Function of the Metazoan Mediator Kinase Module in Transcription

Abstract

Precise control of transcription, the copying of the genetic DNA code to an expressed RNA molecule, is fundamental for all processes of an organism. Transcriptional regulation is dependent on the activity of proteins and protein complexes including general and cell specific transcription factors and co-activators. Studying how these transcriptional regulators function is crucial for understanding processes such as development and disease.

This PhD thesis focuses on the function of one evolutionarily conserved transcriptional co-activator, called the Mediator complex, and in particular on the role of its kinase module. This kinase module consists of four proteins: Cdk8, cyclin C, Med12 and Med13 in lower metazoans and CDK8 or CDK19, cyclin C, MED12 or MED12L and MED13 or MED13L in vertebrates. The Mediator kinase module regulates transcription through various mechanisms, including association with transcription factors and regulation of enhancer-dependent transcription. Kinase module deregulation is implicated in developmental disorders and cancer, but the molecular mechanisms underlying these diseases remain poorly understood.

CDK8 was found to be dispensable for cell-autonomous survival but required for mouse embryonic development at the pre-implantation stage. Cdk8-CycC-mediated regulation of transcription was dependent on Med12-Med13 while Cdk8 and CycC depletion caused distinct and even opposite effects on gene expression as compared to Med12 and Med13 depletion in fruit fly cells. This work identified highly similar effects on transcription after depletion of fruit fly Med12 or Med13, suggesting limited Med12-independent functions for Med13. Kinase module subunit hierarchy was conserved in human colon cancer cells where depletion of MED12 or double depletion of the redundant MED13 and MED13L also resulted in highly similar transcriptional responses. Med12 and Med13 were found to be activators of innate immunity genes that are dependent on the serpent/GATA transcription factor in fruit fly cells and larvae. In human colon cancer cells, MED12, MED13 and MED13L were disproportionally required for the expression of genes associated with cancer-acquired super-enhancers. MED12 or MED13 and MED13L depletion caused a dramatic decrease in the expression of the super-enhancer associated MYC oncogene and impaired proliferation of colon cancer cells, suggesting that targeting of these kinase module subunits is a possible future therapeutic opportunity.

This thesis extends the present understanding of the relationships between Mediator kinase module subunits in metazoan species and identifies kinase module-dependent functions in development, immunity and cancer-acquired transcription. Further research should be directed at studying the molecular mechanisms of kinase module functions in vivo and at the potential to target this complex with the goal of treating human diseases such as cancer.

Trots att det genetiska materialet, DNA, i alla celler i en flercellig organism så som människan är identiskt består en individ av hundratals olika typer av specialiserade celler. Detta är möjligt eftersom olika celler inte aktivt använder hela det genetiska materialet utan bara de gener som behövs för att upprätthålla just den celltypens funktioner. Då en gen är i aktiv användning, expresserad, översätts den genetiska DNA koden till RNA av ett polymerasenzym i en process som kallas transkription. En betydande del av generna transkriberas av RNA-polymeras II och kodar för budbärar-RNA, eller mRNA, som i sin tur innehåller information om hur cellen ska sammansätta proteiner. RNA-polymeras II enzymets aktivitet regleras av en mängd olika transkriptionsfaktorer och ko-faktorer för att kontrollera att cellen transkriberar de gener som behövs. En sådan viktig ko-faktor är Mediatorn, ett protein-komplex som består av runt 30 olika proteiner. Mediatorn är viktig för kommunikationen mellan RNA-polymeras II, cell-specifika transkriptions-faktorer och så kallade enhancer-områden, sekvenser i DNA som förstärker en gens transkriptionsaktivitet.

Den här avhandlingen har fokuserat på Mediatorns kinas-komplex, som består av de fyra proteinerna Cdk8, Cyklin C, Med12 och Med13 (i ryggradsdjur CDK8 eller CDK19, Cyclin C, MED12 eller MED12L och MED13 eller MED13L). Mediatorns kinas-komplex har visats vara viktigt för transkription styrd av cellspecifika transkriptionsfaktorer och enhancer-områden i olika sammanhang. Mutationer i kinas-komplexets proteiner eller obalans i proteinernas mängd kan leda till olika sjukdomar som till exempel cancer. Avhandlingen strävade till att klargöra kinas-komplexets olika delproteiners funktion, identifiera gener som är beroende av kinas-komplexet och studera kinas-komplexets roll i levande organismer in vivo.

Den här avhandlingen utökar vetskapen om Mediatorns kinas-komplex funktion i olika flercelliga organismer. Studien identifierade nya funktioner för kinas-komplexet under embryonalutvecklingen, i det medfödda immunförsvaret och i reglering av gener som är viktiga i tjocktarmscancerceller. Vidare klargjorde studien förhållanden mellan olika proteiner i kinas-komplexet och identifierade gener vars transkription är beroende av de olika delproteinerna. Vidare forskning bör inriktas på att klargöra de olika delproteinernas roll in vivo och möjligheten att manipulera kinas-komplexets funktion i medicinskt syfte, till exempel i vård av cancer.