Post-translational lysine-acetylation of Ran and its regulation by Sirtuin deacetylases

Through recent advances in high-throughput mass spectrometry it has become evident that post-translational N-(epsilon)-lysine-acetylation is a modification found on thousands of proteins of all cellular compartments and all essential physiological processes. Many aspects in the biology of lysine-acetylation are poorly understood, including its regulation by lysine-acetyltransferases and lysine-deacetylases (KDACs). Here, the role of this modification was investigated for the small GTP-binding protein Ran, which, inter alia, is essential for the regulation of nucleocytoplasmic transport. To this end, site-specifically acetylated Ran was produced in E. coli by genetic code expansion. For five previously identified sites, Ran acetylation was tested regarding its impact on the intrinsic GTP hydrolysis rate, the assembly of export complexes (modeled in vitro with the export receptor CRM1 and the export substrate Spn1) and the interaction of Ran with its GTPase activation protein RanGAP and RanBP1. Overall, mild effects of Ran acetylation were observed for intrinsic and RanGAP-stimulated GTP hydrolysis rates. The interaction of active Ran with RanBP1 was negatively influenced by Ran acetylation at K159. Moreover, CRM1 bound to Ran acetylated at K37, K99 or K159 interacted more strongly with Spn1. Thus, lysine-acetylation interferes with essential aspects of Ran function. An in vitro screen was performed to identify potential Ran KDACs. The NAD+-dependent KDACs of the Sirtuin class showed activity towards two acetylation sites of Ran, K37 and K71. The specificity of Sirtuins was further analyzed based on an additional Ran acetylation site, K38. Since deacetylation of RanAcK38 was much slower compared to RanAcK37, di-acetylated RanAcK37/38 was tested next. The deacetylation rate of di-acetylated Ran was comparable to that of RanAcK37. Deacetylation experiments under single turnover conditions revealed that deacetylation occurs first at the K38 site in the di-acetylated RanAcK37/38 background. The ability of Sirtuins to deacetylate two adjacent AcKs was further investigated based on two proteins, which had previously been found to be di-acetylated and targeted by Sirtuins, namely the tumor suppressor protein p53 and phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (PEPCK1). p53 was readily deacetylated at two di-acetylation sites (K372/372 and K381/382), whereas PEPCK1 was not deacetylated in vitro. Taken together, these results have important implications for the substrate specificity of Sirtuins.

Post translational modifications of recombinant human Papillomavirus type 6b major capsid protein

We have determined the post-translational modifications of the major capsid protein, L1 of human papillomavirus (HPV) type 6b. Since this virus cannot be cultured in the laboratory to obtain sufficient material for a study, a recombinant L1 protein produced in a vaccinia virus expression system was used in this investigation. Our results show that this protein is phosphorylated at serine residues and is also glycosylated. No myristoylation or palmitoylation was detected. The fraction of L1 protein incorporated into virus-like particles was not glycosylated. Since recombinant L1 protein is a potential human vaccine candidate, knowledge of the post-translation modifications of this protein may prove useful for the design of anti-HPV vaccines. (C) 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Plasticity of Opioid Receptors in the Female Periaqueductal Gray: Multiparity-Induced Increase in the Activity of Genes Encoding for Mu and Kappa Receptors and a Post-Translational Decrease in Delta Receptor Expression

The periaqueductal gray (PAG) has been reported as a potential site for opioid regulation of behavioral selection. Opioid-mediated behavioral and physiological responses differ between nulliparous and multiparous females. This study addresses the effects of multiple reproductive experiences on mu-, kappa- and delta-opioid receptor (Oprm1, Oprk1, and Oprd1 respectively) gene activity and mu, kappa and delta protein expression (MOR, KOR and DOR respectively) in the PAG of the female rats. This was done by evaluating the opioid gene expression using real-time (RT-PCR) and quantification of each protein receptor by Western blot analysis. The RT-PCR results show that multiple reproductive experiences increase Oprm1 and Oprk1 gene expression. Western blot analysis revealed increased MOR and KOR while DOR protein was decreased in multiparous animals. Taken together, these data suggest that multiple reproductive experiences influence both gene activity and opioid receptor expression in the PAG. Post-translational mechanisms seem particularly relevant for DOR expression. Thus, opioid transmission in the PAG might be modulated by different mechanisms of multiparity-induced plasticity according to the opioid receptor type.

Yeast as a model system to study genetic and post-translational regulation of metabolic pathways in mammals

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Post-translational modifications regulate distinct functions of CARMA1 and BCL10.

Activation of the transcription factor nuclear factor (NF)-kappaB is essential for the normal functioning of the immune system. Deregulated NF-kappaB signalling in lymphocytes can lead to immunodeficiency, but also to autoimmunity or lymphomas. Many of the signalling components controlling NF-kappaB activation in lymphocytes are now known, but it is less clear how distinct molecular components of this pathway are regulated. Here, we summarize recent findings on post-translational modifications of intracellular components of this pathway. Phosphorylation of the CARMA1 and BCL10 proteins and ubiquitylation of BCL10 affect the formation and stability of the CARMA1-BCL10-MALT1 (CBM) complex, and also control negative feedback regulation of the NF-kappaB signalling pathway. Moreover, the study of BCL10 phosphorylation isoforms has revealed a new mechanism controlling BCL10 nuclear translocation and an unexpected role for BCL10 in the regulation of the actin cytoskeleton.

Overlooked post-translational modifications of proteins in Plasmodium falciparum: N- and O-glycosylation - A Review

Human malignant malaria is caused by Plasmodium falciparum and accounts for almost 900,000 deaths per year, the majority of which are children and pregnant women in developing countries. There has been significant effort to understand the biology of P. falciparum and its interactions with the host. However, these studies are hindered because several aspects of parasite biology remain controversial, such as N- and O-glycosylation. This review describes work that has been done to elucidate protein glycosylation in P. falciparum and it focuses on describing biochemical evidence for N- and O-glycosylation. Although there has been significant work in this field, these aspects of parasite biochemistry need to be explored further.

Differential Regulation of c-FLIP Isoforms Through Post-translational Modifications

Cells are constantly responding to signals from the surrounding tissues and the environment. To dispose of infected and potentially dangerous cells, to ensure the optimal execution of developmental processes and to maintain tissue homeostasis, a multicellular organism needs to tightly control both the number and the quality of its cells. Apoptosis is a form of active cellular self-destruction that enables an organism to regulate its cell number by deleting damaged or potentially dangerous cells. Apoptosis can be induced by death ligands, which bind to death receptors on the cell surface. Ligation of the receptors leads to the formation of an intracellular death inducing signaling complex (DISC). One of the DISC components is caspase-8, a protease that triggers the caspase cascade and is thereby a key initiator of programmed cell death. The activation of caspase-8 is controlled by the cellular FLICE-inhibitory proteins (c-FLIPs). Consequently, sensitivity towards receptor-mediated apoptosis is determined by the amount of c-FLIP, and the c-FLIP levels are actively regulated for example during erythroid differentiation of K562 erythroleukemia cells and by hyperthermia in Jurkat leukemia cells. The aim of my thesis was to investigate how c-FLIP is regulated during these processes. We found that c-FLIP isoforms are short-lived proteins, although c-FLIPS had an even shorter half-life than c-FLIPL. In both experimental models, increased death receptor sensitivity correlated with induced ubiquitylation and consequent proteasomal degradation of c-FLIP. Furthermore, we elucidated how phosphorylation regulates the biological functions and the turnover of c-FLIP, thereby contributing to death receptor sensitivity. We mapped the first phosphorylation sites on c-FLIP and dissected how their phosphorylation affects c-FLIP. Moreover, we demonstrated that phosphorylation of serine 193, a phosphorylated residue common to all c-FLIPs, is primarily mediated by the classical PKC. Furthermore, we discovered a novel connection between the phosphorylation and ubiquitylation of c-FLIP: phosphorylation of S193 protects c-FLIP from ubiquitylation. Surprisingly, although all c-FLIP isoforms are phosphorylated on this conserved residue, the biological outcome is different for the long and short isoforms, since S193 specifically prolongs the half-lives of the short c-FLIP isoforms, but not c-FLIPL. To summarize, we show that c-FLIP proteins are modified by ubiquitylation and phosphorylation, and that the biological outcomes of these modifications are isoform-specifically determined.

Régulation de l'activité transcriptionnelle du récepteur nucléaire FXR par la ghréline et les modifications post-traductionnelles

Le récepteur X des farnésoïdes (FXR) fait partie de la superfamille des récepteurs nucléaires et agit comme un facteur de transcription suite à la liaison d’un ligand spécifique. Le récepteur FXR, activé par les acides biliaires, joue un rôle essentiel dans le métabolisme des lipides et du glucose en plus de réguler l’homéostasie des acides biliaires. Notre laboratoire a récemment mis en évidence une nouvelle voie de régulation du récepteur PPARγ en réponse au récepteur de la ghréline. En effet, la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de PPARγ via une cascade de signalisation impliquant les kinases Erk1/2 et Akt, supportant un rôle périphérique de la ghréline dans les pathologies associées au syndrome métabolique. Il est de plus en plus reconnu que la cascade métabolique impliquant PPARγ fait également intervenir un autre récepteur nucléaire, FXR. Dans ce travail, nous montrons que la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de FXR de manière dose-dépendante et induit également la phosphorylation du récepteur sur ses résidus sérine. En utilisant des constructions tronquées ABC et CDEF de FXR, nous avons démontré que la ghréline régule l’activité de FXR via les domaines d’activation AF-1 et AF-2. L’effet de la ghréline et du ligand sélectif GW4064 sur l’induction de FXR est additif. De plus, nous avons démontré que FXR est la cible d’une autre modification post-traductionnelle, soit la sumoylation. En effet, FXR est un substrat cellulaire des protéines SUMO-1 et SUMO-3 et la sumoylation du récepteur est ligand-indépendante. SUMO-1 et SUMO-3 induisent l’activation transcriptionnelle de FXR de façon dose-dépendante. Nos résultats indiquent que la lysine 122 est le site prédominant de sumoylation par SUMO-1, quoiqu’un mécanisme de coopération semble exister entre les différents sites de sumoylation de FXR. Avec son rôle émergeant dans plusieurs voies du métabolisme lipidique, l’identification de modulateurs de FXR s’avère être une approche fort prometteuse pour faire face à plusieurs pathologies associées au syndrome métabolique et au diabète de type 2.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Regulation of BAP1 tumor suppressor complex by post-translational modifications

Le régulateur transcriptionnel BAP1 est une déubiquitinase nucléaire (DUB) dont le substrat est l’histone H2A modifiée par monoubiquitination au niveau des residus lysines 118 et 119 (K118/K119). Depuis les dernières années, BAP1 emerge comme un gene suppresseur de tumeur majeur. En effet, BAP1 est inactivé dans un plethore de maladies humaines héréditaires et sporadiques. Cependant, malgré l’accumulation significative des connaissances concernant l’occurrence, la pénétrance et l’impact des défauts de BAP1 sur le développement de cancers, ses mécanismes d’action et de régulation restent très peu compris. Cette étude est dédiée à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle du complexe multi-protéique de BAP1 et se présente parmi les premiers travaux décrivant sa régulation par des modifications post-traductionnelles. D’abord, nous avons défini la composition du corps du complexe BAP1 ainsi que ses principaux partenaires d’interaction. Ensuite, nous nous sommes spécifiquement intéressés a investiguer d’avantage deux principaux aspects de la régulation de BAP1. Nous avons d’abord décrit l’inter-régulation entre deux composantes majeures du complexe BAP1, soit HCF-1 et OGT. D’une manière très intéressante, nous avons trouvé que le cofacteur HCF-1 est un important régulateur des niveaux protéiques d’OGT. En retour, OGT est requise pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant sa protéolyse par O-GlcNAcylation, un processus de régulation très important pour le bon fonctionnement de HCF-1. D’autre part, nous avons découvert un mécanisme unique de régulation de BAP1 médiée par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. en effet, UBE2O se caractérise par le fait qu’il s’agit aussi bien d’une ubiquitine conjuratrice et d’une ubiquitine ligase. UBE2O, multi-monoubiquitine BAP1 au niveau de son domaine NLS et promeut son exclusion du noyau, le séquestrant ainsi dans le cytoplasme. De façon importante, nos travaux ont permis de mettre de l’emphase sur le rôle de l’activité auto-catalytique de chacune de ces enzymes, soit l’activité d’auto-déubiquitination de BAP1 qui est requise pour la maintenance de sa localisation nucléaire ainsi que l’activité d’auto-ubiquitination d’UBE2O impliquée dans son transport nucléo-cytoplasmique. De manière significative, nous avons trouvé que des défauts au niveau de l’auto-déubiquitination de BAP1 due à des mutations associées à certains cancers indiquent l’importance d’une propre regulation de cette déubiquitinase pour les processus associés à la suppression de tumeurs.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Production of active recombinant eIF5A: reconstitution in E.coli of eukaryotic hypusine modification of eIF5A by its coexpression with modifying enzymes

Eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is the only cellular protein that contains the polyamine-modified lysine, hypusine [N(epsilon)-(4-amino-2-hydroxybutyl)lysine]. Hypusine occurs only in eukaryotes and certain archaea, but not in eubacteria. It is formed post-translationally by two consecutive enzymatic reactions catalyzed by deoxyhypusine synthase (DHS) and deoxyhypusine hydroxylase (DOHH). Hypusine modification is essential for the activity of eIF5A and for eukaryotic cell proliferation. eIF5A binds to the ribosome and stimulates translation in a hypusine-dependent manner, but its mode of action in translation is not well understood. Since quantities of highly pure hypusine-modified eIF5A is desired for structural studies as well as for determination of its binding sites on the ribosome, we have used a polycistronic vector, pST39, to express eIF5A alone, or to co-express human eIF5A-1 with DHS or with both DHS and DOHH in Escherichia coli cells, to engineer recombinant proteins, unmodified eIF5A, deoxyhypusine- or hypusine-modified eIF5A. We have accomplished production of three different forms of recombinant eIF5A in high quantity and purity. The recombinant hypusine-modified eIF5A was as active in methionyl-puromycin synthesis as the native, eIF5A (hypusine form) purified from mammalian tissue. The recombinant eIF5A proteins will be useful tools in future structure/function and the mechanism studies in translation.

Annexin-A1 gene expression during liver development and post-translation modification after experimental endotoxemia

Objective and design: We have previously reported a role for annexin-A1 in liver proliferation and tumorogenicity as well as its action as an acute phase protein in a model of endotoxemia in interleukin-6 null mice.Material and methods: In this study, we have investigated the analysis of the gene and protein expression in annexin-A1 null mice and the wild type livers during foetal and adult life, and in the presence of a proinflammatory stimulus.Results: The data indicate a link between the expression of the annexin-A1 as serine-phosphorylated-protein during early events of the inflammatory response and as tyrosine-phosphorylated-form at later time-points, during the resolution of inflammation.Conclusions: The study of annexin-A1 post-translation modification may promote a new annexin-A1 peptide discovery programme to treat specific pathologies.

Mutational analyses of human eIF5A-1-identification of amino acid residues critical for eIF5A activity and hypusine modification

The eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is the only protein that contains hypusine [N-epsilon-(4-amino-2-hydroxybutyl)lysine], which is required for its activity. Hypusine is formed by post-translational modification of one specific lysine (Lys50 for human eIF5A) by deoxyhypusine synthase and deoxyhypusine hydroxylase. To investigate the features of eIF5A required for its activity, we generated 49 mutations in human eIF5A-1, with a single amino acid substitution at the highly conserved residues or with N-terminal or C-terminal truncations, and tested mutant proteins in complementing the growth of a Saccharomyces cerevisiae eIF5A null strain. Growth-supporting activity was abolished in only a few mutant eIF5As (K47D, G49A, K50A, K50D, K50I, K50R, G52A and K55A), with substitutions at or near the hypusine modification site or with truncation of 21 amino acids from either the N-terminus or C-terminus. The inactivity of the Lys50 substitution proteins is obviously due to lack of deoxyhypusine modification. In contrast, K47D and G49A were effective substrates for deoxyhypusine synthase, yet failed to support growth, suggesting critical roles of Lys47 and Gly49 in eIF5A activity, possibly in its interaction with effector(s). By use of a UBHY-R strain harboring genetically engineered unstable eIF5A, we present evidence for the primary function of eIF5A in protein synthesis. When selected eIF5A mutant proteins were tested for their activity in protein synthesis, a close correlation was observed between their ability to enhance protein synthesis and growth, lending further support for a central role of eIF5A in translation.