Mapping Post-translational Modifications of Mammalian Testicular Specific Histone Variant TH2B in Tetraploid and Haploid Germ Cells and Their Implications on the Dynamics of Nucleosome Structure

Histones regulate a variety of chromatin templated events by their post-translational modifications (PTMs). Although there are extensive reports on the PTMs of canonical histones, the information on the histone variants remains very scanty. Here, we report the identification of different PTMs, such as acetylation, methylation, and phosphorylation of a major mammalian histone variant TH2B. Our mass spectrometric analysis has led to the identification of both conserved and unique modifications across tetraploid spermatocytes and haploid spermatids. We have also computationally derived the 3-dimensional model of a TH2B containing nucleosome in order to study the spatial orientation of the PTMs identified and their effect on nucleosome stability and DNA binding potential. From our nucleosome model, it is evident that substititution of specific amino acid residues in TH2B results in both differential histone-DNA and histone-histone contacts. Furthermore, we have also observed that acetylation on the N-terminal tail of TH2B weakens the interactions with the DNA. These results provide direct evidence that, similar to somatic H2B, the testis specific histone TH2B also undergoes multiple PTMs, suggesting the possibility of chromatin regulation by such covalent modifications in mammalian male germ cells.

Investigation of p75 neurotrophin receptor and the role of its post-translational modifications in tumour cell motility and invasiveness

The p75 neurotrophin receptor (p75NTR) is a member of the tumour necrosis factor superfamily, which relies on the recruitment of cytosolic protein partners - including the TNF receptor associated factor 6 (TRAF6) E3 ubiquitin ligase - to produce cellular responses such as apoptosis, survival, and inhibition of neurite outgrowth. Recently,p75NTR was also shown to undergo γ-secretase-mediated regulated intramembrane proteolysis, and the receptor ICD was found to migrate to the nucleus where it regulates gene transcription. Moreover, γ-secretase-mediated proteolysis was shown to be involved in glioblastoma cell migration and invasion. In this study we report that TRAF6-mediated K63-linked polyubiquitination at multiple or alternative lysine residues influences p75NTR-ICD stability in vitro. In addition, we found that TRAF6-mediated ubiquitination of p75NTR is not influenced by inhibition of dynamin. Moreover, we report beta-transducin repeats-containing protein (β-TrCP) as a novel E3- ligase that ubiquitinates p75NTR, which is independent of serine phosphorylation of the p75NTR destruction motif. In contrast to its influence on other substrates, co-expression of β-TrCP did not reduce p75NTR stability. We created U87-MG glioblastoma cell lines stably expressing wild type, γ-secretaseresistant and constitutively cleaved receptor, as well as the ICD-stabilized mutant K301R. Interestingly, only wild-type p75NTR induces increased glioblastoma cell migration, which could be reversed by application of γ-secretase inhibitor. Microarray and qRT-PCR analysis of mRNA transcripts in these cell lines yielded several promising genes that might be involved in glioblastoma cell migration and invasion, such as cadherin 11 and matrix metalloproteinase 12. Analysis of potential transcription factor binding sites revealed that transcription of these genes might be regulated by well known p75NTR signalling cascades such as NF-κB or JNK signalling, which are independent of γ-secretase-mediated cleavage of the receptor. In contrast, while p75NTR overexpression was confirmed in melanoma cell lines and a patient sample of melanoma metastasis to the brain, inhibition of γ-secretase did not influence melanoma cell migration. Collectively, this study provides several avenues to better understand the physiological importance of posttranslational modifications of p75NTR and the significance of the receptor in glioblastoma cell migration and invasion.

Toward understanding the essence of post-translational modifications for the Mycobacterium tuberculosis immunoproteome

CD4⁺ T cells are prominent effector cells in controlling Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection but may also contribute to immunopathology. Studies probing the CD4⁺ T cell response from individuals latently infected with Mtb or patients with active tuberculosis using either small or proteome-wide antigen screens so far revealed a multi-antigenic, yet mostly invariable repertoire of immunogenic Mtb proteins. Recent developments in mass spectrometry-based proteomics have highlighted the occurrence of numerous types of post-translational modifications (PTMs) in proteomes of prokaryotes, including Mtb. The well-known PTMs in Mtb are glycosylation, lipidation, or phosphorylation, known regulators of protein function or compartmentalization. Other PTMs include methylation, acetylation, and pupylation, involved in protein stability. While all PTMs add variability to the Mtb proteome, relatively little is understood about their role in the anti-Mtb immune responses. Here,we reviewMtb protein PTMs and methods to assess their role in protective immunity against Mtb. © 2014 van Els, Corbière, Smits, vanGaans-van den Brink, Poelen, Mascart, Meiring and Locht.

A new microtubule-targeting compound PBOX-15 inhibits T-cell migration via post-translational modifications of tubulin

The ordered, directional migration of T-lymphocytes is a key process during immune surveillance, immune response, and development. A novel series of pyrrolo-1,5-benzoxazepines have been shown to potently induce apoptosis in variety of human chemotherapy resistant cancer cell lines, indicating their potential in the treatment of both solid tumors and tumors derived from the hemopoietic system. Pyrrolobenzoxazepine 4-acetoxy-5-(1-naphtyl)naphtho[2,3-b]pyrrolo[1,2-d][1,4]-oxazepine (PBOX-15) has been shown to depolymerize tubulin in vitro and in the MCF7 breast cancer cell line. We hypothesized that this may suggest a role for this compound in modulating integrin-induced T-cell migration, which is largely dependent on the microtubule dynamics. Experiments were performed using human T lymphoma cell line Hut78 and peripheral blood T-lymphocytes isolated from healthy donors. We observed that human T-lymphocytes exposed to PBOX-15 have severely impaired ability to polarize and migrate in response to the triggering stimulus generated via cross-linking of integrin lymphocyte function associated antigen-1 receptor. Here, we show that PBOX-15 can dramatically impair microtubule network via destabilization of tubulin resulting in complete loss of the motile phenotype of T-cells. We demonstrate that PBOX-15 inhibitory mechanisms involve decreased tubulin polymerization and its post-translational modifications. Novel microtubule-targeting effects of PBOX-15 can possibly open new horizons in the treatment of overactive inflammatory conditions as well as cancer and cancer metastatic spreading.

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.

Regulation of BAP1 tumor suppressor complex by post-translational modifications

Le régulateur transcriptionnel BAP1 est une déubiquitinase nucléaire (DUB) dont le substrat est l’histone H2A modifiée par monoubiquitination au niveau des residus lysines 118 et 119 (K118/K119). Depuis les dernières années, BAP1 emerge comme un gene suppresseur de tumeur majeur. En effet, BAP1 est inactivé dans un plethore de maladies humaines héréditaires et sporadiques. Cependant, malgré l’accumulation significative des connaissances concernant l’occurrence, la pénétrance et l’impact des défauts de BAP1 sur le développement de cancers, ses mécanismes d’action et de régulation restent très peu compris. Cette étude est dédiée à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle du complexe multi-protéique de BAP1 et se présente parmi les premiers travaux décrivant sa régulation par des modifications post-traductionnelles. D’abord, nous avons défini la composition du corps du complexe BAP1 ainsi que ses principaux partenaires d’interaction. Ensuite, nous nous sommes spécifiquement intéressés a investiguer d’avantage deux principaux aspects de la régulation de BAP1. Nous avons d’abord décrit l’inter-régulation entre deux composantes majeures du complexe BAP1, soit HCF-1 et OGT. D’une manière très intéressante, nous avons trouvé que le cofacteur HCF-1 est un important régulateur des niveaux protéiques d’OGT. En retour, OGT est requise pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant sa protéolyse par O-GlcNAcylation, un processus de régulation très important pour le bon fonctionnement de HCF-1. D’autre part, nous avons découvert un mécanisme unique de régulation de BAP1 médiée par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. en effet, UBE2O se caractérise par le fait qu’il s’agit aussi bien d’une ubiquitine conjuratrice et d’une ubiquitine ligase. UBE2O, multi-monoubiquitine BAP1 au niveau de son domaine NLS et promeut son exclusion du noyau, le séquestrant ainsi dans le cytoplasme. De façon importante, nos travaux ont permis de mettre de l’emphase sur le rôle de l’activité auto-catalytique de chacune de ces enzymes, soit l’activité d’auto-déubiquitination de BAP1 qui est requise pour la maintenance de sa localisation nucléaire ainsi que l’activité d’auto-ubiquitination d’UBE2O impliquée dans son transport nucléo-cytoplasmique. De manière significative, nous avons trouvé que des défauts au niveau de l’auto-déubiquitination de BAP1 due à des mutations associées à certains cancers indiquent l’importance d’une propre regulation de cette déubiquitinase pour les processus associés à la suppression de tumeurs.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Use of essential and molecular dynamics to study gamma B-crystallin unfolding after non-enzymic post-translational modifications

Essential and Molecular Dynamics (ED/MD) have been used to model the conformational changes of a protein implicated in a conformational disease-cataract, the largest cause of blindness in the world-after non-enzymic post-translational modification. Cyanate modification did not significantly alter flexibility, while the Schiff's base adduct produced a more flexible N-terminal domain, and intra-secondary structure regions, than either the cyanate adduct or the native structure. Glycation also increased linker flexibility and disrupted the charge network. A number of post-translational adducts showed structural disruption around Cys15 and increased linker flexibility; this may be important in subsequent protein aggregation. Our modelling results are in accord with experimental evidence, and show that ED/MD is a useful tool in modelling conformational changes in proteins implicated in disease processes. (C) 2003 Published by Elsevier Ltd.

Structure and post-translational modifications of the web silk protein spidroin-1 from Nephila spiders

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Using Proteomic Strategies for Sequencing and Post-Translational Modifications Assignment of Antigen-5, a Major Allergen from the Venom of the Social Wasp Polybia paulista

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Hierarchical accumulation of RyR post-translational modifications drives disease progression in dystrophic cardiomyopathy

AIMS:Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a muscle disease with serious cardiac complications. Changes in Ca(2+) homeostasis and oxidative stress were recently associated with cardiac deterioration, but the cellular pathophysiological mechanisms remain elusive. We investigated whether the activity of ryanodine receptor (RyR) Ca(2+) release channels is affected, whether changes in function are cause or consequence and which post-translational modifications drive disease progression. METHODS AND RESULTS:Electrophysiological, imaging, and biochemical techniques were used to study RyRs in cardiomyocytes from mdx mice, an animal model of DMD. Young mdx mice show no changes in cardiac performance, but do so after ∼8 months. Nevertheless, myocytes from mdx pups exhibited exaggerated Ca(2+) responses to mechanical stress and 'hypersensitive' excitation-contraction coupling, hallmarks of increased RyR Ca(2+) sensitivity. Both were normalized by antioxidants, inhibitors of NAD(P)H oxidase and CaMKII, but not by NO synthases and PKA antagonists. Sarcoplasmic reticulum Ca(2+) load and leak were unchanged in young mdx mice. However, by the age of 4-5 months and in senescence, leak was increased and load was reduced, indicating disease progression. By this age, all pharmacological interventions listed above normalized Ca(2+) signals and corrected changes in ECC, Ca(2+) load, and leak. CONCLUSION:Our findings suggest that increased RyR Ca(2+) sensitivity precedes and presumably drives the progression of dystrophic cardiomyopathy, with oxidative stress initiating its development. RyR oxidation followed by phosphorylation, first by CaMKII and later by PKA, synergistically contributes to cardiac deterioration.

Post-translational modifications of voltage-gated sodium channels in chronic pain syndromes.

In the peripheral sensory nervous system the neuronal expression of voltage-gated sodium channels (Navs) is very important for the transmission of nociceptive information since they give rise to the upstroke of the action potential (AP). Navs are composed of nine different isoforms with distinct biophysical properties. Studying the mutations associated with the increase or absence of pain sensitivity in humans, as well as other expression studies, have highlighted Nav1.7, Nav1.8, and Nav1.9 as being the most important contributors to the control of nociceptive neuronal electrogenesis. Modulating their expression and/or function can impact the shape of the AP and consequently modify nociceptive transmission, a process that is observed in persistent pain conditions. Post-translational modification (PTM) of Navs is a well-known process that modifies their expression and function. In chronic pain syndromes, the release of inflammatory molecules into the direct environment of dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons leads to an abnormal activation of enzymes that induce Navs PTM. The addition of small molecules, i.e., peptides, phosphoryl groups, ubiquitin moieties and/or carbohydrates, can modify the function of Navs in two different ways: via direct physical interference with Nav gating, or via the control of Nav trafficking. Both mechanisms have a profound impact on neuronal excitability. In this review we will discuss the role of Protein Kinase A, B, and C, Mitogen Activated Protein Kinases and Ca++/Calmodulin-dependent Kinase II in peripheral chronic pain syndromes. We will also discuss more recent findings that the ubiquitination of Nav1.7 by Nedd4-2 and the effect of methylglyoxal on Nav1.8 are also implicated in the development of experimental neuropathic pain. We will address the potential roles of other PTMs in chronic pain and highlight the need for further investigation of PTMs of Navs in order to develop new pharmacological tools to alleviate pain.