Caractérisation de la fonction de CNK dans la régulation du mécanisme de signalisation du module MAPK/ERK chez la drosophile

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation de la fonction de CNK dans la régulation du mécanisme de signalisation du module MAPK/ERK chez la drosophile

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Mécanisme d'intégration des signaux RTK-dépendants par la protéine d'échafaudage CNK au sein de la voie de signalsiation RAS/MAPK chez la drosophile

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Mécanisme d'intégration des signaux RTK-dépendants par la protéine d'échafaudage CNK au sein de la voie de signalsiation RAS/MAPK chez la drosophile.

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Mécanismes moléculaires de l'homodimérisation de la protéine Scaffold IB1 et son implication dans la sécrétion d'insuline

RÉSUMÉ Les kinases activées par des mitogènes (MAPKs) constituent une importante famille d'enzymes conservée dans l'évolution. Elles forment un réseau de signalisation qui permet à la cellule de réguler spécifiquement divers processus impliqués dans la différenciation, la survie ou l'apoptose. Les kinases formant le module MAPK sont typiquement disposées en cascades de trois partenaires qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. Le module minimum est constitué d'une MAPK kinase kinase (MAPKKK), d'une MAPK kinase (MAPKK) et d'une MAPK. Une fois activée, la MAPK phosphoryle différents substrats tels que des facteurs de transcription ou d'autres protéines. Chez les mammifères, trois groupes principaux de MAPKs ont été identifiés. Il s'agit du groupe des kinases régulées par des signaux extracellulaires du type «mitogènes » (ERK), ainsi que des groupes p38 et cJun NH2-terminal kinase (JNK), ou SAPK pour stress activated protein kinase, plutôt activées par des stimuli de type «stress ». De nombreuses études ont impliqué JNK dans la régulation de différents processus physiologiques et pathologiques, comme le diabète, les arthrites rhumatoïdes, l'athérosclérose, l'attaque cérébrale, les maladies de Parkinson et d'Alzheimer. JNK, en particulier joue un rôle dans la mort des cellules sécrétrices d'insuline induite par l'interleukine (IL)-1 β, lors du développement du diabète de type 1. IB1 est une protéine scaffold (échafaud) qui participe à l'organisation du module de JNK. IB1 est fortement exprimée dans les neurones et les cellules β du pancréas. Elle a été impliquée dans la survie des cellules, la régulation de l'expression du transporteur du glucose de type 2 (Glut-2) et dans le processus de sécrétion d'insuline glucose-dépendante. IBl est caractérisée par plusieurs domaines d'interaction protéine-protéine : un domaine de liaison à JNK (JBD), un domaine homologue au domaine 3 de Src (SH3) et un domaine d'interaction avec des tyrosines phosphorylées (PID). Des partenaires d'IB1, incluant les membres de la familles des kinases de lignée mélangée (MLKs), la MAPKK MKK7, la phosphatase 7 des MAPKs (MKP-7) ainsi que la chaîne légère de la kinésine, ont été isolés. Tous ces facteurs, sauf les MLKs et MKK7 interagissent avec le domaine PID ou l'extrême partie C-terminale d'IBl (la chaîne légère de la kinésine). Comme d'autres protéines scaffolds déjà décrites, IBl et un autre membre de la famille, IB2, sont capables d'homo- et d'hétérodimériser. L'interaction a lieu par l'intermédiaire de leur région C-terminale, contenant les domaines SH3 et PID. Mais ni le mécanisme moléculaire, ni la fonction de la dimérisation n'ont été caractérisés. Le domaine SH3 joue un rôle central lors de l'assemblage de complexes de macromolécules impliquées dans la signalisation intracellulaire. Il reconnaît de préférence des ligands contenant un motif riche en proline de type PxxP et s'y lie. Jusqu'à maintenant, tous les ligands isolés se liant à un domaine SH3 sont linéaires. Bien que le domaine SH3 soit un domaine important de la transmission des signaux, aucun partenaire interagissant spécifiquement avec le domaine SH3 d'IB1 n'a été identifié. Nous avons démontré qu'IBl homodimérisait par un nouveau set unique d'interaction domaine SH3 - domaine SH3. Les études de cristallisation ont démontré que l'interface recouvrait une région généralement impliquée dans la reconnaissance classique d'un motif riche en proline de type PxxP, bien que le domaine SH3 d'IB1 ne contienne aucun motif PxxP. L'homodimère d'IB1 semble extrêmement stable. Il peut cependant être déstabilisé par trois mutations ponctuelles dirigées contre des résidus clés impliqués dans la dimérisation. Chaque mutation réduit l'activation basale de JNK dépendante d'IB 1 dans des cellules 293T. La déstabilisation de la dimérisation induite par la sur-expression du domaine SH3, provoque une diminution de la sécrétion d'insuline glucose dépendant. SUMMARY Mitogen activated kinases (MAPK) are an important and conserved enzyme family. They form a signaling network required to specifically regulate process involved in cell differentiation, proliferation or death. A MAPK module is typically organized in a threekinase cascade which are activated by sequential phosphorylation. The MAPK kinase kinase (MAPKKK), the MAPK kinase (MAPKK) and the MAPK constitute the minimal module. Once activated, the MAPK phosphorylates its targets like transcription factors or other proteins. In mammals, three major groups of MAPKs have been identified : the group of extra-cellular regulated kinase (ERK) which is activated by mitogens and the group of p38 and cJun NH2-terminal kinase (JNK) or SAPK for stress activated protein kinase, which are activated by stresses. Many studies implicated JNK in many physiological or pathological process regulations, like diabetes, rheumatoid arthritis, arteriosclerosis, strokes or Parkinson and Alzheimer disease. In particular, JNK plays a crucial role in pancreatic β cell death induced by Interleukin (IL)-1 β in type 1 diabetes. Islet-brain 1 (IB 1) is a scaffold protein that interacts with components of the JNK signal-transduction pathway. IB 1 is expressed at high levels in neurons and in pancreatic β-cells, where it has been implicated in cell survival, in regulating expression of the glucose transporter type 2 (Glut-2) and in glucose-induced insulin secretion. It contains several protein-protein interaction domains, including a JNK-binding domain (JBD), a Src homology 3 domain (SH3) and a phosphotyrosine interaction domain (PID). Proteins that have been shown to associate with IB 1 include members of the Mixed lineage kinase family (MLKs), the MAPKK MKK7, the MAPK phosphatase-7 MKP7, as well as several other ligands including kinesin light chain, LDL receptor related family members and the amyloid precursor protein APP. All these factors, except MLK3 and MKK7 have been shown to interact with the PID domain or the extreme C-terminal part (Kinesin light chain) of IB 1. As some scaffold already described, IB 1 and another member of the family, IB2, have previously been shown to engage in oligomerization through their respective C-terminal regions that include the SH3 and PID domains. But neither the molecular mechanisms nor the function of dimerization have yet been characterized. SH3 domains are central in the assembly of macromolecular complexes involved in many intracellular signaling pathways. SH3 domains are usually characterized by their preferred recognition of and association with canonical PxxP motif. In all these cases, a single linear sequence is sufficient for binding to the SH3 domain. However, although SH3 domains are important elements of signal transduction, no protein that interacts specifically with the SH3 domain of IB 1 has been identified so far. Here, we show that IB 1 homodimerizes through a navel and unique set of SH3-SH3 interactions. X-ray crystallography studies indicate that the dieter interface covers a region usually engaged in PxxP-mediated ligand recognition, even though the IB 1 SH3 domain lacks this motif. The highly stable IB 1 homodimer can be significantly destabilized in vitro by individual point-mutations directed against key residues involved in dimerization. Each mutation reduces IB 1-dependent basal JNK activity in 293T cells. Impaired dimerization induced by over-expression of the SH3 domain also results in a significant reduction in glucose-dependent insulin secretion in pancreatic β-cells.

Etude du rôle de la réponse UV sur le contrôle de la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages à l’ADN : rôle des voies MAPK et de l’ADN polymérase eta

La réponse cellulaire aux ultra-violets (UV), ou réponse UV, est une réponse complexe et spécialisée dans l’adaptation et la tolérance des dommages aux UV. Celle-ci est initiée par un grand nombre d’évènements moléculaires et de signalisation nucléaire mais aussi au niveau de la membrane plasmique ou du cytoplasme. L’importance et l’influence exactes de ces évènements sur la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages UV à l’ADN sont encore mal comprises et doivent encore être méthodiquement démontrées. Dans cette thèse, grâce à l’utilisation d’une méthode sensible d’analyse de la réparation NER basée sur la cytométrie en flux, il est montré, dans un premier temps, que l’activité des voies MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases), qui sont des voies de signalisation de stress UV d’origine cytoplsamique, ne participent pas à l’efficacité de réparation NER des dommages UV dans les cellules humaines. En effet, l’abrogation de la signalisation MAPK, par inhibition pharmacologique, par utilisation de mutants dominant-négatifs ou par inhibition de leur expression endogène, ne révèlent aucun changement de la cinétique de réparation des dommages UV par excision de nucléotides. Cependant, l’utilisation de cette même méthode de réparation, mais cette fois, appliquée pour l’étude de réparation NER en fonction du cycle cellulaire, a permis de mettre en évidence la nécessité fonctionnelle de l’ADN polymérase translésionnelle eta (Pol η) dans la réparation NER des dommages UV, uniquement en phase S. Cette observation fut initialement caractérisée dans les cellules de patients affectés du syndrome variant de xérodermie pigmentaire (XP-V) puis, confirmée ensuite par l’inhibition de l’expression de Pol η endogène ou par la complémentation avec des mutants non-fonctionnels dans les cellules XP-V. Ces résultats indiquent que, contrairement à la réponse UV MAPK cytoplasmique, les évènements nucléaires comme la synthèse translésionnelle, peuvent influencer l’efficacité de réparation NER en phase S. Plus particulièrement, ces données établissent un lien possible entre la réparation NER en phase S et les niveaux de stress réplicatifs, révélé ici par la déficience fonctionnelle Pol η ou ATR. Les observations, présentées dans cette thèse, renforcent un rôle du point de contrôle S aux UV sur l’efficacité de la réparation NER et suggèrent que l’inhibition NER, observée en phase S dans les cellules XP-V, est modulée par le stress réplicatif. Un tel moyen de contrôle pourrait avoir une action plutôt protectrice pendant cette phase critique du cycle cellulaire. Mots clés: UV, translésionnelle, eta, MAPK, NER, CPD, cytométrie, phase-S, tolérance.

Feedback regulation of Gab2-dependent signaling by the Ras/MAPK pathway

La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers.

Ras2 signals via the Cdc42/Ste20/mitogen-activated protein kinase module to induce filamentous growth in Saccharomyces cerevisiae.

RAS2val19, a dominant activated form of Saccharomyces cerevisiae Ras2, stimulates both filamentous growth and expression of a transcriptional reporter FG(TyA)::lacZ but does not induce the mating pathway reporter FUS1::lacZ. This induction depends upon elements of the conserved mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway that is required for both filamentous growth and mating, two distinct morphogenetic events. Full induction requires Ste20 (homolog of mammalian p65PAK protein kinases), Ste11 [an MEK kinase (MEKK) or MAPK kinase (MEK) kinase], Ste7 (MEK or MAPK kinase), and the transcription factor Ste12. Moreover, the Rho family protein Cdc42, a conserved morphogenetic G protein, is also a potent regulator of filamentous growth and FG(TyA)::lacZ expression in S. cerevisiae. Stimulation of both filamentous growth and FG(TyA)::lacZ by Cdc42 depends upon Ste20. In addition, dominant negative CDC42Ala118 blocks RAS2val19 activation, placing Cdc42 downstream of Ras2. Our results suggest that filamentous growth in budding yeast is regulated by an evolutionarily conserved signaling pathway that controls cell morphology.

The mammalian MAPK/ERK pathway exhibits properties of a negative feedback amplifier

Three-tiered kinase modules, such as the Raf-MEK (mitogen-activated or extracellular signal-regulated protein kinase kinase)-ERK (extracellular signal-regulated kinase) mitogen-activated protein kinase pathway, are widespread in biology, suggesting that this structure conveys evolutionarily advantageous properties. We show that the three-tiered kinase amplifier module combined with negative feedback recapitulates the design principles of a negative feedback amplifier (NFA), which is used in electronic circuits to confer robustness, output stabilization, and linearization of nonlinear signal amplification. We used mathematical modeling and experimental validation to demonstrate that the ERK pathway has properties of an NFA that (i) converts intrinsic switch-like activation kinetics into graded linear responses, (ii) conveys robustness to changes in rates of reactions within the NFA module, and (iii) stabilizes outputs in response to drug-induced perturbations of the amplifier. These properties determine biological behavior, including activation kinetics and the response to drugs.

Nanomolar Levels Of Pahs In Extracts From Urban Air Induce Mapk Signaling In Hepg2 Cells.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are common environmental pollutants that occur naturally in complex mixtures. Many of the adverse health effects of PAHs including cancer are linked to the activation of intracellular stress response signaling. This study has investigated intracellular MAPK signaling in response to PAHs in extracts from urban air collected in Stockholm, Sweden and Limeira, Brazil, in comparison to BP in HepG2 cells. Nanomolar concentrations of PAHs in the extracts induced activation of MEK4 signaling with down-stream increased gene expression of several important stress response mediators. Involvement of the MEK4/JNK pathway was confirmed using siRNA and an inhibitor of JNK signaling resulting in significantly reduced MAPK signaling transactivated by the AP-1 transcription factors ATF2 and c-Jun. ATF2 was also identified as a sensitive stress responsive protein with activation observed at extract concentrations equivalent to 0.1 nM BP. We show that exposure to low levels of environmental PAH mixtures more strongly activates these signaling pathways compared to BP alone suggesting effects due to interactions. Taken together, this is the first study showing the involvement of MEK4/JNK/AP-1 pathway in regulating the intracellular stress response after exposure to nanomolar levels of PAHs in environmental mixtures.

A Leucine-rich Diet Modulates The Tumor-induced Down-regulation Of The Mapk/erk And Pi3k/akt/mtor Signaling Pathways And Maintains The Expression Of The Ubiquitin-proteasome Pathway In The Placental Tissue Of Nmri Mice.

Placental tissue injury is concomitant with tumor development. We investigated tumor-driven placental damage by tracing certain steps of the protein synthesis and degradation pathways under leucine-rich diet supplementation in MAC16 tumor-bearing mice. Cell signaling and ubiquitin-proteasome pathways were assessed in the placental tissues of pregnant mice, which were distributed into three groups on a control diet (pregnant control, tumor-bearing pregnant, and pregnant injected with MAC-ascitic fluid) and three other groups on a leucine-rich diet (pregnant, tumor-bearing pregnant, and pregnant injected with MAC-ascitic fluid). MAC tumor growth down-regulated the cell-signaling pathways of the placental tissue and decreased the levels of IRS-1, Akt/PKB, Erk/MAPK, mTOR, p70S6K, STAT3, and STAT6 phosphorylated proteins, as assessed by the multiplex Millipore Luminex assay. Leucine supplementation maintained the levels of these proteins within the established cell-signaling pathways. In the tumor-bearing group (MAC) only, the placental tissue showed increased PC5 mRNA expression, as assessed by quantitative RT-PCR, decreased 19S and 20S protein expression, as assessed by Western blot analysis, and decreased placental tyrosine levels, likely reflecting up-regulation of the ubiquitin-proteasome pathway. Similar effects were found in the pregnant injected with MAC-ascitic fluid group, confirming that the effects of the tumor were mimicked by MAC-ascitic fluid injection. Although tumor progression occurred, the degradation pathway-related protein levels were modulated under leucine-supplementation conditions. In conclusion, tumor evolution reduced the protein expression of the cell-signaling pathway associated with elevated protein degradation, thereby jeopardizing placental activity. Under the leucine-rich diet, the impact of cancer on placental function could be minimized by improving the cell-signaling activity and reducing the proteolytic process.

Development, implementation, and assessment of a distance module in endocrine physiology

Rangel EM, Mendes IA, Carnio EC, Marchi Alves LM, Godoy S, Crispim JA. Development, implementation, and assessment of a distance module in endocrine physiology. Adv Physiol Educ 34: 70-74, 2010; doi: 10.1152/advan.00070.2009.-This study aimed to develop, implement, and assess a distance module in endocrine physiology in TelEduc for undergraduate nursing students from a public university in Brazil, with a sample size of 44 students. Stage 1 consisted of the development of the module, through the process of creating a distance course by means of the Web. Stage 2 was the planning of the module's practical functioning, and stage 3 was the planning of student evaluations. In the experts' assessment, the module complied with pedagogical and technical requirements most of the time. In the practical functioning stage, 10 h were dedicated for on-site activities and 10 h for distance activities. Most students (93.2%) were women between 19 and 23 yr of age (75%). The internet was the most used means to remain updated for 23 students (59.0%), and 30 students (68.2%) accessed it from the teaching institution. A personal computer was used by 23 students (56.1%), and most of them (58.1%) learned to use it alone. Access to a forum was more dispersed (variation coefficient: 86.80%) than access to chat (variation coefficient: 65.14%). Average participation was 30 students in forums and 22 students in the chat. Students' final grades in the module averaged 8.5 (SD: 1.2). TelEduc was shown to be efficient in supporting the teaching- learning process of endocrine physiology.

Serum amyloid A induces CCL20 secretion in mononuclear cells through MAPK (p38 and ERK1/2) signaling pathways

Although the serum levels of SAA had been reported to be upregulated during inflammatory/infectious process, the role of this acute-phase protein has not been completely elucidated. In previous studies, we demonstrated that SAA stimulated the production of TNF-alpha, IL-1 beta, IL-8, NO, and ROS by neutrophils and/or mononuclear cells. Herein we demonstrate that SAA induces the expression and release of CCL20 from Cultured human blood mononuclear cells. We also focus on the signaling pathways triggered by SAA. in THP-1 cells SAA promotes phosphorylation of p38 and ERK1/2. Furthermore, the addition of SB203580 (p38 inhibitor) and PD98059 (ERK 1/2 inhibitor) inhibits the expression and release of CCL20 in mononuclear cells treated with SAA. Our results point to SAA as an important link of innate to adaptive immunity, once it might act on the recruitment of mononuclear cells. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.