Human Transcription Factor Protein-Protein Interactions in Health and Disease

Abstract

Transcription factors (TFs) are one of the most important groups of proteins for the development and differentiation of cells. They control the gene expression of all cells in all stages of development. Defects in TF signalling may lead to severely altered development and diseases. However, while TF DNA binding has been widely studied, we are still lacking a systems-level understanding of human TF signalling. TFs’ action in gene expression regulation is highly dependent on their interactions with multiple proteins, such as cofactors, dimerization partners, chromatin modulating proteins, enzymes, inhibitory proteins and general TFs. Therefore, the aim of this study is to shed light on TF protein-protein interactions and, more specifically, to examine the effect of TF mutations found in primary immunodeficiency patients.

A comprehensive interactome analysis of 110 TFs revealed over 7,000 TF protein-protein interactions, most of which are nuclear and play a role in transcriptional regulation (I). The large number of TF interactions discovered in this study enabled us to conduct a systems-level analysis that revealed groups of TFs with specific biological functions, such as actin and myosin signalling and RNA splicing. Interestingly, 54 of the TFs studied interacted with the nuclear factor family of TFs. Nuclear factors are known to control a number of genes in development; for instance, they are essential for central nervous system, tooth, brain, skeletal, lung and muscle development. In addition, they are linked to several cancer types. Our data suggest that transcription control by NFIs may be regulated by nuclear factor interactions with other TFs.

A219H mutation in the C/EBPε TF was found in a Finnish family with immunodeficiency and autoinflammatory syndrome (II). A data-driven multiomics study of the mutation revealed a novel TF-related disease mechanism; mutation decreased association with transcriptional repressors, increased chromatin binding and widely dysregulated transcription. These changes resulted in disturbed non-canonical inflammasome activation due to the increased expression of NLRP3 and constitutively expressed CASP5.

Three different damaging mutations in NFKB1 resulted in diverse immunological phenotypes due to different mechanisms (III): H67R led to decreased nuclear entry, reduced association with RelB and decreased transcriptional activity; I553M led to decreased phosphorylation of S893 and p907 and enhanced p105 subunit degradation upon TNF treatment; and R157X led to an almost total loss of NFKB1 subunits due to proteasome-mediated dominant negative degradation.

This study provides valuable information on TF protein-protein interactions at systems level (I). In addition, this study provides examples of how single TF mutation may affect TF signalling on many levels, such as in protein interactions, DNA binding and transcription (II) and how different mutations in the same TF can have different outcomes (III). TFs are downstream players of many signalling cascades and targeting TF protein interactions can offer a high degree of specificity in future therapeutics applications.

Transkriptiotekijät eli transkriptiofaktorit (TF:t) ovat tärkeitä proteiineja geenien luennan säätelyssä. Ne vaikuttavat kaikkien solujen toiminnan ylläpidossa ja erilaistumisessa, ja ovat siten välttämättömiä mm. sikiönkehityksessä. Virheet TF:ien signaloinnissa voivat aiheuttaa vakavia kehityshäiriöitä ja sairauksia. Näin ollen TF:ien toiminta soluissa on hyvä ymmärtää mahdollisimman kattavasti, jotta häiriöihin voidaan puuttua esimerkiksi kehittämällä lääkehoitoa.

TF:t säätelevät geenien ilmentymistä sitoutumalla perimäainekseen, DNA-juosteeseen, aktivoiden tai estäen kohdegeenien luennan ja valmistuksen aktiivisiksi proteiineiksi. DNA:han sitoutuminen ei kuitenkaan ole tarpeeksi geenien luennan säätelemiseksi, vaan TF:t vuorovaikuttavat useiden muiden proteiinien kanssa halutun vasteen aikaansaamiseksi. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on kartoittaa ihmisen TF:ien proteiinivuorovaikutuksia sekä normaalioloissa että tautitiloissa. Työ koostuu kolmesta osajulkaisusta.

Ensimmäisessä osajulkaisussa onnistuimme kartoittamaan solumalleissa yli 7000 proteiinivuorovaikutusta 110 TF:lle. Iso osa näistä vuorovaikutuksista liittyy geenien luennan säätelyyn. Osa TF:stä vuorovaikutti myös erityisten proteiiniryhmien, kuten RNA-silmukointiin liittyvien tai tuma-aktiiniin liittyvien proteiinien, kanssa. Kartoitimme myös TF:ien keskinäisiä vuorovaikutuksia tutkitussa aineistossa ja teimme yllättävän havainnon, että 54 TF:a 110:stä vuorovaikutti Nuclear Factor-perheen (NFI) TF:ien kanssa. Tämä oli mielenkiintoinen löydös, sillä NFI- TF:t ovat välttämättömiä mm. hermoston, hampaiden, aivojen, luuston ja lihasten kehittymisessä sekä ne on yhdistetty usean syövän kehittymiseen. Tulostemme mukaan on mahdollista, että NFI:ien toimintaa säädellään muiden TF:ien kautta.

Toisessa osajulkaisussa tutkittiin C/EBPε-TF:n mutaation vaikutuksia soluissa. Mutaatio löydettiin suomalaisesta suvusta, jonka jäsenet kärsivät määrittelemättömästä primääristä immuunipuutoksesta. Solutasolla mutaatio aiheutti laajoja häiriöitä C/EBPε:n toiminassa: virheellinen TF sitoutui enemmän DNA:han, se vuorovaikutti huomattavasti vähemmän TF:ien toimintaa estävien proteiinien kanssa sekä häiritsi yli 460 geenin luentaa. Nämä muutokset johtivat häiriintyneeseen immuunipuolustukseen, mm. yliaktiiviseen non-kanonisen inflammasomin aktitiivisuuteen ja autoimmuunioireisiin. Uusi tauti nimettiin CAIN:ksi (C/EBPε-associated autoinflammation and immune impairment of neutrophils).

Kolmannessa osajulkaisussa tutkittiin kolmen erillisen NFKB1 TF-mutaation vaikutuksia primäärissä immuunipuutoksessa kolmessa eri suomalaissuvussa. Mutaatiot eri kohdissa proteiinia vaikuttivat erilaisilla mekanismeilla, mutta jokainen niistä aiheutti virheitä immuunipuolustuksen toimintaan.

Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja tarjoaa tärkeän aineiston TF:ien proteiinivuorovaikutuksista, jota voidaan käyttää mm. uusien lääkkeiden ja hoitomuotojen kehittämiseen. Siinä myös kartoitetaan, miten yksittäinen virhe TF:ssa voi aiheuttaa ongelmia monella eri geenien luennan säätelyn tasolla ja miten samassa TF:ssa eri kohdissa olevat mutaatiot voivat aiheuttaa tauteja erilaisilla mekanismeilla.