Solution structure of the N-terminal transactivation domain of ERM modified by SUMO-1.

ERM is a member of the PEA3 group of the Ets transcription factor family that plays important roles in development and tumorigenesis. The PEA3s share an N-terminal transactivation domain (TADn) whose activity is inhibited by small ubiquitin-like modifier (SUMO). However, the consequences of sumoylation and its underlying molecular mechanism remain unclear. The domain structure of ERM TADn alone or modified by SUMO-1 was analyzed using small-angle X-ray scattering (SAXS). Low resolution shapes determined ab initio from the scattering data indicated an elongated shape and an unstructured conformation of TADn in solution. Covalent attachment of SUMO-1 does not perturb the structure of TADn as indicated by the linear arrangement of the SUMO moiety with respect to TADn. Thus, ERM belongs to the growing family of proteins that contain intrinsically unstructured regions. The flexible nature of TADn may be instrumental for ERM recognition and binding to diverse molecular partners.

Evaluation of the expression of p53, MDM2, and SUMO-1 in oral lichen planus

Objective: The objective of this study was to compare the expression of proteins p53, MDM2, and SUMO-1 in oral lichen planus (OLP) lesions, epithelial dysplasia, and squamous cell carcinoma. Materials and Methods: The sample consisted of the following five groups of cheek mucosa lesions: normal mucosa (NM), inflammatory fibrous hyperplasia (IFH), lichen planus, epithelial dysplasia, and squamous cell carcinoma. The tissue samples were stained with hematoxylin-eosin and submitted to immunohistochemistry using anti-p53, anti-MDM2, and anti-SUMO-1 antibodies. Results: The results of this study demonstrated similar expression of p53 and MDM2 between OLP, oral epithelial dysplasia and, to a lesser extent, between OLP and oral squamous cell carcinoma (OSCC). However, for SUMO-1 a similar expression was observed in OLP, NM, and IFH. Conclusions: The results demonstrated overexpression of important proteins (p53 and MDM2) related to regulatory mechanisms of apoptosis in OLP, suggesting that there is a favorable environment for malignant transformation. The expression of SUMO-1 in OLP was similar to NM and IFH, suggesting that alterations of this protein occur at later stages of carcinogenesis, because important overexpression occurred in oral epithelial dysplasia and OSCC. © 2013 John Wiley & Sons A/S.

Avaliação da expressão das proteínas p53, MDM2 e SUMO-1 em líquen plano bucal, displasia epitelial bucal e carcinoma de células escamosas bucal

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Study of MDM2 and SUMO-1 expression in actinic cheilitis and lip cancer

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Covalent modification of the homeodomain-interacting protein kinase 2 (HIPK2) by the ubiquitin-like protein SUMO-1

Posttranslational modifications such as ubiquitination and phosphorylation play an important role in the regulation of cellular protein function. Homeodomain-interacting protein kinase 2 (HIPK2) is a member of the recently identified family of nuclear protein kinases that act as corepressors for homeodomain transcription factors. Here, we show that HIPK2 is regulated by a ubiquitin-like protein, SUMO-1. We demonstrate that HIPK2 localizes to nuclear speckles (dots) by means of a speckle-retention signal. This speckle-retention signal contains a domain that interacts with a mouse ubiquitin-like protein conjugating (E2) enzyme, mUBC9. In cultured cells, HIPK2 is covalently modified by SUMO-1, and the SUMO-1 modification of HIPK2 correlates with its localization to nuclear speckles (dots). Thus, our results provide firm evidence that the nuclear protein kinase HIPK2 can be covalently modified by SUMO-1, which directs its localization to nuclear speckles (dots).

Posttranslational modification of TEL and TEL/AML1 by SUMO-1 and cell-cycle-dependent assembly into nuclear bodies

The E-26 transforming specific (ETS)-related gene, TEL, also known as ETV6, encodes a strong transcription repressor that is rearranged in several recurring chromosomal rearrangements associated with leukemia and congenital fibrosarcoma. TEL is a nuclear phosphoprotein that is widely expressed in all normal tissues. TEL contains a DNA-binding domain at the C terminus and a helix–loop–helix domain (also called a pointed domain) at the N terminus. The pointed domain is necessary for homotypic dimerization and for interaction with the ubiquitin-conjugating enzyme UBC9. Here we show that the interaction with UBC9 leads to modification of TEL by conjugating it to SUMO-1. The SUMO-1-modified TEL localizes to cell-cycle-specific nuclear speckles that we named TEL bodies. We also show that the leukemia-associated fusion protein TEL/AML1 is modified by SUMO-1 and found in the TEL bodies, in a pattern quite different from what we observe and report for AML1. Therefore, SUMO-1 modification of TEL could be a critical signal necessary for normal functioning of the protein. In addition, the modification by SUMO-1 of TEL/AML1 could lead to abnormal localization of the fusion protein, which could have consequences that include contribution to neoplastic transformation.

Ubc9 interacts with a nuclear localization signal and mediates nuclear localization of the paired-like homeobox protein Vsx-1 independent of SUMO-1 modification

Vsx-1 is a paired-like:CVC homeobox gene whose expression is linked to bipolar cell differentiation during zebrafish retinogenesis. We used a yeast two-hybrid screen to identify proteins interacting with Vsx-1 and isolated Ubc9, an enzyme that conjugates the small ubiquitin-like modifier SUMO-1. Despite its interaction with Ubc9, we show that Vsx-1 is not a substrate for SUMO-1 in COS-7 cells or in vitro. When a yeast two-hybrid assay is used, deletion analysis of the interacting domain on Vsx-1 shows that Ubc9 binds to a nuclear localization signal (NLS) at the NH2 terminus of the homeodomain. In SW13 cells, Vsx-1 localizes to the nucleus and is excluded from nucleoli. Deletion of the NLS disrupts this nuclear localization, resulting in a diffuse cytoplasmic distribution of Vsx-1. In SW13 AK1 cells that express low levels of endogenous Ubc9, Vsx-1 accumulates in a perinuclear ring and colocalizes with an endoplasmic reticulum marker. However, NLS-tagged STAT1 protein exhibits normal nuclear localization in both SW13 and SW13 AK1 cells, suggesting that nuclear import is not globally disrupted. Cotransfection of Vsx-1 with Ubc9 restores Vsx-1 nuclear localization in SW3 AK1 cells and demonstrates that Ubc9 is required for the nuclear localization of Vsx-1. Ubc9 continues to restore nuclear localization even after a C93S active site mutation has eliminated its SUMO-1-conjugating ability. These results suggest that Ubc9 mediates the nuclear localization of Vsx-1, and possibly other proteins, through a nonenzymatic mechanism that is independent of SUMO-1 conjugation.

Small Ubiquitin-related Modifier (SUMO)-1 promotes glycolysis in hypoxia

Under conditions of hypoxia, most eukaryotic cells undergo a shift in metabolic strategy, which involves increased flux through the glycolytic pathway. Although this is critical for bioenergetic homeostasis, the underlying mechanisms have remained incompletely understood. Here, we report that the induction of hypoxia-induced glycolysis is retained in cells when gene transcription or protein synthesis are inhibited suggesting the involvement of additional post-translational mechanisms. Post-translational protein modification by the small ubiquitin related modifier-1 (SUMO-1) is induced in hypoxia and mass spectrometric analysis using yeast cells expressing tap-tagged Smt3 (the yeast homolog of mammalian SUMO) revealed hypoxia-dependent modification of a number of key glycolytic enzymes. Overexpression of SUMO-1 in mammalian cancer cells resulted in increased hypoxia-induced glycolysis and resistance to hypoxia-dependent ATP depletion. Supporting this, non-transformed cells also demonstrated increased glucose uptake upon SUMO-1 overexpression. Conversely, cells overexpressing the de-SUMOylating enzyme SENP-2 failed to demonstrate hypoxia-induced glycolysis. SUMO-1 overexpressing cells demonstrated focal clustering of glycolytic enzymes in response to hypoxia leading us to hypothesize a role for SUMOylation in promoting spatial re-organization of the glycolytic pathway. In summary, we hypothesize that SUMO modification of key metabolic enzymes plays an important role in shifting cellular metabolic strategies toward increased flux through the glycolytic pathway during periods of hypoxic stress. © 2011 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.

Androgen receptor-dependent and independent functions of ARIP4

Androgen receptor (AR) is necessary for normal male phenotype development and essential for spermatogenesis. AR is a classical steroid receptor mediating actions of male sex steroids testosterone and 5-alpha-dihydrotestosterone. Numerous coregulators interact with the receptor and regulate AR activity on target genes. This study deals with the characterization of androgen receptor-interacting protein 4 (ARIP4). ARIP4 binds DNA, interacts with AR in vitro and in cultured yeast and mammalian cells, and modulates AR-dependent transactivation. ARIP4 is an active DNA-dependent ATPase, and this enzymatic activity is essential for the ability of ARIP4 to modulate AR function. On the basis of sequence homology in its ATPase domain, ARIP4 belongs to the SNF2 family of proteins involved in chromatin remodeling, DNA repair, and homologous recombination. Similar to its closest homologs ATRX and Rad54, ARIP4 does not seem to be a classical chromatin remodeling protein in that it does not appear to form large protein complexes in vivo or remodel mononucleosomes in vitro. However, ARIP4 is able to generate superhelical torsion on linear DNA fragments. ARIP4 is covalently modified by SUMO-1, and mutation of six potential SUMO attachment sites abolishes the ability of ARIP4 to bind DNA, hydrolyze ATP, and activate AR function. ARIP4 expression starts in early embryonic development. In mouse embryo ARIP4 is present mainly in the neural tube and limb buds. In adult mouse tissues ARIP4 expression is virtually ubiquitous. In mouse testis ARIP4 is expressed in the nuclei of Sertoli cells in a stage-dependent manner. ARIP4 is also present in the nuclei of Leydig cells, spermatogonia, pachytene and diplotene spermatocytes. Testicular expression pattern of ARIP4 does not differ significantly in wild-type, FSHRKO, and LuRKO mice. In the testis of hpg mice, ARIP4 is found mainly in interstitial cells and has very low, if any, expression in Sertoli and germ cells. Heterozygous Arip4+/ mice are fertile and appear normal; however, they are haploinsufficient with regard to androgen action in Sertoli cells. In contrast, Arip4 / embryos are not viable. They have significantly reduced body size at E9.5 and die by E11.5. Compared to wild-type littermates, Arip4 / embryos possess a higher percentage of apoptotic cells at E9.5 and E10.5. Fibroblasts derived from Arip4 / embryos cease growing after 2-3 passages and exhibit a significantly increased apoptosis and decreased proliferation rate than cells from wild-type embryos. Our findings demonstrate that ARIP4 plays an essential role in mouse embryonic development. In addition, testicular expression and AR coregulatory activity of ARIP4 suggest a role of ARIP4-AR interaction in the somatic cells of the testis.

Régulation de l'activité transcriptionnelle du récepteur nucléaire FXR par la ghréline et les modifications post-traductionnelles

Le récepteur X des farnésoïdes (FXR) fait partie de la superfamille des récepteurs nucléaires et agit comme un facteur de transcription suite à la liaison d’un ligand spécifique. Le récepteur FXR, activé par les acides biliaires, joue un rôle essentiel dans le métabolisme des lipides et du glucose en plus de réguler l’homéostasie des acides biliaires. Notre laboratoire a récemment mis en évidence une nouvelle voie de régulation du récepteur PPARγ en réponse au récepteur de la ghréline. En effet, la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de PPARγ via une cascade de signalisation impliquant les kinases Erk1/2 et Akt, supportant un rôle périphérique de la ghréline dans les pathologies associées au syndrome métabolique. Il est de plus en plus reconnu que la cascade métabolique impliquant PPARγ fait également intervenir un autre récepteur nucléaire, FXR. Dans ce travail, nous montrons que la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de FXR de manière dose-dépendante et induit également la phosphorylation du récepteur sur ses résidus sérine. En utilisant des constructions tronquées ABC et CDEF de FXR, nous avons démontré que la ghréline régule l’activité de FXR via les domaines d’activation AF-1 et AF-2. L’effet de la ghréline et du ligand sélectif GW4064 sur l’induction de FXR est additif. De plus, nous avons démontré que FXR est la cible d’une autre modification post-traductionnelle, soit la sumoylation. En effet, FXR est un substrat cellulaire des protéines SUMO-1 et SUMO-3 et la sumoylation du récepteur est ligand-indépendante. SUMO-1 et SUMO-3 induisent l’activation transcriptionnelle de FXR de façon dose-dépendante. Nos résultats indiquent que la lysine 122 est le site prédominant de sumoylation par SUMO-1, quoiqu’un mécanisme de coopération semble exister entre les différents sites de sumoylation de FXR. Avec son rôle émergeant dans plusieurs voies du métabolisme lipidique, l’identification de modulateurs de FXR s’avère être une approche fort prometteuse pour faire face à plusieurs pathologies associées au syndrome métabolique et au diabète de type 2.

Large scale identification of protein SUMOylation by mass spectrometry in HEK293 cells

Les fichiers qui accompagnent mon document sont des tableaux supplémentaires réalisés avec Excel (Microsoft Office), dans la version papier du mémoire ces fichiers sont sur un CD-ROM.

Régulation dynamique de l’activité du récepteur des estrogènes beta (ERβ) par la phosphorylation,l’ubiquitination et la sumoylation

Les estrogènes jouent un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement des tissus reproducteurs par leurs interactions avec les récepteurs des estrogènes ERα et ERβ. Ces récepteurs nucléaires agissent comme facteurs de transcription et contrôlent l’expression des gènes de façon hormono-dépendante et indépendante grâce à leurs deux domaines d’activation (AF-1 et AF-2). Une dérégulation de leur activité transcriptionnelle est souvent à l’origine de pathologies telles que le cancer du sein, de l’endomètre et des ovaires. Alors que ERα est utilisé comme facteur pronostic pour l’utilisation d’agents thérapeutiques, l’importance de la valeur clinique de ERβ est encore controversée. Toutefois, des évidences récentes lui associent un pouvoir anti-tumorigénique en démontrant que sa présence favorise l’inhibition de la progression de ces cancers ainsi que l’efficacité des traitements. En combinaisons avec d’autres études, ces observations démontrent que bien que les deux isoformes partagent une certaine similitude d’action, les ERs sont en mesure d’exercer des fonctions distinctes. Ces différences sont fortement attribuables au faible degré d’homologie observé entre certains domaines structuraux des ERs, comme le domaine AF-1, ce qui fait en sorte que les différents sites de modifications post-traductionnelles (MPTs) présents sur les ERs sont très peu conservés entre les isoformes. Or, l’activité transcriptionnelle ligand-dépendante et indépendante des ERs est hautement régulée par les MPTs. Elles sont impliquées à tous les niveaux de l’activation des ERs incluant la liaison et la sensibilité au ligand, la localisation cellulaire, la dimérisation, l’interaction avec l’ADN, le recrutement de corégulateurs transcriptionnels, la stabilité et l’arrêt de la transcription. Ainsi, de par leur dissimilitude, les ERs seront différemment régulés par la signalisation cellulaire. Comme un débalancement de plusieurs voies de signalisation ont été associées à la progression de tumeurs ER-positives ainsi qu’au développement d’une résistance, une meilleure compréhension de l’impact des MPTs sur la régulation spécifique des ERs s’avère essentielle en vue de proposer et/ou développer des traitements adéquats pour les cancers gynécologiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre les rôles des MPTs sur l’activité transcriptionnelle de ERβ qui sont, contrairement à ERα, très peu connus. Nous démontrons une régulation dynamique de ERβ par la phosphorylation, l’ubiquitination et la sumoylation. De plus, toutes les MPTs nouvellement découvertes par mes recherches se situent dans l’AF-1 de ERβ et permettent de mieux comprendre le rôle capital joué par ce domaine dans la régulation de l’activité ligand-dépendante et indépendante du récepteur. Dans la première étude, nous observons qu’en réponse aux MAPK, l’AF-1 de ERβ est phosphorylé au niveau de sérines spécifiques et qu’elles jouent un rôle important dans la régulation de l’activité ligand-indépendante de ERβ par la voie ubiquitine-protéasome. En effet, la phosphorylation de ces sérines régule le cycle d’activation-dégradation de ERβ en modulant son ubiquitination, sa mobilité nucléaire et sa stabilité en favorisant le recrutement de l’ubiquitine ligase E6-AP. De plus, ce mécanisme d’action semble être derrière la régulation différentielle de l’activité de ERα et ERβ observée lors de l’inhibition du protéasome. Dans le second papier, nous démontrons que l’activité et la stabilité de ERβ en présence d’estrogène sont étroitement régulées par la sumoylation phosphorylation-dépendante de l’AF-1, processus hautement favorisé par l’action de la kinase GSK-3. La sumoylation de ERβ par SUMO-1 prévient la dégradation du récepteur en entrant en compétition avec l’ubiquitination au niveau du même site accepteur. De plus, contrairement à ERα, SUMO-1 réprime l’activité de ERβ en altérant son interaction avec l’ADN et l’expression de ses gènes cibles dans les cellules de cancers du sein. Également, ces recherches ont permis d’identifier un motif de sumoylation dépendant de la phosphorylation (pSuM) jusqu’à lors inconnu de la communauté scientifique, offrant ainsi un outil supplémentaire à la prédiction de nouveau substrat de la sumoylation. En plus de permettre une meilleure compréhension du rôle des signaux intracellulaires dans la régulation de l’activité transcriptionnelle de ERβ, nos résultats soulignent l’importance des MPTs dans l’induction des différences fonctionnelles observées entre ERα et ERβ et apportent des pistes supplémentaires à la compréhension de leurs rôles physiopathologiques respectifs.

Rôle de la Prohibitine et de la sumoylation dans la pathogenèse de l’ostéoarthrose

L'ostéoarthrose (OA) est la forme la plus commune d’arthrite et son étiologie demeure encore méconnue. Les travaux du Dr Moreau et son équipe ont permis de mettre en évidence une quasi perte d’expression du facteur de transcription Pitx1 dans les chondrocytes OA et la protéine PHB-1 a été identifiée comme étant membre d’un complexe répresseur pouvant lier le promoteur de Pitx1. Le but de la présente étude était de confirmer l’accumulation anormale de PHB-1 dans le noyau des chondrocytes OA, tel que suggéré par des données préliminaires, et d’identifier les mécanismes impliqués dans son import ou rétention au noyau. Pour ce faire, un volet mécanistique utilisant les lignées C28/I2 et U2OS fut combiné à l’étude clinique des chondrocytes articulaires de patients OA et de sujets sains. Les résultats de cette étude démontrent que chez 55 pourcent des patients OA, la Prohibitine s’accumule dans le noyau des chondrocytes articulaires et que cette accumulation corrèle avec une augmentation de la sumoylation totale dans le noyau des cellules OA. Le présent projet de recherche propose pour la première fois qu’une sumoylation accrue au sein des cellules OA pourrait être responsable de l’accumulation nucléaire de PHB-1, médiée par sa liaison aux protéines SUMO-1 via un domaine de liaison aux SUMOs (SBM) localisé aux résidus 76 à 79 de PHB-1. Les résultats de cette étude ont aussi permis de mettre en évidence que dans les chondrocytes OA, les protéines SUMO-1 et SUMO-2/3 s’accumulent dans des corps nucléaires de type PML, suggérant un recrutement de protéines interagissant avec les SUMOs au sein de ces structures dans les cellules OA. Nous sommes persuadés que cette étude générera des retombées importantes non seulement au niveau fondamental pour la compréhension des mécanismes moléculaires liés à la biologie des chondrocytes articulaires, mais aussi au niveau du développement d’outils génétiques permettant le dépistage de l’arthrose à un stade précoce.

Increased protein SUMOylation following focal cerebral ischemia

Stroke is a major cause of death and disability, which involves excessive glutamate receptor activation leading to excitotoxic cell death. We recently reported that SUMOylation can regulate kainate receptor (KAR) function. Here we investigated changes in protein SUMOylation and levels of KAR and AMPA receptor subunits in two different animal stroke models: a rat model of focal ischemia with reperfusion and a mouse model without reperfusion. In rats, transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) resulted in a striatal and cortical infarct. A dramatic increase in SUMOylation by both SUMO-1 and SUMO-2/3 was observed at 6h and 24h in the striatal infarct area and by SUMO-2/3 at 24h in the hippocampus, which was not directly subjected to ischemia. In mice, permanent MCAO resulted in a selective cortical infarct. No changes in SUMOylation occurred at 6h but there was increased SUMO-1 conjugation in the cortical infarct and non-ischemic hippocampus at 24h after MCAO. Interestingly, SUMOylation by SUMO-2/3 occurred only outside the infarct area. In both rat and mouse levels of KARs were only decreased in the infarct regions whereas AMPARs were decreased in the infarct and in other brain areas. These results suggest that posttranslational modification by SUMO and down-regulation of AMPARs and KARs may play important roles in the pathophysiological response to ischemia.