Rôles du stress du réticulum endoplasmique et de l'immunité innée dans l'inhibition de la transcription du gène de l'insuline : étude du facteur de transcription ATF6 et du récepteur TLR4

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens.

Mammalian Transcription Factor ATF6 Is Synthesized as a Transmembrane Protein and Activated by Proteolysis in Response to Endoplasmic Reticulum Stress

The unfolded protein response (UPR) controls the levels of molecular chaperones and enzymes involved in protein folding in the endoplasmic reticulum (ER). We recently isolated ATF6 as a candidate for mammalian UPR-specific transcription factor. We report here that ATF6 constitutively expressed as a 90-kDa protein (p90ATF6) is directly converted to a 50-kDa protein (p50ATF6) in ER-stressed cells. Furthermore, we showed that the most important consequence of this conversion was altered subcellular localization; p90ATF6 is embedded in the ER, whereas p50ATF6 is a nuclear protein. p90ATF6 is a type II transmembrane glycoprotein with a hydrophobic stretch in the middle of the molecule. Thus, the N-terminal half containing a basic leucine zipper motif is oriented facing the cytoplasm. Full-length ATF6 as well as its C-terminal deletion mutant carrying the transmembrane domain is localized in the ER when transfected. In contrast, mutant ATF6 representing the cytoplasmic region translocates into the nucleus and activates transcription of the endogenous GRP78/BiP gene. We propose that ER stress-induced proteolysis of membrane-bound p90ATF6 releases soluble p50ATF6, leading to induced transcription in the nucleus. Unlike yeast UPR, mammalian UPR appears to use a system similar to that reported for cholesterol homeostasis.

The interaction of human pathogenic arena viruses with the host cell

SummaryResearch projects presented in this thesis aimed to investigate two major aspects of the arenaviruses life cycle in the host cell: viral entry and the biosynthesis of the viral envelope glycoprotein.Old World arenaviruses (OWAV), such as Lassa virus (LASV) and lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), attach to the cell by binding to their receptor, alpha-dystroglycan. Virions are then internalized by a largely unknown pathway of endocytosis and delivered to the late endosome/lysosome where fusion occurs at low pH. In the major project of my thesis, we sought to identify cellular factors involved in OWAV cell entry. Our work indicates that OWAV cell entry requires microtubular transport and a functional multivesicular body (MVB) compartment. Infection indeed depends on phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) activity and lysobisphosphatidic acid (LBPA), a lipid found in membranes of intraluminal vesicles (ILVs) of the MVB. We further found a requirement of factors that are part of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT), involved in the formation of ILVs. This suggests an ESCRT-mediated sorting of virus- receptor complex during the entry process.During viral replication, biosynthesis of viral glycoprotein takes place in the endoplasmic reticulum (ER) of the host cell. When protein load exceeds the folding capacity of the ER, the accumulation of unfolded proteins is sensed by three ER resident proteins, activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) and PKR-like ER kinase (PERK), whose signaling induces the cellular unfolded protein response (UPR). Our results indicate that acute LCMV infection transiently induces the activation of the ATF6 branch of the UPR, whereas the PERK, and IRE1 axis of UPR are neither triggered nor blocked during infection. Our data also demonstrate that activation of ATF6 pathway is required for optimal viral replication during acute infection.The formation of the mature, fusion-active form of arenaviruses glycoproteins requires proteolytic cleavage mediated by the cellular protease subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). We show that targeting the SKI-1/S1P enzymatic activity with specific inhibitors is a powerful strategy to block arenaviruses productive infection. Moreover, characterization of protease function highlights differences in processing between cellular and viral substrates, opening new possibilities in term of drug development against human pathogenic arenaviruses.RésuméLes projets de recherche présentés dans cette thèse visaient à étudier deux aspects du cycle de vie des arenavirus: l'entrée du virus dans la cellule hôte et la biosynthèse de la glycoprotéine durant la réplication virale.Les arenavirus du vieux monde (OWAV), tels que le virus de Lassa (LASV) et le virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur, l'alpha-dystroglycane. Les virions sont ensuite intemalisés par une voie d'endocytose inconnue et livrés à l'endosome tardif/lysosome, où le pH acide permet la fusion entre l'enveloppe virale et la membrane du compartiment. Le projet principal de ma thèse consistait à identifier les facteurs cellulaires impliqués dans l'entrée des OWAV dans la cellule hôte. Nos résultats indiquent que l'entrée des OWAV nécessite le transport microtubulaire et la présence d'un corps multivésiculaire (MVB) fonctionnel. L'infection dépend en effet de l'activité de phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) et de lysobisphosphatidic acid (LBPA), un lipide présent dans les membranes des vésicules intraluminales (ILVs) du MVB. Nous avons également trouvé l'implication de facteurs constituant l'endosomal sorting complex required for sorting (ESCRT) qui joue un rôle dans la formation des ILVs. Ces donnés suggèrent l'incorporation du complexe virus-récepteur dans des ILVs durant le processus d'entrée.Lors de la réplication virale, la biosynthèse de la glycoprotéine virale a lieu dans le réticulum endoplasmique (ER) de la cellule hôte. Lorsque la charge de protéines nouvellement synthétisées excède la capacité de pliage des protéines dans le ER, l'accumulation de protéines mal pliées est détectée par trois facteurs: activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) et PKR-like ER kinase (PERK). Leur signalisation constitue la réponse cellulaire face aux protéines mal pliées (UPR). Nos résultats montrent que l'infection aiguë avec LCMV induit transitoirement l'activation de la voie de signalisation ATF6 alors que les axes PERK et IRE1 de l'UPR ne sont ni induits ni bloqués pendant l'infection. Nos données prouvent également que l'activation de la voie ATF6 est nécessaire à une réplication virale optimale lors de l'infection aiguë avec LCMV.La maturation des glycoprotéines des arenavirus nécessite un clivage protéolytique par la protéase cellulaire subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). Nous avons démontré que le ciblage de l'activité enzymatique de SKI-1/SIΡ avec des inhibiteurs spécifiques est une stratégie prometteuse pour bloquer l'infection par les arenavirus. La caractérisation du mécanisme d'action de la protéase a, par ailleurs, révélé des différences au niveau du clivage entre les substrats cellulaires et viraux, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en terme de développement de médicaments contre les arenavirus pathogènes pour l'homme.

Role of the host cell's unfolded protein response in arenavirus infection.

Arenaviruses are enveloped RNA viruses with a nonlytic life cycle that cause acute and persistent infections. Here, we investigated the role of the host cell's unfolded protein response (UPR) in infection of the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV). In mammalian cells, the endoplasmic reticulum (ER) chaperone protein GRP78/BiP functions as the principal sensor for the induction of the UPR and interacts with three mediators: kinase/endonuclease inositol-requiring protein 1 (IRE1), PKR-like ER kinase (PERK), and activating transcription factor 6 (ATF6). Acute infection with LCMV resulted in a selective induction of the ATF6-regulated branch of the UPR, whereas pathways controlled by PERK and IRE1 were neither activated nor blocked. Expression of individual LCMV proteins revealed that the viral glycoprotein precursor (GPC), but not that of other viral proteins, was responsible for the induction of ATF6. Rapid downregulation of the viral GPC during transition from acute to persistent LCMV infection restored basal levels of UPR signaling. To address a possible role of ATF6 signaling in LCMV infection, we used cells deficient in site 2 protease (S2P), a metalloprotease required for the activation of ATF6. Cells deficient in S2P showed significantly lower levels of production of infectious virus during acute but not persistent infection, indicating a requirement for ATF6-mediated signaling for optimal virus multiplication. In summary, acute LCMV infection seems to selectively induce the ATF6-regulated branch of the UPR that is likely beneficial for virus replication and cell viability, but it avoids induction of PERK and IRE1, whose activation may be detrimental for virus and the host cell.

Mécanisme moléculaire de protection des HDLs contre le stress du réticulum endoplasmique dans la cellule beta pancréatique. [Molecular mechanisms of HDLs to protect against the endoplasmic reticulum stress in pancreatic beta cell.]

Introduction: Les particules de HDL (High Density Lipoproteins) ont des fonctions très diverses notamment anti-inflamatoires, anti-apoptotiques ou anti-oxydatives. Chez les patients diabétiques, les niveaux de HDLs sont bas, les prédisposants ainsi à un risque élévé à développer une maladie cardiovasculaire. Sachant que le s HDLs ont également un effet protecteur sur la cellule beta, le but de cette étude est dinvestigué les mécanismes moléculaires de cette protection contre le stress du réticulum, stress qui contriubue au développement du diabéte de type 2. Résultats: La thapsigargine et la tunicamycine induisent lapoptose en induisant un stress dans le réticulum endoplasmique (RE) par un mauvais repliement des protéines dans le RE, ainsi que l'activation de l'UPR (Unfolded Protein Respons) avec trois voies communes de signalisation intracellulaire (IRE1, PREK et ATF6). Ces voix veillent tout d'abord à augmenter la capacité de repliement des protéines et le cas échéant à lapoptose. Nos résultats montrent que les HDLs sont capable d'inhuber lapoptose induite par la thapsigargine et la tunicamycine dans les MIN6. Dans le cas du traitement avec la thapsigargine, plusieurs marqueurs des voix UPR sont bloqués en présence des HDLs, suggérant que l'effet anti-apoptotiques des HDLs s'exerce au niveau ou en amont du RE. Les HDLS par contre ne bloquent par la sortie de calcium du RE induite par la thapsigargine ce qui indique que les HDLs n'interfèrent pas avec l'action de cette drogue sur sa cible (SERCA). Dans le cas de la la tunicamycine, les HDLs ne bloquent pas, ou très légèrement, l'activation des voix de l'UPR. La protection induite par les HDLs contre la mort engendrée par la tunicamycine s'sexerce dont apparement en aval de l'UPR et reste à être déterminer. Conclusions: Nos données suggérent que les HDLs sont capable de protéger la cellule beta contre le stress du réticulum mais apparement de façon différente selon les modalités d'inductions de ce stress.

Endoplasmic reticulum stress promotes inflammation through activation of the NLRP3 inflammasome

SummaryMulticellular organisms have evolved an immune system in order to cope with the constant threats they are facing. Foreign pathogens or endogenous danger signals released by injured or dying host cells can be readily detected through a set of germline- encoded pattern-recognition receptors. The NOD-like receptors are a cytoplasmic family of pattern-recognition receptors that have recently attracted considerable attention due to their ability to form inflammasomes, which are molecular complexes responsible for the activation of caspase-1 and the subsequent processing of the pro¬inflammatory cytokines IL-IB and 11-18 into their mature, bioactive form.In this study, we describe a novel pro-inflammatory signaling pathway, whereby the endoplasmic reticulum promotes inflammation through activation of the NLRP3 inflammasome. This was shown to be independent of the classical endoplasmic reticulum stress response pathway constituted by the effectors IREla, PERK and ATF6a. In keeping with other known NLRP3 activators, generation of reactive oxygen species and potassium efflux were required. We also provide evidence that calcium signaling is critical to this pathway, and possibly integrates signaling triggered by various NLRP3 inflammasome activators. Moreover, the mitochondrial channel VDAC1 was instrumental in mediating this response. We thus propose that the endoplasmic reticulum acts as an integrator of stress and is able to activate the mitochondria in a calcium-dependent manner in order to promote NLRP3 inflammasome activation in response to a wide range of activators.Given the role played by inflammation in the pathogenesis of atherosclerosis, we decided to investigate a possible role for the NLRP3 inflammasome in the progression of the disease. Using an ApoE mouse model, we find that deficiency in the NLRP3 inflammasome components NLRP3, ASC or Caspase-1 does not impair atherosclerosis progression, nor does it impact plaque stability. While previous studies have clearly shown a role for the interleukin-1 family of ligands in atherosclerosis, our results suggest that its contribution might be more complex than previously appreciated, and further research is thus warranted in this field.RésuméLes organismes multicellulaires ont développé un système immunitaire pour faire face aux menaces qui les entourent. Des pathogènes étrangers ou des signaux de danger relâchés par des cellules de l'hôte en détresse peuvent être rapidement détectés via un assemblage de récepteurs spécifiques qui sont présents dès la naissance. Certains membres de la famille de récepteurs NOD ont récemment attiré beaucoup d'attention au vu de leur capacité à former des inflammasomes, complexes moléculaires responsables de l'activation de la easpase-1 et de la maturation des cytokines pro-inflammatoires IL- 1β et IL-18 en leur forme bioactive.Dans cette étude, nous décrivons une nouvelle voie de signalisation pro-inflammatoire, par laquelle le réticulum endoplasmique induit l'inflammation via l'activation de l'inflammasome NLRP3. Cette voie est indépendante de la voie classique de réponse au stress du réticulum endoplasmique, qui comprend les effecteurs IRE1, PERK et ATF6. Comme pour d'autres activateurs de NLRP3, la génération de radicaux libres d'oxygène ainsi que Γ efflux de potassium sont requis. Nous montrons également que le calcium joue un rôle critique dans cette voie, et intègre possiblement la signalisation provoquée par divers activateurs de l'inflammasome NLRP3. De plus, le canal mitochondrial VDAC1 est essentiel dans cette réponse. Nous proposons donc que le réticulum endoplasmique agit comme un intégrateur de stress, activant la mitochondrie d'une façon calcium-dépendante pour promouvoir l'activation de l'inflammasome NLRP3 en réponse à divers activateurs.Au vu du rôle joué par l'inflammation dans la pathogenèse de l'athérosclérose, nous avons étudié un possible rôle pour l'inflammasome NLRP3 dans la progression de la maladie. Dans un modèle de souris ApoE, l'absence des composants de l'inflammasome NLRP3 que sont NLRP3, ASC et Caspase-1 n'influence pas la progression des plaques ni leur stabilité. Alors que d'autres études ont démontré un rôle pour les membres de la famille de l'interleukine-1 dans l'athérosclérose, nos résultats suggèrent que leur contribution pourrait être plus complexe que précédemment apprécié, et d'autres recherches dans ce domaine sont donc nécessaires.

Analysis of SKI-1/S1P prodomain provides insight on maturation and activation of SKI-1/S1P zymogen

SKI-l/SlP protease is a member of the proprotein convertase family, with several functions in cellular metabolism and homeostasis. It is responsible for the processing of several cellular substrates, including ATF6, SREBPs, and GlcNAc-1- phosphotranspherase. Furthermore, SKI-1/SlP is also responsible for maturation of arenavirus surface glycoprotein into GP1 and GP2 subunits. This processing is a strict requirement in order to achieve fully mature and fusion-competent virions. Furthermore, SKI-1/SlP itself is synthesized as an inactive zymogen, requiring sequential autocatalytic processing at several sites (B'/B and C) in its prodomain in order to mature and become fully active. Our project focused on the analysis of SKI- 1/S1P prodomain in the biogenesis of the active enzyme. In this context we have additionally developed and characterized a novel cell-based sensor for assessment of cellular activity of the enzyme, with a potential application in screening for novel SKI- 1/S1P inhibitors. In a first aim we have analysed the relevance of cleavage motifs found in the enzyme prodomain. Using molecular and biochemistry tools we have identified and characterized a novel C' maturation site. Furthermore, we found that SKI-1/SlP autoprocessing results in intermediates whose catalytic domain remains associated with prodomain fragments of different lengths. Contrasting with other proprotein convertases, incompletely matured intermediates of SKI-1/SlP exhibit full catalytic activity toward selected substrates. In a second aim, we turned our attention to the structural basis of SKI-1/SlP N- terminus assisted folding. Studying the folding and activity of prodomain-truncated forms of the enzyme we found that a minimal folding unit is contained in the AB region. Deletion of the BC sequence affected auto-maturation but not folding, and partial activity was retained. However, the BC region seemed required for complete and full activity. Phylogenetic analyses showed that the AB sequence is highly conserved, while the BC fragment is variable in sequence and length. Specifically, replacement of the human prodomain with that of Drosophila, resulted in a fully mature and active chimeric enzyme, suggesting an evolution process of SKI-1/SlP prodomain towards a more complex arrangement and steps of activation. Overall, the additional data we have produced might provide fundamental knowledge crucial for the development of novel SKI-1/SlP inhibitors while also providing new SKI- 1/S1P variants with potential use in crystallization purpose. -- SKI-l/SlP est une protéase membre de la famille des proprotéines convertases (PCs), avec plusieurs fonctions dans le métabolisme cellulaire et de l'homéostasie. Il est responsable pour la maturation de plusieurs substrats cellulaires, y compris ATF6, SREBPs et GlcNAc-1-phosphotranspherase. SKI-l/SlP est également responsable pour la maturation de la glycoprotéine des arénavirus, une exigence stricte pour atteindre des virions infectieuse. Synthétisé comme un zymogène inactif, SKI-l/SlP nécessite d'un traitement autocatalytique séquentiel sur plusieurs sites (B'/B et C) de son prodomaine afin de devenir pleinement active. Notre projet était axé sur l'analyse de SKI-l/SlP prodomaine dans la biogenèse de l'enzyme. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau senseur-cellulaire pour l'évaluation de l'activité de l'enzyme. Ce dernier pourrait avoir une potentielle application dans l'identification de nouveaux inhibiteurs de SKI-l/SlP. Premièrement, nous avons analysé la pertinence des motifs de clivage trouvés dans le prodomaine de l'enzyme. En utilisant des outils moléculaires et biochimiques, nous avons identifié et caractérisé un nouveau site de maturation (C'). Aussi, nous avons constaté que la maturation de SKI-l/SlP a des intermédiaires dont le domaine catalytique reste associé à des fragments du prodomaine de différentes longueurs. Contrastant avec d'autres PCs, les intermédiaires partiellement matures de SKI-1 / SIP présentent une activité catalytique complète envers des substrats spécifiques. Dans un deuxième but nous avons tourné notre attention sur la base structurelle du pliage de SKI-l/SlP assisté par son N-terminus: En étudiant l'activité et pliage des formes tronquées dans le prodomaine de l'enzyme, nous avons constaté qu'une unité de pliage minimale est contenue dans la région de l'AB. La suppression de la séquence d'auto-BC affecte la maturation mais pas le pliage, et l'activité partielle est maintenue. Cependant, la région BC semble nécessaire pour une activité complète. Les analyses phylogénétiques ont montré que la séquence AB est fortement conservée, tandis que le fragment de BC est variable en longueur et en séquence. En particulier, le remplacement du prodomaine humain avec celui de la drosophile, a donné lieu à une enzyme chimérique complètement mature et active. Suggérant un processus d'évolution du prodomaine vers un arrangement et des mesures d'activation plus complexe. Globalement, ces donnees supplémentaires augment les connaissances fondamentales cruciales pour le développement de nouveaux inhibiteurs de SKI-1/ SIP, tout en offrant de nouvelles variantes SKI-1 / SIP dans le but d'obtenir la structure cristallographique de l'enzyme.

Variation in genes related to hepatic lipid metabolism and changes in waist circumference and body weight.

We analysed single nucleotide polymorphisms (SNPs) tagging the genetic variability of six candidate genes (ATF6, FABP1, LPIN2, LPIN3, MLXIPL and MTTP) involved in the regulation of hepatic lipid metabolism, an important regulatory site of energy balance for associations with body mass index (BMI) and changes in weight and waist circumference. We also investigated effect modification by sex and dietary intake. Data of 6,287 individuals participating in the European prospective investigation into cancer and nutrition were included in the analyses. Data on weight and waist circumference were followed up for 6.9 ± 2.5 years. Association of 69 tagSNPs with baseline BMI and annual changes in weight as well as waist circumference were investigated using linear regression analysis. Interactions with sex, GI and intake of carbohydrates, fat as well as saturated, monounsaturated and polyunsaturated fatty acids were examined by including multiplicative SNP-covariate terms into the regression model. Neither baseline BMI nor annual weight or waist circumference changes were significantly associated with variation in the selected genes in the entire study population after correction for multiple testing. One SNP (rs1164) in LPIN2 appeared to be significantly interacting with sex (p = 0.0003) and was associated with greater annual weight gain in men (56.8 ± 23.7 g/year per allele, p = 0.02) than in women (-25.5 ± 19.8 g/year per allele, p = 0.2). With respect to gene-nutrient interaction, we could not detect any significant interactions when accounting for multiple testing. Therefore, out of our six candidate genes, LPIN2 may be considered as a candidate for further studies.

Unfolded protein response suppresses CEBPA by induction of calreticulin in acute myeloid leukaemia

The unfolded protein response (UPR) is triggered by the accumulation of misfolded proteins within the endoplasmic reticulum (ER). The role of the UPR during leukemogenesis is unknown so far. Here, we studied the induction of mediators of the UPR in leukaemic cells of AML patients. Increased expression of the spliced variant of the X-box binding protein 1 (XBP1s) was detected in 17.4% (16 of 92) of AML patients. Consistent with activated UPR, this group also had increased expression of ER-resident chaperones such as the 78 kD glucose-regulated protein (GRP78) and of calreticulin. Conditional expression of calreticulin in leukaemic U937 cells was found to increase calreticulin binding to the CEBPA mRNA thereby efficiently blocking translation of the myeloid key transcription factor CEBPA and ultimately affecting myeloid differentiation. Consequently, leukaemic cells from AML patients with activated UPR and thus increased calreticulin levels showed in fact suppressed CEBPA protein expression. We identified two functional ER stress response elements (ERSE) in the calreticulin promoter. The presence of NFY and ATF6, as well as an intact binding site for YY1 within these ERSE motifs were essential for mediating sensitivity to ER stress and activation of calreticulin. Thus, we propose a model of the UPR being activated in a considerable subset of AML patients through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation.

Activation of the unfolded protein response in human acute myeloid leukemia

There is accumulating evidence for the involvement of the unfolded protein response (UPR) in the pathogenesis of many tumor types in humans. This is particularly the case in rapidly growing solid tumors in which the demand for oxygen and nutrients can exceed the supply until new tumor-initiated blood vessels are formed. In contrast, the role of the UPR during leukemogenesis remains largely unknown. Acute myeloid leukemia (AML) is a genetically heterogeneous clonal disorder characterized by the accumulation of somatic mutations in hematopoietic progenitor cells that alter the physiological regulation of self-renewal, survival, proliferation, or differentiation. The CCAAT/enhancer-binding protein alpha (CEBPA) gene is a key myeloid transcription factor and a frequent target for disruption in AML. In particular, translation of CEBPA mRNA can be specifically blocked by binding of the chaperone calreticulin (CALR), a well-established effector of the UPR, to a stem loop structure within the 5' region of the CEBPA mRNA. The relevance of this mechanism was first elucidated in certain AML subtypes carrying the gene rearrangements t(3;21) or inv(16). In our recent work, we could demonstrate the induction of key effectors of the UPR in leukemic cells of AML patients comprising all subtypes (according to the French-American-British (FAB) classification for human AML). The formation of the spliced variant of the X-box binding protein (XBP1s) was detectable in 17.4% (17 of 105) of AML patients. Consistent with an activated UPR, this group had significantly increased expression of the UPR target genes CALR, the 78 kDa glucose-regulated protein (GRP78), and the CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein (CHOP). Consistently, in vitro studies confirmed that calreticulin expression was upregulated via activation of the ATF6 pathway in myeloid leukemic cells. As a consequence, CEBPA protein expression was inhibited in vitro as well as in leukemic cells from patients with activated UPR. We therefore propose a model of the UPR being involved in leukemogenesis through induction of calreticulin along the ATF6 pathway, thereby ultimately suppressing CEBPA translation and contributing to the block in myeloid differentiation and cell-cycle deregulation which represent key features of the leukemic phenotype. From a more clinical point of view, the presence of activated UPR in AML patient samples was found to be associated with a favorable disease course.