Proteomic identification and functional characterization of prohibitin 1 and 2 in T cell activation, expansion, survival and disease

Several immune pathologies are the result of aberrant regulation of T lymphocytes. Pronounced T cell proliferation can result in autoimmunity or hematologic malignancy, whereas loss of T cell activity can manifest as immunodeficiency. Thus, there is a critical need to characterize the signal transduction pathways that mediate T cell activation so that novel and rational strategies to detect and effectively control T cell mediated disease can be achieved. ^ The first objective of this dissertation was to identify and characterize novel T cell regulatory proteins that are differentially expressed upon antigen induced activation. Using a functional proteomics approach, two members of the prohibitin (Phb) family of proteins, Phb1 and Phb2, were determined to be upregulated upon activation of primary human T cells. Furthermore, their regulated expression was dependent upon CD3 and CD28 signaling pathways which synergistically increased their expression. In contrast to previous reports of Phb nuclear localization, both proteins were determined to localize to the mitochondrial inner membrane of human T cells. Additionally, novel Phb phosphorylation sites were identified and characterized using mass spectrometry, phosphospecific antibodies and site directed mutagenesis. ^ Prohibitins have been proposed to play important roles in cancer development however the mechanism of action has not been elucidated. The second objective of this dissertation was to define the functional role of Phbs in T cell activity, survival and disease. Compared to levels in normal human T cells, Phb expression was higher in the human tumor T cell line Kit225 and subcellularly localized to the mitochondrion. Ablation of Phb expression by siRNA treatment of Kit225 cells resulted in disruption of mitochondrial membrane potential and significantly enhanced their sensitivity to cell death, suggesting they serve a protective function in T cells. Furthermore, Q-RT-PCR analysis of human oncology cDNA expression libraries indicated the Phbs may represent hematological cancer biomarkers. Indeed, Phb1 and Phb2 protein levels were 6-10 fold higher in peripheral blood mononuclear cells isolated from malignant lymphoma and multiple myeloma patients compared to healthy individuals. ^ Taken together, Phb1 and Phb2 are novel phosphoproteins upregulated during T cell activation and transformation to function in the maintenance of mitochondrial integrity and perhaps energy metabolism, thus representing previously unrecognized intracellular biomarkers and therapeutic targets for regulating T cell activation and hematologic malignancies. ^

Stress oxydatif, fonction mitochondriale et maladie inflammatoire de l'intestin

CONTEXTE: Bien que la dysfunction mitochondriale et le stress oxydant jouent des rôles prépondérants dans plusieurs conditions pathologiques, ils n’ont pas été étudiés de façon extensive au niveau du tube digestif qui est constamment exposé aux oxydants (provenant de l’alimentation) et à divers agents pathogènes. L’ingestion simultanée de sels ferreux et d’acide ascorbique peut causer le dommage des macromolécules par oxydation. Le ‘’Nuclear factor erythroid 2 related factor’’ (Nrf2) est un important facteur de transcription sensible au potentiel redox et qui protège contre le stress oxydant en induisant des gènes anti-oxydants et de detoxification par sa liaison à l’élément de réponse antioxydante (ARE). Les fonctions anti-oxydantes et anti-inflammatoires de Nrf2 ont été décrites dans une variété de types cellulaires et de tissus. Cependant son rôle est très peu connu au niveau du tube digestif. OBJECTIFS: Les objectifs sont d’évaluer comment la peroxydation lipidique médiée par le fer/ascorbate (FE/ASC) affecte les fonctions mitochondriales dans les cellules Caco-2/15, et de déterminer l’ampleur de l’implication de Nrf2. MÉTHODES: Le stress oxydant a été induit dans les cellules Caco2/15 en les traitant avec 0.2mm/2mm de FE/ASC. L’augmentation de l’expression de Nrf2 a été obtenue suite au prétraitement des cellules Caco2/15 avec 50 μM d’Olitpraz (OPZ), un puissant activateur. L’invalidation du gène de Nrf2 a été réalisée dans les cellules par transfection avec un vecteur lentiviral contenant un shRNA contre Nrf2. RÉSULTATS: Nos résultats montrent que le traitement des cellules Caco-2/15 avec du FE/ASC (0.2 mm/2 mm) augmente les niveaux du malondialdehyde (MDA), réduit la production d’ATP, entraîne une surcharge mitochondriale de calcium, active l’expression protéique du cytochrome C et de l’AIF (apoptotic inducing factor), réduit l’activité des complexes I, II, 2 III et IV de la chaîne respiratoire mitochondriale, augmente les niveaux de 8-OHdG, un marqueur des dommages à l’ADN mitochondrial, diminue la DNA glycosylase, et altère les expressions génique et protéique des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). De plus, nos observations montrent que l’induction et l’activation de Nrf2 dans les cellules Caco-2/15 résultent en: une augmentation des enzymes anti-oxydantes endogènes (catalase, glutathion peroxydase, et superoxyde dismutase), une réduction du facteur nucléaire NFκβ et de TNF-α, une augmentation de la production d’ ATP et de l’activité des complexes respiratoires (I, II, III, IV) et de PGC-1α, et une régulation des niveaux de la prohibitine mitochondriale, du Bcl-2 anti-apoptotique et de l’occludine. CONCLUSION: Dans l’ensemble, nos résultats montrent que l’exposition aigüe des cellules Caco-2/15 à la peroxydation par le FE/ASC entraîne des effets pathologiques sur les fonctions mitochondriales et l’intégrité de l’ADN, qui sont abolis par l’induction de Nrf2. Il en ressort que Nrf2 joue un rôle majeur dans la protection de l’épithélium intestinal contre le stress oxydant.

Caractérisation de nouveaux mécanismes transcriptionnels impliqués dans la biologie osseuse

Le développement et l'homéostasie des os requièrent l'orchestration spatio-temporelle d'un grand nombre de signaux moléculaires. Ces signaux entraînent l'activation ou l'inhibition de différents facteurs de transcription, lesquels sont en mesure de contrôler la prolifération et la différenciation des ostéoblastes et des chondrocytes. L'intégrité de ces différents mécanismes se doit d'être maintenu tout au long de la vie. Ainsi, une anomalie dans l'un de ces mécanismes conduit à l'apparition de pathologies osseuses et métaboliques telles qu’une hypophosphatémie, l'ostéoporose ou l'ostéoarthrite (OA). Afin d'en apprendre davantage sur la biologie osseuse, le projet décrit dans cette thèse a pour objectif de caractériser de nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle pour deux gènes importants dans le développement des os et le maintien de leur intégrité. Il s’agit du Paired-like Homeodomain Transcription Factor 1 (PITX1) et du Phosphate-regulating gene with homology to endopeptidase on the X chromosome (PHEX). Le premier mécanisme présenté dans cette thèse concerne la régulation transcriptionnelle du gène PITX1, un facteur de transcription à homéodomaine nécessaire, notamment, au développement des os des membres inférieurs et au maintien de l'intégrité du cartilage articulaire chez l'adulte. Ainsi, dans les chondrocytes articulaires, on note que l'expression de PITX1 est assurée par le recrutement du facteur de transcription E2F1 à deux éléments de réponse présents dans la région proximale du promoteur de PITX1. Aussi, dans les chondrocytes articulaires de patients souffrant d'OA, dans lesquels l'expression de PITX1 est fortement diminuée, un mécanisme de répression transcriptionnelle, lequel implique la protéine multifonctionnelle Prohibitin (PHB1), semble être activé. En effet, dans ces chondroytes, on note une forte accumulation nucléaire de PHB1 comparativement aux chondrocytes articulaires de sujets sains. Le second mécanisme présenté dans cette thèse concerne la répression transcriptionnelle de PHEX, la peptidase mutée dans le syndrome d'hypophosphatémie lié au chromosome X (X-Linked Hypophosphatemia, XLH), lequel se caractérise par une hypophosphatémie et une ostéomalacie. Le traitement d'ostéoblastes à la Parathyroid hormone-related protein (PTHrP) permet d’observer la répression de PHEX. Afin de caractériser le mécanisme responsable de cette répression, des expériences de gènes rapporteurs ont révélé la présence de deux éléments de réponse pour le répresseur transcriptionnel E4BP4 dans le promoteur de PHEX. La suppression de l'expression d'E4BP4 par l'utilisation d'ARN d'interférence a permis de valider que ce facteur de transcription est responsable de la répression de PHEX suite au traitement d'ostéoblastes à la PTHrP. En somme ces nouveaux mécanismes de régulation transcriptionnelle permettent de mieux comprendre la régulation de l'expression de PITX1 et de PHEX. Aussi, cette nouvelle implication de PHB1 dans la pathogenèse de l'OA offre de nouvelles possibilités de traitement et pourrait servir pour le diagnostic précoce de cette pathologie. Enfin, la caractérisation d'E4BP4 en tant que médiateur pour la répression de PHEX par la PTHrP suggère que ce répresseur transcriptionnel pourrait être impliqué dans le contrôle de la minéralisation des os et des niveaux de phosphate sanguin.

Rôle du facteur de transcription PITX1 dans la pathogenèse de l'arthrose.

L'arthrose ou ostéoarthrite (OA) est la plus commune des maladies chroniques associées au vieillissement. La multiplicité des loci et des polymorphismes associés à l'OA suggère l'implication de nombreuses voies de signalisation. La plupart des voies empruntées partagent des points en commun avec le processus d'ossification endochondrale. Dans l'arthrose, la réinitiation de ce processus pourrait être responsable de la dégradation du cartilage et de la présence d'ostéophytes. Un des gènes ayant fait surface autant dans l'OA que dans le développement musculosquelettique est PITX1. Contrairement à ce que son nom l'indique, PITX1 n'est pas seulement exprimé dans la glande pituitaire mais également dans l'os, le cartilage, les muscles et les fibroblastes. Pitx1 joue un rôle clé dans l'identité des membres inférieurs et son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype ressemblant aux membres supérieurs. Moins sévère, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose précoce chez la souris vieillissante. Chez l'humain, une perte d'expression de PITX1 est observée dans le cartilage OA de concert avec une augmentation des protéines EXTL3, REG1 et PARP1. Ces dernières pourraient favoriser la phase initiale de régénération associée à l'arthrose. Pour induire la prolifération des chondrocytes, de bas niveaux de PITX1 sont nécessaires. À l'inverse, de hauts niveaux de PITX1 pourraient prévenir la prolifération et être responsables du statut différencié des chondrocytes articulaires normaux. L'étude des mécanismes de régulation du gène PITX1 a mené à l'identification d'un co-répresseur, nommé prohibitine (PHB1), lié sur une région promotrice distale. PHB1 est normalement retrouvé au niveau des mitochondries mais son accumulation nucléaire semble corréler avec la perte de PITX1 et l'initiation de l'OA. Cette découverte pourrait avoir un impact sur le diagnostic et d'éventuels traitements visant à prévenir l'apparition de l'arthrose.

Proteomic changes in the rat brain induced by homogenous irradiation and by the bystander effect resulting from high energy synchrotron X-ray microbeams

Abstract Purpose: To further evaluate the use of microbeam irradiation (MBI) as a potential means of non-invasive brain tumor treatment by investigating the induction of a bystander effect in non-irradiated tissue. Methods: Adult rats were irradiated with 35 or 350 Gy at the European Synchotron Research Facility (ESRF), using homogenous (broad beam) irradiation (HI) or a high energy microbeam delivered to the right brain hemisphere only. The proteome of the frontal lobes were then analyzed using two-dimensional electrophoresis (2-DE) and mass spectrometry. Results: HI resulted in proteomic responses indicative of tumourigenesis; increased albumin, aconitase and triosphosphate isomerase (TPI), and decreased dihydrolipoyldehydrogenase (DLD). The MBI bystander effect proteomic changes were indicative of reactive oxygen species mediated apoptosis; reduced TPI, prohibitin and tubulin and increased glial fibrillary acidic protein (GFAP). These potentially anti-tumourigenic apoptotic proteomic changes are also associated with neurodegeneration. However the bystander effect also increased heat shock protein (HSP) 71 turnover. HSP 71 is known to protect against all of the neurological disorders characterized by the bystander effect proteome changes. Conclusions: These results indicate that the collective interaction of these MBI-induced bystander effect proteins and their mediation by HSP 71, may confer a protective effect which now warrants additional experimental attention.

BIOCHEMICAL AND CELLULAR MECHANISMS OF RETINA AND RETINAL PIGMENT EPITHELIUM APOPTOSIS

Oxidative stress, intense light exposure and oxygen imbalances such as hypoxic or hyperoxic conditions perturb mitochondria, nuclear function and further lead to cellular damage of retina and retinal pigment epithelial (RPE) cells. Our major aim is to understand the various biochemical and proteomic events that occur during the progression of retina and RPE cell death. The comprehensive objectives of this dissertation are to understand the functional aspects of protein expression, posttranslational modifications, protein or lipid binding changes, phenotypic, morphological alterations and their regulation during the retina and RPE apoptosis under oxidative stress. The entire study is divided into four chapters Chapter 1 contains introduction and background on apoptotic signaling in retina and RPE cells. In chapter 2, we demonstrated that the oxidative stress biomarker prohibitin shuttles between mitochondria and nucleus as an anti-apoptotic molecule and acts as a transcriptional regulator by altering its lipid binding affinity and by posttranslational modifications during oxidative damage to the retina and RPE. In chapter 3, we demonstrated that oxidative and photo-oxidative stress induced nitric oxide regulates the RPE apoptosis by altering serine/threonine protein phosphatase 2A (PP2A) catalytic subunit, vimentin phosphorylation and Bcl xL expression regulation in the RPE cells in vitro. In chapter 4, we further analyzed the differential expression of prohibitin in the retina and RPE during oxidative stress, diabetic retinopathy (DR) and age-related macular degeneration (AMD) condition. Our analysis of postmortem retinas reveals that prohibitin is significantly increased in aged and AMD retina, and decreased in retinas of human diabetic retinopathy and RPE of AMD. Our study demonstrates that prohibitin levels determine the apoptotic signaling in the retina and RPE during retinal degenerative disease progression.

Up-regulation of the peroxiredoxin-6 related metabolism of reactive oxygen species in skeletal muscle of mice lacking neuronal nitric oxide synthase

Although neuronal nitric oxide synthase (nNOS) plays a substantial role in skeletal muscle physiology, nNOS-knockout mice manifest an only mild phenotypic malfunction in this tissue. To identify proteins that might be involved in adaptive responses in skeletal muscle of knockout mice lacking nNOS, 2D-PAGE with silver-staining and subsequent tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was performed using extracts of extensor digitorum longus muscle (EDL) derived from nNOS-knockout mice in comparison to C57Bl/6 control mice. Six proteins were significantly (P < or = 0.05) more highly expressed in EDL of nNOS-knockout mice than in that of C57 control mice, all of which are involved in the metabolism of reactive oxygen species (ROS). These included prohibitin (2.0-fold increase), peroxiredoxin-3 (1.9-fold increase), Cu(2+)/Zn(2+)-dependent superoxide dismutase (SOD; 1.9-fold increase), heat shock protein beta-1 (HSP25; 1.7-fold increase) and nucleoside diphosphate kinase B (2.6-fold increase). A significantly higher expression (4.1-fold increase) and a pI shift from 6.5 to 5.9 of peroxiredoxin-6 in the EDL of nNOS-knockout mice were confirmed by quantitative immunoblotting. The concentrations of the mRNA encoding five of these proteins (the exception being prohibitin) were likewise significantly (P < or = 0.05) higher in the EDL of nNOS-knockout mice. A higher intrinsic hydrogen peroxidase activity (P < or = 0.05) was demonstrated in EDL of nNOS-knockout mice than C57 control mice, which was related to the presence of peroxiredoxin-6. The treatment of mice with the chemical NOS inhibitor L-NAME for 3 days induced a significant 3.4-fold up-regulation of peroxiredoxin-6 in the EDL of C57 control mice (P < or = 0.05), but did not alter its expression in EDL of nNOS-knockout mice. ESR spectrometry demonstrated the levels of superoxide to be 2.5-times higher (P < or = 0.05) in EDL of nNOS-knockout mice than in C57 control mice while an in vitro assay based on the emission of 2,7-dichlorofluorescein fluorescence disclosed the concentration of ROS to be similar in both strains of mice. We suggest that the up-regulation of proteins that are implicated in the metabolism of ROS, particularly of peroxiredoxin-6, within skeletal muscles of nNOS-knockout mice functionally compensates for the absence of nNOS in scavenging of superoxide.

Flotillins and the PHB domain protein family: Rafts, worms and anaesthetics

While our understanding of lipid microdomains has advanced in recent years, many aspects of their formation and dynamics are still unclear. In particular, the molecular determinants that facilitate the partitioning of integral membrane proteins into lipid raft domains are yet to be clarified. This review focuses on a family of raft-associated integral membrane proteins, termed flotillins, which belongs to a larger class of integral membrane proteins that carry an evolutionarily conserved domain called the prohibitin homology (PHB) domain. A number of studies now suggest that eucaryotic proteins carrying this domain have affinity for lipid raft domains. The PHB domain is carried by a diverse array of proteins including stomatin, podocin, the archetypal PHB protein, prohibitin, lower eucaryotic proteins such as the Dictyostelium discoideum proteins vacuolin A and vacuolin B and the Caenorhabditis elegans proteins unc-1, unc-24 and mec-2. The presence of this domain in some procaryotic proteins suggests that the PHB domain may constitute a primordial lipid recognition motif. Recent work has provided new insights into the trafficking and targeting of flotillin and other PHB domain proteins. While the function of this large family of proteins remains unclear, studies of the C. elegans PHB proteins suggest possible links to a class of volatile anaesthetics raising the possibility that these lipophilic agents could influence lipid raft domains. This review will discuss recent insights into the cell biology of flotillins and the large family of evolutionarily conserved PHB domain proteins.