CMGC kinases and Cancer

Abstract

A decade after identification of the human kinome, only a fraction of the kinome has been systematically studied. This clearly illustrates the lack of knowledge regarding the functions and cellular effects that these proteins have in the establishment of cellular phenotypes. Surprisingly, recent evidence suggests that approximately 23% of all kinase genes were estimated to function as cancer genes.

The overall aim of this thesis project was to shed light on the mechanisms controlling protein kinase activity and function, particularly in human cancers. A global and comprehensive interactomics analysis of the signaling networks of the evolutionarily conserved CMGC-protein kinase family, consisting of cyclin-dependent kinases [CDK], mitogen-activated protein kinases [MAPK], glycogen synthase kinases [GSK3] and CDC-like kinases [CLK]) was performed. From this physical and functional interaction analysis, hundreds of novel interactions, kinase-substrate relationships and previously unknown links to human diseases, such as cancer were identified. The unprecedented sensitivity and specificity of this approach was also illustrated, and highlighted, for example, by the purification and identification of the complete translational co-activator complex (the Mediator complex) with two of the CMGC kinases (CDK8 and CDK19). At the same time, the Mediator complex was identified mutated in benign uterine human tumors (uterine leiomyomas). To further deepen the understanding of the role of CDK8 and CDK19 kinases in controlling human disease pathways, we studied the functional role of two MED12 mutations in uterine leiomyoma and prostate cancer. Based on these studies, MED12 was found essential for the kinase activity of CDK8 in the context of the Mediator kinase module. Furthermore, disruption of the Mediator kinase module subunit interactions was shown as a common mechanism contributing to the formation of uterine leiomyoma. The MED12 mutants in leiomyoma and prostate cancer were shown functionally different. Finally, a novel MED12 nuclear localization signal was identified, and its importance in the correct nuclear localization of MED12 and subsequent proper assembly and function of the Mediator kinase module was experimentally proven.

The described results from the multidisciplinary studies clarify the cellular roles of CMGC kinases and Mediator subunits, facilitating the design of targeted future therapies/therapeutics against human diseases.

Millä tahansa ajanhetkellä, missä tahansa solussa, monet erilaiset molekyylien väliset signalointiverkostot ovat aktiivisia. Näiden verkostojen olennainen piirre on proteiinien fosforylaatioasteen säädeltävyys. Proteiinikinaasit välittävät useimpia solun signalointitapahtumia fosforyloimalla tietyn substraatin – muuttaen näiden aktiivisuutta, paikkaa solussa, ja/tai yhteyttä muihin proteiineihin. Proteiinifosfataasit puolestaan vastaavat defosforylaatiosta. Tällä hetkellä, vuosikymmen ihmisen kinomin annotaation jälkeen, suuri osa proteiinikinaasien ominaisuuksia selvittävistä tutkimuksista on yhä pienimuotoisia, yhteen kinaasiin keskittyviä. Tämän seurauksena proteiinikinaasien laaja-alainen tuntemus solun toimintojen säätelijöinä puuttuu. Yllättävää, sillä viimeaikaisen tutkimuksen valossa jopa 23% kinaasigeeneistä saattaa toimia syöpägeeneinä.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli muodostaa kokonaiskuva yhden keskeisimmän kinaasiperheen, CMGC-proteiinikinaasien, toiminnasta erityisesti syövässä. CMGC-kinaasiperheeseen kuuluu muun muassa CDK-, MAP-, GSK- sekä CLK-kinaaseja, joilla on keskeinen rooli solun toimintojen säätelyssä. Kattavasta proteiini-proteiini signalointiverkostojen analyysistämme tunnistimme satoja uusia proteiinien välisiä vuorovaikutuksia, kinaasi-substraatti pareja sekä aiemmin tuntemattomia yhteyksiä ihmisen sairauksiin, kuten syöpään. Pystyimme myös määrittämään kvantitatiivisesti kokonaisen translaatiokompleksin, Mediaattori-kompleksin, kaikki komponentit, mukaan lukien sen toimintaa säätelevän kinaasimoduulin. Samaan aikaan Mediaattori-kompleksin komponentin (MED12) mutaatioilla osoitettiin olevan rooli hyvänlaatuisissa ihmisen kohdun lihaskasvaimissa (leiomyooma). Ymmärtääksemme paremmin kahden Mediaattori-kompleksiin liittyvän CDK-kinaasin; CDK8 ja CDK19, roolia kasvainten kasvussa, tutkimme MED12 mutaatioiden vaikutusta kohdun lihaskasvaimissa sekä eturauhassyövässä. Näissä tutkimuksissa havaitsimme, että MED12:n toiminta on olennaista, sillä kohdun lihaskasvaimessa tapahtunut mutaatio esti kahden CMGC-kinaasin, CDK8 ja CDK19, vuorovaikutuksen kohdeproteiininsa kanssa aiheuttaen siten kasvaimen kasvun. Lisäksi havaitsimme, että MED12 mutaatiot kohdun lihaskasvaimissa ja eturauhassyövässä ovat toiminnallisesti erilaisia. Paikallistimme aiemmin tuntemattoman tumalokalisaatiosignaalin MED12-proteiinissa, ja pystyimme osoittamaan sen tärkeyden kyseisen proteiinin toiminnalle.

Tämä väitöstutkimus on esimerkki monialaisesta tutkimusyhteistyöstä, jonka tuloksena selvitettiin kasvainbiologiaa ja signaaliverkostoja MED12-proteiinin ja CMGC-kinaasiperheen osalta. Solun signalointireittien toiminnan yksityiskohtainen tunteminen on hyvin keskeistä syövän syntymekanismien ymmärtämiseksi sekä uusien ja kohdennettujen lääkehoitojen kehittämiseksi.