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.

Distinct roles of the NH2- and COOH-terminal domains of the protein inhibitor of activated signal transducer and activator of transcription (STAT) 1 (PIAS1) in cytokine-induced PIAS1–Stat1 interaction

STATs are activated by tyrosine phosphorylation on cytokine stimulation. A tyrosine-phosphorylated STAT forms a functional dimer through reciprocal Src homology 2 domain (SH2)–phosphotyrosyl peptide interactions. IFN treatment induces the association of PIAS1 and Stat1, which results in the inhibition of Stat1-mediated gene activation. The molecular basis of the cytokine-dependent PIAS1–Stat1 interaction has not been understood. We report here that a region near the COOH terminus of PIAS1 (amino acids 392–541) directly interacts with the NH2-terminal domain of Stat1 (amino acids 1–191). A mutant PIAS1 lacking the Stat1-interacting domain failed to inhibit Stat1-mediated gene activation. By using a modified yeast two-hybrid assay, we demonstrated that PIAS1 specifically interacts with the Stat1 dimer, but not tyrosine-phosphorylated or -unphosphorylated Stat1 monomer. In addition, whereas the NH2-terminal region of PIAS1 does not interact with Stat1, it serves as a modulatory domain by preventing the interaction of the COOH-terminal domain of PIAS1 with the Stat1 monomer. Thus, the cytokine-induced PIAS1–Stat1 interaction is mediated through the specific recognition of the dimeric form of Stat1 by PIAS1.

Inhibition of Stat1-mediated gene activation by PIAS1

STAT (signal transducer and activator of transcription) proteins are latent cytoplasmic transcription factors that become activated by tyrosine phosphorylation in response to cytokine stimulation. Tyrosine phosphorylated STATs dimerize and translocate into the nucleus to activate specific genes. Different members of the STAT protein family have distinct functions in cytokine signaling. Biochemical and genetic analysis has demonstrated that Stat1 is essential for gene activation in response to interferon stimulation. Although progress has been made toward understanding STAT activation, little is known about how STAT signals are down-regulated. We report here the isolation of a family of PIAS (protein inhibitor of activated STAT) proteins. PIAS1, but not other PIAS proteins, blocked the DNA binding activity of Stat1 and inhibited Stat1-mediated gene activation in response to interferon. Coimmunoprecipitation analysis showed that PIAS1 was associated with Stat1 but not Stat2 or Stat3 after ligand stimulation. The in vivo PIAS1–Stat1 interaction requires phosphorylation of Stat1 on Tyr-701. These results identify PIAS1 as a specific inhibitor of Stat1-mediated gene activation and suggest that there may exist a specific PIAS inhibitor in every STAT signaling pathway.

Identification de la sumoylation de ZNF74 et de l'interaction de cette protéine à multidoigt de zinc avec UBC9 et PIAS1

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Identification de la sumoylation de ZNF74 et de l'interaction de cette protéine à multidoigt de zinc avec UBC9 et PIAS1

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Gene Expression Profiles in Radiation Workers Occupationally Exposed to Ionizing Radiation

Ionizing radiation OR) imposes risks to human health and the environment. IR at low doses and low (lose rates has the potency to initiate carcinogenesis. Genotoxic environmental agents such as IR trigger a cascade of signal transduction pathways for cellular protection. In this study, using cDNA microarray technique, we monitored the gene expression profiles in lymphocytes derived from radiation-ex posed individuals (radiation workers). Physical dosimetry records on these patients indicated that the absorbed dose ranged from 0.696 to 39.088 mSv. Gene expression analysis revealed statistically significant transcriptional changes in a total of 78 genes (21 up-regulated and 57 clown-regulated) involved in several biological processes such as ubiquitin cycle (UHRF2 and PIAS1), DNA repair (LIG3, XPA, ERCC5, RAD52, DCLRE1C), cell cycle regulation/proliferation (RHOA, CABLES2, TGFB2, IL16), and stress response (GSTP1, PPP2R5A, DUSP22). Some of the genes that showed altered expression profiles in this study call be used as biomarkers for monitoring the chronic low level exposure in humans. Additionally, alterations in gene expression patterns observed in chronically exposed radiation workers reinforces the need for defining the effective radiation dose that causes immediate genetic damage as well as the long-term effects on genomic instability, including cancer.

Role of the Transcription Factor Sox2 in the Osteogenic Lineage

The Sox2 transcription factor is modified by sumoylation at the K247 position although the addition of SUMO1 and Pias1 promotes the sumoylation of Sox2 at the additional K123 site. The role of sumoylation on Sox2 biological functions was analyzed by comparing the activity of WT and sumoylation mutants on the transcription of the FGF4 gene in HeLa cells and on the downregulation of the Wnt pathwayvin 293T cells. When SUMO1 and PIAS1 promote the sumoylation of WT Sox2, the transcriptional activity of the FGF4 promoter is inhibited showing that Sox2 sumoylation is necessary for the repression function. However, there is no effect of Sox2 sumoylation on β-Catenin activity. Since we were interested in osteoblast differentiation we set up an inducible system for Sox2 in primary osteoblasts. Following Sox2 doxycycline induction, 158 genes were differentially expressed: 120 up-regulated and 38 down-regulated. We annotated as direct Sox2 targets a number of genes involved in osteoblast biology and we further analyzed 3 of them involved in the BMP pathway. The results show that Sox2 regulates the BMP pathway without affecting SMAD phosphorylation, and that Sox2 sumoylation is not necessary for this function. We also found that genes involved in the Hippo pathway were direct Sox2 targets. As the Hippo pathway is activated by Sox2 and Sox2 interacts with the NF2 promoter, we checked the effect of Sox2 on the expression of NF2. We showed that Sox2 down-regulates the transcriptional activity of the NF2 promoter, allowing the transcription of the YAP/TEAD genes in osteoblasts, thus acting as an upstream regulator of the Hippo pathway. We conclude that Sox2 induction in osteoblasts triggers FGF dependent inhibition of the BMP, Wnt and Hippo pathways.