The fusion protein SS18-SSX1 employs core Wnt pathway transcription factors to induce a partial Wnt signature in synovial sarcoma.

Expression of the SS18/SYT-SSX fusion protein is believed to underlie the pathogenesis of synovial sarcoma (SS). Recent evidence suggests that deregulation of the Wnt pathway may play an important role in SS but the mechanisms whereby SS18-SSX might affect Wnt signaling remain to be elucidated. Here, we show that SS18/SSX tightly regulates the elevated expression of the key Wnt target AXIN2 in primary SS. SS18-SSX is shown to interact with TCF/LEF, TLE and HDAC but not β-catenin in vivo and to induce Wnt target gene expression by forming a complex containing promoter-bound TCF/LEF and HDAC but lacking β-catenin. Our observations provide a tumor-specific mechanistic basis for Wnt target gene induction in SS that can occur in the absence of Wnt ligand stimulation.

SMRT-mediated co-shuttling enables export of class IIa HDACs independent of their CaM kinase phosphorylation sites

The Class IIa histone deacetylases (HDAC)4 and HDAC5 play a role in neuronal survival and behavioral adaptation in the CNS. Phosphorylation at 2/3 N-terminal sites promote their nuclear export. We investigated whether non-canonical signaling routes to Class IIa HDAC export exist because of their association with the co-repressor Silencing Mediator Of Retinoic And Thyroid Hormone Receptors (SMRT). We found that, while HDAC5 and HDAC4 mutants lacking their N-terminal phosphorylation sites (HDAC4(MUT), HDAC5(MUT)) are constitutively nuclear, co-expression with SMRT renders them exportable by signals that trigger SMRT export, such as synaptic activity, HDAC inhibition, and Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) signaling. We found that SMRT's repression domain 3 (RD3) is critical for co-shuttling of HDAC5(MUT), consistent with the role for this domain in Class IIa HDAC association. In the context of BDNF signaling, we found that HDAC5(WT), which was more cytoplasmic than HDAC5(MUT), accumulated in the nucleus after BDNF treatment. However, co-expression of SMRT blocked BDNF-induced HDAC5(WT) import in a RD3-dependent manner. In effect, SMRT-mediated HDAC5(WT) export was opposing the BDNF-induced HDAC5 nuclear accumulation observed in SMRT's absence. Thus, SMRT's presence may render Class IIa HDACs exportable by a wider range of signals than those which simply

Identification of Epigenetic Targets in Prostate Cancer for Therapeutic Development

Recurrent castration resistant prostate cancer remains a challenge for cancer therapies and novel treatment options in addition to current anti-androgen and mitosis inhibitors are needed. Aberrations in epigenetic enzymes and chromatin binding proteins have been linked to prostate cancer and they may form a novel class of drug targets in the future. In this thesis we systematically evaluated the epigenenome as a prostate cancer drug target. We functionally silenced 615 known and putative epigenetically active protein coding genes in prostate cancer cell lines using high throughput RNAi screening and evaluated the effects on cell proliferation, androgen receptor (AR) expression and histone patterns. Histone deacetylases (HDACs) were found to regulate AR expression. Furthermore, HDAC inhibitors reduced AR signaling and inhibited synergistically with androgen deprivation prostate cancer cell proliferation. In particular, TMPRSS2- EGR fusion gene positive prostate cancer cell lines were sensitive to combined HDAC and AR inhibition, which may partly be related to the dependency of a fusion gene induced epigenetic pathway. Histone demethylases (HDMs) were identified to regulate prostate cancer cell line proliferation. We discovered a novel histone JmjC-domain histone demethylase PHF8 to be highly expressed in high grade prostate cancers and mediate cell proliferation, migration and invasion in in vitro models. Additionally, we explored novel HDM inhibitor chemical structures using virtual screening methods. The structures best fitting to the active pocket of KDM4A were tested for enzyme inhibition and prostate cancer cell proliferation activity in vitro. In conclusion, our results show that prostate cancer may efficiently be targeted with combined AR and HDAC inhibition which is also currently being tested in clinical trials. HDMs were identified as another feasible novel drug target class. Future studies in representative animal models and development of specific inhibitors may reveal HDMs full potential in prostate cancer therapy

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

Rôle de l’acétylation/déacétylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes de la COX-2, iNOS et mPGES-1 dans les tissus articulaires.

L’arthrose ou ostéoarthrose (OA) est l’affection rhumatologique la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée principalement par une perte du cartilage articulaire et l’inflammation de la membrane synoviale. L’interleukine (IL)-1ß, une cytokine pro-inflammatoire, joue un rôle très important dans la pathogenèse de l’OA. Elle exerce son action en induisant l’expression des enzymes cyclo-oxygénase 2 (COX-2), prostaglandine E synthétase microsomale 1 (mPGES-1) et l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) ainsi que la production de la prostaglandine E2 (PGE2) et de l’oxyde nitrique (NO). Ces derniers (PGE2 et NO) contribuent à la synovite et la destruction du cartilage articulaire par leurs effets pro-inflammatoires, pro-cataboliques, anti-anaboliques, pro-angiogéniques et pro-apoptotiques. Les modifications épigénétiques, telles que la méthylation de l’ADN, et l’acétylation et la méthylation des histones, jouent un rôle crucial dans la régulation de l’expression des gènes. Parmi ces modifications, l’acétylation des histones est la plus documentée. Ce processus est contrôlé par deux types d’enzymes : les histones acétyltransférases (HAT) qui favorisent la transcription et les histones déacétylases (HDAC) qui l’inhibent. L’objectif de ce travail est d’examiner le rôle des enzymes HDAC dans la régulation de l’expression de la COX-2, mPGES-1 et iNOS. Nous avons montré qu’au niveau des chondrocytes, les inhibiteurs des HDAC (iHDAC), trichostatine A (TSA) et butyrate de sodium (NaBu), suppriment l’expression de la COX-2 et iNOS au niveau de l’ARNm et protéique, ainsi que la production de la PGE2 et du NO, induites par l’IL-1ß. L’effet inhibiteur à lieu sans affecter l’activité de liaison à l’ADN du facteur de transcription NF-κB (nuclear factor κ B). La TSA et le NaBu inhibent également la dégradation induite par l’IL-1ß des protéoglycanes au niveau du cartilage. Nous avons également montré, qu’au niveau des fibroblastes synoviaux, les iHDAC, TSA, NaBu et acide valproïque (VA), suppriment l’expression de la mPGES-1 ainsi que la production de la PGE2 induites par l’IL-1ß. En utilisant diverses approches expérimentales, nous avons montré que HDAC4 est impliquée dans l’induction de l’expression de la mPGES-1 par l’IL-1ß. HDAC4 exerce son action, via son activité déacétylase, en augmentant l’activité transcriptionnelle de Egr-1 (early growth factor 1), facteur de transcription principal de l’expression de la mPGES-1. L’ensemble de ces résultats suggère que les inhibiteurs des HDAC pourraient être utilisés dans le traitement de l’OA.

Modulation de l'expression de Sirt-1 induite par l'endothéline-1 dans les cellules musculaires lisses vasculaires

Au cours des maladies cardiovasculaires (MCV), il peut se produire divers problèmes de santé, telle que l’insuffisance cardiaque ou encore l’HTA. Ces phénomènes se caractérisent, entre autres, par une augmentation de synthèse d’endotheline-1 (ET-1), un neuropeptide synthétisé par les cellules endothéliales ayant un effet vasoconstricteur sur les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Ainsi, la surexpression de ce vasopeptide, mène à terme, au maintien de l’HTA aggravée des sujets, précédée ou concomitante à l’athérosclérose ou à la resténose, cliniquement illustrées par une prolifération et une migration anormale des CMLV de la media vers l’intima des vaisseaux sanguins. Parallèlement, il a été observé que la protéine sirtuine-1 (Sirt-1), membre de la famille des protéines histones déacétylases (HDAC), présente des propriétés anti-athérosclérotiques par sa capacité d’atténuer la prolifération et la migration des CMLV. Des travaux récents ont aussi montré qu’au cours de l’HTA la protéine Sirt-1 est faiblement exprimée dans les CMLV. Son implication dans le développement des pathologies vasculaires semble apparente, mais des études demeurent nécessaires pour décrire son rôle exact dans la pathogenèse des MCV. Dans cette optique, l’objectif de cette étude a été d’observer la variation d’expression de Sirt-1 dans les CMLV, isolées de l’aorte ascendante de rat, en réponse à l’ET-1. On a remarqué qu’une heure de stimulation des CMLV avec l’ET-1 induit une diminution de l’expression de Sirt-1 via l’activation des récepteurs ETA. Ces résultats suggèrent que la capacité d’ET-1 à atténuer l’expression de Sirt-1 serait un éventuel mécanisme d’action avec des effets favorisant les MCV.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

HDAC inhibition decreases XIST expression on female IVP bovine blastocysts

During initial development, both X chromosomes are active in females, and one of them must be silenced at the appropriate time in order to dosage compensate their gene expression levels to male counterparts. Silencing involves epigenetic mechanisms, including histone deacetylation. Major X chromosome inactivation (XCI) in bovine occurs between hatching and implantation, although in vitro culture conditions might disrupt the silencing process, increasing or decreasing X-linked gene expression. In this study, we aimed to address the roles of histone deacetylase inhibition by trichostatin A (TSA) on female preimplantation development.We tested the hypothesis that by enhancing histone acetylation, TSA would increase the percentage of embryos achieving 16-cell stage, reducing percentage of embryos blocked at 8-cell stage, and interfere with XCI in IVF embryos. We noticed that after TSA treatment, acetylation levels in individual blastomeres of 8-16 cell embryos were increased twofold on treated embryos, and the samewas detected for blastocysts. Changes among blastomere levels within the same embryo were diminished on TSA group, as low-acetylated blastomeres were no longer detected. The percentage of embryos that reached the 5th cleavage cycle 118 h after IVF, analyzed by Hoechst staining, remained unaltered after TSA treatment. Then, we assessed XIST and G6PD expression in individual female bovine blastocysts by quantitative real-time PCR. Even though G6PD expression remained unaltered after TSA exposure, XIST expression was eightfold decreased, and we also detected a major decrease in the percentage of blastocysts expressing detectable XIST levels after TSA treatment. Based on these results, we conclude that HDAC is involved on XCI process in bovine embryos, and its inhibition might delay X chromosome silencing and attenuate aberrant XIST expression described for IVF embryos. © 2013 Society for Reproduction and Fertility.

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.

Innovative Strategies for the Synthesis of Biologically Active Small Molecules

The post genomic era, set the challenge to develop drugs that target an ever-growing list of proteins associated with diseases. However, an increase in the number of drugs approved every year is nowadays still not observed. To overcome this gap, innovative approaches should be applied in drug discovery for target validation, and at the same time organic synthetic chemistry has to find new fruitful strategies to obtain biologically active small molecules not only as therapeutic agents, but also as diagnostic tools to identify possible cellular targets. In this context, in view of the multifactorial mechanistic nature of cancer, new chimeric molecules, which can be either antitumor lead candidates, or valuable chemical tools to study molecular pathways in cancer cells, were developed using a multitarget-directed drug design strategy. According to this approach, the desired hybrid compounds were obtained by combining in a single chemical entity SAHA analogues, targeting histone deacetylases (HDACs), with substituted stilbene or terphenyl derivatives able to block cell cycle, to induce apoptosis and cell differentiation and with Sorafenib derivative, a multikinase inhibitor. The new chimeric derivatives were characterized with respect to their cytotoxic activity and their effects on cell cycle progression on leukemia Bcr-Abl-expressing K562 cell lines, as well as their HDACs inhibition. Preliminary results confirmed that one of the hybrid compounds has the desired chimeric profile. A distinct project was developed in the laboratory of Dr Spring, regarding the synthesis of a diversity-oriented synthesis (DOS) library of macrocyclic peptidomimetics. From a biological point of view, this class of molecules is extremely interesting but underrepresented in drug discovery due to the poor synthetic accessibility. Therefore it represents a valid challenge for DOS to take on. A build/couple/pair (B/C/P) approach provided, in an efficient manner and in few steps, the structural diversity and complexity required for such compounds.

Molekulare Mechanismen Proteinkinase C-induzierter Nox4-Hochregulation in humanen Endothelzellen

Eine verstärkte Transkription von NADPH-Oxidasen (Nox) wird mit der Entstehung von atherosklerotischer Veränderungen in Verbindung gebracht. Die Arbeit unserer Gruppe zeigte, dass die Aktivität der Proteinkinase C (PKC) zu einer Nox4-Hochregulation führt, der dominanten NOX Isoform in endothelialen Zellen. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Aufdeckung der dowm-stream gelegenen Mechanismen. Die Behandlung von humanen EA.hy 926-Zellen mit dem PKC Aktivator Phorbol-12-Myristat-13-Acetat (PMA) für 48 h führte in eine signifikante Nox4-mRNA-Hochregulation, welche mittels PKC-Inhibitoren oder PKC alpha siRNA abgewendet werden konnte. PMA führte zu einer andauernden Aktivierung der MAP-Kinase Erk1/2. Die PMA vermittelte Nox4-Expression konnte durch Erk1/2-Inhibitoren oder durch Erk1/2-Knock-down geblockt werden. Down-stream konnte die Involvierung der Erk1/2-Substarte Elk-1 und c-Fos mittels siRNA-Experimente gezeigt werden. Darüber hinaus blockte die Inhibierung der Histondeacetylasen (HDACs) mit Scriptaid oder durch HDAC3-Knock-down mittels siRNA die PMA-induzierte Nox4-Expression in EA.hy 926-Zellen, weswegen eine Rolle für HADC3 in der Regulation der Nox4-Expression angezeigt wurde. Abschließend reduzierte ein Knock-down von p53 (siRNA) deutlich die basale Expression von Nox4, hatte aber nur einen kleinen Effekt auf die PMA-induzierte Nox4-Expression. Zusammenfassend zeigen die Daten der vorliegenden Arbeit, dass in einer PKC alpha induzierten Nox4-mRNA-Hochregulation Erk1/2, Elk-1, cFos und HDAC3 involviert sind.

DEFINING THE ROLE OF EGFR ACETYLATION IN CELLULAR PROCESSES: CLINICAL IMPLICATIONS

Epidermal growth factor receptor (EGFR) is a cell membrane tyrosine kinase receptor and plays a pivotal role in regulating cell growth, differentiation, cell cycle, and tumorigenesis. Deregulation of EGFR causes many diseases including cancers. Intensive investigation of EGFR alteration in human cancers has led to profound progress in developing drugs to target EGFR-mediated cancers. While exploring possible synergistic enhancement of therapeutic efficacy by combining EGFR tyrosine kinase inhibitors (TKI) with other anti-cancer agents, we observed that suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA, a deacetylase inhibitor) enhanced TKI-induced cancer cell death, which further led us to question whether SAHA-mediated sensitization to TKI was associated with EGFR acetylation. What we know so far is that SAHA can inhibit class I and II histone deacetylases (HDACs), which could possibly preserve acetylation of underlying HDAC-targeted proteins including both histone and non-histone proteins. In addition, it has been reported that an HDAC inhibitor, TSA, enhanced EGFR phosphorylation in ovarian cancer cells. EGFR acetylation has also been reported to play a role in the regulation of EGFR endocytosis recently. These observations indicate that there might be an intrinsic correlation between acetylation and phosphorylation of EGFR. In other words, the interplay between EGFR acetylation and phosphorylation may contribute to HDAC inhibitors (HDACi)-augmented EGFR phosphorylation. In this investigation, we showed that CBP acetyltransferase acetylated EGFR in vivo. In response to EGF stimulation, CBP rapidly translocated from the nucleus to the cytoplasm. We also demonstrated protein-protein interaction between CBP and EGFR as well as the enhancement of EGFR acetylation by CBP. Moreover, EGFR acetylation enhanced EGFR tyrosine phosphorylation and augmented its association with Src kinase. Acetylation-deficient EGFR mutant (EGFR-K3R) significantly reduced the function and activity of EGFR. Furthermore, ectopic expression of EGFR-K3R mutant abrogated its ability to respond to EGF-induced cell proliferation, DNA synthesis, and anchorage-independent growth using cell-based assays and tumor growth in nude mice. In addition, we demonstrated that EGFR expression was associated with SAHA resistance in the treatment of cancer cells that overexpress EGFR. The knockdown of EGFR in MDA-MB-468 breast cancer cells could sensitize the cells to respond to SAHA. The overexpression of EGFR in SAHA-sensitive MDA-MB-453 breast cancer cells rendered the cells resistant to SAHA. Together, these findings suggest that EGFR plays an important role in SAHA resistance in breast carcinoma cells that we tested. The combination therapy of HDACi with TKI has been proposed for treating cancers with aberrant expression of EGFR. The evidence from pre-clinical or clinical trials demonstrated significant enhancement of therapeutic efficacy by using such a combination therapy. Our in vivo study also demonstrated that the combination of SAHA and TKI for the treatment of breast cancer significantly reduced tumor burden compared with either SAHA or TKI alone. The significance of our study elucidated another possible underlying molecular mechanism by which HDACi mediated sensitization to TKI. Our results unveiled a critical role of EGFR acetylation that regulates EGFR tyrosine phosphorylation and may further provide an experiment-based rationale for combinatorial targeted therapy.

MOLECULAR MECHANISMS UNDERLYING THE TRANSCRIPTIONAL REGULATION OF T HELPER 17 AND REGULATORY T CELLS

CD4+ T helper (Th) lymphocytes are vital for integrating immune responses by orchestrating the function of other immune cell types. Naïve Th cells can differentiate into different effector subsets that are characterized by their cytokine profile and immune regulatory functions. These subsets include Th1, Th2, Th17, natural and inducible regulatory T cells (nTreg and iTreg respectively), among others. We focused our investigation on two Th lineages, Th17 and regulatory T cells, with opposing functions in the immune system. These subsets have been suggested to be reciprocally regulated since they both require TGF-b for their development. We investigated the role of the Treg-associated master transcription factor Foxp3, and found that Foxp3 inhibits Th17 cell generation by preventing the transcriptional activity of the two main Th17-specific transcription factors, nuclear orphan receptors RORa and RORgt. At the molecular level, we identified two different functional domains in Foxp3 required for such inhibition: the LQALL sequence in exon 2 and the TIP60/HDAC7 binding domain. These domains could be crucial to either prevent the association of the nuclear receptors to coactivators or to recruit histone deacetylases to RORa- or RORgt-target genes. Since TGF-b is a common cytokine required for the commitment towards both Th lineages, we determined the role of the TGF-b-dependent signaling pathway in the generation of each subset. By using mice with deficiencies in signaling molecules downstream of TGF-b, we found that while Smad2, Smad3 and Smad4 are required for the generation of iTreg cells, only Smad2 is indispensable for the induction of IL-17-producing cells, suggesting that TGF-b induces these T helper lineages through differential signaling pathways. Thus, our findings describe novel transcriptional regulatory mechanisms that control the generation of two T helper lineages with opposing functions. These findings could provide novel therapeutic targets to treat diseases where the balance of these T cells is dysregulated, such as in autoimmunity, chronic infectious diseases and cancer.

Organization of Highly Acetylated Chromatin around Sites of Heterogeneous Nuclear RNA Accumulation

Histones found within transcriptionally competent and active regions of the genome are highly acetylated. Moreover, these highly acetylated histones have very short half-lives. Thus, both histone acetyltransferases and histone deacetylases must enrich within or near these euchromatic regions of the interphase chromatids. Using an antibody specific for highly acetylated histone H3, we have investigated the organization of transcriptionally active and competent chromatin as well as nuclear histone acetyltransferase and deacetylase activities. We observe an exclusion of highly acetylated chromatin around the periphery of the nucleus and an enrichment near interchromatin granule clusters (IGCs). The highly acetylated chromatin is found in foci that may reflect the organization of highly acetylated chromatin into “chromonema” fibers. Transmission electron microscopy of Indian muntjac fibroblast cell nuclei indicates that the chromatin associated with the periphery of IGCs remains relatively condensed, most commonly found in domains containing chromatin folded beyond 30 nm. Using electron spectroscopic imaging, we demonstrate that IGCs are clusters of ribonucleoprotein particles. The individual granules comprise RNA-rich fibrils or globular regions that fold into individual granules. Quantitative analysis of individual granules indicates that they contain variable amounts of RNA estimated between 1.5 and >10 kb. We propose that interchromatin granules are heterogeneous nuclear RNA-containing particles, some of which may be pre-mRNA generated by nearby transcribed chromatin. An intermediary zone between the IGC and surrounding chromatin is described that contains factors with the potential to provide specificity to the localization of sequences near IGCs.