Probing MST1 Kinase Sequence and Structure for Rational Drug Discovery (Targeting diabetes by blocking protein-protein interactions)

Apoptotic beta cell death is an underlying cause majorly for type I and to a lesser extent for type II diabetes. Recently, MST1 kinase was identified as a key apoptotic agent in diabetic condition. In this study, I have examined MST1 and closely related kinases namely, MST2, MST3 and MST4, aiming to tackle diabetes by exploring ways to selectively block MST1 kinase activity. The first investigation was directed towards evaluating possibilities of selectively blocking the ATP binding site of MST1 kinase that is essential for the activity of the enzymes. Structure and sequence analyses of this site however revealed a near absolute conservation between the MSTs and very few changes with other kinases. The observed residue variations also displayed similar physicochemical properties making it hard for selective inhibition of the enzyme. Second, possibilities for allosteric inhibition of the enzyme were evaluated. Analysis of the recognized allosteric site also posed the same problem as the MSTs shared almost all of the same residues. The third analysis was made on the SARAH domain, which is required for the dimerization and activation of MST1 and MST2 kinases. MST3 and MST4 lack this domain, hence selectivity against these two kinases can be achieved. Other proteins with SARAH domains such as the RASSF proteins were also examined. Their interaction with the MST1 SARAH domain were evaluated to mimic their binding pattern and design a peptide inhibitor that interferes with MST1 SARAH dimerization. In molecular simulations the RASSF5 SARAH domain was shown to strongly interact with the MST1 SARAH domain and possibly preventing MST1 SARAH dimerization. Based on this, the peptidic inhibitor was suggested to be based on the sequence of RASSF5 SARAH domain. Since the MST2 kinase also interacts with RASSF5 SARAH domain, absolute selectivity might not be achieved.

Adaptations of skeletal muscle pyruvate dehydrogenase kinase in response to food-restriction in mitochondrial subpopulations

University, 2006 Dr. Sandra J. Peters Pyruvate dehydrogenase (PDH) catalyses the decarboxylation of pyruvate, to form acetyl-CoA. PDH activity is down-regulated by intrinsic PDH kinases (predominantly PDK2 and PDK4 isoforms), but the understanding of the PDK isoform distribution and adaptation to nutritional stresses has been restricted to mixed mitochondrial populations, and not delineated between subsarcolemmal (SS) and intermyofibrillar (IMF) subpopulations. SS and IMF mitochondria exhibit distinct morphological and biochemical properties; however the functional differences are not well understood. This study investigated the effect of fed (FED) versus 48 h total foodrestriction (FR) on rat red gastrocnemius muscle PDK2 and 4 isoform content in SS and IMF mitochondria. PDK4 content was ~3-5 fold higher in SS mitochondria compared to IMF (p=0.001), and increased with FR -3-4- fold in both subpopulations (p<0.001). PDK2 was -2.5-4 fold higher in SS mitochondria compared to IMF (p=0.001), but PDK2 was unaltered with FR. Citrate synthase activity (|imol/min/mg mitochondrial protein) was not different between either subpopulation. As well there were no significant differences between mitochondrial subpopulations in PDH complex components in both fed and FR states. These results demonstrate that there is a markedly higher content of both PDK isofonns in SS compared to IMF mitochondria. Although PDK2 does not increase in either subpopulation in response to FR, PDK4 increases to a similar extent in both SS and IMF after 48 h food-restriction.

Carbohydrate refeeding rapidly reverses the adaptive upregulation of human skeletal muscle pyruvate dehydrogenase kinase following a high fat diet

The time course for the reversal of the adaptive increase in pyruvate dehydrogenase kinase (PDK) activity following a 6d high fat diet (HP: 4.2 ± 0.2 % carbohydrate; 75.6 ± 0.4 % fat; 19.5 ± 0.8 % protein) was investigated in human skeletal muscle (vastus lateralis). HF feeding increased PDK activity by 44% (from 0.081 ± 0.025 min"' to 0.247 ± 0.025 mm\p < 0.05). Following carbohydrate re-feeding, (88% carbohydrate; 5% fat; 7% protein), PDK activity had returned to baseline (0.111 ± 0.014 min"') within 3h of re-feeding. The active fraction of pyruvate dehydrognease (PDHa) was depressed following 6d of the HF diet (from 0.89 ± 0.21 mmol/min/kg WW to 0.32 ± 0.05 mmol/min/kg ww,p <0.05) and increased to pre-HF levels by 45 min of post re-feeding (0.74 ±0.19 mmol/min/kg ww) and remained elevated for 3h. Western blotting analysis of the PDK isoforms, PDK4 and PDK2, revealed a 31% increase in PDK4 protein content following the HF diet, with no change in PDK2 protein. This adaptive increase in PDK4 protein content was reversed with carbohydrate re-feeding. It was concluded that the adaptive up-regulation in PDK activity and PDK4 protein content was fiilly reversed by 3h following carbohydrate re-feeding.

Pyruvate dehydrogenase activity in response to skeletal muscle contraction at two stimulation frequencies in pyruvate dehydrogenase kinase 2 knockout mice

Pyruvate dehydrogenase (PDH) plays an important role in regulating carbohydrate oxidation in skeletal muscle. PD H is deactivated by a set of PD H kinases (PD K 1-4) with PDK2 and 4 being the predominant isoforms in skeletal muscle. PDK2 is highly sensitive to pyruvate inhibition, and is the most abundant isoform, while PDKI and 4 protein content are normally lower. This study examined the PDK isoform content and PDHa activation in muscle at rest and 10 and 40 Hz stimulation from PDK2 knockout (PDK2KO) mice to delineate the role of PDK2 in activating the PDH complex during low and moderate intensity muscle contraction. PDHa activity was lower in PDK2KO mice during contraction while total PDK actitvity was -4 fold lower. PDK4 protein was not different, however PDKI partially compensated for the lack of PDK2 and was -56% higher than WT. PDKI is a very potent inhibitor of the PDH complex due to its phosphorylation site specificity and allosteric regulation. These results suggest that the site specificity and allosteric regulatory properties of the individual PDK isoforms are more important than total PDK activity in determining transformation of the complex and PDHa activity during acute muscle contraction.

The Role of Pyruvate Dehydrogenase Kinase-4 in Post-Exercise Glycogen Recovery

The pyruvate dehydrogenase (PDH) complex regulates the oxidation of carbohydrates in mammals. Decreased activation of PDH following exhaustive exercise may aid the resynthesis of glycogen through increased activity of PDH kinase-4 (PDK4), one of four kinases that decrease the activity of the PDH complex. The purpose of this study was to examine the role of PDK4 in post-exercise glycogen resynthesis. Wild-type (WT) and PDK4-knockout (PDK4-KO mice) were exercised to exhaustion and were sampled at rest (Rest), at exercise exhaustion (Exh), and after two-hours post-exercise (Rec). Differences in feeding post-exercise led to the addition of a PDK4-KO group, pair-fed (PF) with WT mice. Glycogen fully recovered in all Rec groups in muscle however remained low in the PF group in liver. Flux through PDH was elevated in PDK4-KO muscle with feeding and low in the PF group in both tissues. This suggests PDK4 may fine-tune flux through PDH during exercise recovery.

MB-3-2

Brown sediment with clasts ranging from small to large in size. The clast shape ranges from angular to sub-rounded. Rotation structures are the most commonly seen micro-structure in this sample. Necking structures, comet structures, grain crushing and lineations can also be seen in minor amounts throughout the sample.

MB-3-3

Brown sediment with clasts ranging from small to large. The clast shape ranges from sub-angular to rounded. Rotation structures and necking structures can commonly be seen throughout the sample. Lineations, comet structures, and grain crushing is also present throughout the sample.

MB-x-2

Dark brown sediment with clasts ranging from small to large in size. The clast shape ranges from angular to sub-rounded. Clasts appear fractured, weathered, and are well dispersed. Lineations and rotation structures are commonly seen throughout the sample. A few comet structures and grain stacks can also be seen.

MB 0610 2008-4B

Dark clay matrix. Generally structure-less with a few small clasts.

MB 0610 2008-4A

Clay matrix with a variation in colour (light brown and dark brown). Generally structure-less with a few small clasts.

MB 0610 2008-3B

Dark clay matrix with a few small and large clasts. The clasts range from angular to sub-rounded. Generally structure-less.

Étude du rôle de la tyrosine kinase Src dans la régulation de la signalisation des récepteurs opioïdes delta (∆OR)

Les opioïdes sont les analgésiques les plus efficaces mais leur utilisation est limitée par la tolérance, un processus lié en partie à la désensibilisation des récepteurs. Le rôle de la présente étude était de mieux caractériser le processus de désensibilisation des récepteurs et plus particulièrement, d’étudier le rôle de la tyrosine kinase Src sur la régulation de la signalisation des récepteurs delta opioïdes. Nos résultats démontrent que l’inhibition pharmacologique avec PP2 (à faible concentration : 20- 40µM) ou encore l’inhibition moléculaire de la kinase avec de faibles concentrations d’ADN d’un mutant dominant inactif de Src (0,2µg/ml) potentialise l’amplitude et la durée de l’activation de la cascade ERK lorsqu’un agoniste, DPDPE (1µM; 5 min), se lie aux récepteurs. Nous avons également démontré que de fortes concentrations d’inhibiteurs de Src (80 et 100µM de PP2 ou 1µg/ml d’ADN du mutant dominant négatif) bloquent la cascade des MAPK suivant la stimulation de DOR par l’agoniste DPDPE. Ces observations indiquent que Src a un effet biphasique sur l’activité de ERK : l’inhibition complète de Src inhibe l’activité de la cascade MAPK alors qu’une inhibition modérée potentialise cette même cascade. Nous pensons aussi que de fortes concentrations des bloqueurs de Src interfèrent avec l’activation de ERK alors que de faibles concentrations interfèrent avec la désensibilisation des récepteurs. Cette possibilité a été testée à l’aide d’essais d’accumulation d’AMPc qui visaient à évaluer l’effet des bloqueurs de Src (PP2, 20 µM; 1h) sur la désensibilisation induite par un agoniste. L'activation de DOR par DPDPE inhibe la production d’AMPc, préalablement stimulée par du forskolin, de façon dose-dépendante. Le maximum d'inhibition observé est de 61%, mais lors d’un prétraitement au DPDPE (1 µM, 30 min) l’inhibition maximale est réduite à 72% de l’inhibition initiale observée. Cependant, un prétraitement des cellules au PP2 (20µM pendant 1 heure) avant d’effectuer la désensibilisation protège contre cette désensibilisation. L’effet protecteur des bloqueurs de Src n’entraîne pas de changement au niveau de l’internalisation des DOR mais l’altération de leur internalisation via un mutant tronqué du DOR ou via un milieu sucré hypertonique (0.4M de saccharose) réduit cette protection. Ces données suggèrent alors que l’internalisation optimale du récepteur est nécessaire pour que l’effet protecteur prenne place. Nous concluons donc que Src contribue à la désensibilisation de DOR après que l’internalisation du DOR soit survenue.

Lien entre l'hémostase et le développement néoplasique : rôle spécifique du facteur tissulaire et de l'inhibiteur du facteur tissulaire

Il est reconnu, depuis une centaine d’années, que des désordres de la coagulation, regroupés sous le terme de coagulopathies, sont souvent associés au développement néoplasique. Pendant de nombreuses années, ces coagulopathies furent souvent reconnues comme une simple conséquence du développement du cancer. D’ailleurs, pour les cliniciens, l’apparition de ces anomalies sanguines constitue souvent le premier signe clinique d’un cancer occulte. Toutefois, l’étude approfondie du lien existant entre le système hémostatique et le cancer indique que différents facteurs hémostatiques vont interagir avec soit l’environnement tumoral ou soit la tumeur elle-même et influencer le développement du cancer. Au cours de nos travaux, nous avons porté une attention particulière à deux protéines jouant un rôle primordial dans l’hémostase. Le facteur tissulaire (TF) et l’inhibiteur du facteur tissulaire (TFPI) peuvent jouer des rôles pro- ou anti-néoplasique, et ce indépendamment de leurs fonctions hémostatiques normales. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons étudié les propriétés antiangiogéniques de TFPI. L’angiogenèse, soit la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir du réseau pré-existant, est reconnue comme étant une étape clée du développement tumoral. D’après nos travaux, le TFPI peut inhiber la formation de structures de type capillaire des cellules endothéliales (CEs) de la veine ombilicale humaine (HUVEC), et ce à une IC 50 de 5 nM, soit la concentration physiologique de l’inhibiteur. De plus, le TFPI bloque la migration des cellules endothéliales lorsque ces dernières sont stimulées par la sphingosine-1-phosphate (S1P), une molécule relâchée lors de l’activation des plaquettes sanguines. Cette inhibition de la migration cellulaire s’explique par l’effet du TFPI sur l’adhésion des CEs. En effet, TFPI inhibe la phosphorylation de deux protéines clées participant à la formation des complexes d’adhésion focales soit FAK (focal adhesion kinase) et PAX (paxilin). L’inhibition de ces deux protéines suggère qu’il y ait une réorganisation des complexes focaux, pouvant expliquer la perte d’adhérence. Finalement, des études de microscopie confocale démontrent que les cellules traitées au TFPI changent de morphologie au niveau du cytosquelette d’actine provoquant une désorganisation des structures migratoires (pseudopodes). Les effets du TFPI au niveau de la migration, de l’adhésion et de la morphologie cellulaire sont strictement spécifiques aux cellules endothéliales humaines, puisque aucun n’effet n’est observé en traitant des cellules cancéreuses de glioblastomes (GB) humains, qui sont normalement des tumeurs hautement vascularisées. En résumé, cette première étude démontre que le TFPI est un inhibiteur de l’angiogenèse. Dans le second volet de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux différents rôles de TF, le principal activateur de la coagulation. Cette protéine est également impliquée dans le développement néoplasique et notamment celui des médulloblastomes (MB) chez l’enfant via des fonctions hémostatiques et non-hémostatiques. Nos travaux démontrent que l’expression de TF est induite par la voie de signalisation de HGF (hepatocyte growth factor) et de son récepteur Met. Cet effet de HGF/Met semble spécifique aux MB puisque HGF ne peut stimuler l’expression de TF au niveau des cellules cancéreuses de glioblastomes. TF, exprimé à la surface des cellules médulloblastiques (DAOY), est responsable de l’activité pro-thrombogénique de ces cellules, ainsi qu’un acteur important de la migration de ces cellules en réponse au facteur VIIa (FVIIa). De plus, en étudiant 18 spécimens cliniques de MB, nous avons établi un lien entre l’intensité d’expression de TF et de Met. L’importance de cette corrélation est également suggérée par l’observation que les cellules exprimant les plus forts taux de TF et de Met sont également les plus agressives en termes d’index de prolifération et de dissémination métastatiques. En résumé, ces travaux représentent le point de départ pour la mise au point de TF comme un marqueur diagnostique clinique dans les cas de tumeurs du cerveau pédiatriques. De plus, l’élucidation de la voie de signalisation moléculaire responsable de l’expression de TF permet de mieux comprendre la biologie et le fonctionnement de ces tumeurs et de relier le profil d’expression de TF aux phénotypes agressifs de la maladie. Il est reconnu que HGF peut également jouer un rôle protecteur contre l’apoptose. Dans le troisième volet de cette thèse, nous avons remarqué que cette protection est corrélée à l’expression de TF. En réduisant à néant l’expression de TF à l’aide de la technologie des ARN silencieux (siRNA), nous démontrons que HGF ne protège plus les cellules contre l’apoptose. Donc, TF médie l’activité anti-apoptotique de HGF. TF assume cette protection en inactivant la phosphorylation de p53 sur la sérine 15, empêchant ainsi la translocation de p53 au noyau. Finalement, l’expression de TF et son interaction avec le FVIIa, au niveau des cellules médulloblastiques favorise la survie de ces dernières et ce même si elles sont soumises à de fortes concentrations de médicaments couramment utilisées en cliniques. Ce troisième et dernier volet démontre l’implication de TF en tant que facteur impliqué dans la survie des cellules cancéreuses, favorisant ainsi le développement de la tumeur. Dans son ensemble, cette thèse vise à démontrer que les facteurs impliqués normalement dans des fonctions hémostatiques (TFPI et TF) peuvent contribuer à réguler le développement tumoral. Tout système physiologique et pathologique est dépendant d’un équilibre entre activateur et inhibiteur et la participation de TF et de TFPI à la régulation du développement néoplasique illustre bien cette balance délicate. Par sa contribution anti- ou pro-néoplasique le système hémostatique constitue beaucoup plus qu’une simple conséquence du cancer; il fait partie par l’action de TF des stratégies élaborées par les cellules cancéreuses pour assurer leur croissance, leur déplacement et leur survie, alors que TFPI tente de limiter la croissance tumorale en diminuant la vascularisation.

Regulation of the memory T cell development and islet beta-cell survival by DAPK-related apoptosis-inducing protein kinase 2 (Drak2)

Drak2 est un membre de la famille des protéines associées à la mort et c’est une sérine/thréonine kinase. Chez les souris mutantes nulles Drak2, les cellules T ne présentent aucune défectuosité apparente en apoptose induite par activation, après stimulation avec anti-CD3 et anti-CD28, mais ont un seuil de stimulation réduit, comparées aux cellules T de type sauvage (TS). Dans notre étude, l’analyse d’hybridation in situ a révélé que l’expression de Drak2 est ubiquiste au stade de la mi-gestation chez les embryons, suivie d’une expression plus focale dans les divers organes pendant la période périnatale et l’âge adulte, notamment dans le thymus, la rate, les ganglions lymphatiques, le cervelet, les noyaux suprachiasmatiques, la glande pituitaire, les lobes olfactifs, la médullaire surrénale, l’estomac, la peau et les testicules. Nous avons créé des souris transgéniques (Tg) Drak2 en utilisant le promoteur humain beta-actine. Ces souris Tg montraient des ratios normaux entre cellules T versus B et entre cellules CD4 versus CD8, mais leur cellularité et leur poids spléniques étaient inférieurs comparé aux souris de type sauvage. Après activation TCR, la réponse proliférative des cellules T Tg Drak2 était normale, même si leur production d’interleukine (IL)-2 et IL-4 mais non d’interféron-r était augmentée. Les cellules T Tg Drak2 activées ont démontré une apoptose significativement accrue en présence d’IL-2 exogène. Au niveau moléculaire, les cellules T Tg Drak2 ont manifesté une augmentation moins élevée des facteurs anti-apoptotiques durant l’activation; un tel changement a probablement rendu les cellules vulnérables aux attaques subséquentes d’IL-2. L’apoptose compromise dans les cellulesT Tg Drak2 a été associée à un nombre réduit de cellules T ayant le phénotype des cellules mémoires (CD62Llo) et avec des réactions secondaires réprimées des cellules T dans l’hypersensibilité de type différé. Ces résultats démontrent que Drak2 s’exprime dans le compartiment des cellules T mais n’est pas spécifique aux cellules T; et aussi qu’il joue des rôles déterminants dans l’apoptose des cellules T et dans le développement des cellules mémoires T. En outre, nous avons recherché le rôle de Drak2 dans la survie des cellules beta et le diabète. L’ARNm et la protéine Drak2 ont été rapidement induits dans les cellules beta de l’îlot après stimulation exogène par les cytokines inflammatoires ou les acides gras libres et qui est présente de façon endogène dans le diabète, qu’il soit de type 1 ou de type 2. La régulation positive de Drak2 a été accompagnée d’une apoptose accrue des cellules beta. L’apoptose des cellules beta provoquée par les stimuli en question a été inhibée par la chute de Drak2 en utilisant petit ARNi. Inversement, la surexpression de Drak2 Tg a mené à l’apoptose aggravée des cellules beta déclenchée par les stimuli. La surexpression de Drak2 dans les îlots a compromis l’augmentation des facteurs anti-apoptotiques, tels que Bcl-2, Bcl-xL et Flip, sur stimulation par la cytokine et les acides gras libres. De plus, les expériences in vivo ont démontré que les souris Tg Drak2 étaient sujettes au diabète de type 1 dans un modèle de diabète provoqué par de petites doses multiples de streptozotocine et qu’elles étaient aussi sujettes au diabète de type 2 dans un modèle d’obésité induite par la diète. Nos données montrent que Drak2 est défavorable à la survie des cellules beta. Nous avons aussi étudié la voie de transmission de Drak2. Nous avons trouvé que Drak2 purifiée pouvait phosphoryler p70S6 kinase dans une analyse kinase in vitro. Lasurexpression de Drak2 dans les cellules NIT-1 a entraîné l’augmentation de la phosphorylasation p70S6 kinase tandis que l’abaissement de Drak2 dans ces cellules a réduit la phosphorylation. Ces recherches mécanistes ont prouvé que p70S6 kinase était véritablement un substrat de Drak2 in vitro et in vivo. Cette étude a découvert les fonctions importantes de Drak2 dans l’homéostasie des cellules T et le diabète. Nous avons prouvé que p70S6 kinase était un substrat de Drak2. Nos résultats ont approfondi nos connaissances de Drak2 à l’intérieur des systèmes immunitaire et endocrinien. Certaines de nos conclusions, comme les rôles de Drak2 dans le développement des cellules mémoires T et la survie des cellules beta pourraient être explorées pour des applications cliniques dans les domaines de la transplantation et du diabète.