Signal transduction pathways involving the hypertension-related WNK1 and WNK4 protein kinases

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Biologia, na especialidade de Genética Molecular, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Regulació del factor de transcripció NFAT5 per les quinases WNK1, SPAK i OSR1 i cerca de quinases activadores de la pròpia WNK1 en resposta a estrés osmòtic

Estudi elaborat a partir d’una estada a la School of Life Sciences de la University of Dundee, Gran Bretanya, entre gener i març del 2007.L'estrès osmòtic causa rà pidament l'activació de la quinasa WNK1, que fosforila i activa a continuació les quinases SPAK i OSR1, que alhora regulen canals i transportadors d’ions preexistents a la membrana cel•lular. El factor de transcripció NFAT5 és el principal regulador de la resposta cel•lular transcripcional secundà ria a hipertonicitat i s’ha descrit que les quinases p38, Fyn, PKA, ERK/MEK i ATM estan involucrades en la seva regulació post-traduccional. No obstant, com que la funció d’aquestes quinases no explica totalment els mecanismes d'activació de NFAT5, s’ha estudiat si l’activitat transcripcional de NFAT5 pot estar regulada per WNK1, SPAK o OSR1. Així doncs, es va observar que l’activitat d’un reporter dependent de NFAT5 no es veu afectada per la presència de cap de les quinases anteriors, en la seva forma wild-type o dominant negatiu. D’altra banda, es va estudiar quin domini de WNK1 és necessari per a que pugui respondre a hipertonicitat i quines quinases poden estar involucrades en la fosforilació de la serina 382 de WNK1. En conclusió, les dades obtingudes apunten que l’activació de WNK1 en resposta a estrès osmòtic requereix la seva fosforilació en la serina 382 per quinases upstream com PAK2 o RSK i que també és necessari un dels seus dominis coiled-coil, almenys els aminoà cids 558 i 561. Aquests processos, però, semblen ser independents de l’activació de NFAT5 en resposta a hipertonicitat.   

Alternatively spliced proline-rich cassettes link WNK1 to aldosterone action.

The thiazide-sensitive NaCl cotransporter (NCC) is important for renal salt handling and blood-pressure homeostasis. The canonical NCC-activating pathway consists of With-No-Lysine (WNK) kinases and their downstream effector kinases SPAK and OSR1, which phosphorylate NCC directly. The upstream mechanisms that connect physiological stimuli to this system remain obscure. Here, we have shown that aldosterone activates SPAK/OSR1 via WNK1. We identified 2 alternatively spliced exons embedded within a proline-rich region of WNK1 that contain PY motifs, which bind the E3 ubiquitin ligase NEDD4-2. PY motif-containing WNK1 isoforms were expressed in human kidney, and these isoforms were efficiently degraded by the ubiquitin proteasome system, an effect reversed by the aldosterone-induced kinase SGK1. In gene-edited cells, WNK1 deficiency negated regulatory effects of NEDD4-2 and SGK1 on NCC, suggesting that WNK1 mediates aldosterone-dependent activity of the WNK/SPAK/OSR1 pathway. Aldosterone infusion increased proline-rich WNK1 isoform abundance in WT mice but did not alter WNK1 abundance in hypertensive Nedd4-2 KO mice, which exhibit high baseline WNK1 and SPAK/OSR1 activity toward NCC. Conversely, hypotensive Sgk1 KO mice exhibited low WNK1 expression and activity. Together, our findings indicate that the proline-rich exons are modular cassettes that convert WNK1 into a NEDD4-2 substrate, thereby linking aldosterone and other NEDD4-2-suppressing antinatriuretic hormones to NCC phosphorylation status.

Caractérisation fonctionnelle chez le poisson zèbre de l'isoforme protéique WNK1/HSN2 mutée dans la neuropathie héréditaire sensitive et autonome de type 2

La neuropathie humaine sensitive et autonome de type 2 (NHSA 2) est une pathologie héréditaire rare caractérisée par une apparition précoce des symptômes et une absence d’affectation motrice. Cette pathologie entraîne la perte de perception de la douleur, de la chaleur et du froid ainsi que de la pression (toucher) dans les membres supérieurs et inférieurs et est due à des mutations autosomales récessives confinées à l’exon HSN2 de la protéine kinase à sérine/thréonine WNK1 (with-no-lysine protein kinase 1). Cet exon spécifique permettrait de conférer une spécificité au système nerveux à l’isoforme protéique WNK1/HSN2. La kinase WNK1 est étudiée en détails, en particulier au niveau du rein, mais son rôle au sein du système nerveux demeure inconnu. Considérant le début précoce de la neuropathie et le manque d’innervation sensorielle révélé par des biopsies chez les patients NHSA2, notre hypothèse de recherche est que les mutations tronquantes menant à la NHSA de type 2 causent une perte de fonction de l’isoforme WNK1/HSN2 spécifique au système nerveux entraînant un défaut dans le développement du système nerveux sensoriel périphérique. Chez l’embryon du poisson zèbre, WNK1/HSN2 est exprimé au niveau des neuromastes de la ligne latérale postérieure, un système mécanosensoriel périphérique. Nous avons obtenu des embryons knockdown pour WNK1/HSN2 par usage d’oligonucléotides morpholino antisens (AMO). Nos trois approches AMO ont révélé des embryons présentant des défauts d’établissement au niveau de la ligne latérale postérieure. Afin de déterminer la voie pathogène impliquant l’isoforme WNK1/HSN2, nous nous sommes intéressés à l’interaction rapportée entre la kinase WNK1 et le co-transporteur neuronal KCC2. Ce dernier est une cible de phosphorylation de WNK1 et son rôle dans la promotion de la neurogenèse est bien connu. Nous avons détecté l’expression de KCC2 au niveau de neuromastes de la ligne latérale postérieure et observé une expression accrue de KCC2 chez les embryons knockdown pour WNK1/HSN2 à l’aide de RT-PCR semi-quantitative. De plus, une sur-expression d’ARN humain de KCC2 chez des embryons a produit des défauts dans la ligne latérale postérieure, phénocopiant le knockdown de WNK1/HSN2. Ces résultats furent validés par un double knockdown, produisant des embryons n’exprimant ni KCC2, ni WNK1/HSN2, dont le phénotype fut atténué. Ces résultats nous mènent à suggérer une voie de signalisation où WNK1/HSN2 est en amont de KCC2, régulant son activation, et possiblement son expression. Nous proposons donc que la perte de fonction de l’isoforme spécifique cause un débalancement dans les niveaux de KCC2 activée, menant à une prolifération et une différenciation réduites des progéniteurs neuronaux du système nerveux périphérique. Les défauts associés à la NHSA de type 2 seraient donc de nature développementale et non neurodégénérative.

A comprehensive characterization of genome-wide copy number aberrations in colorectal cancer reveals novel oncogenes and patterns of alterations.

To develop a comprehensive overview of copy number aberrations (CNAs) in stage-II/III colorectal cancer (CRC), we characterized 302 tumors from the PETACC-3 clinical trial. Microsatellite-stable (MSS) samples (n = 269) had 66 minimal common CNA regions, with frequent gains on 20 q (72.5%), 7 (41.8%), 8 q (33.1%) and 13 q (51.0%) and losses on 18 (58.6%), 4 q (26%) and 21 q (21.6%). MSS tumors have significantly more CNAs than microsatellite-instable (MSI) tumors: within the MSI tumors a novel deletion of the tumor suppressor WWOX at 16 q23.1 was identified (p<0.01). Focal aberrations identified by the GISTIC method confirmed amplifications of oncogenes including EGFR, ERBB2, CCND1, MET, and MYC, and deletions of tumor suppressors including TP53, APC, and SMAD4, and gene expression was highly concordant with copy number aberration for these genes. Novel amplicons included putative oncogenes such as WNK1 and HNF4A, which also showed high concordance between copy number and expression. Survival analysis associated a specific patient segment featured by chromosome 20 q gains to an improved overall survival, which might be due to higher expression of genes such as EEF1B2 and PTK6. The CNA clustering also grouped tumors characterized by a poor prognosis BRAF-mutant-like signature derived from mRNA data from this cohort. We further revealed non-random correlation between CNAs among unlinked loci, including positive correlation between 20 q gain and 8 q gain, and 20 q gain and chromosome 18 loss, consistent with co-selection of these CNAs. These results reinforce the non-random nature of somatic CNAs in stage-II/III CRC and highlight loci and genes that may play an important role in driving the development and outcome of this disease.

Les WNK kinases et les effets de WNK3 sur l'activité du canal ENaC

Les WNK kinases sont une famille de sérine/thréonine protéines kinases, des enzymes capables de phosphoryler le résidu OH de sérine ou thréonine. Quatre membres (WNK 1-4) ont été identifiés, largement distribués dans les cellules et tissus des mammifères et dont les fonctions sont de réguler des canaux ioniques et cotransporteurs. Leur particularité se situe au niveau de leur structure puisque une lysine a été substituée par une cystéine dans le domaine catalytique, d'où leur nom « with-no-lysine kinase » (McCormick and Ellison, 2011). Leur rôle dans le bon fonctionnement du rein et plus particulièrement dans le contrôle et maintien du bilan hydro-sodé n'est plus à vérifier puisque des mutations dans WNK 1 et WNK 4 sont connues pour causer la maladie de l'hypertension familiale ou syndrome de pseudohypoaldostéronisme de type 2, aussi appelé syndrome de Gordon (ou Fhht = Familial hyperkalaemic hypertension) (Furgeson and Linas, 2010). Le syndrome de Gordon est une maladie génétique autosomale dominante caractérisée par une hypertension, une hyperkaliémie et une acidose métabolique. Les WNKs contrôlent de nombreux canaux et transporteurs dans le rein, devenant des acteurs importants dans la régulation du bilan sodique et potassique. Leurs effets sont nombreux et variables et les canaux jouant un rôle clé dans cette régulation sont ENaC, NCC et ROMK (Kahle et al., 2008). Dans ce travail, nous commencerons par une partie théorique faisant le point sur l'organisation des néphrons et la régulation du bilan sodique et les différents mécanismes entrant en jeu. Nous intégrerons des informations générales concernant les WNKs ainsi qu'une revue plus détaillée de leurs effets respectifs dans le néphron. Pour terminer, nous aborderons les résultats d'une expérience qui a été réalisée en laboratoire sur des oocytes de Xenopus laevis. L'implication de WNK1 et WNK4 dans le contrôle du sodium ayant déjà été prouvée à de nombreuses reprises, nous nous sommes intéressés ici aux effets de WNK3 sur le canal ENaC ainsi que l'implication de Nedd4-2 dans ce procédé.

Expression of tumor-related Rac1b antagonizes B-Raf-induced senescence in colorectal cells

Mutations in the BRAF oncogene have been identified as a tumor-initiating genetic event in mainly melanoma, thyroid and colon cancer, resulting in an initial proliferative stimulus that is followed by a growth arrest period known as oncogene-induced senescence (OIS). It remains unknown what triggers subsequent escape from OIS to allow further tumor progression. A previous analysis revealed that overexpression of splice variant Rac1b occurs in around 80% of colorectal tumors carrying a mutation in BRAF. Using both BRaf-V600E-directed RNAi and overexpression we demonstrate that this mutation does not directly lead to Rac1b overexpression, indicating the latter as an independent event during tumor progression. Nonetheless, we observed that expression of oncogenic BRaf-V600E in non-transformed colonocytes (NCM460 cell line) increased both the transcript and protein levels of p14ARF, p15INK4b and p21CIP1 and led to increased expression of β-galactosidase, all indicators of OIS induction. Interestingly, whereas the protein levels of these markers were reduced upon Rac1b overexpression, the levels of their respective transcripts remained unchanged. Importantly, the co-expression of Rac1b with B-Raf-V600E reverted the OIS phenotype, reducing the expression levels of the cell-cycle inhibitors and β-galactosidase to those of control cells. These data identify increased Rac1b expression as one potential mechanism by which colorectal tumor cells can escape from B-Raf-induced OIS.

Regulation of Glucose uptake in mammalian cells by phosphorylation networks

Objectives: Characterize the role of protein kinase WNK1 in the phosphorylation network regulating cellular glucose uptake