Does the physical state of the plasma membrane modulates Heat Shock Factor-1 to regulate an oncogenic subset of Heat Shock Proteins – a detailed analysis in a B16 mouse melanoma model  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109539
Type PD
Principal investigator Crul, Tim
Title in Hungarian Szabályozza-e a plazmamembrán fizikai állapota az onkogén hatású hosokkfehérjéket? Részletes vizsgálat a B16 egér melanoma modellen
Title in English Does the physical state of the plasma membrane modulates Heat Shock Factor-1 to regulate an oncogenic subset of Heat Shock Proteins – a detailed analysis in a B16 mouse melanoma model
Keywords in Hungarian rák, hősokkfehérje, hősokk-faktor, PI3K, lipid raft
Keywords in English cancer, heat shock proteins, heat shock factor, PI3K, lipid raft
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)45 %
Ortelius classification: Molecular biology
Signal transduction (Council of Medical and Biological Sciences)45 %
Cancer and its biological basis (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Anticancer therapy
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Biochemistry (Biological Research Centre Szeged)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-08-31
Funding (in million HUF) 27.120
FTE (full time equivalent) 3.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Sokféle rákos megbetegedésben jellemzően megnő a hősokk faktor 1 (HSF1) transzkripciós faktor által aktivált chaperon hősokkfehérjék (HSP) szintje, ami a citosztatikumok elleni rezisztenciához, végső soron rossz prognózishoz vezet. A “membrán termo-szenzor” modell a membránban lokalizált ill. onnan kiinduló stressz érzékelő- és szignaling útvonalakat tételez fel. A “membrán termo-szenzor” elképzelés szerint az enyhe hősokk (HS) ill. a membrán fluidizáció/perturbáció a növekedési faktor receptor tirozin kinázok nem-specifikus klasztereződését és aktiválását eredményezi, vagyis összekapcsolja a plazmamembrán eseményeket a HS válasszal. A növekedési faktor receptor kinázok aktiválják a foszfatidil inozitol 3 kinázt (PI3K), ami foszfatidil inozitol-4,5-difoszfátból foszfatidil inozitol-3,4,5 trifoszfát (PIP3) képződést eredményez, és végsősoron HSF1 aktiváláshoz vezet. Miután a rákos sejtek membránja általában fluidabb a normál sejtek membránjainál, úgy gondoljuk, hogy a membránok lipid fázisában bekövetkező nagyon finom változások befolyásolhatják a membránból induló szignál folyamatokat, ami egy deregulált, onkogén HSP szintézist eredményez. A jelen pályázat célkitűzései a következők: 1) Meg szeretnénk határozni, hogy a koleszterol limitált kivonása a plazmamembránból milyen mértékben módosítja a) a HSF1 DNS kötését, b) poszt-transzlációs módosulását, illetve c) a HSF1 interaktomját és d) expressziós szintjét; 2) szeretnénk továbbá tanulmányozni a PIP3/PI3K szignaling útvonal szerepét a koleszerin kivonás indukálta HSF1 modulációban.
A deregulált hősokkválasz szignaling útjának megértése nagy előrelépést jelenthet a rák kialakulás jelképző útjának megértésében.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A tumorszövetekben jellemezően emelkedett a HSP-k szintje, ami rossz prognózist eredményez. A hőmérséklet emelkedésével az egészséges sejtekben is megnő mind a HSPB1, mind a HSPA1A HSP-k mennyisége. Előzetes kísérleti adataink szerint azonban, ha ezen sejtek raftjaiból részlegesen kivonjuk a koleszterint majd ugyanazon a hőmérsékleten kezeljük azokat, akkor egyáltlán nem indukálódik a HSPB1, miközben a HSPA1A szintje jobban megemelkedik, mint a “normál” sejtekben. Az előbbi kísérleti eredménynek a fontossága abban a felismerésben rejlik, hogy nagyon kismértékű membrán változások képesek megváltoztatni a HS hatására létrejövő válasz módját és mértékét. Ismert, hogy a tumorsejtek membránjai általában fluidabbak az egészséges sejtekénél, valamint képesek stresszválaszuk specifikus módosítására. Ezért úgy gondoljuk, hogy a sejtmembrán mikrodomén szerveződésében bekövetkező finom változások (a koleszterin raft/nem-raft frakcióban való megoszlásának módosítása) előidézhetik a tumorsejtekben a túlélésért felelős HSP-k szelektíven megnövekedett szintézisét. Jelen tudásunk alapján mind a HSPB1, mind a HSPA1A transzkripciós szabályozásáért döntően a HSF1 felelős. Kérdés, hogy milyen mechanizmus alapján képes a limitált koleszterin kivonás befolyásolni a HSF1-et úgy, hogy ez a HSPA1A expressziójának növekedését, de a HSPB1 expressziójának csökkenését idézi elő.
Céljaink a következők: CÉL 1) tanulmányozzuk, hogy limitált koleszterin kivonás milyen mértékben képes a HSF1-et módosítani a) DNS kötés, b) poszt-transzlációs módosulás c) interaktom és d) expressziós szinten; CÉL 2) meghatározni a kolesztein kivonás hatására aktiválódó PIP3/PI3K szignaling útvonal és az HSF1 kapcsolatát.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A legtöbb rákos megbetegedésben jellemzően megnő a HSP-k szintje, ami ismerten kedvez a karcinogenezisnek és a citosztatikumok elleni rezisztenciához, végső soron rossz prognózishoz vezet. Egy új, de nem kizárólagos elmélet, a “membrán termo-szenzor” modell a plazma membránban lokalizált ill. onnan kiinduló stresszérzékelő jelátviteli útvonalak fokozott aktivitásához köti a tumoros sejtek HSP ”overexpresszióját”. Bizonyítottuk, hogy ha B16 melanóma sejteket egy ismert membrán fluidizáló szerrel, a benzilalkohollal kezeljük, membrán hiperfluidizáció jön létre, miközben jellegzetesen átrendeződik a membrán mikrodomén (lipid raft) szerkezete, ami bizonyos HSP-k megemelkedett szintézisével párosul anélkül, hogy protein denaturáció történt volna. Emellett kimutattuk, hogy HS ill. izoterm membrán perturbáció eredményeként a foszfolipáz C-diacilglicerol lipáz- monoacilglicerol lipáz útvonal aktiválásával hatékony HS válasz aktivátorok/modulátorok (pl. arachidonsav) keletkeznek. A rákos sejtek plazmamembránja mind összetételében, mind szerkezetében különbözik az egészséges sejtekétől, ami eltérő fizikai-kémiai jellemzőket (pl. fluiditás) eredményez. Ez a magasabb fluiditású membrán olyan alapvetően fontos tulajdonsága lehet a rákos sejteknek, amely korrelációban áll proliferatív, invazív, és végső soron metasztatikus tulajdonságaikkal. Például, a magas metasztatikus potenciállal rendelkező melanóma sejtek membrán receptorainak nagyobb a laterális mobilitása, mint a normál sejteké, ami együtt jár egy alacsonyabb koleszterin/foszfolipid aránnyal. Ezen eredményekre, valamint a “membrán termo-szenzor” hipotézisre alapozva úgy gondoljuk, hogy olyan finom változások, „hibák” a membrán lipid fázisában, amelyek a rákos sejtek sajátjai, befolyásolhatják a membránból eredő jelképző/tobvábbító utakat, ami egy deregulált HS válaszhoz vezet. Mivel a deregulált HS válasz a rákos sejtekben egy általánosan megfigyelt jelenség, ezért a jelen pályázat eredményei jelentősen hozzájárulhatnak ezeknek a membránból eredő folyamatoknak a karakterizálásához. Mivel a HSP-k farmakológiai befolyásolása egy potenciálisan új terápiás eszközzé, céllé válhat, pályázatunk eredményei új alapokat fektethetnek le a rákterápiában.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A hősokkfehérjék (HSP) molekuláris fehérjék, amelyek lehetővé teszik, hogy a sejtek elhárítsák a stressz (pl. magas hőmérséklet) negatív hatásait. A kontroll nélküli HSP szintézis ugyanakkor elősegítheti a rák kialakulását. A tumorsejtek, eddig nem ismert módon, képesek arra, hogy szelektíven megnöveljék azon HSP-k szintézisét, amelyek fokozzák a túlélésüket (pl. gyógyszer rezisztencia kialakulása), ezzel elősegítve a betegség negatív kimenetelét. A plazmamembránban (PM) levő lipid raftok fontos szerepet játszanak a sejtek környezettel való kommunikációjában pl. a foszfatidilinozitol-3-kináz (PI3K) útvonalon keresztül. Az egészséges sejtekben a hőstressz hatására megnövekedik mind a HSPB1, mind a HSPA1A HSP-k szintje. Előzetes kísérleteinkben azt tapasztaltuk, hogy ha a sejtek lipid raftjaiban lecsökkentettük a koleszterin mennyiségét, akkor ugyanakkora hősokk kezelés hatására a HSPB1 szintje nem változik, míg, HSPA1A szintje jobban megnő, mint a normális koleszterin-tartalmú sejtekben. Mivel a rákos sejtek PM-ban kevesebb koleszterin található, úgy gondoljuk, hogy a lipid raftok koleszterin tartalmának változtatásával a tumorsejtek képesek szelektíven megnövelni a túlélésükhöz szükséges HSP-k mennyiségét. Mind a HSPB1, mind a HSPA1A fehérje transzkripcióját a HSF1 szabályozza. A jelen pályázat céljai a következők: CÉL 1) a koleszterin kivonás HSF1-ra gyakorolt hatásainak vizsgálata a) DNS kötés, b) poszttranszlációs módosulás, c) interaktom és d) expressziós szinten; CÉL 2) PI3K jelátviteli útvonal és az HSF1 kapcsolatának tanulmányozása. A jelen pályázat sikere esetén jobban megérthetjük a rákos sejtekben megfigyelt “deregulált” stresszválasz molekuláris mechanizmusát.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Many cancers are characterized by upregulated levels of heat shock proteins (HSP), molecular chaperones under transcriptional control of heat shock factor-1 (HSF1), resulting in anticancer drug resistance and poor prognosis. The “thermo sensor” model predicts the existence of membrane-associated stress sensing and signalling mechanisms. This “thermo sensor” model hypothesizes non-specific clustering and activation of growth factor receptor tyrosine kinases linking plasma membrane events to HSP expression induced by mild heat and membrane fluidizers. Phosphoinositol-3-kinases (PI3K) are activated by growth factor receptor kinases resulting in the production of phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate (PIP3) from phosphatidylinositol-4,5-biphosphate and subsequent HSF1 activation. Since cancer cells are characterized by more fluid membranes, we hypothesize that even subtle alterations of the lipid phase of membranes might influence membrane-initiated signalling processes, leading to a deregulated “oncogenic” stress protein response. The aims of the current proposal are: 1) to analyze to what extent limited plasma membrane cholesterol depletion modulates HSF1 at a) the level of DNA binding, b) post-translational modifications, c) interactome and d) expression levels; and 2) to obtain a better understanding of the involvement of PIP3/PI3K signalling in the observed cholesterol depletion-induced HSF1 modulations. A better understanding of the molecular signalling events involved in deregulated stress signalling in cancer is anticipated.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Many cancers are characterized by upregulated heat shock protein (HSP) levels favouring carcinogenesis by chaperoning client proteins essential for cancer cell growth, survival, drug resistance and resulting in poor prognosis. Upon exposure to higher temperatures, normal cells increase the level of both HSPB1 and HSPA1A. Our recent data indicate that upon exposure to the same temperature increase, cells with less cholesterol in the lipid rafts do not induce HSPB1 but do induce HSPA1A even more than normal cells. The importance of this finding lays in the fact that subtle membrane modulations are able to influence the HSP expression levels upon exposure to stress. Given that cancer cells are characterized by more fluid membranes and are able to modulate the expression levels of specific HSPs, subtle changes in the microdomain organization (controlled by the level and distribution of cholesterol between raft/non-raft fractions) of surface membranes might be a mechanism allowing cancer cells to selectively upregulate specifically those HSPs necessary for survival. Considering that both HSPB1 and HSPA1A are transcriptionaly regulated by heat shock factor-1 (HSF1), we wonder if and at what level limited cholesterol depletion might modulate HSF1 allowing simultaneously increased HSPA1A and decreased HSPB1 expression.
The aims of this proposal are: AIM 1) to analyze to what extent limited plasma membrane cholesterol depletion modulates HSF1 at the level of a) DNA binding, b) post-translational modifications, c) interactome and d) expression levels; and AIM 2) to analyze the involvement of PIP3/PI3K signalling in the observed MBCD-induced HSF1 modulations.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Many cancers are characterized by upregulated heat shock protein (HSP) levels favouring carcinogenesis, anticancer drug resistance and poor prognosis. A new but not exclusive cellular “membrane sensor” model predicts the existence of membrane-associated stress sensing and signalling mechanisms. Indeed, treatment of mouse melanoma B16 cells with benzylalcohol, a well-documented membrane-fluidizer, resulted in hyperfluidization-coupled membrane microdomain (“lipid raft”) reorganization which correlated with increased expression levels of a subset of HSPs, in the absence of protein denaturation. Later, the phospholipase C–diacylglycerol lipase–monoacylglycerol lipase pathway was shown to be activated both upon heat and/or membrane perturbations resulting in the production of potent heat shock protein response activators/modulators such as arachidonic acid. Interestingly, plasma membranes of cancer cells differ in composition and construction compared to those of normal cells resulting in more fluid membranes. Importantly, membranes with higher fluidity might represent a fundamental property of cancer cells which correlates to their proliferative and invasive potential and metastatic abilities. For example, melanoma tumour cells with a higher metastatic potential are characterized by higher lateral mobility of membrane receptor proteins in metastasis while showing a reduced cholesterol/phospholipid ratio. Based on these findings and in line with the membrane-sensor concept, we hypothesize that even subtle alterations or defects of the lipid phase of membranes that occur in several cancers could influence membrane-initiated signalling processes leading to a deregulated stress protein response. Considering the presence of deregulated stress signalling in multiple cancers, an immediate outcome of the proposed research will be a better understanding of the molecular basis of these membrane-associated processes. Since pharmacological targeting of the HSP function is currently being assessed as potential therapy in cancer, it is expected that the current project will result in the identification of novel principles allowing targeted modulations of specifically those HSP which are functional in the aetiology of cancer

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Heat shock proteins (HSP) are molecular chaperones allowing cells to counteract stressful events such as higher temperatures. Uncontrolled HSP-expression results in carcinogenesis. Cancer cells are able to selectively modulate those HSPs necessary for survival, drug resistance and metastasis by unknown mechanisms. All cells are surrounded by a plasma membrane containing specific sensor domains (lipid rafts), mainly consisting of cholesterol and sphingomyelin. Rafts play a role in the communication of the cell with its environment, for instance via phosphoinositol-3-kinase (PI3K) signalling. Plasma membranes of cancer cells differ in composition compared to those of normal cells. Upon exposure to higher temperatures, normal cells increase the level of both HSPB1 and HSPA1A. My recent data indicate that upon exposure to the same temperature increase, cells with less cholesterol in the lipid rafts do not induce HSPB1 but do induce HSPA1A even more than normal cells. As such, subtle changes in lipid rafts (controlled by the cholesterol level) in the plasma membrane might be a mechanism allowing cancer cells to selectively upregulate specifically those HSPs necessary for survival. Both HSPB1 and HSPA1A are under transcriptional control of heat shock factor-1 (HSF1). The aims of the proposal are: 1) to analyze to what extent limited plasma membrane cholesterol depletion modulates HSF1 at the level of DNA binding, post-translational modifications, interactome and expression levels; and 2) to obtain insight in the involvement of PI3K signalling in the observed HSF1 modulations. Insight in the molecular events involved in deregulated stress signalling in cancer is expected.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A plazmamembrán a sejt környezetéből érkező ingerek felvételének, a jelképzésnek ill. továbbításnak kulcsfontosságú helyszíne. Lipidjei dinamikusan asszociálnak és disszociálnak, rövid életű koleszterol-szfingolipid dús mikrodoméneket hoznak létre, amelyek a szignál közvetítésében résztvevő fehérjék platformjai. Finomszerveződése döntő szerepet játszik a stressz érzékelésében. A HSF1 transzkripciós faktor által szabályozott “dajkafehérjék” stresszkörülmények között hozzájárulnak a sejt túléléséhez. A rákos sejtek plazmamembránjának fizikai-kémiai állapota eltér az egészséges sejtekétől és ennek mértéke jó korrelációt mutat azok proliferatív és invazív potenciáljával. A jelen pályázat a programozottan módosított membrán rendezettség, a sejtek stressz-toleranciája és specifikusan a rákos sejtek megnövekedett túlélésének komplex kapcsolatát vizsgálta. A membrán koleszterol tartalmának részleges kivonása metil-β-ciklodextrinnel (mb-CD) lehetővé teszi a membrán mikrodomének és jelképzés kapcsolatának vizsgálatát. Bizonyítottam, hogy az mb-CD általi plazmamembrán koleszterol-kivonás valóban módosítja a stressz-indukálta HSF1 foszforilációs mintázatot és aktivitást, eredményeképpen pedig a stressz-indukálta dajkafehérje profilt. Megállapításunk biológiai konzekvenciáját legfőképpen az adja, hogy a koleszterol kivonás megnövekedett stressz-toleranciát és egyben fokozott ciszplatin rezisztenciát okozott rákos sejtekben, igazolva, hogy a sejtfelszíni membránok rendezettsége valóban szerepet játszik a tumorsejtek túlélésében. Ezen eredményekből jelenleg egy kézirat készül.
Results in English
The cellular plasma membrane, a complex structure of lipids and proteins, is an important hub for transferring external cues. Plasma membrane lipids dynamically associate to form short-lived cholesterol- and sphingolipid enriched microdomains which cluster proteins involved in signal transduction. For example, plasma membrane organization is involved in stress sensing. Heat shock proteins (HSP) are molecular chaperones under transcriptional control of heat shock factor-1 (HSF1), which promote survival under stressful conditions. Cancer cells have a modified plasma membrane order which correlates with their proliferative and invasive potential. Thus, I hypothesised that a modified membrane order might be a mechanism for enhanced cancer cell survival. Through plasma membrane cholesterol removal, methyl-beta-CD (mb-CD) is a tool to disrupt microdomain associated signalling. During this grant, I obtained evidence that mb-CD-induced plasma membrane cholesterol removal alters the stress-induced HSF1 phosphorylation profile what might correlate with altered HSF1 activity. Consequently, I demonstrated that mb-CD alters the stress-induced HSP profile. The biological relevance of these findings lies in the fact that mb-CD resulted in enhanced stress tolerance. More relevant to cancer, I evidenced that mb-CD resulted in increased cisplatin resistance suggesting that membrane order could be involved in enhanced cancer survival. A manuscript describing the results is in preparation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109539
Decision
Yes





 

List of publications

 
Hooper PL, Durham HD, Török Z, Hooper PL, Crul T, Vígh L.: The central role of heat shock factor 1 in synaptic fidelity and memory consolidation., Cell Stress Chaperones., 2016
Török Z, Crul T, Maresca B, Schütz GJ, Viana F, Dindia L, Piotto S, Brameshuber M, Balogh G, Péter M, Porta A, Trapani A, Gombos I, Glatz A, Gungor B, Peksel B, Vigh L Jr, Csoboz B, Horváth I, Vijayan MM, Hooper PL, Harwood JL, Vigh L.: Plasma membranes as heat stress sensors: from lipid-controlled molecular switches to therapeutic applications., Biochim Biophys Acta. Biomembranes, 2014
Gungor B, Gombos I, Crul T, Ayaydin F, Szabó L, Török Z, Mátés L, Vígh L, Horváth I.: Rac1 participates in thermally induced alterations of the cytoskeleton, cell morphology and lipid rafts, and regulates the expression of heat shock proteins in B16F10 mel, PlOS One, 2014
Csoboz B, Balogh GE, Kusz E, Gombos I, Peter M, Crul T, Gungor B, Haracska L, Bogdanovics G, Torok Z, Horvath I, Vigh L: Membrane fluidity matters: hyperthermia from the aspects of lipids and membranes, Int J Hyperthermia, 2013
Crul T, Toth N, Piotto S, Literati-Nagy P, Tory K, Haldimann P, Kalmar B, Greensmith L, Torok Z, Balogh G, Gombos I, Campana F, Concilio S, Gallyas F, Nagy G, Berente Z, Gungor B, Peter M, Glatz A, Hunya A, Literati-Nagy Z, Vigh L Jr, Hoogstra-Berends F, Heeres A, Kuipers I, Loen L, Seerden JP, Zhang D, Meijering RA, Henning RH, Brundel BJ, Kampinga HH, Koranyi L, Szilvassy Z, Mandl J, Sumegi B, Febbraio MA, Horvath I, Hooper PL, Vigh L: Hydroximic acid derivatives: pleiotropic HSP co-inducers restoring homeostasis and robustness., Curr Pharm Des, 2013




Back »