Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

OXIDATIVE STRESS BASED STRATEGIES FOR ENHANCING THE EFFICACY OF HISTONE DEACETYLASE INHIBITORS (HDACi)

Histone deacetylase inhibitors (HDACi) are anti-cancer drugs that primarily act upon acetylation of histones, however they also increase levels of intracellular reactive oxygen species (ROS). We hypothesized that agents that cause oxidative stress might enhance the efficacy of HDACi. To test this hypothesis, we treated acute lymphocytic leukemia cells (ALL) with HDACi and adaphostin (ROS generating agent). The combination of two different HDACi (vorinostat or entinostat) with adaphostin synergistically induced apoptosis in ALL. This synergistic effect was blocked when cells were pre-treated with the caspase-9 inhibitor, LEHD. In addition, we showed that loss of the mitochondrial membrane potential is the earliest event observed starting at 12 h. Following this event, we observed increased levels of superoxide at 16 h, and ultimately caspase-3 activation. Pre-treatment with the antioxidant N-acetylcysteine (NAC) blocked ROS generation and reversed the loss of mitochondrial membrane potential for both combinations. Interestingly, DNA fragmentation and caspase-3 activity was only blocked by NAC in cells treated with vorinostat-adaphostin; but not with entinostat-adaphostin. These results suggest that different redox mechanisms are involved in the induction of ROS-mediated apoptosis. To further understand these events, we studied the role of the antioxidants glutathione (GSH) and thioredoxin (Trx). We found that the combination of entinostat-adaphostin induced acetylation of the antioxidant thioredoxin (Trx) and decreased intracellular levels of GSH. However, no effect on Trx activity was observed in either combination. In addition, pre-treatment with GSH ethyl ester, a soluble form of GSH, did not block DNA fragmentation. Together these results suggested that GSH and Trx are not major players in the induction of oxidative stress. Array data examining the expression of genes involved in oxidative stress demonstrated a differential regulation between cells treated with vorinostat-adaphostin and entinostat-adaphostin. Some of the genes differentially expressed between the combinations include aldehyde oxidase 1, glutathione peroxidase-5, -6, peroxiredoxin 6 and myeloperoxidase. Taken together, these experimental results indicate that the synergistic activity of two different HDACi with adaphostin is mediated by distinct redox mechanisms in ALL cells. Understanding the mechanism involved in these combinations will advance scientific knowledge of how the action of HDACi could be augmented in leukemia models. Moreover, this information could be used for the development of effective clinical trials combining HDACi with other anticancer agents.

FLIP: a targetable mediator of resistance to radiation in non-small cell lung cancer

Resistance to radiotherapy due to insufficient cancer cell death is a significant cause of treatment failure in non-small cell lung cancer (NSCLC). The endogenous caspase-8 inhibitor, FLIP, is a critical regulator of cell death that is frequently overexpressed in NSCLC and is an established inhibitor of apoptotic cell death induced via the extrinsic death receptor pathway. Apoptosis induced by ionizing radiation (IR) has been considered to be mediated predominantly via the intrinsic apoptotic pathway; however, we found that IR-induced apoptosis was significantly attenuated in NSCLC cells when caspase-8 was depleted using RNA interference (RNAi), suggesting involvement of the extrinsic apoptosis pathway. Moreover, overexpression of wild-type FLIP, but not a mutant form that cannot bind the critical death receptor adaptor protein FADD, also attenuated IR-induced apoptosis, confirming the importance of the extrinsic apoptotic pathway as a determinant of response to IR in NSCLC. Importantly, when FLIP protein levels were down-regulated by RNAi, IR-induced cell death was significantly enhanced. The clinically relevant histone deacetylase (HDAC) inhibitors vorinostat and entinostat were subsequently found to sensitize a subset of NSCLC cell lines to IR in a manner that was dependent on their ability to suppress FLIP expression and promote activation of caspase-8. Entinostat also enhanced the anti-tumor activity of IR in vivo. Therefore, FLIP down-regulation induced by HDAC inhibitors is a potential clinical strategy to radio-sensitize NSCLC and thereby improve response to radiotherapy. Overall, this study provides the first evidence that pharmacological inhibition of FLIP may improve response of NCSLC to IR.

Development of gene therapy to deliver the receptor-specific rhTRAIL DHER variant to induce apoptosis in activated hepatic stellate cells for the treatment of liver fibrosis

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014