Insulin and TOR pathways regulate cellular and organismal growth through the myc oncogene in Drosophila

A large body of literature documents in both mice and Drosophila the involvement of Insulin pathway in growth regulation, probably due to its role in glucose and lipid import, nutrient storage, and translation of RNAs implicated in ribosome biogenesis (Vanhaesebroeck et al. 2001). Moreover several lines of evidence implicate this pathway as a causal factor in cancer (Sale, 2008; Zeng and Yee 2007; Hursting et al., 2007; Chan et al., 2008). With regards to Myc, studies in cell culture have implied this family of transcription factors as regulators of the cell cycle that are rapidly induced in response to growth factors. Myc is a potent oncogene, rearranged and overexpressed in a wide range of human tumors and necessary during development. Its conditional knock-out in mice results in reduction of body weight due to defect in cell proliferation (Trumpp et al. 2001). Evidence from in vivo studies in Drosophila and mammals suggests a critical function for myc in cell growth regulation (Iritani and Eisenman 1999; Johnston et al. 1999; Kim et al. 2000; de Alboran et al. 2001; Douglas et al. 2001). This role is supported by our analysis of Myc target genes in Drosophila, which include genes involved in RNA binding, processing, ribosome biogenesis and nucleolar function (Orain et al 2003, Bellosta et al., 2005, Hulf et al, 2005). The fact that Insulin signaling and Myc have both been associated with growth control suggests that they may interact with each other. However, genetic evidence suggesting that Insulin signaling regulates Myc in vivo is lacking. In this work we were able to show, for the first time, a direct modulation of dMyc in response to Insulin stimulation/silencing both in vitro and in vivo. Our results suggest that dMyc up-regulation in response to DILPs signaling occurs both at the mRNA and potein level. We believe dMyc protein accumulation after Insulin signaling activation is conditioned to AKT-dependent GSK3β/sgg inactivation. In fact, we were able to demonstate that dMyc protein stabilization through phosphorylation is a conserved feature between Drosophila and vertebrates and requires multiple events. The final phosphorylation step, that results in a non-stable form of dMyc protein, ready to be degraded by the proteasome, is performed by GSK3β/sgg kinase (Sears, 2004). At the same time we demonstrated that CKI family of protein kinase are required to prime dMyc phosphorylation. DILPs and TOR/Nutrient signalings are known to communicate at several levels (Neufeld, 2003). For this reason we further investigated TOR contribution to dMyc-dependent growth regulation. dMyc protein accumulates in S2 cells after aminoacid stimulation, while its mRNA does not seem to be affected upon TORC1 inhibition, suggesting that the Nutrient pathway regulates dMyc mostly post-transcriptionally. In support to this hypothesis, we observed a TORC1-dependent GSK3β/sgg inactivation, further confirming a synergic effect of DILPs and Nutrients on dMyc protein stability. On the other hand, our data show that Rheb but not S6K, both downstream of the TOR kinase, contributes to the dMyc-induced growth of the eye tissue, suggesting that Rheb controls growth independently of S6K.. Moreover, Rheb seems to be able to regulate organ size during development inducing cell death, a mechanism no longer occurring in absence of dmyc. These observations suggest that Rheb might control growth through a new pathway independent of TOR/S6K but still dependent on dMyc. In order to dissect the mechanism of dMyc regulation in response to these events, we analyzed the relative contribution of Rheb, TOR and S6K to dMyc expression, biochemically in S2 cells and in vivo in morphogenetic clones and we further confirmed an interplay between Rheb and Myc that seems to be indipendent from TOR. In this work we clarified the mechanisms that stabilize dMyc protein in vitro and in vivo and we observed for the first time dMyc responsiveness to DILPs and TOR. At the same time, we discovered a new branch of the Nutrient pathway that appears to drive growth through dMyc but indipendently from TOR. We believe our work shed light on the mechanisms cells use to grow or restrain growth in presence/absence of growth promoting cues and for this reason it contributes to understand the physiology of growth control.

Molecular bases, pathogenic mechanisms and possible therapeutic approach in Leber's Hereditary Optic Neuropathy

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) is a mitochondrial disease characterized by a rapid loss of central vision and optic atrophy, due to the selective degeneration of retinal ganglion cells. The age of onset is around 20, and the degenerative process is fast and usually the second eye becomes affected in weeks or months. Even if this pathology is well known and has been well characterized, there are still open questions on its pathophysiology, such as the male prevalence, the incomplete penetrance and the tissue selectivity. This maternally inherited disease is caused by mutations in mitochondrial encoded genes of NADH ubiquinone oxidoreductase (complex I) of the respiratory chain. The 90% of LHON cases are caused by one of the three common mitochondrial DNA mutations (11778/ND4, 14484/ND6 and 3460/ND1) and the remaining 10% is caused by rare pathogenic mutations, reported in literature in one or few families. Moreover, there is also a small subset of patients reported with new putative pathogenic nucleotide changes, which awaits to be confirmed. We here clarify some molecular aspects of LHON, mainly the incomplete penetrance and the role of rare mtDNA mutations or variants on LHON expression, and attempt a possible therapeutic approach using the cybrids cell model. We generated novel structural models for mitochondrial encoded complex I subunits and a conservation analysis and pathogenicity prediction have been carried out for LHON reported mutations. This in-silico approach allowed us to locate LHON pathogenic mutations in defined and conserved protein domains and can be a useful tool in the analysis of novel mtDNA variants with unclear pathogenic/functional role. Four rare LHON pathogenic mutations have been identified, confirming that the ND1 and ND6 genes are mutational hot spots for LHON. All mutations were previously described at least once and we validated their pathogenic role, suggesting the need for their screening in LHON diagnostic protocols. Two novel mtDNA variants with a possible pathogenic role have been also identified in two independent branches of a large pedigree. Functional studies are necessary to define their contribution to LHON in this family. It also been demonstrated that the combination of mtDNA rare polymorphic variants is relevant in determining the maternal recurrence of myoclonus in unrelated LHON pedigrees. Thus, we suggest that particular mtDNA backgrounds and /or the presence of specific rare mutations may increase the pathogenic potential of the primary LHON mutations, thereby giving rise to the extraocular clinical features characteristic of the LHON “plus” phenotype. We identified the first molecular parameter that clearly discriminates LHON affected individuals from asymptomatic carriers, the mtDNA copy number. This provides a valuable mechanism for future investigations on variable penetrance in LHON. However, the increased mtDNA content in LHON individuals was not correlated to the functional polymorphism G1444A of PGC-1 alpha, the master regulator of mitochondrial biogenesis, but may be due to gene expression of genes involved in this signaling pathway, such as PGC-1 alpha/beta and Tfam. Future studies will be necessary to identify the biochemical effects of rare pathogenic mutations and to validate the novel candidate mutations here described, in terms of cellular bioenergetic characterization of these variants. Moreover, we were not able to induce mitochondrial biogenesis in cybrids cell lines using bezafibrate. However, other cell line models are available, such as fibroblasts harboring LHON mutations, or other approaches can be used to trigger the mitochondrial biogenesis.

Untersuchungen über Wechselwirkungen zwischen Proteinen der Leber und dem großen Hüllprotein des Hepatitis-B-Virus

Zusammenfassung:Im Infektionszyklus des Hepatitis-B-Virus spielt das große L-Hüllprotein mit seiner einzigartigen PräS1-Domäne eine zentrale Rolle. Es vermittelt die Bindung und Aufnahme in die Leberzelle, die Verpackung der Nukleokapside in die Virushülle, die Regulation der cccDNA-Amplifikation und eine transkriptionelle Aktivierung in der Wirtszelle. Zur Erfüllung seiner vielfältigen Aufgaben benötigt das L-Protein Unterstützung durch Wirtzellfaktoren, von denen einige im Rahmen dieser Untersuchung durch Verwendung von PräS1-Konstrukten als Fängerproteine im Hefe-Zwei-Hybrid-System identifiziert wurden. Mehrere Klone, die im Hefe-Zwei-Hybrid-Test mit dem C-terminalen PräS1-Fängerprotein (Aminosäure 44-108) isoliert worden waren, enthielten Teile der cDNA von gamma2-Adaptin, einem mutmaßlichen Mitglied der Clathrin-Adaptor-Proteine. Diese sind für intrazelluläre Membrantransportprozesse mittels clathrinumhüllter Vesikel verantwortlich. Unter den interagierenden Klonen, die mit dem N-terminalen Konstrukt des L-Proteins (Aminosäure 1-70) isoliert worden waren, befand sich überproportional häufig eine cDNA, die der schweren Kette H4 der Inter-Alpha-Trypsin-Inhibitor-Familie homolog war. H4 besitzt vermutlich bei der 'Akute-Phase-Reaktion', die Entzündungen folgt, und bei der Stabilisierung der extrazellulären Matrix physiologische Bedeutung. Weitere Klone kodierten für die Serinprotease C1r. Diese ist Bestandteil des C1-Komplex, der ersten Komponente des klassischen Komplementsystems. Die Spezifität der Bindung zwischen den positiven Klonen und der PräS1-Domäne wurde in weiteren biochemischen Interaktionstests bestätigt, sodaß H4, C1r und gamma2-Adaptin als Wirtszellfaktoren in der Physiologie des Hepatitis-B-Virus wahrscheinlich eine Rolle spielen.Abstract:Little is known about host cell factors necessary for hepatitis B virus assembly and infectivity. Central to virogenesis is the large L envelope protein that mediates hepatocyte receptor binding, envelopment of viral capsids, regulation of supercoiled DNA amplification and transcriptional transactivation. To assess its multiple functions and host-protein assistance involved, we here initiated a yeast two-hybrid screen using the L-specific preS1 domain as bait to screen a human liver cDNA library for L-interacting proteins. One of the most prominent cDNAs interacting with aminoacid sequence 44-108 of L-protein encodes for gamma2-adaptin, a novel clathrin adaptor-related protein responsible for protein sorting and trafficking. Among the clones interacting with the N-terminal construct of L-protein (aminoacid sequence 1-70), a frequently isolated cDNA corresponds to the gene for inter-alpha-trypsin family heavy chain H4, likely to be involved in acute inflammatory phase response and stabilization of extracellular matrices. Some other interacting clones were found to carry the cDNA for the serine protease C1r, a subunit of the C1 complex which initiates the classical complement cascade. The specificity of the interaction between the positive clones and the preS1 domain was further confirmed in independent biochemical experiments. Taken together, the results suggest a role for H4, C1r and gamma2-adaptin as host-cell factors in L-mediated process of viral biogenesis and/or pathogenesis.

Functional characterization of Streptococcus pyogenes pili

Group A Streptococcus is a Gram-positive human pathogen able to colonize both upper respiratory tract and skin. GAS is responsible for several acute diseases and autoimmune sequelae that account for half a million deaths worldwide every year (Cunningham et al., 2000). As other bacteria, GAS infections requires the capacity of the pathogen to adhere to host tissues and to form cell aggregates. The ability to persist in distinct host niches like the throat and the skin and to trigger infections is associated with the expression of different GAS virulence factors. GAS pili has been described as important virulence factors encoded by different FCT-operon regions. Based on this information, we decided to study the possible effect of environmental conditions that could regulate the pili expression. In this study we reported the influence of pH environment variations in biofilm formation for strains pertaining to a panel of different GAS FCT-types. The biofilm formation was promoted, excepted in the FCT-1 strains, by a changing in pH from physiological to acidic condition of growth in in vitro biofilm assay. By analyzing the possible association between biofilm formation and pH dependence, we have found that in FCT-2 and FCT-3 strains, the biofilm is promoted by pH reduction leading to an increase of pili expression. These data confirmed a direct link between pH dependent pilus expression and biofilm formation in GAS. As pili are a multi component structure we decided to investigate the functional role of one of its subunits, the AP-1 protein. AP-1 is highly conserved through the different FCT-types and suggests a possible essential role for the pili function. We focused our attention on the AP-1 protein encoded by the FCT-1 strains (M6). In particular this AP-1 protein contains the von Willebrand Factor A (VWFA) domain, which share an homology with the human VWFA domain that has been reported to be involved in adhesion process. We have demonstrated that the AP-1 protein binds to human epithelial cells by its VWFA domain, whereas the biofilm formation is mediated by the N-terminal region of AP-1 protein. Moreover, analyzing the importance of AP-1 in in vivo experiments we found a major capacity of tissue dissemination for the wild-type strain compared to the isogenic AP-1 deletion mutant. Pili have been also reported as potential vaccine candidates against Gram positive bacteria. For these reason we decided to investigate the relationship between cross reaction of sera raised against different GAS and GBS pilin subunits and the presence of a conserved Cna_B domain, in different pilin components. Our idea was to investigate if, using pilus conserved domains, a broad coverage vaccine against streptococcal infection could be possible.

Epidemiological and functional characterization of Streptococcus pneumoniae pili

Streptococcus pneumoniae is an important life threatening human pathogen causing agent of invasive diseases such as otitis media, pneumonia, sepsis and meningitis, but is also a common inhabitant of the respiratory tract of children and healthy adults. Likewise most streptococci, S. pneumoniae decorates its surface with adhesive pili, composed of covalently linked subunits and involved in the attachment to epithelial cells and virulence. The pneumococcal pili are encoded by two genomic regions, pilus islet 1 (PI-1), and pilus islet-2 (PI-2), which are present in about 30% and 16% of the pneumococcal strains, respectively. PI-1 exists in three clonally related variants, whereas PI-2 is highly conserved. The presence of the islets does not correlate with the serotype of the strains, but with the genotype (as determined by Multi Locus Sequence Typing). The prevalence of PI-1 and PI-2 positive strains is similar in isolates from invasive disease and carriage. To better dissect a possible association between PIs presence and disease we evaluated the distribution of the two PIs in a panel of 113 acute otitis media (AOM) clinical isolates from Israel. PI-1 was present in 30.1% (N=34) of the isolates tested, and PI-2 in 7% (N=8). We found that 50% of the PI-1 positive isolates belonged to the international clones Spain9V-3 (ST156) and Taiwan19F-14 (ST236), and that PI-2 was not present in the absence of Pl-1. In conclusion, there was no correlation between PIs presence and AOM, and, in general, the observed differences in PIs prevalence are strictly dependent upon regional differences in the distribution of the clones. Finally, in the AOM collection the prevalence of PI-1 was higher among antibiotic resistant isolates, confirming previous indications obtained by the in silico analysis of the MLST database collection. Since the pilus-1 subunits were shown to confer protection in mouse models of infection both in active and passive immunization studies, and were regarded as potential candidates for a new generation of protein-based vaccines, the functional characterization was mainly focused on S. pneumoniae pilus -1 components. The pneumococcal pilus-1 is composed of three subunits, RrgA, RrgB and RrgC, each stabilized by intra-molecular isopeptide bonds and covalently polymerized by means of inter-molecular isopeptide bonds to form an extended fibre. The pilus shaft is a multimeric structure mainly composed by the RrgB backbone subunit. The minor ancillary proteins are located at the tip and at the base of the pilus, where they have been proposed to act as the major adhesin (RrgA) and as the pilus anchor (RrgC), respectively. RrgA is protective in in vivo mouse models, and exists in two variants (clades I and II). Mapping of the sequence variability onto the RrgA structure predicted from X-ray data showed that the diversity was restricted to the “head” of the protein, which contains the putative binding domains, whereas the elongated “stalk” was mostly conserved. To investigate whether this variability could influence the adhesive capacity of RrgA and to map the regions important for binding, two full-length protein variants and three recombinant RrgA portions were tested for adhesion to lung epithelial cells and to purified extracellular matrix (ECM) components. The two RrgA variants displayed similar binding abilities, whereas none of the recombinant fragments adhered at levels comparable to those of the full-length protein, suggesting that proper folding and structural arrangement are crucial to retain protein functionality. Furthermore, the two RrgA variants were shown to be cross-reactive in vitro and cross-protective in vivo in a murine model of passive immunization. Taken together, these data indicate that the region implicated in adhesion and the functional epitopes responsible for the protective ability of RrgA may be conserved and that the considerable level of variation found within the “head” domain of RrgA may have been generated by immunologic pressure without impairing the functional integrity of the pilus.

Structural and functional characterization of Group B Streptococcus class C sortases

In Group B Streptococcus (GBS) three structurally distinct types of pili have been discovered as potential virulence factors and vaccine candidates. The pilus-forming proteins are assembled into high-molecular weight polymers via a transpeptidation mechanism mediated by specific class C sortases. Using a multidisciplinary approach including bioinformatics, structural and biochemical studies and in vivo mutagenesis we performed a broad characterization of GBS sortase C. The high resolution X-ray structure of the enzymes revealed that the active site, located into the β-barrel core of the enzyme, is made of the catalytic triad His157-Cys219-Arg228 and covered by a loop, known as the “lid”. We show that the catalytic triad and the predicted N- and C-terminal trans-membrane regions are required for the enzyme activity. Interestingly, by in vivo complementation mutagenesis studies we found that the deletion of the entire lid loop or mutations in specific lid key residues had no effect on catalytic activity of the enzyme. In addition, kinetic characterizations of recombinant enzymes indicate that the lid mutants can still recognize and cleave the substrate-mimicking peptide at least as well as the wild type protein.

Pathogenic mechanisms in mitochondrial optic neuropathies

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) and Autosomal Dominant Optic Atrophy (ADOA) are the two most common inherited optic neuropathies and both are the result of mitochondrial dysfunctions. Despite the primary mutations causing these disorders are different, being an mtDNA mutation in subunits of complex I in LHON and defects in the nuclear gene encoding the mitochondrial protein OPA1 in ADOA, both pathologies share some peculiar features, such a variable penetrance and tissue-specificity of the pathological processes. Probably, one of the most interesting and unclear aspect of LHON is the variable penetrance. This phenomenon is common in LHON families, most of them being homoplasmic mutant. Inter-family variability of penetrance may be caused by nuclear or mitochondrial ‘secondary’ genetic determinants or other predisposing triggering factors. We identified a compensatory mechanism in LHON patients, able to distinguish affected individuals from unaffected mutation carriers. In fact, carrier individuals resulted more efficient than affected subjects in increasing the mitochondrial biogenesis to compensate for the energetic defect. Thus, the activation of the mitochondrial biogenesis may be a crucial factor in modulating penetrance, determining the fate of subjects harbouring LHON mutations. Furthermore, mtDNA content can be used as a molecular biomarker which, for the first time, clearly differentiates LHON affected from LHON carrier individuals, providing a valid mechanism that may be exploited for development of therapeutic strategies. Although the mitochondrial biogenesis gained a relevant role in LHON pathogenesis, we failed to identify a genetic modifying factor for the variable penetrance in a set of candidate genes involved in the regulation of this process. A more systematic high-throughput approach will be necessary to select the genetic variants responsible for the different efficiency in activating mitochondrial biogenesis. A genetic modifying factor was instead identified in the MnSOD gene. The SNP Ala16Val in this gene seems to modulate LHON penetrance, since the Ala allele in this position significantly predisposes to be affected. Thus, we propose that high MnSOD activity in mitochondria of LHON subjects may produce an overload of H2O2 for the antioxidant machinery, leading to release from mitochondria of this radical and promoting a severe cell damage and death ADOA is due to mutation in the OPA1 gene in the large majority of cases. The causative nuclear defects in the remaining families with DOA have not been identified yet, but a small number of families have been mapped to other chromosomal loci (OPA3, OPA4, OPA5, OPA7, OPA8). Recently, a form of DOA and premature cataract (ADOAC) has been associated to pathogenic mutations of the OPA3 gene, encoding a mitochondrial protein. In the last year OPA3 has been investigated by two different groups, but a clear function for this protein and the pathogenic mechanism leading to ADOAC are still unclear. Our study on OPA3 provides new information about the pattern of expression of the two isoforms OPA3V1 and OPA3V2, and, moreover, suggests that OPA3 may have a different function in mitochondria from OPA1, the major site for ADOA mutations. In fact, based on our results, we propose that OPA3 is not involved in the mitochondrial fusion process, but, on the contrary, it may regulate mitochondrial fission. Furthermore, at difference from OPA1, we excluded a role for OPA3 in mtDNA maintenance and we failed to identify a direct interaction between OPA3 and OPA1. Considering the results from overexpression and silencing of OPA3, we can conclude that the overexpression has more drastic consequences on the cells than silencing, suggesting that OPA3 may cause optic atrophy via a gain-of-function mechanism. These data provide a new starting point for future investigations aimed at identifying the exact function of OPA3 and the pathogenic mechanism causing ADOAC.

Genetic Manipulation, Gene Silencing and Biomarker Development in Multiple Experimental Models.

The thesis is set in three different parts, according to the relative experimental models. First, the domestic pig (Sus scrofa) is part of the study on reproductive biotechnologies: the transgenesis technique of Sperm Mediated Gene Transfer is widely studied starting from the quality of the semen, through the study of multiple uptakes of exogenous DNA and lastly used in the production of multi-transgenic blastocysts. Finally we managed to couple the transgenesis pipeline with sperm sorting and therefore produced transgenic embryos of predetermined sex. In the second part of the thesis the attention is on the fruit fly (Drosophila melanogaster) and on its derived cell line: the S2 cells. The in vitro and in vivo models are used to develop and validate an efficient way to knock down the myc gene. First an efficient in vitro protocol is described, than we demonstrate how the decrease in myc transcript remarkably affects the ribosome biogenesis through the study of Polysome gradients, rRNA content and qPCR. In vivo we identified two optimal drivers for the conditional silencing of myc, once the flies are fed with RU486: the first one is throughout the whole body (Tubulin), while the second is a head fat body driver (S32). With these results we present a very efficient model to study the role of myc in multiple aspects of translation. In the third and last part, the focus is on human derived lung fibroblasts (hLF-1), mouse tail fibroblasts and mouse tissues. We developed an efficient assay to quantify the total protein content of the nucleus on a single cell level via fluorescence. We coupled the protocol with classical immunofluorescence so to have at the same time general and particular information, demonstrating that during senescence nuclear proteins increase by 1.8 fold either in human cells, mouse cells and mouse tissues.

Untersuchungen zur Interaktion von Cholesterin mit cholesterinbindenden Proteinen

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Biosynthese von Steroidhormonen ist der Transport von Cholesterin von der äußeren zur inneren Mitochondrienmembran, wo es zu dem Steroid Pregnenolon umgewandelt wird. Für diesen Transport ist das StAR-Protein (Steroidogenic Acute Regulatory Protein) notwendig. Ein weiteres an der Bildung von Steroidhormonen beteiligtes Protein ist das MLN64-Protein. Beide Proteine besitzen so genannte START-Domänen (StAR related Lipid Transfer-Domänen), die Cholesterin binden können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die START-Domänen von StAR und MLN64 Cholesterin auf unterschiedliche Weise binden. Es ist noch nicht geklärt, auf welche Weise das StAR-Protein den Cholesterintransport in die Mitochondrien bewirkt. Das StAR-Protein könnte Cholesterin binden und als Cholesterintransporter zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran fungieren. Nach einer anderen Hypothese wirkt das StAR-Protein ausschließlich an der äußeren Mitochondrienmembran. Es wird auch postuliert, dass das StAR-Protein in einem teilweise entfalteten Zustand vorliegen muss, um seine Funktion erfüllen zu können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass StAR ein fotoreaktives Cholesterinderivat bindet. Die Cholesterinbindungsstelle des StAR-Proteins konnte eingegrenzt werden. Es wurden Experimente durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Protein tatsächlich nur in teilweise entfaltetem Zustand aktiv ist. Die Cholesterinbindung des MLN64-Proteins wurde ebenfalls mit dem fotoreaktiven Cholesterinderivat untersucht. Dabei zeigte sich, dass MLN64 offenbar mehrere Bindungsstellen für Cholesterin besitzt. Weitere Experimente beschäftigten sich mit der Charakterisierung der Cholesterinbindungsstelle des humanen Oxytocinrezeptors, eines G-Protein gekoppelten Hormonrezeptors, der durch Cholesterin reguliert wird. Dabei kam auch wieder das fotoreaktive Cholesterinderivat zum Einsatz. Außerdem wurden in dieser Arbeit Experimente durchgeführt, die sich mit der Regulation der Cholesterinbiosynthese befassten. Die Biosynthese des Cholesterins wird reguliert, indem in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums verankerte Transkriptionsfaktoren proteolytisch freigesetzt werden. Das passiert nur dann, wenn der zelluläre Cholesterinspiegel niedrig ist. Bei diesem Regulationsmechanismus spielt das Protein SCAP eine zentrale Rolle (Sterol responsive element binding protein Cleavage Activating Protein). SCAP bindet Cholesterin spezifisch und wird dadurch reguliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Bereich von SCAP eingegrenzt werden, der Cholesterin bindet. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die Interaktion von SCAP mit einem anderen, als Insig bezeichneten Protein indirekt durch das Cholesterinderivat 25-Hydroxycholesterin reguliert wird.

The role of mitochondria in the regulation of gamma rays induced mTOR-dependent senescence

The first aims of this study were to demonstrate if mitochondrial biogenesis and senescence can be induced simultaneously in cell lines upon exposure to a genotoxic stress, and if the presence of mtDNA mutations which impair the functionality of respiratory complexes can influence the ability of a cell to activate senescence. The data obtained on the oncocytic model XTC.UC1 demonstrated that the presence of mitochondrial dysfunction is involved in the maintenance of a senescent phenotype induced by γ-rays treatment. The involvement of mTORC1 in the regulation of senescence has been shown in this cell line. On the other hand, in cells which do not present mitochondrial dysfunction it has been verified that genotoxic stress determines the activation of both mitochondrial biogenesis and senescence. Further studies are necessary in order to verify if mitochondrial biogenesis sustains the activation of senescence. The second aim of this thesis was to determine the involvement of mTORC1 in the regulation of PGC-1α expression, in order to verify what is the cause of the development of oncocytoma in patients affected by two hereditary cancer syndromes; Cowden and Birt-hogg-Dubé . The study of oncocytic tumors developed by patients affected by these syndromes suggested that the double heterozigosity of the two causative genes, PTEN and FLCN respectively, induce the activation of mTORC1 and therefore the activation of PGC-1α expression. On XTC.UC1 cell line, the most suitable in vitro model, experiments of complementation of PTEN and FLCN were conducted. To date, these results demonstrated that mTORC1 is not involved in the regulation of PGC-1α expression, and PTEN and FLCN seem to have opposite effect on PGC-1α expression.

Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.

Ruolo della Interleuchina-6 nella colite ulcerosa long-standing: regolazione della p53 ed induzione delle cellule mesenchimali epiteliali

L’infiammazione cronica è un fattore di rischio di insorgenza del cancro, e la citochina infiammatoria IL-6 gioca un ruolo importante nella tumorigenesi. In questo studio abbiamo dimostrato che L’IL-6 down-regola l'espressione e l'attività di p53. In linee cellulari umane, IL-6 stimola la trascrizione dell’rRNA mediante espressione della proteina c-myc a livello post-trascrizionale in un meccanismo p38MAPK-dipendente. L'up-regolazione della biogenesi ribosomiale riduce l'espressione di p53 attraverso l'attivazione della via della proteina ribosomale-MDM2. La down-regolazione di p53 produce l’acquisizione di modifiche fenotipiche e funzionali caratteristiche della epitelio mesenchimale di transizione, un processo associato a trasformazione maligna e progressione tumorale. I nostri dati mostrano che questi cambiamenti avvengono anche nelle cellule epiteliali del colon di pazienti affetti da colite ulcerosa, un esempio rappresentativo di una infiammazione cronica soggetta a trasformazione neoplastica, che scompaiono dopo trattamento con farmaci antinfiammatori. Questi risultati svelano un nuovo effetto oncogenico indotto dall’IL-6 che può contribuire notevolmente ad aumentare il rischio di sviluppare il cancro non solo in pazienti con infiammazioni croniche, ma anche in quei pazienti con condizioni patologiche caratterizzate da elevato livello di IL-6 nel plasma, quali l'obesità e e il diabete mellito di tipo 2.

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.

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

RAB3GAP1 und RAB3GAP2 (RAB3 GTPase-activating Protein 1/2) beeinflussen die Autophagie in C. elegans und humanen Zellen

Die Proteinhomöostase wird in der Zelle von drei Stoffwechselwegen reguliert: den molekularen Chaperonen, dem Ubiquitin-Proteasom-System und dem autophagosomalen Abbauweg. Die (Makro)Autophagie verpackt und transportiert zytosolische Komponenten in Autophagosomen zu den Lysosomen, wo sie abgebaut werden. Eine Störung dieses Abbauwegs wirkt auf die Proteostase.rnIn dieser Dissertation wurde C. elegans als Modellorganismus zur Erforschung von Proteinstabilität genutzt. In einer RNAi-vermittelten Proteostase-Analyse von Chromosom I und ausgewählter zusätzlicher Gene wurde ein Wurmstamm, der ein Luc::GFP-Konstrukt im Muskel exprimiert, genutzt. Dieses Reporterprotein aggregiert unter Hitzestressbedingungen und diese Aggregation kann durch Modulatoren der Proteostase beeinflusst werden. Dabei wurden mögliche neue Faktoren der Proteinhomöostase entdeckt. Durch weitere Experimente bei denen die Aggregation von PolyQ35::YFP im AM140-System, der Paralyse-Phänotyp und die Akkumulation Thioflavin S-gefärbter Aggregate von Aβ42 im CL2006-Wurmstamm und die Effekte auf die Autophagie mittels eines GFP::LGG1-Konstrukt analysiert wurden, konnten rbg-1 und rbg-2 als neue Modulatoren der Proteinhomöostase, insbesondere der Autophagie, identifiziert werden.rnIm Säuger bilden beide Orthologe dieser Gene, RAB3GAP1 und RAB3GAP2 den heterodimeren RAB3GAP-Komplex, der bisher nur bekannt war für die Stimulation der Umwandlung der GTP-gebundenen aktiven Form zur GDP-gebundenen inaktiven Form der RAB GTPase RAB3. In Immunoblot-Analysen und mikroskopischen Darstellungen im Säugersystem konnte gezeigt werden, dass die Effekte auf die Proteostase über den autophagosomalen Abbauweg wirken. RAB3GAP1/2 wirken als positive Stimulatoren, wenn die Lipidierung von LC3-I und der autophagische Flux von LC3-II und p62/SQSTM1 betrachtet werden. Diese Effekte werden aber nicht über die RAB GTPase RAB3 vermittelt. Die Proteine FEZ1 und FEZ2 haben einen antagonistischen Effekt auf die Autophagie und wenn alle vier Komponenten RAB3GAP1, RAB3GAP2, FEZ1 und FEZ2 zusammen herunter- oder hochreguliert werden, heben sich diese Effekte auf. In Co-Immunopräzipitationen und proteomischen Analysen konnte keine direkte Interaktion zwischen dem RAB3GAP-Komplex und FEZ1/2 oder zu anderen Autophagie-Genen nachgewiesen werden.rnHier konnte der RAB3GAP-Komplex funktionell mit Proteostase und Autophagie in C. elegans und Säugerzellen assoziiert werden. Dieser Komplex zeigt Einflüsse auf die autophagosomale Biogenese indem sie die Proteostase und die Bildung von (prä)autophagosomalen Strukturen in C. elegans und die Lipidierung von LC3 und damit den autophagischen Flux der Autophagiesubstrate LC3-II und p62/SQSTM1 in Säugerzellen beeinflusst. Darüber hinaus wirkt RAB3GAP der komplexen Autophagie-Unterdrückung durch FEZ1 und FEZ2 entgegen. Somit konnte gezeigt werden, dass RAB3GAP als neuartiger Faktor auf die autophagosomale Biogenese und somit auf die Proteostase wirkt.rn