Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

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

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

Effects of histone hyperacetylation on the preimplantation development of male and female bovine embryos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ruolo dell'Enantiomero (R)-9-HSA nel controllo della proliferazione in una linea di Adenocarcinoma del Colon umano

9-hydroxystearic acid (9-HSA) is an endogenous lipoperoxidation product and its administration to HT29, a colon adenocarcinoma cell line, induced a proliferative arrest in G0/G1 phase mediated by a direct activation of the p21WAF1 gene, bypassing p53. We have previously shown that 9-HSA controls cell growth and differentiation by inhibiting histone deacetylase 1 (HDAC1) activity, showing interesting features as a new anticancer drug. The interaction of 9-HSA with the catalytic site of the 3D model has been tested with a docking procedure: noticeably, when interacting with the site, the (R)-9-enantiomer is more stable than the (S) one. Thus, in this study, (R)- and (S)-9-HSA were synthesized and their biological activity tested in HT29 cells. At the concentration of 50 M (R)-9-HSA showed a stronger antiproliferative effect than the (S) isomer, as indicated by the growth arrest in G0/G1. The inhibitory effect of (S)-9-HSA on HDAC1, HDAC2 and HDAC3 activity was less effective than that of the (R)-9-HSA in vitro, and the inhibitory activity of both the (R)- and the (S)-9-HSA isomer, was higher on HDAC1 compared to HDAC2 and HDAC3, thus demonstrating the stereospecific and selective interaction of 9-HSA with HDAC1. In addition, histone hyperacetylation caused by 9-HSA treatment was examined by an innovative HPLC/ESI/MS method. Analysis on histones isolated from control and treated HT29 confirmed the higher potency of (R)-9-HSA compared to (S)-9-HSA, severely affecting H2A-2 and H4 acetylation. On the other side, it seemed of interest to determine whether the G0/G1 arrest of HT29 cell proliferation could be bypassed by the stimulation with the growth factor EGF. Our results showed that 9-HSA-treated cells were not only prevented from proliferating, but also showed a decreased [3H]thymidine incorporation after EGF stimulation. In this condition, HT29 cells expressed very low levels of cyclin D1, that didn’t colocalize with HDAC1. These results suggested that the cyclin D1/HDAC1 complex is required for proliferation. Furthermore, in the effort of understanding the possible mechanisms of this effect, we have analyzed the degree of internalization of the EGF/EGFR complex and its interactions with HDAC1. EGF/EGFR/HDAC1 complex quantitatively increases in 9-HSA-treated cells but not in serum starved cells after EGF stimulation. Our data suggested that 9-HSA interaction with the catalytic site of the HDAC1 disrupts the HDAC1/cyclin D1 complex and favors EGF/EGFR recruitment by HDAC1, thus enhancing 9-HSA antiproliferative effects. In conclusion 9-HSA is a promising HDAC inhibitor with high selectivity and specificity, capable of inducing cell cycle arrest and histone hyperacetylation, but also able to modulate HDAC1 protein interaction. All these aspects may contribute to the potency of this new antitumor agent.

Der Einfluss der Zellalterung auf die pathobiochemischen Prozesse von Morbus Alzheimer und weiteren neurodegenerativen Erkrankungen

Die am häufigsten auftretende altersassoziierte neurodegenerative Krankheit ist die Alzheimer Demenz. Ein mit entscheidender Schritt bei der Entstehung der Alzheimer Erkrankung ist wahrscheinlich die Produktion des Aβ-Peptids durch proteolytische Spaltung das Amyloid-Vorläuferproteins APP. In der vorliegenden Arbeit wurde die altersabhängige Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins (APP) in Fibroblasten von Hautbiopsien von Familiärer Alzheimer-, Trisomie21 und Niemann-Pick Typ C-Krankheit untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten Fibroblasten wurden bis zum Erreichen des zellulären Wachstumsstopps (replikative Seneszenz) seriell passagiert und die Untersuchungen erfolgten an Zellen aufsteigender PDL. Dabei zeigte sich, dass, unabhängig von dem durch die Krankheit vorliegenden genetischen biochemischen Hintergrund, die APP-Prozessierung im Laufe der Zellalterung progressiv verringert wird. Die altersabhängig ansteigenden Cholesterinspiegel führten zu einer Reduktion der APP-Reifung und infolge dessen nahmen sowohl die intrazellulären APP-Spaltfragmente (C99, C83 und AICD) als auch die extrazellulären APP-Fragmente (sAPPα, sAPP) ab. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die γ-Sekretase-Aktivität abnimmt. Dies war verbunden mit einem Rückgang der Proteinspiegel von Nicastrin und Presenilin, beides Komponenten des γ-Sekretase-Komplexes. Obwohl die Proteinexpression der α-Sekretase ADAM10 altersassoziiert konstant blieb, nahm die α-Sekretase-Aktivität mit steigendem Lebensalter ab. Erste Untersuchungen zeigten, dass die NAD+-abhängige Histon-Deacetylase SIRT1 eine wichtige Rolle im Bezug auf die α-Sekretase-Aktivität spielen könnte. Im Gegensatz zu den Abnahmen der α- und γ-Sekretase-Aktivitäten konnte eine erhöhte Aktivität der β-Sekretase in seneszenten Zellen beobachtet werden. Die mRNA-Menge und Proteinspiegel der ß-Sekretase BACE1 blieben dabei unverändert. Des Weiteren zeigte sich eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität bei Behandlung von jungen Zellen mit konditioniertem Medium seneszenter Zellen. Da sensezente Zellen einem Proliferationsstopp in der G1-Phase unterliegen, wurde der Einfluss des Zellzyklus-Inhibitors Aphidicolin auf die β-Sekretase untersucht. Hier wurde sowohl in IMR90 Fibroblasten als auch in Neuroblastoma-Zellen N2a eine Zunahme der β-Sekretase-Aktivität nach Zugabe der Inhibitoren beobachtet. Auch kommt es im Zuge der Alterung zu einer verstärkten Expression inflammatorischer Zytokine, die mit der Entstehung von Aβ-Peptiden in Verbindung gebracht werden. Deshalb wurde der Einfluss von Zytokinen auf die β-Sekretase-Aktivität untersucht. Die Zugabe von Interferon-γ und Interleukin 6 führte bei jungen IMR90-Zellen zu einem Anstieg der β-Sekretase-Aktivität, während bei alten Zellen keine Änderung zu verzeichnen war.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Role of (R)-9-hydroxystearic acid in zebrafish development

9-hydroxystearic acid (9-HSA) belongs to a class of lipid peroxidation products identified in several human and murine cell lines. These products are greatly diminished in tumors compared to normal tissues and their amount is inversely correlated with the malignancy of the tumor. 9-HSA activity has been tested in cancer cell lines, where it showed to act as a histone deacetylase 1 (HDAC1) inhibitor. In particular, in a colon cancer cell line (HT29), its administration resulted in an inhibition of proliferation together with an induction of differentiation. In this thesis the effect of (R)-9-hydroxystearic acid has been tested in vivo on cell proliferation and differentiation processes, in the early stages of zebrafish development. The final aim of this work was to elucidate the role of (R)-9-HSA in the control of cell differentiation and proliferation during normal development, in order to better understand its molecular control of cancerogenesis. The molecule has been administered via injection in the yolk of zebrafish embryos. The analysis of the histone acetylation pattern showed a hyperacetilation of histone H4 after treatment with the molecule, as detectable in HDAC1 mutants. (R)-9-HSA was also demonstrated to interfere with the signaling pathways that regulate proliferation and differentiation in zebrafish retina and hindbrain. This resulted in a reduction of proliferation in the hindbrain at 24 hours post injection (hpi), and in a hyperproliferation at 48 and 72 hpi in the retina, with a concomitant inhibition of differentiation. Finally, (R)-9-HSA effects were evident on proliferation of stem cell located in the ciliary marginal zone (CMZ) of the retina. The presence of ROS and 4-hydroxynoneal in the CMZ of wild-type embryos supports the hypothesis that oxidative stress could regulate stem cells fate in zebrafish retina.

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.

Role of DNA methylation in the tissue-specific expression of the CYP17A1 gene for steroidogenesis in rodents

The CYP17A1 gene is the qualitative regulator of steroidogenesis. Depending on the presence or absence of CYP17 activities mineralocorticoids, glucocorticoids or adrenal androgens are produced. The expression of the CYP17A1 gene is tissue as well as species-specific. In contrast to humans, adrenals of rodents do not express the CYP17A1 gene and have therefore no P450c17 enzyme for cortisol production, but produce corticosterone. DNA methylation is involved in the tissue-specific silencing of the CYP17A1 gene in human placental JEG-3 cells. We investigated the role of DNA methylation for the tissue-specific expression of the CYP17A1 gene in rodents. Rats treated with the methyltransferase inhibitor 5-aza-deoxycytidine excreted the cortisol metabolite tetrahydrocortisol in their urine suggesting that treatment induced CYP17 expression and 17alpha-hydroxylase activity through demethylation. Accordingly, bisulfite modification experiments identified a methylated CpG island in the CYP17 promoter in DNA extracted from rat adrenals but not from testes. Both methyltransferase and histone deacetylase inhibitors induced the expression of the CYP17A1 gene in mouse adrenocortical Y1 cells which normally do not express CYP17, indicating that the expression of the mouse CYP17A1 gene is epigenetically controlled. The role of DNA methylation for CYP17 expression was further underlined by the finding that a reporter construct driven by the mouse -1041 bp CYP17 promoter was active in Y1 cells, thus excluding the lack of essential transcription factors for CYP17 expression in these adrenal cells.

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.

Functional requirements of histone deacetylases in Tup1-Ssn6 repression

The corepressor complex Tup1-Ssn6 regulates many classes of genes in yeast including cell type specific, glucose repressible, and DNA damage inducible. Tup1 and Ssn6 are recruited to target promoters through their interactions with specific DNA binding proteins such as α2, Mig1, and Crt1. Most promoters that are repressed by this corepressor complex exhibit a high degree of nucleosomal organization. This chromatin domain occludes transcription factor access to the promoter element resulting in gene repression. Previous work indicated that Tup1 interacts with underacetylated isoforms of H3 and H4, and that mutation of these histones synergistically compromises repression. These studies predict that Tup1-hypoacetyalted histone interaction is important to the repression mechanism, and in vivo hyperacetylation might compromise the corepressors ability to repress target genes. ^ One way to alter histone acetylation levels in vivo is to alter the balance between histone acetyltransferases and histone deacetylases. To date five histone deacetylases (HDACs) have been identified in yeast Rpd3, Hos1, Hos2, Hos3 and Hda1. Deletion of single or double HDAC genes had little to no effect on Tup1-Ssn6 repression, but simultaneous deletion of three specific activities Rpd3, Hos1, and Hos2 abolished repression in vivo. Promoter regions of Tup1-Ssn6 target genes in these triple deacetylase mutant cells are dramatically hyperacetylated in both H3 and H4. Examination of bulk histone acetylation levels showed that this specific HDAC triple mutant combination (rpd3 hos1 hos2) caused a dramatic and concomitant hyperacetylation of both H3 and H4. The loss of repression in the rpd3 hos1 hos2 cells, but not in other mutants, is consistent with previous observations, which indicate that histones provide redundant functions in the repression mechanism and that high levels of acetylation are required to prevent Tup1 binding. Investigation into a potential direct interaction between the Tup1-Ssn6 corepressor complex and one or more HDAC activities showed that both Rpd3 and Hos2 interact with the corepressor complex in vivo. These findings indicate that Tup1-Ssn6 repression involves the recruitment of histone deacetylase activities to target promoters, where they locally deacetylate histone residues promoting Tup1-histone tail interaction to initiate and/or maintain the repressed state. ^

Alteration of CEACAM1 gene transcription in prostate cancer cells: The role of AR, Sp2, and HDAC

Cell to cell adhesion molecule (CEACAM1), a type II tumor suppressor, has been found to be down-regulated in prostate cancer cells. The mechanism that causes CEACAM1's down-regulation in tumorigenesis is unknown. Here we show that the transcriptional activity of CEACAM1 is decreased in prostate cancer cells. This decrease is not due to methylation of the CEACAM1's promoter, but rather to the alteration of transcription factors regulating CEACAM1 expression. ^ Since androgen/androgen receptors (AR) are potent regulators of prostate growth and differentiation, their role on CEACAM1 gene transcription was examined. The androgen receptor could directly increase CEACAM1 transcriptional activity in a ligand dependent manner by interacting with an AR consensus element that resides in the CEACAM1 promoter. However, AR binding to the CEACAM1 promoter is not related to the loss of CEACAM1 during prostate cancer progression. ^ Further analysis enabled us to determine the particular region in the CEACAM1 promoter that mediates a decrease in CEACAM1 transcriptional activity in prostate cancer cells. Upon further examination, we found that this CEACAM1 promoter region interacts with the Sp1, Sp2, and Sp3 transcription factors. However, only Sp2 expression was found to increase in prostate cancer cells. Inhibiting Sp2 from binding to the CEACAM1 promoter caused an increase in CEACAM1 transcriptional activity in prostate cancer cells. In addition, over-expressing Sp2 in normal prostate cells resulted in a decrease in CEACAM1 transcriptional activity and endogenous protein expression. These observations suggest that Sp2 is a transcription repressor of CEACAM1. Furthermore, prostate cancer cells treated with trichostatin A (TSA), a specific histone deacetylase (HDAC) inhibitor, activated CEACAM1 transcriptional activity. This implies that HDACs are involved in CEACAM1 transcriptional activity. Mutation of the Sp2 DNA binding region on the CEACAM1 promoter inhibited TSA activation of CEACAM1 transcriptional activity. This indicates that HDACs inhibit CEACAM1 transcriptional activity through Sp2. Base on these results, we propose that Sp2 is critical for down-regulating CEACAM1 expression, and one mechanism by which Sp2 represses CEACAM1 expression is by recruiting HDAC to the CEACAM1 promoter in prostate cancer cells. Collectively, these findings provide novel insights into mechanisms that cause the down-regulation of CEACAM1 expression in prostate cancer cells. ^

Induction of endoplasmic reticular stress by bortezomib: A novel therapeutic strategy for pancreatic cancer

Bortezomib (VELCADE™, formerly known as PS-341) is a selective and potent inhibitor of the proteasome that was recently FDA-approved for the treatment of multiple myeloma. Despite its success in multiple myeloma and progression into clinical trials for other malignancies, bortezomib's exact mechanism of action remains undefined. The major objective of this study was to evaluate the anticancer activity of this drug using in vitro and in vivo pancreatic cancer models and determine whether bortezomib-induced apoptosis occurs via induction of endoplasmic reticular (ER) stress. The investigation revealed that bortezomib inhibited tumor cell proliferation via abrogation of cdk activity and induced apoptosis in pancreatic cancer cell lines. I hypothesized that bortezomib-induced apoptosis was triggered by a large accumulation ubiquitin-conjugated proteins that resulted in ER stress. My data demonstrated that bortezomib induced a unique type of ER stress in that it inhibited PKR-like ER kinase (PERK) and subsequent phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2α (eif2α), a key event in translational suppression. The combined effects of proteasome inhibition and the failure to attenuate translation resulted in an accumulation of aggregated proteins (proteotoxicity), JNK activation, cytochrome c release, caspase-3 activation, and DNA fragmentation. Bortezomib also enhanced apoptosis induced by other agents that stimulated the unfolded protein response (UPR), demonstrating that translational suppression is a critical cytoprotective mechanism during ER stress. Tumor cells attempt to survive bortezomib-induced ER stress by sequestering aggregated proteins into large structures, termed aggresomes. Since histone deacetylase 6 (HDAC6) is essential for aggresome formation, tumor cells may be sensitized to bortezomib-induced apoptosis by blocking HDAC function. My results demonstrated that HDAC inhibitors disrupted aggresome formation and synergized with bortezomib to induce apoptosis in pancreatic cancer or multiple myeloma cells in vitro and in orthotopic pancreatic tumors in vivo. Taken together, my data establish a mechanistic link between bortezomib-induced aggresome formation, ER stress, and apoptosis and identify a novel therapeutic strategy for the treatment of pancreatic cancer and other hematologic and solid malignancies. ^

Mechanisms Underlying the Heterogeneous Sensitivities of Cancer Cells to Proteasome Inhibitors

The mechanisms underlying cellular response to proteasome inhibitors have not been clearly elucidated in solid tumor models. Evidence suggests that the ability of a cell to manage the amount of proteotoxic stress following proteasome inhibition dictates survival. In this study using the FDA-approved proteasome inhibitor bortezomib (Velcade®) in solid tumor cells, we demonstrated that perhaps the most critical response to proteasome inhibition is repression of global protein synthesis by phosphorylation of the eukaryotic initiation factor 2-α subunit (eIF2α). In a panel of 10 distinct human pancreatic cancer cells, we showed marked heterogeneity in the ability of cancer cells to induce eIF2α phosphorylation upon stress (eIF2α-P); lack of inducible eIF2α-P led to excessive accumulation of aggregated proteins, reactive oxygen species, and ultimately cell death. In addition, we examined complementary cytoprotective mechanisms involving the activation of the heat shock response (HSR), and found that induction of heat shock protein 70 kDa (Hsp72) protected against proteasome inhibitor-induced cell death in human bladder cancer cells. Finally, investigation of a novel histone deacetylase 6 (HDAC6)-selective inhibitor suggested that the cytoprotective role of the cytoplasmic histone deacetylase 6 (HDAC6) in response to proteasome inhibition may have been previously overestimated.