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Authors: Göder, Anja
Title: HDAC1/HDAC2 and PR130 modulate checkpoint kinase-dependent cell fate decisions during replicative stress
Online publication date: 30-Jul-2019
Language: english
Abstract: Replicative stress (RS) activates a complex signalling network to maintain the integrity of replicating DNA and to protect cells from premature mitosis. The checkpoint kinases ATM, ATR, CHK1 and CHK2 orchestrate the replicative stress response (RSR). They promote cell cycle arrest, the repair of stalled and collapsed replication forks and eventually processes that lead to the elimination of cells with irreparable DNA damage. The high proliferation rate of cancer cells makes them especially susceptible to RS and replication-associated DNA damage. Accordingly, the induction of RS, for example with the ribonucleotide reductase inhibitor hydroxyurea (HU), is a widely used strategy in cancer therapy. Prior reports have revealed that histone deacetylase inhibitors (HDACis) like MS-275 modulate checkpoint kinase activity in cancer cells. In the case of ATM, this was attributed to an interaction with PR130, a regulatory subunit of protein phosphatase PP2A. The present study demonstrates that MS-275 counteracts the phosphorylation of a subset of checkpoint kinases (ATM, CHK1, CHK2) upon RS while the phosphorylation of ATR remains mostly unaffected. Western blot analyses of additional factors that are involved in the RSR reveal that MS-275 deregulates multiple pathways including WEE1 and p53 signalling, which are involved in the inhibition of cell cycle-promoting CDK activity during RS. The combined loss of these cell cycle regulatory mechanisms by MS-275 triggers an aberrant progression of HCT116 colon cancer cells from HU-induced replicative arrest into mitotic catastrophe. The inhibition of individual checkpoint kinases with chemical inhibitors partially mimics the effect of MS-275. Moreover, the results in this study demonstrate for the first time the dephosphorylation of pS1981-ATM by the PR130-PP2A complex. The discovery that PR130 is acetylated and that this posttranslational modification is augmented when the HDACs1-3 are inhibited suggests a previously unrecognised acetylation-dependent mechanism for the interaction between pS1981-ATM and PR130. The generation of a PR130-knockout cell line (HCT116ΔPR130) by CRISPR-based genome editing reveals a to-date unknown, regulatory function of PR130 in the RSR. The loss of PR130 sensitises cells to HU-induced replicative arrest that was accompanied by an excessive accumulation of RPA foci and an increased phosphorylation of H2AX; these factors indicate single stranded DNA (ssDNA) and stalled to broken replication forks, respectively. The enhanced RS levels in PR130-knockout cells are linked to the hyperphosphorylation of CHK1 and p53. Thus, the elimination of PR130 sensitised HCT116 cells to the cell cycle deregulation and RS-induced apoptosis, which was associated with a loss of the DNA repair protein RAD51 by MS-275. In sum, this work demonstrates that class I histone deacetylase activity maintains the integrity of cell cycle checkpoints upon RS through transcriptional and post-transcriptional mechanisms that control PR130. Hence, PR130 is a novel regulator of cell fate decisions in cancer cells during RS.
Replikativer Stress (RS) aktiviert ein komplexes Netzwerk aus Signalkaskaden, welches die replizierende DNA vor Schäden bewahrt und die Zelle vor dem verfrühten Eintritt in die Mitose schützt. Die Checkpoint-Kinasen ATM, ATR, CHK1 und CHK2 koordinieren die zelluläre Antwort auf RS. Sie fördern das Anhalten des Zellzyklus, die Reparatur von angehaltenen und zusammengebrochenen Replikationsgabeln und im Falle von irreparablen DNA-Schäden die Einleitung des Zelltods. Die hohe Proliferationsrate von Krebszellen macht sie besonders anfällig für RS und replikationsabhängige DNA-Schäden. Daher ist die Induktion von RS, zum Beispiel durch den Ribonukleotidreduktase-Inhibitor Hydroxyurea (HU), eine weitverbreitete Methode in der Krebstherapie. Frühere Publikationen haben gezeigt, dass Histondeacetylase-Inhibitoren (HDACis), wie MS-275, die Aktivität von Checkpoint-Kinasen in Krebszellen verändern kann. Im Falle von ATM wurde dies auf eine Interaktion mit PR130 einer regulatorischen Untereinheit der Proteinphosphatase PP2A zurückgeführt. Die vorliegende Arbeit zeigt den Verlust der HU-induzierten Phosphorylierung von einem Teil der Checkpoint-Kinasen (ATM, CHK1, CHK2) durch MS-275, während die Phosphorylierung von ATR nur geringfügig betroffen ist. Durch die Analyse weiterer Regulatoren der zellulären Antwort auf RS mittels Western Blot wird gezeigt, dass MS-275 eine Vielzahl von Signalwegen dereguliert. Dazu zählen unter anderem die WEE1- und die p53-Signalkaskade, welche an der Inhibition der Zellzyklus-fördernden Aktivität von CDKs nach RS beteiligt sind. Die kollektive Schwächung dieser Regulationsmechanismen durch MS-275 führt dazu, dass HCT116 Kolonkarzinom-Zellen dem Zellzyklusarrest nach HU-Behandlung entgehen und in die mitotische Katastrophe voranschreiten. Die Hemmung einzelner Checkpoint-Kinasen mittels chemischer Inhibitoren kann diese Wirkung von MS-275 nur zum Teil nachahmen. Des Weiteren zeigt die vorliegenden Arbeit erstmalig die Dephosphorylierung von pS1981-ATM durch den PR130-PP2A-Komplex. Der Nachweis einer Acetylierung von PR130, welche durch die Hemmung von Histondeactylase 1-3 verstärkt wird, spricht zudem für einen bisher unbekannten, acetylierungsabhängigen Mechanismus für die Interaktion zwischen phosphoryliertem ATM und PR130. Durch die Herstellung einer PR130-Knockout Zellline (HCT116ΔPR130) mittels CRISPR-basierter genetischer Modifikation wurde eine bislang unbekannte regulatorische Funktion von PR130 in der zellulären Antwort auf RS enthüllt. Der Verlust von PR130 führt zu einer Sensibilisierung der Zellen gegenüber HU-induziertem replikativen Arrest, welche mit einer exzessiven Akkumulation von RPA-Foci und einer erhöhten H2AX-Phosphorylierung einherging. Diese Faktoren sind Marker für einzelsträngige DNA und angehaltene beziehungsweise zusammengebrochene Replikationsgabeln. Zusätzlich steht der erhöhte RS nach dem Verlust von PR130 in Verbindung mit einer Hyperphosphorylierung von CHK1 und p53. Folglich macht die Eliminierung von PR130 HCT116-Zellen anfälliger für die Deregulierung des Zellzyklus und RS-induzierte Apoptose, welche mit einem Verlust des DNA-Reparaturproteins RAD51 durch MS-275 assoziiert ist. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass Klasse I Histondeacetylasen durch transkriptionelle und posttranskriptionelle Mechanismen PR130 regulieren und dadurch die Zellzyklusregulation nach RS aufrechterhalten. Somit wurde PR130 als ein neuer Regulator der replikativen Stressantwort in Krebszellen identifiziert.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-961
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: V, 167 Seiten
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