Adult B-Cell Acute Lymphoblastic Leukemia Cells Display Decreased PTEN Activity and Constitutive Hyperactivation of PI3K/Akt Pathway Despite High PTEN Protein Levels

Adult B-cell acute lymphoblastic leukemia remains a major therapeutic challenge, requiring a better characterization of the molecular determinants underlying disease progression and resistance to treatment. Here, using a phospho-flow cytometry approach we show that adult diagnostic B-cell acute lymphoblastic leukemia specimens display PI3K/Akt pathway hyperactivation, irrespective of their BCR-ABL status and despite paradoxically high basal expression of PTEN, the major negative regulator of the pathway. Protein kinase CK2 is known to phosphorylate PTEN thereby driving PTEN protein stabilization and concomitant PTEN functional inactivation. In agreement, we found that adult B-cell acute lymphoblastic leukemia samples show significantly higher CK2 kinase activity and lower PTEN lipid phosphatase activity than healthy controls. Moreover, the clinical-grade CK2 inhibitor CX-4945 (Silmitasertib) reversed PTEN levels in leukemia cells to those observed in healthy controls, and promoted leukemia cell death without significantly affecting normal bone marrow cells. Our studies indicate that CK2-mediated PTEN posttranslational inactivation, associated with PI3K/Akt pathway hyperactivation, are a common event in adult B-cell acute lymphoblastic leukemia and suggest that CK2 inhibition may constitute a valid, novel therapeutic tool in this malignancy.

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

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

Etudes structurales et fonctionnelles des interactions de SUMO avec des proteines d'echafaudage modeles: TIF1beta, PIAS1 et PML

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2.

Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

The protein kinase CK2 is involved in regulation of circadian rhythms in Arabidopsis

A wide range of processes in plants, including expression of certain genes, is regulated by endogenous circadian rhythms. The circadian clock-associated 1 (CCA1) and the late elongated hypocotyl (LHY) proteins have been shown to be closely associated with clock function in Arabidopsis thaliana. The protein kinase CK2 can interact with and phosphorylate CCA1, but its role in the regulation of the circadian clock remains unknown. Here we show that plants overexpressing CKB3, a regulatory subunit of CK2, display increased CK2 activity and shorter periods of rhythmic expression of CCA1 and LHY. CK2 is also able to interact with and phosphorylate LHY in vitro. Additionally, overexpression of CKB3 shortened the periods of four known circadian clock-controlled genes with different phase angles, demonstrating that many clock outputs are affected. This overexpression also reduced phytochrome induction of an Lhcb gene. Finally, we found that the photoperiodic flowering response, which is influenced by circadian rhythms, was diminished in the transgenic lines, and that the plants flowered earlier on both long-day and short-day photoperiods. These data demonstrate that CK2 is involved in regulation of the circadian clock in Arabidopsis.

Protein kinase CK2 interacts with and phosphorylates the Arabidopsis circadian clock-associated 1 protein

The circadian clock-associated 1 (CCA1) gene encodes a Myb-related transcription factor that has been shown to be involved in the phytochrome regulation of Lhcb1*3 gene expression and in the function of the circadian oscillator in Arabidopsis thaliana. By using a yeast interaction screen to identify proteins that interact with CCA1, we have isolated a cDNA clone encoding a regulatory (β) subunit of the protein kinase CK2 and have designated it as CKB3. CKB3 is the only reported example of a third β-subunit of CK2 found in any organism. CKB3 interacts specifically with CCA1 both in a yeast two-hybrid system and in an in vitro interaction assay. Other subunits of CK2 also show an interaction with CCA1 in vitro. CK2 β-subunits stimulate binding of CCA1 to the CCA1 binding site on the Lhcb1*3 gene promoter, and recombinant CK2 is able to phosphorylate CCA1 in vitro. Furthermore, Arabidopsis plant extracts contain a CK2-like activity that affects the formation of a DNA–protein complex containing CCA1. These results suggest that CK2 can modulate CCA1 activity both by direct interaction and by phosphorylation of the CCA1 protein and that CK2 may play a role in the function of CCA1 in vivo.

Hd6, a rice quantitative trait locus involved in photoperiod sensitivity, encodes the α subunit of protein kinase CK2

Hd6 is a quantitative trait locus involved in rice photoperiod sensitivity. It was detected in backcross progeny derived from a cross between the japonica variety Nipponbare and the indica variety Kasalath. To isolate a gene at Hd6, we used a large segregating population for the high-resolution and fine-scale mapping of Hd6 and constructed genomic clone contigs around the Hd6 region. Linkage analysis with P1-derived artificial chromosome clone-derived DNA markers delimited Hd6 to a 26.4-kb genomic region. We identified a gene encoding the α subunit of protein kinase CK2 (CK2α) in this region. The Nipponbare allele of CK2α contains a premature stop codon, and the resulting truncated product is undoubtedly nonfunctional. Genetic complementation analysis revealed that the Kasalath allele of CK2α increases days-to-heading. Map-based cloning with advanced backcross progeny enabled us to identify a gene underlying a quantitative trait locus even though it exhibited a relatively small effect on the phenotype.

Utilització de plantes d'Arabidopsis thaliana mutants de CK2 per a l'establiment de línies cel·lulars i per a l'estudi de la implicació de la CK2 en l'estructuració de la cromatina

La proteïna CK2 és una Ser/Thr fosfotransferasa evolutivament conservada. Està formada per dues subunitats diferents, α (catalítica) i β (reguladora), que s’associen en un complex heterotetramèric (α2β2). L’activitat d’aquest enzim està regulada per varis mecanismes que la modulen diferencialment en funció del substrat, entre ells, la localització subcel·lular de les diferents subunitats. A partir de plantes transgèniques que contenen les subunitats de CK2 fusionades a una proteïna fluorescent (GFP o YFP) hem establert línies cel·lulars que permetran analitzar, en treballs futurs, els canvis de localització subcel·lular de les subunitats de CK2 provocats per diferents estímuls. La CK2 intervé en un gran nombre de processos cel·lulars, entre d’altres, metabolisme, transport a nucli, control del cicle cel·lular i reparació del DNA. Amb la finalitat d’estudiar el paper de la CK2 en el desenvolupament de les plantes, membres del grup van generar un mutant dominant negatiu per transformació estable de plantes d’Arabidopsis thaliana. Estudis previs mostraven que la pèrdua d’activitat CK2 en aquestes plantes provocava una alteració de l’activitat mitòtica i un bloqueig del cicle cel·lular. Els resultats obtinguts en aquest treball indiquen que aquests fenotips podrien ser conseqüència de la implicació de la CK2 en processos d’estructuració de la cromatina.

Identification of casein kinase 1, casein kinase 2, and cAMP-dependent protein kinase-like activities in Trypanosoma evansi

Trypanosoma evansi contains protein kinases capable of phosphorylating endogenous substrates with apparent molecular masses in the range between 20 and 205 kDa. The major phosphopolypeptide band, pp55, was predominantly localized in the particulate fraction. Anti-alpha and anti-beta tubulin monoclonal antibodies recognized pp55 by Western blot analyses, suggesting that this band corresponds to phosphorylated tubulin. Inhibition experiments in the presence of emodin, heparin, and 2,3-bisphosphoglycerate indicated that the parasite tubulin kinase was a casein kinase 2 (CK2)-like activity. GTP, which can be utilized instead of ATP by CK2, stimulated rather than inactivated the phosphorylation of tubulin in the parasite homogenate and particulate fraction. However, GTP inhibited the cytosolic CK2 responsible for phosphorylating soluble tubulin and other soluble substrates. Casein and two selective peptide substrates, P1 (RRKDLHDDEEDEAMSITA) for casein kinase (CK1) and P2 (RRRADDSDDDDD) for CK2, were recognized as substrates in T. evansi. While the enzymes present in the soluble fraction predominantly phosphorylated P1, P2 was preferentially labeled in the particulate fractions. These results demonstrated the existence of CK1-like and CK2-like activities primarily located in the parasite cytosolic and membranous fractions, respectively. Histone II-A and kemptide (LRRASVA) also behaved as suitable substrates, implying the existence of other Ser/Thr kinases in T. evansi. Cyclic AMP only increased the phosphorylation of histone II-A and kemptide in the cytosol, demonstrating the existence of soluble cAMP-dependent protein kinase-like activities in T. evansi. However, no endogenous substrates for this enzyme were identified in this fraction. Further evidences were obtained by using PKI (6-22), a reported inhibitor of the catalytic subunit of mammalian cAMP-dependent protein kinases, which specifically hindered the cAMP-dependent phosphorylation of histone II-A and kemptide in the parasite soluble fraction. Since the sum of the values obtained in the parasite cytosolic and particulate fractions were always higher than the values observed in the total T. evansi lysate, the kinase activities examined here appeared to be inhibited in the original extract.

Phosphorylation by casein kinase 2 facilitates rRNA gene transcription by promoting dissociation of TIF-IA from elongating RNA polymerase I.

The protein kinase casein kinase 2 (CK2) phosphorylates different components of the RNA polymerase I (Pol I) transcription machinery and exerts a positive effect on rRNA gene (rDNA) transcription. Here we show that CK2 phosphorylates the transcription initiation factor TIF-IA at serines 170 and 172 (Ser170/172), and this phosphorylation triggers the release of TIF-IA from Pol I after transcription initiation. Inhibition of Ser170/172 phosphorylation or covalent tethering of TIF-IA to the RPA43 subunit of Pol I inhibits rDNA transcription, leading to perturbation of nucleolar structure and cell cycle arrest. Fluorescence recovery after photobleaching and chromatin immunoprecipitation experiments demonstrate that dissociation of TIF-IA from Pol I is a prerequisite for proper transcription elongation. In support of phosphorylation of TIF-IA switching from the initiation into the elongation phase, dephosphorylation of Ser170/172 by FCP1 facilitates the reassociation of TIF-IA with Pol I, allowing a new round of rDNA transcription. The results reveal a mechanism by which the functional interplay between CK2 and FCP1 sustains multiple rounds of Pol I transcription.

TGA2 dual activity: N-terminus regulation of reversible DNA binding influenced by NPRI and CK2

TGA2 is a dual-function Systemic Acquired Resistance (SAR) transcription factor involved in the activation and repression of pathogenesis-related (PR) genes. Recent studies have shown that TGA2 is able to switch from a basal repressor to activator, likely, through regulatory control from its N-terminus. The N-terminus has also been shown to affect DNA binding of the TGA2 bZIP domain when phosphorylated by Casein Kinase II (CK2). The mechanisms involved for directing a switch from basal repressor to activator, and the role of kinase activity, have not previously been looked at in detail. This study provides evidence for the involvement of a CK2-like kinase in the switch of TGA2 activity from repressor to activator, by regulating the DNA-binding activity of TGA2 by phosphorylating residues in the N terminus of the protein.

The Molecular Consequences of CK2-mediated Phosphorylation of the TGA2 Transcription Factor within Systemic Acquired Resistance of Arabidopsis thaliana

During infection, the model plant Arabidopsis thaliana is capable of activating long lasting defence responses both in tissue directly affected by the pathogen and in more distal tissue. Systemic acquired resistance (SAR) is a type of systemic defence response deployed against biotrophic pathogens resulting in altered plant gene expression and production of antimicrobial compounds. One such gene involved in plant defence is called pathogenesis-related 1 (PR1) and is under the control of several protein regulators. TGA II-clade transcription factors (namely TGA2) repress PR1 activity prior to infection by forming large oligomeric complexes effectively blocking gene transcription. After pathogen detection, these complexes are dispersed by a mechanism unknown until now and free TGA molecules interact with the non-expressor of pathogenesis-related gene 1 (NPR1) protein forming an activating complex enabling PR1 transcription. This study elucidates the TGA2 dissociation mechanism by introducing protein kinase CK2 into this process. This enzyme efficiently phosphorylates TGA2 resulting in two crucial events. Firstly, the DNA-binding ability of this transcription factor is completely abolished explaining how the large TGA2 complexes are quickly evicted from the PR1 promoter. Secondly, a portion of TGA2 molecules dissociate from the complexes after phosphorylation which likely makes them available for the formation of the TGA2-NPR1 activating complex. We also show that phosphorylation of a multiserine motif found within TGA2’s N terminus is responsible for the change of affinity to DNA, while modification of a single threonine in the leucine zipper domain seems to be responsible for deoligomerization. Despite the substantial changes caused by phosphorylation, TGA2 is still capable of interacting with NPR1 and these proteins together form a complex on DNA promoting PR1 transcription. Therefore, we propose a change in the current model of how PR1 is regulated by adding CK2 which targets TGA2 displacing it’s complexes from the promoter and providing solitary TGA2 molecules for assembly of the activating complex. Amino acid sequences of regions targeted by CK2 in Arabidopsis TGA2 are similar to those found in TGA2 homologs in rice and tobacco. Therefore, the molecular mechanism that we have identified may be conserved among various plants, including important crop species, adding to the significance of our findings.

Funktionelle Charakterisierung der Casein Kinase 2 in der Etablierung und Aufrechterhaltung peripherer Toleranz durch dendritische Zellen

Dendritische Zellen (DCs) nehmen eine Schlüsselrolle in unserem Immunsystem ein, indem DCs sowohl Immunität, als auch Toleranz induzieren können. Im Falle der Immunität sind DCs in der Lage die Differenzierung der verschiedenen T-Helferzellen, wie Th1-, Th2- und Th17-Zellen zu steuern und tragen so zu der Qualität einer Immunantwort bei. Auf der anderen Seite können DCs in Gegenwart von TGF-β, IDO und Retinsäure die Differenzierung von regulatorischen T-Zellen induzieren und tragen somit zur Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz bei. Insbesondere in den Darm-assoziierten lymphatischen Geweben (GALT) müssen DCs unverhältnismäßige Immunantworten gegen harmlose Antigene aus der Nahrung und kommensale Bakterien verhindern, während gegen Pathogene schützende Immunantworten induziert werden müssen. Auf Grund dieser entgegengesetzten Funktionen der DCs wollten wir die molekularen Mechanismen der DCs untersuchen, die der Regulation von Immunität und Toleranz zu Grunde liegen. Insbesondere der Wnt-Signalweg ist für die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz im GALT von Bedeutung. Da die Casein Kinase 2 in diesem Signalweg entscheidend beteiligt ist, haben wir die CK2-Funktion konditionell, unter der Kontrolle des CD11c-Promotors, deletiert. Hierfür haben wir CD11c-cre Mäuse mit Mäusen verpaart, welche ein von loxP-Signalsequenzen flankiertes Ck2β Gen (CK2β-fl/fl) tragen. Die konditionelle Deletion der CK2-Funktion in DCs, führte zu einer verstärkten Expression der kostimulatorischen Moleküle (wie CD40, CD80, CD86) und der Zytokine IL-6 und IL-12 unter „steady-state“ Bedingungen. Detaillierte Untersuchungen der T-Zellen in CD11c-cre x CK2β-fl/fl Mäusen zeigte eine deutlich reduzierte naive T-Zellpopulation, einhergehend mit einer erhöhten Th1- und Th17-Differenzierung. Speziell in den mesenterialen Lymphknoten konnte eine höhere Frequenz von T-bet+ und Rorγt+ CD4+ T-Zellen gefunden werden, welche große Mengen der Zytokine IFN-γ und IL-17 nach ex vivo Stimulation produzierten. Weiterführende in vivo Versuche, hier wurde das Modell der oralen Toleranz gewählt, zeigten das eine CK2-Deletion in DCs die Induktion einer oralen Toleranz verhindert. Unsere Daten zeigen eindeutig, dass die CK2 entscheidend in der Regulation der DC Homöostase und der Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz beteiligt ist.

RP1 is a phosphorylation target of CK2 and is involved in cell adhesion

RP1 (synonym: MAPRE2, EB2) is a member of the microtubule binding EB1 protein family, which interacts with APC, a key regulatory molecule in the Wnt signalling pathway. While the other EB1 proteins are well characterized the cellular function and regulation of RP1 remain speculative to date. However, recently RP1 has been implicated in pancreatic cancerogenesis. CK2 is a pleiotropic kinase involved in adhesion, proliferation and anti-apoptosis. Overexpression of protein kinase CK2 is a hallmark of many cancers and supports the malignant phenotype of tumor cells. In this study we investigate the interaction of protein kinase CK2 with RP1 and demonstrate that CK2 phosphorylates RP1 at Ser(236) in vitro. Stable RP1 expression in cell lines leads to a significant cleavage and down-regulation of N-cadherin and impaired adhesion. Cells expressing a Phospho-mimicking point mutant RP1-ASP(236) show a marked decrease of adhesion to endothelial cells under shear stress. Inversely, we found that the cells under shear stress downregulate endogenous RP1, most likely to improve cellular adhesion. Accordingly, when RP1 expression is suppressed by shRNA, cells lacking RP1 display significantly increased cell adherence to surfaces. In summary, RP1 phosphorylation at Ser(236) by CK2 seems to play a significant role in cell adhesion and might initiate new insights in the CK2 and EB1 family protein association.

Phosphorylation of the immunosuppressant FK506-binding protein FKBP52 by casein kinase II: Regulation of HSP90-binding activity of FKBP52

FKBP52 (HSP56, p59, HBI) is the 59-kDa immunosuppressant FK506-binding protein and has peptidyl prolyl isomerase as well as a chaperone-like activity in vitro. FKBP52 associates with the heat shock protein HSP90 and is included in the steroid hormone receptor complexes in vivo. FKBP52 possesses a well conserved phosphorylation site for casein kinase II (CK2) that was previously shown to be associated with HSP90. Here we examined whether FKBP52 is phosphorylated by CK2 both in vivo and in vitro. Recombinant rabbit FKBP52 was phosphorylated by purified CK2. We expressed and purified deletion mutants of FKBP52 to determine the site(s) phosphorylated by CK2. Thr-143 in the hinge I region was identified as the major phosphorylation site for CK2. A synthetic peptide corresponding to this region was phosphorylated by CK2, and the peptide competitively inhibited the phosphorylation of other substrates by CK2. The [32P]phosphate labeling of FKBP52-expressing cells revealed that the same site is also phosphorylated in vivo. FK506 binding to FKBP52 did not affect the phosphorylation by CK2 and, conversely, the FK506-binding activity of FKBP52 was not affected by the phosphorylation. Most importantly, CK2-phosphorylated FKBP52 did not bind to HSP90. These results indicate that CK2 phosphorylates FKBP52 both in vitro and in vivo and thus may regulate the protein composition of chaperone-containing complexes such as those of steroid receptors and certain protein kinases.