkennungsprotein (cpSRP) zur Thylakoide geleitet. Der cpSRP-Komplex besteht aus dem cpSRP43 mit Chaperonfunktion für das LHCP sowie dem Co-Chaperon cpSRP54, welches eine entscheidende Rolle in der stromalen Zielführung des Transitkomplexes spielt. Sowohl die Proteinkonformation des LHCP während seiner Biogenese als auch der in vivo Faltungsablauf während der Thylakoidinsertion sind noch völlig unklar. Mithilfe der Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR-)Spektroskopie sollte in dieser Arbeit der Faltungszustand des LHCP im Transitkomplex mit dem cpSRP oder in Teilkomplexen davon ermittelt werden.rnKopplungen von cpSRP43 und LHCP bestätigten, dass das Chaperon als Minimaleinheit zur quantitativen Solubilisierung des Membranproteins genügt. Gelfiltrationschromatographische (GFC-) Untersuchungen solcher Komplexe wiesen jedoch mit einem apparenten MW von ≥ 600 kDa ein sehr hochmolekulares Laufverhalten auf. Variierende Proteinstöchiometrien im Komplex zeigten in densitometrischen Auswertungen eine undefinierte Aggregation. Zusätze von Agenzien zur Vermeidung unspezifischer Wechselwirkungen wie z.B. Detergentien oder auch Salzzugabe zeigten keinen Einfluss auf die Aggregate. Volllängen-Transitkomplexe dagegen wiesen trotz unterschiedlichem Angebot von Einzelproteinen reproduzierbar definierte Stöchiometrien auf. Diese zeigten eine LHCP:cpSRP43-Stöchiometrie von 1,25. Dennoch hatten diese Komplexe mit einem apparenten MW von > 300 kDa einen mindestens dimeren Assemblierungsgrad. Eine Voraussetzung für eindeutige EPR-spektroskopische Distanzmessungen zwischen definierten Positionen im LHCP ist jedoch dessen monomolekularisiertes Vorliegen im Chaperonkomplex. Die Darstellung von ternären Transitkomplexen mit einem zu erwartenden apparenten MW von ~175 kDa war auch durch Zusatz verschiedener Proteinaggregationshemmer nicht möglich. Transitkomplexe mit einer verkürzten Version des cpSRP54 zeigten schließlich eine definierte 1:1-Komplexstöchiometrie bei gleichzeitiger polydisperser Komplexzusammensetzung. Es konnten ~60% dieser sogenannten 54M-Transitkomplexe nach GFC-Daten und densitometrischer Auswertung als potentiell ternär eingeschätzt werden. Darüber hinaus gelang es solche Ansätze durch GFC-Fraktionierung zusätzlich von oligomerisierten Spezies aufzureinigen. Dennoch zeigten die Präparate vor GFC-Fraktionierung ein (noch) zu hohes Aggregationssignal im Hintergrund und nach Fraktionierung ein zu schwaches Signal, um eine eindeutige Aussage der EPR-Daten zuzulassen. Dennoch bietet dieses ausgearbeitete Komplexbildungsprotoll in Verbindung mit der Verwendung von verkürztem cpSRP54 eine solide Basis, um weitere Versuche zu EPR-Messungen an cpSRP-gebundenem LHCP durchzuführen. rn

Preparation and functional characterisation of recombinant silicatein-alpha from the sponge Suberites domuncula

The marine world is an immense source of biodiversity that provides substances with striking potentials in medicinal chemistry and biotechnology. Sponges (Porifera) are marine animals that represent the most impressive example of organisms possessing the ability to metabolise silica through a family of enzymes known as silicateins. Complex skeletal structures (spicules) made of pure biogenic silica (biosilica) are produced under physiological conditions. Biosilica is a natural material comprising inorganic and organic components with unique mechanical, optical, and physico-chemical properties, including promising potential to be used for development of therapeutic agents in regenerative medicine. Unravelling the intimate physiological mechanisms occurring in sponges during the construction of their siliceous spicules is an on-going project, and several questions have been addressed by the studies proposed by our working group. In this doctoral work, the recombinant DNA technology is exploited for functional and structural characterisation of silicatein. Its precursors are produced as fusion proteins with a chaperone tag (named TF-Ps), and a robust method for the overexpression of native soluble proteins in high concentrations has been developed. In addition, it is observed and proven experimentally that the maturation of silicatein is an autocatalytic event that: (i) can be modulated by rational use of protease inhibitors; (ii) is influenced by the temperature of the environment; (iii) only slightly depends on the pH. In the same experimental framework, observations on the dynamics in the maturation of silicateins allow a better understanding of how the axial filaments form during the early stages of spicule construction. In addition, the definition of new distinct properties of silicatein (termed “structure-guiding” and “structure-forming”) is introduced. By homology models and through comparisons with similar proteins (the cathepsins), domains with significant surface hydrophobicity are identified as potential self-assembly mediators. Moreover, a high-throughput screening showed that TF-Ps could generate crystals under certain conditions, becoming promising for further structural studies. With the goal of optimise the properties of the recombinant silicatein, implementation of new production systems are tried for the first time. Success in the expression of silicatein-type proteins in insect and yeast cells, constitute a promising basis for further development, towards the establishment of an efficient method for the production of a high-value pure and soluble protein.

Structure and function of CinD (YtjD) of Lactococcus lactis, a copper-induced nitroreductase involved in defense against oxidative stress

In Lactococcus lactis IL1403, 14 genes are under the control of the copper-inducible CopR repressor. This so-called CopR regulon encompasses the CopR regulator, two putative CPx-type copper ATPases, a copper chaperone, and 10 additional genes of unknown function. We addressed here the function of one of these genes, ytjD, which we renamed cinD (copper-induced nitroreductase). Copper, cadmium, and silver induced cinD in vivo, as shown by real-time quantitative PCR. A knockout mutant of cinD was more sensitive to oxidative stress exerted by 4-nitroquinoline-N-oxide and copper. Purified CinD is a flavoprotein and reduced 2,6-dichlorophenolindophenol and 4-nitroquinoline-N-oxide with k(cat) values of 27 and 11 s(-1), respectively, using NADH as a reductant. CinD also exhibited significant catalase activity in vitro. The X-ray structure of CinD was resolved at 1.35 A and resembles those of other nitroreductases. CinD is thus a nitroreductase which can protect L. lactis against oxidative stress that could be exerted by nitroaromatic compounds and copper.

Protein disulfide isomerase blocks CEBPA translation and is up-regulated during the unfolded protein response in AML

Deregulation of the myeloid key transcription factor CEBPA is a common event in acute myeloid leukemia (AML). We previously reported that the chaperone calreticulin is activated in subgroups of AML patients and that calreticulin binds to the stem loop region of the CEBPA mRNA, thereby blocking CEBPA translation. In this study, we screened for additional CEBPA mRNA binding proteins and we identified protein disulfide isomerase (PDI), an endoplasmic reticulum (ER) resident protein, to bind to the CEBPA mRNA stem loop region. We found that forced PDI expression in myeloid leukemic cells in fact blocked CEBPA translation, but not transcription, whereas abolishing PDI function restored CEBPA protein. In addition, PDI protein displayed direct physical interaction with calreticulin. Induction of ER stress in leukemic HL60 and U937 cells activated PDI expression, thereby decreasing CEBPA protein levels. Finally, leukemic cells from 25.4% of all AML patients displayed activation of the unfolded protein response as a marker for ER stress, and these patients also expressed significantly higher PDI levels. Our results indicate a novel role of PDI as a member of the ER stress-associated complex mediating blocked CEBPA translation and thereby suppressing myeloid differentiation in AML patients with activated unfolded protein response (UPR).

Activation of the unfolded protein response in human acute myeloid leukemia

There is accumulating evidence for the involvement of the unfolded protein response (UPR) in the pathogenesis of many tumor types in humans. This is particularly the case in rapidly growing solid tumors in which the demand for oxygen and nutrients can exceed the supply until new tumor-initiated blood vessels are formed. In contrast, the role of the UPR during leukemogenesis remains largely unknown. Acute myeloid leukemia (AML) is a genetically heterogeneous clonal disorder characterized by the accumulation of somatic mutations in hematopoietic progenitor cells that alter the physiological regulation of self-renewal, survival, proliferation, or differentiation. The CCAAT/enhancer-binding protein alpha (CEBPA) gene is a key myeloid transcription factor and a frequent target for disruption in AML. In particular, translation of CEBPA mRNA can be specifically blocked by binding of the chaperone calreticulin (CALR), a well-established effector of the UPR, to a stem loop structure within the 5' region of the CEBPA mRNA. The relevance of this mechanism was first elucidated in certain AML subtypes carrying the gene rearrangements t(3;21) or inv(16). In our recent work, we could demonstrate the induction of key effectors of the UPR in leukemic cells of AML patients comprising all subtypes (according to the French-American-British (FAB) classification for human AML). The formation of the spliced variant of the X-box binding protein (XBP1s) was detectable in 17.4% (17 of 105) of AML patients. Consistent with an activated UPR, this group had significantly increased expression of the UPR target genes CALR, the 78 kDa glucose-regulated protein (GRP78), and the CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein (CHOP). Consistently, in vitro studies confirmed that calreticulin expression was upregulated via activation of the ATF6 pathway in myeloid leukemic cells. As a consequence, CEBPA protein expression was inhibited in vitro as well as in leukemic cells from patients with activated UPR. We therefore propose a model of the UPR being involved in leukemogenesis through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation and cell-cycle deregulation which represent key features of the leukemic phenotype. From a more clinical point of view, the presence of activated UPR in AML patient samples was found to be associated with a favorable disease course.

Theileria-induced constitutive IKK activation is independent of functional Hsp90

The intracellular parasite Theileria induces uncontrolled proliferation and host cell transformation. Parasite-induced transformation is accompanied by constitutive activation of IkappaB kinase (IKK), resulting in permanently high levels of activated nuclear factor (NF)-kappaB. IKK activation pathways normally require heat shock protein 90 (Hsp90), a chaperone that regulates the stability and activity of signalling molecules and can be blocked by the benzoquinone ansamycin compound geldanamycin (GA). In Theileria-transformed cells, IkappaBalpha and p65 phosphorylation, NF-kappaB nuclear translocation and DNA binding activity are largely resistant to GA and also NF-kappaB-dependent reporter gene expression is only partly affected. Our findings indicate that parasite-induced IKK activity does not require functional Hsp90.

CopY-like copper inducible repressors are putative 'winged helix' proteins

CopY of Enterococcus hirae is a well characterized copper-responsive repressor involved in copper homeostasis. In the absence of copper, it binds to the promoter. In high copper, the CopZ copper chaperone donates copper to CopY, thereby releasing it from the promoter and allowing transcription of the downstream copper homeostatic genes of the cop operon. We here show that the CopY-like repressors from E. hirae, Lactococcus lactis, and Streptococcus mutans have similar affinities not only for their native promoters, but also for heterologous cop promoters. CopZ of L. lactis accelerated the release of CopY from the promoter, suggesting that CopZ of L. lactis acts as copper chaperone, similar to CopZ in E. hirae. The consensus binding motif of the CopY-like repressors was shown to be TACAxxTGTA. The same binding motif is present in promoters controlled by BlaI of Bacillus licheniformis, MecI of Staphylococcus aureus and related repressors. BlaI and MecI have known structures and belong to the family of 'winged helix' proteins. In the N- terminal domain, they share significant sequence similarity with CopY of E. hirae. Moreover, they bind to the same TACAxxTGTA motif. NMR analysis of the N-terminal DNA binding domain of CopY of L. lactis showed that it contained the same alpha-helical content like the same regions of BlaI and MecI. These findings suggest that the DNA binding domains of CopY-like repressors are also of the 'winged helix' type.

Induction of apoptosis and enhancement of chemosensitivity in human prostate cancer LNCaP cells using bispecific antisense oligonucleotide targeting Bcl-2 and Bcl-xL genes

OBJECTIVE: To determine whether a specifically designed bispecific (Bcl-2/Bcl-xL) antisense oligonucleotide (ASO) induces apoptosis and enhances chemosensitivity in human prostate cancer LNCaP cells, as Bcl-2 and Bcl-xL are both anti-apoptotic genes associated with treatment resistance and tumour progression in many malignancies, including prostate cancer. MATERIALS AND METHODS: Inhibition of Bcl-2 and Bcl-xL expression by the bispecific ASO was evaluated using real-time reverse transcription-polymerase chain reaction and Western blotting, while growth inhibition and induction of apoptosis were analysed by a crystal violet assay, flow cytometry and Western blotting of apoptosis-relevant proteins. The effect of combined treatment with bispecific ASO and chemotherapy or small-interference RNA (siRNA) targeting the clusterin gene was also investigated. RESULTS: Bispecific ASO reduced Bcl-2 and Bcl-xL expression in LNCaP cells in a dose-dependent manner. There was cell growth inhibition, increases in the sub-G0-G1 fraction, and cleavage of caspase-3 and poly(ADP-Ribose) polymerase proteins in LNCaP cells after bispecific ASO treatment. Interestingly, Bcl-2/Bcl-xL bispecific ASO treatment also resulted in the down-regulation of Mcl-1 and up-regulation of Bax. The sensitivity of LNCaP cells to mitoxantrone, docetaxel or paclitaxel was significantly increased, reducing the 50% inhibitory concentration by 45%, 80% or 90%, respectively. Furthermore, the apoptotic induction by Bcl-2/Bcl-xL bispecific ASO was synergistically enhanced by siRNA-mediated inhibition of clusterin, a cytoprotective chaperone that interacts with and inhibits activated Bax. CONCLUSIONS: These findings support the concept of the targeted suppression of Bcl-2 anti-apoptotic family members using multitarget inhibition strategies for prostate cancer, through the effective induction of apoptosis.

Role of protein translocation pathways across the endoplasmic reticulum in Trypanosoma brucei

The translocation of secretory and membrane proteins across the endoplasmic reticulum (ER) membrane is mediated by co-translational (via the signal recognition particle (SRP)) and post-translational mechanisms. In this study, we investigated the relative contributions of these two pathways in trypanosomes. A homologue of SEC71, which functions in the post-translocation chaperone pathway in yeast, was identified and silenced by RNA interference. This factor is essential for parasite viability. In SEC71-silenced cells, signal peptide (SP)-containing proteins traversed the ER, but several were mislocalized, whereas polytopic membrane protein biogenesis was unaffected. Surprisingly trypanosomes can interchangeably utilize two of the pathways to translocate SP-containing proteins except for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, whose level was reduced in SEC71-silenced cells but not in cells depleted for SRP68, an SRP-binding protein. Entry of SP-containing proteins to the ER was significantly blocked only in cells co-silenced for the two translocation pathways (SEC71 and SRP68). SEC63, a factor essential for both translocation pathways in yeast, was identified and silenced by RNA interference. SEC63 silencing affected entry to the ER of both SP-containing proteins and polytopic membrane proteins, suggesting that, as in yeast, this factor is essential for both translocation pathways in vivo. This study suggests that, unlike bacteria or other eukaryotes, trypanosomes are generally promiscuous in their choice of mechanism for translocating SP-containing proteins to the ER, although the SRP-independent pathway is favored for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, which are the most abundant surface proteins in these parasites.

Characterization of the CopR regulon of Lactococcus lactis IL1403

To identify components of the copper homeostatic mechanism of Lactococcus lactis, we employed two-dimensional gel electrophoresis to detect changes in the proteome in response to copper. Three proteins upregulated by copper were identified: glyoxylase I (YaiA), a nitroreductase (YtjD), and lactate oxidase (LctO). The promoter regions of these genes feature cop boxes of consensus TACAnnTGTA, which are the binding site of CopY-type copper-responsive repressors. A genome-wide search for cop boxes revealed 28 such sequence motifs. They were tested by electrophoretic mobility shift assays for the interaction with purified CopR, the CopY-type repressor of L. lactis. Seven of the cop boxes interacted with CopR in a copper-sensitive manner. They were present in the promoter region of five genes, lctO, ytjD, copB, ydiD, and yahC; and two polycistronic operons, yahCD-yaiAB and copRZA. Induction of these genes by copper was confirmed by real-time quantitative PCR. The copRZA operon encodes the CopR repressor of the regulon; a copper chaperone, CopZ; and a putative copper ATPase, CopA. When expressed in Escherichia coli, the copRZA operon conferred copper resistance, suggesting that it functions in copper export from the cytoplasm. Other member genes of the CopR regulon may similarly be involved in copper metabolism.

A Missense Mutation in the SERPINH1 Gene in Dachshunds with Osteogenesis Imperfecta

Osteogenesis imperfecta (OI) is a hereditary disease occurring in humans and dogs. It is characterized by extremely fragile bones and teeth. Most human and some canine OI cases are caused by mutations in the COL1A1 and COL1A2 genes encoding the subunits of collagen I. Recently, mutations in the CRTAP and LEPRE1 genes were found to cause some rare forms of human OI. Many OI cases exist where the causative mutation has not yet been found. We investigated Dachshunds with an autosomal recessive form of OI. Genotyping only five affected dogs on the 50 k canine SNP chip allowed us to localize the causative mutation to a 5.82 Mb interval on chromosome 21 by homozygosity mapping. Haplotype analysis of five additional carriers narrowed the interval further down to 4.74 Mb. The SERPINH1 gene is located within this interval and encodes an essential chaperone involved in the correct folding of the collagen triple helix. Therefore, we considered SERPINH1 a positional and functional candidate gene and performed mutation analysis in affected and control Dachshunds. A missense mutation (c.977C>T, p.L326P) located in an evolutionary conserved domain was perfectly associated with the OI phenotype. We thus have identified a candidate causative mutation for OI in Dachshunds and identified a fifth OI gene.

Hsp90 transcriptionally and post-translationally regulates the expression of NDRG1 and maintains the stability of its modifying kinase GSK3beta

N-myc downstream-regulated gene 1 (NRDG1) is a stress-induced protein whose putative function is suppression of tumor metastasis. A recent proteonomic study showed NDRG1 interacts with the molecular chaperone heat shock protein 90 (Hsp90). From their reported association, we investigated if NDRG1 is dependent on Hsp90 for its stability and is therefore a yet unidentified Hsp90 client protein. Here, we demonstrate that endogenous NDRG1 and Hsp90 physically associate in hepatocellular cancer cell lines. However, geldanamycin (GA)-mediated inhibition of Hsp90 did not disrupt their interaction or result in NDRG1 protein destabilization. On the contrary, inhibition of Hsp90 led to a transcriptional increase of NDRG1 protein which was associated with cell growth arrest. We also observed that GA inhibited the phosphorylation of NDRG1 by targeting its regulating kinases, serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (SGK1) and glycogen synthase kinase 3 beta (GSK3beta). We demonstrate that in the presence of GA, GSK3beta protein and activity were decreased thus indicating that Hsp90 is necessary for GSK3beta stability. Taken together, our data demonstrate that NDRG1 is not a classic client protein but interacts with Hsp90 and is still dually regulated by Hsp90 at a transcriptional and post-translational level. Finally, we suggest for the first time GSK3beta as a new client protein of Hsp90.