HIV-1 Vpr induces the K48-linked polyubiquitination and proteasomal degradation of target cellular proteins to activate ATR and promote G2 arrest

HIV-1 viral protein R (Vpr) induces a cell cycle arrest at the G2/M phase by a mechanism involving the activation of the DNA damage sensor ATR. We and others recently showed that Vpr performs this function by subverting the activity of the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase. Vpr could thus act as a connector between the E3 ligase and an unknown cellular factor whose ubiquitination would induce G2 arrest. While attractive, this model is solely based on the indirect observation that some mutants of Vpr retain their interaction with the E3 ligase but fail to induce G2 arrest. Using a tandem affinity purification approach, we observed that Vpr interacts with ubiquitinated cellular proteins and that this association requires the recruitment of an active E3 ligase given that depletion of VPRBP by RNA interference or overexpression of a dominant-negative mutant of CUL4A decreased this association. Importantly, G2-arrest-defective mutants of Vpr in the C-terminal putative substrate-interacting domain displayed decreased association with ubiquitinated proteins. We also found that inhibition of proteasomal activity increased this association and that the ubiquitin chains were at least in part constituted of classical K48 linkages. Interestingly, inhibition of K48 polyubiquitination specifically impaired Vpr-induced phosphorylation of H2AX, an early target of ATR, but did not affect UV-induced H2AX phosphorylation. Overall, our results provide direct evidence that association of Vpr with the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase induces the K48-linked polyubiquitination of yet-unknown cellular proteins resulting in their proteasomal degradation and ultimately leading to activation of ATR and G2 arrest.

Mécanismes moléculaires de la réplication préférentielle du VIH-1 dans les cellules à polarisation Th1Th17 versus Th1 : rôle de PPARG dans la régulation négative de la réplication virale

Les cellules T CD4+ humaines sont hétérogènes du point de vue de la permissivité à l’infection par le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1). Notre laboratoire a préalablement démontré que les cellules Th1 à phénotype CXCR3+CCR6- sont relativement résistantes à l’infection par le VIH-1 alors que les cellules Th1Th17 à phénotype CXCR3+CCR6+ y sont hautement permissives. La réplication du VIH dépend de plusieurs facteurs cellulaires de restriction ou de permissivité agissant à différentes étapes du cycle viral. Toutefois, malgré plusieurs avancées, la compréhension des voies de signalisation cellulaire impliquées dans la régulation de la réplication du VIH est encore limitée. L’objectif majeur de ce projet de maîtrise est de caractériser les mécanismes moléculaires de la permissivité et de la résistance au VIH respectivement dans les cellules Th1Th17 et Th1. Ce mémoire est divisé en quatre parties qui visent: (i) l’identification des voies canoniques et des fonctions biologiques différemment régulées dans les cellules Th1Th17 versus Th1 par l’analyse de leur transcriptome au niveau du génome entier; (ii) la validation de l’expression différentielle des gènes d’intérêt identifiés par biopuces au niveau des transcrits et des protéines; (iii) la caractérisation du rôle fonctionnel de certains de ces facteurs (i.e., PPARG, AhR) sur la réplication du VIH dans les cellules Th1Th17 versus Th1; et (iv) l’identification du niveau auquel ces facteurs interfèrent avec le cycle de réplication du VIH. Nos résultats d’analyse du transcriptome du génome entier par Gene Set Enrichment Analysis et Ingenuity Pathway Analysis indiquent que les cellules à profil Th1Th17 sont plus susceptibles à l’activation cellulaire et à l’apoptose, favorisent plus l’inflammation et expriment moins fortement les gènes liés à la dégradation protéosomale comparé aux cellules à profil Th1. Ces différences dans la régulation de diverses voies et fonctions biologiques permettent en partie d’expliquer la susceptibilité à l’infection par le VIH dans ces cellules. Nous avons ensuite confirmé l’expression différentielle de certains gènes d’intérêt dans les cellules Th1Th17 (CXCR6, PPARG, ARNTL, CTSH, PTPN13, MAP3K4) versus Th1 (SERPINB6, PTK2) au niveau de l’ARNm et des protéines. Finalement, nous avons démontré le rôle des facteurs de transcription PPARG et AhR dans la régulation de la réplication du VIH. L’activation de la voie PPARG par la rosiglitazone induit la diminution importante de la réplication du VIH dans les cellules T CD4+, alors que l’activation de la voie AhR par les ligands exogènes TCDD et FICZ augmente de façon significative la réplication virale. Nous proposons que la voie PPARG agit comme un régulateur négatif de la réplication du VIH dans ces cellules, en interférant avec la polarisation Th17 et probablement en inhibant l’activité transcriptionnelle du facteur NF-kB. Les rôles des formes nucléaires versus cytoplasmiques du récepteur Ahr semblent être diamétralement opposés, dans la mesure où l’interférence ARN contre AhR s’associe également à l’augmentation de la réplication virale. Il est ainsi possible que la forme cytoplasmique d’AhR, connue par son activité E3 ligase, participe à la dégradation protéosomale des particules virales. Le mécanisme par lequel le AhR nucléaire versus cytoplasmique interfère avec la réplication virale est en cours d’étude au laboratoire. Cette étude représente la première caractérisation de l’expression différentielle de gènes au niveau du génome entier de sous-populations T CD4+ permissives versus résistantes à l’infection par le VIH. Nos résultats identifient de nouvelles cibles moléculaires pour de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à limiter la réplication du VIH dans les lymphocytes T CD4+ primaires.

Etudes structurales et fonctionnelles des interactions de SUMO avec des proteines d'echafaudage modeles: TIF1beta, PIAS1 et PML

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2.

Étude du rôle de la protéine Vpr du VIH-1 dans la modulation de la réponse immunitaire

L’infection par le VIH-1 est caractérisée par une activation chronique du système immunitaire et par une réduction graduelle du nombre de lymphocytes TCD4+, qui contribuent à une détérioration lente du système immunitaire menant à la phase SIDA. Paradoxalement, ce sont majoritairement des lymphocytes T CD4+ non infectés qui sont détruits et la cause de ce phénomène reste encore inconnue. Certaines protéines virales, dont la protéine accessoire Vpr, sont soupçonnées de jouer un rôle dans ce processus. Synthétisée tardivement, Vpr est incorporée à l’intérieur des virions, en plus d’être relâchée sous forme soluble dans le milieu extracellulaire. La principale fonction biologique de Vpr est l’induction d’un arrêt de cycle en phase G2/M, via le recrutement du complexe d’ubiquitine E3 ligase CUL4A-DDB1VprBP et l’activation de la voie de dommage à l’ADN contrôlée par la kinase ATR. Une étude démontre que l’activation des voies de dommages à l’ADN conduit à l’expression de ligands du récepteur activateur NKG2D, exprimés par les cellules NK, déclenchant leurs fonctions cytolytiques. Chose intéressante, plusieurs études suggèrent que le VIH-1 régule positivement l’expression des ligands de NKG2D à la surface des lymphocytes T CD4+ infectés. Cependant, le facteur viral impliqué dans ce processus reste encore indéfini. Le but de cette thèse était d’évaluer le rôle de Vpr dans la modulation des fonctions cytolytiques des cellules NK et son implication potentielle dans la destruction des lymphocytes T CD4+. Nos travaux ont permis de démontrer que l’expression de Vpr, seule ou dans le contexte de l’infection, est suffisante afin d’augmenter spécifiquement l’expression du ligand de NKG2D, ULBP2, au niveau de lymphocytes T CD4+ primaires. Conséquemment, Vpr augmente ainsi la susceptibilité de ces cellules à une lyse par des cellules NK autologues. Nous démontrons que cette régulation positive d’ULBP2 repose sur la capacité de Vpr de recruter le complexe d’ubiquitine E3 ligase DDB1-CUL4AVprBP et l’activation de la voie de dommage à l’ADN ATR. Plus important encore, nous apportons des preuves que Vpr augmente également l’expression d’ULBP2 au niveau des cellules non infectées lors d’une infection de lymphocytes TCD4+ par le VIH-1. À cet effet, nous montrons que l’acheminement de Vpr au niveau de lymphocytes T CD4+ non infectés via des particules virales défectives est suffisant afin de réguler positivement ULBP2 et d’augmenter leur lyse par des cellules NK autologues. De plus, nous décrivons pour la première fois que Vpr, sous forme soluble, a la capacité d’induire des dommages à l’ADN et de réguler positivement ULBP2 suite à la transduction de différents types cellulaires, incluant des cellules T. Globalement, nos résultats démontrent que Vpr est un facteur viral clé impliqué dans la régulation positive des ligands de NKG2D induite par le VIH-1. Cette régulation positive d’ULBP2 pourrait alors contribuer à la destruction des lymphocytes T CD4+ infectés et non infectés via l’activation des fonctions cytolytiques des cellules NK. Une meilleure compréhension de la contribution de cette activité de Vpr dans la pathogenèse du VIH-1 a le potentiel de permettre le développement de nouvelles cibles ou stratégies thérapeutiques contre le VIH-1.

Caractérisation des processus moléculaires impliqués dans l’activation de la protéine IKKbeta par l'angiotensine II et son rôle dans la réponse phénotypique des CMLV.

Le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) régule l’homéostasie de la contraction des artères. Or, suivant la liaison de l’angiotensine II (Ang II) à son récepteur AT1, le SRAA est également impliqué dans l’activation de voies de signalisation à l’origine de l’inflammation et de l’hypertrophie des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), soit deux processus participant au remodelage vasculaire caractéristique de diverses maladies cardiovasculaires, telles l’hypertension et l’athérosclérose. Ces pathologies sont les premières causes de mortalité naturelle en Amérique et les traitements les ciblant ne sont pas optimaux puisqu’ils visent seulement quelques facteurs de risque qui leur sont associés. Ainsi, la détermination des effecteurs intracellulaires régulant ces voies délétères est nécessaire à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. L’inflammation Ang II-dépendante dans les CMLV est attribuée au facteur de transcription nuclear factor-kappa B (NF-κB). Cependant, les processus moléculaires couplant le récepteur AT1 à son activation sont peu caractérisés. L’étude abordant cette question démontre in vitro que NF-κB est activé par la protéine IκB kinase β (IKKβ) dans les CMLV exposées à l’Ang II et que cette kinase est régulée par deux voies de signalisation indépendantes, mais complémentaires afin d’assurer son activation rigoureuse et soutenue. L’une des voies est précoce et dépend des seconds messagers ainsi que de deux nouveaux effecteurs sous-jacents au récepteur AT1, soit la E3 ligase TNF receptor-associated factor 6 (TRAF6) et la IKK kinase transforming growth factor-beta-activated kinase 1 (TAK1) tandis que la seconde est tardive et résulte de la signalisation mitogen-activated protein kinase kinase 1/2 (MEK1/2) - extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) - ribosomal S6 kinase (RSK). L’inhibition conjointe de ces voies abroge complètement la réponse inflammatoire, ce qui indique qu’elles en sont la seule source. Ainsi, l’inhibition d’IKKβ pourrait suffire à contrer l’inflammation impliquée dans le remodelage vasculaire associé à une suractivation du SRAA. Une découverte des plus novatrices découle de cette étude, qui veut que la E3 ligase TRAF6 est un nouvel effecteur des récepteurs couplés aux protéines G et est à l’origine de la formation d’un nouveau type de second messager, soit des chaînes libres de poly-ubiquitines. Les mécanismes moléculaires à la base de l’hypertrophie Ang II-dépendante dans les CMLV sont également peu définis. Or, suivant la parution d’un article démontrant qu’IKKβ dans les cellules cancéreuses participe aux mécanismes d’initiation de la traduction en réponse au facteur de nécrose tumorale α (TNFα) via la phosphorylation de la protéine Tuberous sclerosis 1 (TSC1) et donc l’activation du complexe mammalian target of rapamycin (mTORC1), une hypothèse a été émise selon laquelle cette kinase serait impliquée dans la synthèse protéique Ang II-dépendante dans les CMLV. Les expériences effectuées in vitro dans des CMLV exposées à l’Ang II démontrent qu’IKKβ induit la phosphorylation de TSC1 ainsi que l’activation de mTORC1 et de ses substrats S6 kinase 1 (S6K1) et translational regulators eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein (4E-BP1), deux protéines impliquées directement dans l’hypertrophie. Par ailleurs, la synthèse protéique au niveau des CMLV exposées à l’Ang II est réduite de 75% suivant la diminution de l’expression d’IKKβ et suivant la surexpression d’un mutant de TSC1 dont le site consensus d’IKKβ a été modifié, faisant de cette kinase un médiateur majeur au niveau de ce processus. Ainsi, in vitro IKKβ en réponse à l’Ang II est en amont de deux processus impliqués dans un remodelage vasculaire à l’origine de maladies cardiovasculaires. De plus, plusieurs facteurs de risque de ces pathologies convergent à l’activation d’IKKβ, ce qui en fait une cible thérapeutique particulièrement attrayante. Qui plus est, l’administration d’un inhibiteur d’IKKβ à des rats diminue non seulement la synthèse protéique dépendante de l’Ang II au niveau de l’aorte et des artères mésentériques, mais également la synthèse de la protéine pro-inflammatoire VCAM-1 par les cellules composant l’aorte, ce qui confirme son envergure en tant que cible.

Hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HRS) mediates post-endocytic trafficking of protease-activated receptor 2 and calcitonin receptor-like receptor

The E3 ligase c-Cbl ubiquitinates protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which is required for post-endocytic sorting of PAR(2) to lysosomes, where degradation arrests signaling. The mechanisms of post-endocytic sorting of ubiquitinated receptors are incompletely understood. Here, we investigated the role of hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HRS), in post-endocytic sorting and signaling of PAR(2). In HEK-PAR(2) cells, PAR(2) activating peptide (PAR(2)-AP) induced PAR(2) trafficking from the cell surface to early endosomes containing endogenous HRS, and then to lysosomes. HRS overexpression or knockdown with small interfering RNA caused formation of enlarged HRS-positive endosomes, where activated PAR(2) and c-Cbl accumulated, and PAR(2) failed to traffic to lysosomes. Overexpression of HRS prevented PAR(2)-AP-induced degradation of PAR(2), as determined by Western blotting. Overexpression of HRS mutant lacking an ubiquitin-binding motif similarly caused retention of PAR(2) in enlarged endosomes. Moreover, HRS overexpression or knockdown caused retention of ubiquitin-resistant PAR(2)Delta14K/R in enlarged HRS-containing endosomes, preventing recycling and resensitization of PAR(2)Delta14K/R. HRS overexpression or knockdown similarly prevented lysosomal trafficking and recycling of calcitonin receptor-like receptor, a non-ubiquitinated receptor that traffics to lysosomes after sustained activation and recycles after transient activation. Thus, HRS plays a critically important role in the post-endocytic sorting of single receptors, PAR(2) and CLR, to both degradative and recycling pathways. This sorting role for HRS is independent of its ubiquitin-interacting motif, and it can regulate trafficking of both ubiquitinated and non-ubiquitinated PAR(2) and non-ubiquitinated CLR. The ultimate sorting decision to degradative or recycling pathways appears to occur downstream from HRS.

Human skeletal muscle atrophy in amyotrophic lateral sclerosis reveals a reduction in Akt and an increase in atrogin-1

The molecular mechanisms influencing muscle atrophy in humans are poorly understood. Atrogin-1 and MuRF1, two ubiquitin E3-ligases, mediate rodent and cell muscle atrophy and are suggested to be regulated by an Akt/Forkhead (FKHR) signaling pathway. Here we investigated the expression of atrogin-1, MuRF1, and the activity of Akt and its catabolic (FKHR and FKHRL1) and anabolic (p70s6k and GSK-3β) targets in human skeletal muscle atrophy. The muscle atrophy model used was amyotrophic lateral sclerosis (ALS). All measurements were performed in biopsies from 22 ALS patients and 16 healthy controls as well as in G93A ALS mice. ALS patients had a significant increase in atrogin-1 mRNA and protein content, which was associated with a decrease in Akt activity. There was no difference in the mRNA and protein content of FKHR, FKHRL1, p70s6k, and GSK-3β. Similar observations were made in the G93A ALS mice. Human skeletal muscle atrophy, as seen in the ALS model, is associated with an increase in atrogin-1 and a decrease in Akt. The transcriptional regulation of human atrogin-1 may be controlled by an Akt-mediated transcription factor other than FKHR or via another signaling pathway.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Die Interaktion von VHL und PTEN bei der Tumorinitiation und Progression

Das VHL-Syndrom umfasst Erkrankungen, die mit einem Funktionsverlust von VHL einhergehen. Das Tumorspektrum umfasst retinale und zerebrale Hämangioblastome, Nierenzysten und klarzellige Nierenkarzinome, Zysten und Tumore des Pankreas, Phäochromocytome, Adenome der Hoden und Tumore des Mittelohrs. Obwohl aufgrund klinischer Studien bekannt ist, welche VHL-Mutation mit welchen Neoplasien assoziiert werden können, konnte bisher kein VHL-Mausmodell das Krankheitsbild des VHL-Syndroms widerspiegeln. Daher ist vermutlich eine zusätzliche Fehlregulation weiterer Gene nötig ist, um die Tumorgenese in den verschiedenen Geweben zu induzieren. In mehreren klarzelligen Nierenkarzinomen konnte bereits eine PTEN-Defizienz nachgewiesen werden, der Verlust von PTEN wird außerdem auch mit der Tumorgenese von Phäochromocytomen assoziiert. Möglicherweise wirken VHL und PTEN also in der Tumorsuppression in der Niere und der Nebenniere zusammen.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine VHL-vermittelte Stabilisierung der PTEN-Konzentration sowohl in embryonalen als auch in Tumor-Zellen der Niere nachgewiesen werden. Die Analyse des Regulationsmechanismus ergab erstens eine Hypoxie-abhängige Abnahme der Transkription von PTEN. Des Weiteren konnte eine VHL-vermittelte Ubiquitinylierung von NEDD4-1, welches als E3-Ligase von PTEN dessen Degradation und Kerntransport reguliert, ermittelt werden. rnIn Nierenkarzinom-Zellen wurde weiterhin eine VHL- bzw. PTEN-Restitution induziert, um die Auswirkungen der beiden Tumorsuppressoren auf das Zellverhalten in vitro und in vivo zu untersuchen. Sowohl VHL als auch PTEN hatten dieselben Effekte lediglich in unterschiedlicher Intensität auf das Verhalten der Zellen. So konnte VHL- und PTEN-abhängig eine Verstärkung der Adhäsion, eine Inhibierung der Migration und eine Verminderung der Überlebens- und Metastasierungsfähigkeit nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden Mausmodelle mit einem ubiquitären, heterozygoten Pten-Verlust generiert, die teilweise eine zusätzliche Haploinsuffizienz von Vhl bzw. eine heterozygote VHL Typ II-Mutation (V2B oder V2C) trugen. Sporadisch entwickelten diese Mäuse Vhl-abhängig Lebertumore und Pten-abhängig Lymphome und Ovarialkarzinome. Einige Mäuse mit einer kombinierten Vhl- und Pten-Defizienz bildeten zusätzlich Nierenzysten aus, die teilweise das gesamte Volumen der Niere einnahmen. Besonders häufig entstanden in Pten-haploinsuffizienten Mäusen Phäochromocytome, die durch eine zusätzliche V2B- oder V2C-Mutation in gleichaltrigen Mäusen deutlich weiterentwickelt waren. Demnach induziert erst der gemeinsame Verlust von Vhl und Pten die Bildung von Nierenzysten und Phäochromocytomen, welche dem Krankheitsbild des VHL-Syndroms zugeordnet werden.rnDie Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit zeigen erstmalig die Interaktion und Kooperation von VHL und PTEN in der Tumorsuppression. Die Resultate bieten außerdem die Grundlage für weitere Analysen der Auswirkung der VHL-vermittelten PTEN-Stabilisierung und für detailliertere Untersuchungen der durch die kombinierte Vhl- und Pten-Defizienz induzierten Neoplasien der Niere und der Nebennieren-Tumore in in vivo Mausmodellen.rn

Cell Cycle Regulatory Roles of Estrogen Receptor alpha (ERα) in Breast Cancer Cells

Previous studies have shown that Estrogen Receptor alpha (ERα) is an important indicator for diagnosis, prognosis and treatment of breast cancers. However, the question remains as to the role of ERα in the cell in the presence versus absence of 17-β estradiol In this dissertation the role of ERα in both its unliganded and liganded state, with respect to the cell cycle will be explored. The cell line models used in this project are ER-positive MCF-7 cells with and without siRNA to ERα and ER-positive MDA-MB-231 cells that have been engineered to express ERα. Cells were synchronized and the cell cycle progression was monitored by flow cytometric analysis. Using these methods, two specific questions were addressed: Does ERα modulate the cell cycle differently under liganded versus unliganded conditions? And, does the presence of ERα regulate cell cycle phase transitions? The results show for the first time that ERα is cell cycle regulated and modulates the progression of cells through S and G2/M phases of the cell cycle. Ligand bound ERα increases progression through S and G2/M phases, whereas unliganded ERα acts as an inhibitor of cell cycle progression. To further investigate the cell cycle regulated effects of liganded ERα, a luciferase assay was performed and showed that the transcription of target genes such as Progestrone Receptor (PgR) and Trefoil protein (pS2) increased duing S and G2/M phases when ERα is bound to ligand. Additionally, complex formation between cyclin B and ER α was shown by immunoprecipitation and led to the discovery that anaphase promoting complex (APC) is the E3 ligase for both cyclin B and ERα at the termination of M phase. Our findings suggest that unliganded ERα has an inhibitory effect on the progression of the cell cycle. Therefore, it is reasonable to speculate that the combination of drugs that lower estrogen level (such as aromatase inhibitors) and preserves ERα from degradation would provide better outcome for breast cancer treatment. We have shown that APC functions as the E3 ligase for ERα and thus might provide a target to design a specific inhibitor of ERα degradation.

FoxM1B regulates NEDD4-1 expression, leading to cellular transformation and full malignant phenotype in immortalized human astrocytes.

Our recent studies have shown that the FoxM1B transcription factor is overexpressed in human glioma tissues and that the level of its expression correlates directly with glioma grade. However, whether FoxM1B plays a role in the early development of glioma (i.e., in transformation) is unknown. In this study, we found that the FoxM1B molecule causes cellular transformation and tumor formation in normal human astrocytes (NHA) immortalized by p53 and pRB inhibition. Moreover, brain tumors that arose from intracranial injection of FoxM1B-expressing immortalized NHAs displayed glioblastoma multiforme (GBM) phenotypes, suggesting that FoxM1B overexpression in immortalized NHAs not only transforms the cells but also leads to GBM formation. Mechanistically, our results showed that overexpression of FoxM1B upregulated NEDD4-1, an E3 ligase that mediates the degradation and downregulation of phosphatase and tensin homologue (PTEN) in multiple cell lines. Decreased PTEN in turn resulted in the hyperactivation of Akt, which led to phosphorylation and cytoplasmic retention of FoxO3a. Blocking Akt activation with phosphoinositide 3-kinase/Akt inhibitors inhibited the FoxM1B-induced transformation of immortalized NHAs. Furthermore, overexpression of FoxM1B in immortalized NHAs increased the expression of survivin, cyclin D1, and cyclin E, which are important molecules for tumor growth. Collectively, these results indicate that overexpression of FoxM1B, in cooperation with p53 and pRB inhibition in NHA cells, promotes astrocyte transformation and GBM formation through multiple mechanisms.

Proteomic characterization of the FUS/TLS interactome

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) is a ubiquitously expressed RNA-binding protein, that has been discovered as fused to transcription factors in several human sarcomas and found in protein aggregates in neurons of patients with an inherited form of Amyotrophic Lateral Sclerosis [1]. To date, FUS has been implicated in a variety of cellular processes such as gene expression control, transcriptional regulation, pre-mRNA splicing and miRNA processing [2]. In addition, some evidences link FUS to genome stability control and DNA damage response. In fact, mice lacking FUS are hypersensitive to ionizing radiation and show high levels of chromosome instability and in response to double-strand breaks, FUS gets phosphorylated by the protein kinase ATM [3, 4, 5]. Moreover, upon DNA damage stress, FUS mediates Ebp1 (ErbB3 receptor-binding protein) SUMOylation, a post-translational modification that is required for its onco-suppressive activity, by acting as SUMO E3 ligase [6]. The study aims to investigate the role of FUS in DNA damage response and SUMOylation, two cellular pathways tightly interconnected to each other. Moreover, we will exploit biochemical and mass spectrometry-based approaches in order to identify other potential substrates of the E3 SUMO ligase activity of FUS. Preliminary results of mass spectrometric identification of FUS interacting proteins, in HEK293 and SHSY5Y cells, highlighted the interaction of FUS with several proteins involved in DNA damage response and many of those have been described already as target of SUMOylation, such as XRCC5, DDX5, PARP1, Nucleophosmin, and others. These evidences strengthen the hypothesis that FUS might represent a link between these pathways, even thou its exact role still needs to be clearly addressed. [1] Vance C. et al. (2009) Science 323(5918): p. 1208-11 [2] Fiesel FC., Kahle PJ. (2011) FEBS J. 278(19): p. 3550-68 [3] Kuroda M. et al. (2000) Embo J. 19(3): p. 453-62 [4] Hicks GG. et al. (2000) Nat Genet. 24(2):p. 175-9 [5] Gardiner M. et al. (2008) Biochem J. 415(2): p. 297-307 [6] Oh SM. et al. (2010) Oncogene 29(7): p. 1017-30

Receptor tyrosine kinase HER2-mediated signaling pathways in metastasis and angiogenesis

Metastasis, the major cause of morbidity and mortality in most cancers, is a highly organized and organ-selective process. The receptor tyrosine kinase HER2 enhances tumor metastasis, however, its role in homing to metastatic organs is poorly understood. The chemokine receptor CXCR4 has recently been shown to mediate the malignant cancer cells to specific organs. Here we show that HER2 enhances the expression of CXCR4 by increasing CXCR4 protein synthesis and inhibiting its degradation. We also observed significant correlation between HER2 and CXCR4 expression in human breast tumor tissues, and an association between CXCR4 expression and a poor overall survival rate in patients with breast cancer. Furthermore, we found that CXCR4 is required for HER2-induced invasion, migration, and adhesion activities in vitro . Finally we established stable transfectants using retroviral RNA interference to inhibit CXCR4 expression and showed that the CXCR4 is required for HER2-mediated lung metastasis in vivo. These results provide a plausible mechanism for HER2-mediated breast tumor metastasis and homing to metastatic organs, and establish a functional link between the receptor tyrosine kinase HER2 and the chemokine receptor CXCR4 signaling pathways. ^ The HER2 overexpression activates PI-3K/Akt pathways and plays an important role in mediating cell survival and tumor development. Hypoxia inducible factors (HIF) are the key regulator for angiogenesis and energy metabolism, and thereby enhance tumor growth and metastasis. HIF activation occurs in the majority of human cancers, including the HER2 overexpressing cancer cells. Previous reports suggested that increased PI-3K/Akt may activate HIF pathway in various tumors, but the detail mechanism is still not completely understood. Here we found that HER2/PI-3K/Akt pathway induces HIF-1α activation, which is independent of hypoxia, but relatively weaker than hypoxic stimulation. This phenomenon was further observed in Akt knock out mouse embryonic fibroblast cells. The PI-3K/Akt pathway does not affect HIF-1α binding with its E3 ligase VHL, but enhances the binding affinity between HIF-1α and β unit. Furthermore, we found Akt phosphorylates HIF-1β at serine 271 and further regulated HIF transcriptional activity. Our findings provided one mechanism that HER2 induce HIF activation via Akt to promote angiogenesis, and this process is independent on hypoxia, which may have implications in the oncogenic activity of HER2 and PI-3K/Akt pathway. ^

RNA polymerase II large subunit degradation induced by ecteinascidin 743: Molecular characterization and subsequent rational investigation of antitumor mechanisms in cancers with clinical response

Ecteinascidin 743 (Et-743), which is a novel DNA minor groove alkylator with a unique spectrum of antitumor activity, is currently being evaluated in phase II/III clinical trials. Although the precise molecular mechanisms responsible for the observed antitumor activity are poorly understood, recent data suggests that post-translational modifications of RNA polymerase II Large Subunit (RNAPII LS) may play a central role in the cellular response to this promising anticancer agent. The stalling of an actively transcribing RNAPII LS at Et-743-DNA adducts is the initial cellular signal for transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER). In this manner, Et-743 poisons TC-NER and produces DNA single strand breaks. Et-743 also inhibits the transcription and RNAPII LS-mediated expression of selected genes. Because the poisoning of TC-NER and transcription inhibition are critical components of the molecular response to Et-743 treatment, we have investigated if changes in RNAPII LS contribute to the disruption of these two cellular pathways. In addition, we have studied changes in RNAPII LS in two tumors for which clinical responses were reported in phase I/II clinical trials: renal cell carcinoma and Ewing's sarcoma. Our results demonstrate that Et-743 induces degradation of the RNAPII LS that is dependent on active transcription, a functional 26S proteasome, and requires functional TC-NER, but not global genome repair. Additionally, we have provided the first experimental data indicating that degradation of RNAPII LS might lead to the inhibition of activated gene transcription. A set of studies performed in isogenic renal carcinoma cells deficient in von Hippel-Lindau protein, which is a ubiquitin-E3-ligase for RNAPII LS, confirmed the central role of RNAPII LS degradation in the sensitivity to Et-743. Finally, we have shown that RNAPII LS is also degraded in Ewing's sarcoma tumors following Et-743 treatment and provide data to suggest that this event plays a role in decreased expression of the Ewing's sarcoma oncoprotein, EWS-Fli1. Altogether, these data implicate degradation of RNAPII LS as a critical event following Et-743 exposure and suggest that the clinical activity observed in renal carcinoma and Ewing's sarcoma may be mediated by disruption of molecular pathways requiring a fully functional RNAPII LS. ^

A conditional Mdm2 allele shows the importance of Mdm2 in heart development

Over 50% of sporadic tumors in humans have a p53 mutation highlighting its importance as a tumor suppressor. Considering additional mutations in other genes involved in p53 pathways, every tumor probably has mutant p53 or impaired p53-mediated functions. In response to a variety of cellular and genotoxic stresses, p53, mainly through its transcriptional activity, induces pathways involved in apoptosis and growth arrest. In these circumstances and under normal situations, p53 must be tightly regulated. Mdm2 is an important regulator of p53. Mdm2 inhibits p53 function by binding and blocking its transactivation domain. In addition, Mdm2 helps target p53 for degradation through its E3 ligase activity. Mdm2 null mice are embryonic lethal due to apoptosis in the blastocysts. However, a p53 null background rescues this lethality demonstrating the importance of the p53-Mdm2 interaction, particularly during development. The lethality of the Mdm2 null mouse prior to implantation limits the ability to investigate the role of Mdm2 in regulating p53 in a temporal and tissue specific manner. Does p53 need to be regulated in all tissues throughout the life of a mouse? Does Mdm2 always have to regulate it? To address these questions, we created a conditional Mdm2 allele. The conditional allele, Mdm2FM, in the presence of Cre recombinase results in the deletion of exons 5 and 6 of Mdm2 (most of the p53 binding domain) and represents a null allele. ^ The Mdm2FM allele was crossed with a heart muscle specific Cre expressing mouse (α-myosin heavy chain promoter driven Cre) to ask whether Mdm2 acts as a negative regulator of p53 in the heart. The heart is the most prominent organ early in embryogenesis and is shaped by cell death and proliferation. p53 does not appear to be active in the heart in response to some types of stress, so it remained to be determined if it has to be regulated in normal heart development. Loss of Mdm2 in the heart results in heart defects as early as E9.5. Loss of Mdm2 results in stabilized p53 and apoptosis. This apoptosis leads to a thinning of the myocardial wall particularly in the ventricles and abnormal ventricular structure. Eventually the abnormal heart fails resulting in lethality by E13.5. The embryonic lethality is rescued in a p53 null background. Thus, Mdm2 is important in regulating p53 in the development of the heart. ^