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.

Influência da ck2 no processo de interação Leishmania donovani-macrófagos

O gênero Leishmania apresenta espécies capazes de desenvolver doenças de grande importância para a saúde pública, as leishmanioses, que apresentam prevalência mundial de 12 milhões de pessoas. Quando os parasitos entram em contato com o hospedeiro humano passam por um processo de metaciclogênese adquirindo capacidade de interagir com os macrófagos. Inúmeras atividades biológicas são desencadeadas pela ativação de sistemas de transdução de sinais, onde as proteínas cinases e fosfatases desempenham papel fundamental. A proteína cinase CK2 parece estar presente em todas as células eucarióticas (núcleo, citoplasma e superfície). É caracterizada como enzima serina/treonina cinase, embora também seja capaz de fosforilar resíduos de tirosina em suas proteínas-alvo. No presente trabalho, demonstramos que o principal inibidor da CK2, TBB, foi capaz de inibir o crescimento de formas promastigotas de L. donovani e mostrou um mecanismo de ação irreversível, entretanto não foi capaz de induzir apoptose nas formas promastigotas de L. donovani. O pré-tratamento dos parasitos e macrófagos, assim como a adição do TBB durante o processo de infecção induziram uma redução significativa no número de amastigotas por macrófagos possivelmente pelo mecanismo de morte celular programada demosntrada pela técnica do TUNEL. O tratamento de macrófagos com TBB não induziram o aumento de óxido nítrico. Ensaios de imunofluorescência demonstraram a presença de CK2α em promastigotas. Macrófagos não infectados demonstraram pouca marcação para CK2α. Após a interação, a enzima mostrou-se distribuída preferencialmente na periferia dos macrófagos. Os dados do trabalho sugerem que a CK2 é uma importante enzima para a atividade biológica da Leishmania donovani, tendo seu estudo importante relevância para a descoberta de novos alvos terapêuticos.

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.

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.

Antisense Expression of the CK2 α-Subunit Gene in Arabidopsis. Effects on Light-Regulated Gene Expression and Plant Growth1

The protein kinase CK2 (formerly casein kinase II) is thought to be involved in light-regulated gene expression in plants because of its ability to phosphorylate transcription factors that bind to the promoter regions of light-regulated genes in vitro. To address this possibility in vivo and to learn more about the potential physiological roles of CK2 in plants, we transformed Arabidopsis with an antisense construct of the CK2 α-subunit gene and investigated both morphological and molecular phenotypes. Antisense transformants had a smaller adult leaf size and showed increased expression of chs in darkness and of cab and rbcS after red-light treatment. The latter molecular phenotype implied that CK2 might serve as one of several negative and quantitative effectors in light-regulated gene expression. The possible mechanism of CK2 action and its involvement in the phytochrome signal transduction pathway are discussed.

Movement-associated proteins of Potato virus A: attachment to virus particles and phosphorylation

The particles of Potato virus A (PVA; genus Potyvirus) are helically constructed filaments that contain multiple copies of a single type of coat-protein (CP) subunit and a single copy of genome-linked protein (VPg), attached to one end of the virion. Examination of negatively-stained virions by electron microscopy revealed flexuous, rod-shaped particles with no obvious terminal structures. It is known that particles of several filamentous plant viruses incorporate additional minor protein components, forming stable complexes that mediate particle disassembly, movement or transmission by insect vectors. The first objective of this work was to study the interaction of PVA movement-associated proteins with virus particles and how these interactions contribute to the morphology and function of the virus particles. Purified particles of PVA were examined by atomic force microscopy (AFM) and immuno-gold electron microscopy. A protrusion was found at one end of some of the potyvirus particles, associated with the 5' end of the viral RNA. The tip contained two virus-encoded proteins, the genome-linked protein (VPg) and the helper-component proteinase (HC-Pro). Both are required for cell-to-cell movement of the virus. Biochemical and electron microscopy studies of purified PVA samples also revealed the presence of another protein required for cell-to-cell movement the cylindrical inclusion protein (CI), which is also an RNA helicase/ATPase. Centrifugation through a 5-40% sucrose gradient separated virus particles with no detectable CI to a fraction that remained in the gradient, from the CI-associated particles that went to the pellet. Both types of particles were infectious. AFM and translation experiments demonstrated that when the viral CI was not present in the sample, PVA virions had a beads-on-a-string phenotype, and RNA within the virus particles was more accessible to translation. The second objective of this work was to study phosphorylation of PVA movement-associated and structural proteins (CP and VPg) in vitro and, if possible, in vivo. PVA virion structural protein CP is necessary for virus cell-to-cell movement. The tobacco protein kinase CK2 was identified as a kinase phosphorylating PVA CP. A major site of CK2 phosphorylation in PVA CP was identified as a single threonine within a CK2 consensus sequence. Amino acid substitutions affecting the CK2 consensus sequence in CP resulted in viruses that were defective in cell-to-cell and long-distance movement. The CK2 regulation of virion assembly and cell-to-cell movement by phosphorylation of CP was possibly due to the inhibition of CP binding to viral RNA. Four putative phosphorylation sites were identified from an in vitro phosphorylated recombinant VPg. All four were mutated and the spread of mutant viruses in two different host plants was studied. Two putative phosphorylation site mutants (Thr45 and Thr49) had phenotypes identical to that of a wild type (WT) virus infection in both Nicotiana benthamiana and N. tabacum plants. The other two mutant viruses (Thr132/Ser133 and Thr168) showed different phenotypes with increased or decreased accumulation rates, respectively, in inoculated and the first two systemically infected leaves of N. benthamiana. The same mutants were occasionally restricted to single cells in N. tabacum plants, suggesting the importance of these amino acids in the PVA infection cycle in N. tabacum.

Investigations on the RNA binding and phosphorylation of groundnut bud necrosis virus nucleocapsid protein

Groundnut bud necrosis virus belongs to the genus Tospovirus, infects a wide range of crop plants and causes severe losses. To understand the role of the nucleocapsid protein in the viral life cycle, the protein was overexpressed in E. coli and purified by Ni-NTA chromatography. The purified N protein was well folded and was predominantly alpha-helical. Deletion analysis revealed that the C-terminal unfolded region of the N protein was involved in RNA binding. Furthermore, the N protein could be phosphorylated in vitro by Nicotiana benthamiana plant sap and by purified recombinant kinases such as protein kinase CK2 and calcium-dependent protein kinase. This is the first report of phoshphorylation of a nucleocapsid protein in the family Bunyaviridae. The possible implications of the present findings for the viral life cycle are discussed.

Identification of miRNAs from French bean (Phaseolus vulgaris) under low nitrate stress

Objective: In this study, we report the role of miRNAs involved under nitrogen starvation from widely grown vegetable crop, French bean. In recent years, a great deal of attention has been paid to the elucidation of miRNAs involved in low nitrate stress. Methods: To identify miRNAs expressed under stress, cDNA libraries were analyzed. Results: We reported the nine potential miRNAs with 67 targets involved in nutrient transporters and other stress specific genes. Among the miRNA sequences obtained 6 sequences belong to miR172 family, one with miR169. RT-PCR analysis of expression of miR172 family was induced upon low nitrate stress while miR169 family was repressed. In addition, Pvu-SN7b and Pvu-miR16 may be new members of miRNA172 and miR169 families, respectively. Conclusion: The targets of Pvu-SN7b were major protein kinases, one among which is the Protein Kinase CK2. CK2 Kinase is found to involve in transcription-directed signaling, gene control and cell-cycle regulation. Other targets of Pvu-SN7b were involved in DNA-dependent transcription regulation, photo-periodism, calcium-mediated signaling. Pvu-miR16 targets Thymidine kinase, the key enzyme of deoxy-nucleotide synthesis. The cleavage of these targets affects cell proliferation there by affecting nodule formation. Pvu-miR8 inhibits translation of its target protein Pre-protein translocase, a membrane-bound protein transporter involved in trans-membrane protein transportation. Together these results denote the response and role of miRNAs to nitrate-limiting conditions in French bean.

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.

Étude de la voie de signalisation de l’insuline chez la drosophile par une approche phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance.

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.

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

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.