Nuclear localization signals of human and Thermoplasma proteasomal alpha subunits are functional in vitro.

Proteasomes are located both in the nuclei and in the cytoplasm of eukaryotic cells. Active transport of these complexes through the nuclear pores has been proposed to be mediated by nuclear localization signals (NLS), which have been found in several of the alpha-type proteasomal subunits. We have tested three different putative NLS sequences from human alpha-type proteasomal subunits (Hsc iota, Hsc9, and Hsc3), as well as a putative NLS-type sequence from the archaeon Thermoplasma acidophilum, for their ability to direct non-nuclear proteins to the nucleus. Synthetic peptides containing these putative NLS sequences were generated and conjugated to large fluorescent reporter molecules: allophycocyanin or fluorescein-labeled bovine serum albumin. The conjugates were introduced into digitonin-permeabilized HeLa and 3T3 cells in the presence of cell lysate and ATP, and nuclear import was monitored by fluorescence microscopy. All three putative NLS sequences from human proteasomal subunits were able to direct the reporter molecules to the nucleus in both cell types, although differences in efficiency were observed. Substitution of threonine for the first lysine residue of the eukaryotic NLS motifs inhibited nuclear import completely. Interestingly, the putative NLS sequence found in T. acidophilum was also functional as a nuclear targeting sequence.

Signal-induced degradation of I kappa B alpha requires site-specific ubiquitination.

The inhibitor protein I kappa B alpha controls the nuclear import of the transcription factor NF-kappa B. The inhibitory activity of I kappa B alpha is regulated from the cytoplasmic compartment by signal-induced proteolysis. Previous studies have shown that signal-dependent phosphorylation of serine residues 32 and 36 targets I kappa B alpha to the ubiquitin-proteasome pathway. Here we provide evidence that lysine residues 21 and 22 serve as the primary sites for signal-induced ubiquitination of I kappa B alpha. Conservative Lys-->Arg substitutions at both Lys-21 and Lys-22 produce dominant-negative mutants of I kappa B alpha in vivo. These constitutive inhibitors are appropriately phosphorylated but fail to release NF-kappa B in response to multiple inducers, including viral proteins, cytokines, and agents that mimic antigenic stimulation through the T-cell receptor. Moreover, these Lys-->Arg mutations prevent signal-dependent degradation of I kappa B alpha in vivo and ubiquitin conjugation in vitro. We conclude that site-specific ubiquitination of phosphorylated I kappa B alpha at Lys-21 and/or Lys-22 is an obligatory step in the activation of NF-kappa B.

Two nuclear localization signals present in the basic-helix 1 domains of MyoD promote its active nuclear translocation and can function independently.

MyoD, a member of the family of helix-loop-helix myogenic factors that plays a crucial role in skeletal muscle differentiation, is a nuclear phosphoprotein. Using microinjection of purified MyoD protein into rat fibroblasts, we show that the nuclear import of MyoD is a rapid and active process, being ATP and temperature dependent. Two nuclear localization signals (NLSs), one present in the basic region and the other in the helix 1 domain of MyoD protein, are demonstrated to be functional in promoting the active nuclear transport of MyoD. Synthetic peptides spanning these two NLSs and biochemically coupled to IgGs can promote the nuclear import of microinjected IgG conjugates in muscle and nonmuscle cells. Deletion analysis reveals that each sequence can function independently within the MyoD protein since concomittant deletion of both sequences is required to alter the nuclear import of this myogenic factor. In addition, the complete cytoplasmic retention of a beta-galactosidase-MyoD fusion mutant protein, double deleted at these two NLSs, argues against the existence of another functional NLS motif in MyoD.

Structural basis for the specificity of bipartite nuclear localization sequence binding by importin-α

Importin-alpha is the nuclear import receptor that recognizes cargo proteins carrying conventional basic monopartite and bipartite nuclear localization sequences (NLSs) and facilitates their transport into the nucleus. Bipartite NLSs contain two clusters of basic residues, connected by linkers of variable lengths. To determine the structural basis of the recognition of diverse bipartite NLSs by mammalian importin-alpha, we co-crystallized a non-autoinhibited mouse receptor protein with peptides corresponding to the NLSs from human retinoblastoma protein and Xenopus laevis phosphoprotein N1N2, containing diverse sequences and lengths of the linker. We show that the basic clusters interact analogously in both NLSs, but the linker sequences adopt different conformations, whereas both make specific contacts with the receptor. The available data allow us to draw general conclusions about the specificity of NLS binding by importin-alpha and facilitate an improved definition of the consensus sequence of a conventional basic/bipartite NLS (KRX10-12KRRK) that can be used to identify novel nuclear proteins.

Role of flanking sequences and phosphorylation in the recognition of the simian-virus-40 large T-antigen nuclear localization sequences by importin-a

The nuclear import of simian-virus-40 large T-antigen (tumour antigen) is enhanced via phosphorylation by the protein kinase CK2 at Ser(112) in the vicinity of the NLS (nuclear localization sequence). To determine the structural basis of the effect of the sequences flanking the basic cluster KKKRK, and the effect of phosphorylation on the recognition of the NLS by the nuclear import factor importin-alpha (Impalpha), we co-crystallized non-autoinhibited Impalpha with peptides corresponding to the phosphorylated and non-phosphorylated forms of the NLS, and determined the crystal structures of the complexes. The structures show that the amino acids N-terminally flanking the basic cluster make specific contacts with the receptor that are distinct from the interactions between bipartite NLSs and Impalpha. We confirm the important role of flanking sequences using binding assays. Unexpectedly, the regions of the peptides containing the phosphorylation site do not make specific contacts with the receptor. Binding assays confirm that phosphorylation does not increase the affinity of the T-antigen NLS to Impalpha. We conclude that the sequences flanking the basic clusters in NLSs play a crucial role in nuclear import by modulating the recognition of the NLS by Impalpha, whereas phosphorylation of the T-antigen enhances nuclear import by a mechanism that does not involve a direct interaction of the phosphorylated residue with Impalpha.

FRAP analysis of nucleocytoplasmic dynamics of the vitamin D receptor splice variant VDRB1: preferential targeting to nuclear speckles

Although the key components of the cellular nuclear transport machinery have largely been characterized through extensive efforts in recent years, in vivo measurements of the kinetics of nuclear protein import/export are patently few. The present study applies the approach of FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) to examine the nucleocytoplasmic flux of a novel human VDRB1 (vitamin D receptor B I) isoform in living cells. Through an N-terminal extension containing a consensus nuclear targeting sequence, VDRB1 is capable of localizing in nuclear speckles adjacent to SC-35 (35 kDa splicing component)containing speckles as well as in the nucleoplasm, dependent on ligand. Investigation of VDRB1 nucleocytoplasmic transport using FRAP indicates for the first time that the VDRB1 has a serum-modulated, active nuclear-import mechanism. There is no evidence of an efficient, active export mechanism for VDRB1, probably as a result of nuclear retention. VDRB1 nuclear import in the absence of serum occurred more rapidly and to a greater extent to nuclear speckles compared with import to other nuclear sites. This preferential transport from the cytoplasm to and accumulation within nuclear speckles is consistent with the idea that the latter represent dynamic centres of VDRB1 interaction with other nuclear proteins. The results are consistent with the existence of specialized pathways to target proteins to nuclear subdomains.

Docking of HIV-1 Vpr to the nuclear envelope is mediated by the interaction with the nucleoporin hCG1

The HIV-1 genome contains several genes coding for auxiliary proteins, including the small Vpr protein. Vpr affects the integrity of the nuclear envelope and participates in the nuclear translocation of the preintegration complex containing the viral DNA. Here, we show by photobleaching experiments performed on living cells expressing a Vpr-green fluorescent protein fusion that the protein shuttles between the nucleus and the cytoplasm, but a significant fraction is concentrated at the nuclear envelope, supporting the hypothesis that Vpr interacts with components of the nuclear pore complex. An interaction between HIV-1 Vpr and the human nucleoporin CG1 (hCG1) was revealed in the yeast two-hybrid system, and then confirmed both in vitro and in transfected cells. This interaction does not involve the FG repeat domain of hCG1 but rather the N-terminal region of the protein. Using a nuclear import assay based on digitonin-permeabilized cells, we demonstrate that hCG1 participates in the docking of Vpr at the nuclear envelope. This association of Vpr with a component of the nuclear pore complex may contribute to the disruption of the nuclear envelope and to the nuclear import of the viral DNA.

Enhancement of non-viral transfection efficiency with nuclear localization signal peptides

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Phosphorylation of Phytochrome B Inhibits Light-Induced Signaling via Accelerated Dark Reversion in Arabidopsis.

The photoreceptor phytochrome B (phyB) interconverts between the biologically active Pfr (λmax = 730 nm) and inactive Pr (λmax = 660 nm) forms in a red/far-red-dependent fashion and regulates, as molecular switch, many aspects of light-dependent development in Arabidopsis thaliana. phyB signaling is launched by the biologically active Pfr conformer and mediated by specific protein-protein interactions between phyB Pfr and its downstream regulatory partners, whereas conversion of Pfr to Pr terminates signaling. Here, we provide evidence that phyB is phosphorylated in planta at Ser-86 located in the N-terminal domain of the photoreceptor. Analysis of phyB-9 transgenic plants expressing phospho-mimic and nonphosphorylatable phyB-yellow fluorescent protein (YFP) fusions demonstrated that phosphorylation of Ser-86 negatively regulates all physiological responses tested. The Ser86Asp and Ser86Ala substitutions do not affect stability, photoconversion, and spectral properties of the photoreceptor, but light-independent relaxation of the phyB(Ser86Asp) Pfr into Pr, also termed dark reversion, is strongly enhanced both in vivo and in vitro. Faster dark reversion attenuates red light-induced nuclear import and interaction of phyB(Ser86Asp)-YFP Pfr with the negative regulator PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR3 compared with phyB-green fluorescent protein. These data suggest that accelerated inactivation of the photoreceptor phyB via phosphorylation of Ser-86 represents a new paradigm for modulating phytochrome-controlled signaling.

A mechanism for co-transcriptional recruitment of mRNA localization factor on nascent mRNAs in budding yeast

Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue. Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm.

Rôle de la Prohibitine et de la sumoylation dans la pathogenèse de l’ostéoarthrose

L'ostéoarthrose (OA) est la forme la plus commune d’arthrite et son étiologie demeure encore méconnue. Les travaux du Dr Moreau et son équipe ont permis de mettre en évidence une quasi perte d’expression du facteur de transcription Pitx1 dans les chondrocytes OA et la protéine PHB-1 a été identifiée comme étant membre d’un complexe répresseur pouvant lier le promoteur de Pitx1. Le but de la présente étude était de confirmer l’accumulation anormale de PHB-1 dans le noyau des chondrocytes OA, tel que suggéré par des données préliminaires, et d’identifier les mécanismes impliqués dans son import ou rétention au noyau. Pour ce faire, un volet mécanistique utilisant les lignées C28/I2 et U2OS fut combiné à l’étude clinique des chondrocytes articulaires de patients OA et de sujets sains. Les résultats de cette étude démontrent que chez 55 pourcent des patients OA, la Prohibitine s’accumule dans le noyau des chondrocytes articulaires et que cette accumulation corrèle avec une augmentation de la sumoylation totale dans le noyau des cellules OA. Le présent projet de recherche propose pour la première fois qu’une sumoylation accrue au sein des cellules OA pourrait être responsable de l’accumulation nucléaire de PHB-1, médiée par sa liaison aux protéines SUMO-1 via un domaine de liaison aux SUMOs (SBM) localisé aux résidus 76 à 79 de PHB-1. Les résultats de cette étude ont aussi permis de mettre en évidence que dans les chondrocytes OA, les protéines SUMO-1 et SUMO-2/3 s’accumulent dans des corps nucléaires de type PML, suggérant un recrutement de protéines interagissant avec les SUMOs au sein de ces structures dans les cellules OA. Nous sommes persuadés que cette étude générera des retombées importantes non seulement au niveau fondamental pour la compréhension des mécanismes moléculaires liés à la biologie des chondrocytes articulaires, mais aussi au niveau du développement d’outils génétiques permettant le dépistage de l’arthrose à un stade précoce.

Study of the subcellular localization of cell cycle regulator Cks1 and its impact on cancer

La progression dans le cycle cellulaire est contrôlée par de vagues oscillantes de cyclines et des kinases cycline-dépendantes (Cdk). Ces kinases sont régulées positivement par l’association des sous-unités cyclines régulatrices et négativement en se liant aux inhibiteurs de Cdk. Parmi ces derniers, p27 inhibe tous les complexes cycline-Cdk quelle que soit la phase cellulaire et agit en tant que régulateur négatif principal de la prolifération cellulaire dans une variété de cellules et de tissus. Intrinsèquement, p27 phosphorylé est ubiquitiné et dégradé par le complexe SCFSkp2-Cks1. Des études génétiques de la souris, ainsi que des examens cliniques chez l’homme, ont montré que p27 est un important suppresseur de tumeur. Le gène est rarement muté. Cependant, p27 est fréquemment réprimé dans les cancers humains en raison d’une augmentation de l’expression de Skp2 et de Cks1 dans le noyau, ce qui est généralement associée à un mauvais pronostic. La localisation subcellulaire de Cks1 est donc d'une importance primordiale dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Les résultats récents de notre laboratoire ont montré une interaction entre Cks1 et les protéines de transport nucléaire importine α1 et β3. Aussi, l’analyse de la séquence primaire de Cks1 a également révélé un signal de localisation nucléaire classique (NLS) à son extrémité C-terminale. Des mutations ont été effectuées sur le NLS suspect pour déterminer si oui ou non l'import nucléaire de Cks1 était contrôlé par cette séquence. Un inhibiteur synthétique de l’importine β a également été utilisé pour étudier l’import de Cks1 dans le noyau. Les résultats indiquent que l’extrémité C-terminale de Cks1 est en effet un NLS puisque les mutations de Cks1 et l'inhibition de l’importine β conduisent, tous deux, à l'accumulation de Cks1 dans le cytoplasme. Ces résultats ont été utiles pour mieux comprendre le mécanisme régulant la localisation de Cks1. Toutefois, des travaux futurs sont nécessaires pour mieux comprendre l'impact de la séquestration cytoplasmique de Cks1 sur le cancer et ainsi espérer aboutir à l'identification de nouvelles cibles pharmacologiques impliqués dans la prolifération cellulaire.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

Myocyte remodeling in response to hypertrophic stimuli requires nucleocytoplasmic shuttling of muscle LIM protein

CSRP3 or muscle LIM protein (MLP) is a nucleocytoplasmic shuttling protein and a mechanosensor in cardiac myocytes. MLP regulation and function was studied in cultured neonatal rat myocytes treated with pharmacological or mechanical stimuli. Either verapamil or BDM decreased nuclear MLP while phenylephrine and cyclic strain increased it. These results suggest that myocyte contractility regulates MLP subcellular localization. When RNA polymerase II was inhibited with alpha-amanitin, nuclear MLP was reduced by 30%. However, when both RNA polymerase I and II were inhibited with actinomycin D, there was a 90% decrease in nuclear MLP suggesting that its nuclear translocation is regulated by both nuclear and nucleolar transcriptional activity. Using cell permeable synthetic peptides containing the putative nuclear localization signal (NLS) of MLP, nuclear import of the protein in cultured rat neonatal myocytes was inhibited. The NLS of MLP also localizes to the nucleolus. Inhibition of nuclear translocation prevented the increased protein accumulation in response to phenylephrine. Furthermore, cyclic strain of myocytes after prior NLS treatment to remove nuclear MLP resulted in disarrayed sarcomeres. Increased protein synthesis and brain natriuretic peptide expression were also prevented suggesting that MLP is required for remodeling of the myo filaments and gene expression. These findings suggest that nucleocytoplasmic shuttling MLP plays an important role in the regulation of the myocyte remodeling and hypertrophy and is required for adaptation to hypertrophic stimuli. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Potential role of NF-kappaB in adult neural stem cells: the underrated steersman?

Neural stem cells are precursors of neurons and glial cells. During brain development, these cells proliferate, migrate and differentiate into specific lineages. Recently neural stem cells within the adult central nervous system were identified. Informations are now emerging about regulation of stem cell proliferation, migration and differentiation by numerous soluble factors such as chemokines and cytokines. However, the signal transduction mechanisms downstream of these factors are less clear. Here, we review potential evidences for a novel central role of the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-kappaB) in these crucial signal transduction processes. NF-kappaB is an inducible transcription factor detected in neurons, glia and neural stem cells. NF-kappaB was discovered by David Baltimore's laboratory as a transcription factor in lymphocytes. NF-kappaB is involved in many biological processes such as inflammation and innate immunity, development, apoptosis and anti-apoptosis. It has been recently shown that members of the NF-kappaB family are widely expressed by neurons, glia and neural stem cells. In the nervous system, NF-kappaB plays a crucial role in neuronal plasticity, learning, memory consolidation, neuroprotection and neurodegeneration. Recent data suggest an important role of NF-kappaB on proliferation, migration and differentiation of neural stem cells. NF-kappaB is composed of three subunits: two DNA-binding and one inhibitory subunit. Activation of NF-kappaB takes place in the cytoplasm and results in degradation of the inhibitory subunit, thus enabling the nuclear import of the DNA-binding subunits. Within the nucleus, several target genes could be activated. In this review, we suggest a model explaining the multiple action of NF-kappaB on neural stem cells. Furthermore, we discuss the potential role of NF-kappaB within the so-called brain cancer stem cells.