Cell Cycle Regulation via Growth Factor- and Stress-Induced Pathways

Show full item record


Title: Cell Cycle Regulation via Growth Factor- and Stress-Induced Pathways
Author: Björklund, Mia
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-04-03
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5909-0
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The basic unit of all life forms is a cell, and all multicellular organisms are the result of programmed cell divisions of a single fertilised oocyte. This intricately controlled process, where a cell duplicates its DNA, grows and divides into two daughter cells, is called the cell cycle. Maintaining the appropriate control of the cycle is critical for the homeostasis of an organism. When the control fails, it may result in uncontrolled cell proliferation, one of the hallmarks of cancer. Cell cycle can be promoted or inhibited by signalling pathways induced by intra- or extracellular cues. Signals such as growth factors and hormones can bind cell surface or nuclear receptors causing signalling events and/or gene transcription resulting in positive or negative cell cycle regulation. External environment such as nutrient availability, or changes in energy metabolism can also signal to the cell cycle machinery, preventing cell division under high energy expenditure or external stress conditions. Central proteins in cell cycle regulation are the Cyclin-dependent-kinases, CDKs, and their cyclin partners. They phosphorylate other proteins causing changes in their activity or abundance, eventually leading to events required for cell duplication, such as DNA synthesis and chromosome segregation. CDK activity is in turn regulated by phosphorylation and cyclin abundance as well as the presence and binding of CDK-inhibitor proteins such as p27Kip1. P27Kip1 belongs to the Ink4-family of inhibitors, and can also function as an assembly factor for some CDK-cyclin complexes. We identified a form of p27Kip1, which was not bound to CDKs (p27NCDK) but was increased under growth restricting conditions such as TGF-β growth inhibition or serum starvation. On the other hand, inhibition of growth promoting pathways such as the PI3K-pathway was also found to increase the levels of p27NCDK. We also discovered that cellular stress induces the levels of p27NCDK, and appears to do so mainly via the AMP-activated protein kinase AMPK. AMPK is a kinase that is activated under energy stress conditions, like strenuous exercise. In this work we also investigated the crosstalk of these pathways and found points of convergence including p27NCDK and TGF-β pathway protein Ski. Ski negatively regulates TGF-β signalling pathway by binding the TGF-β signalling molecules. Ski is rapidly degraded upon TGF-β stimulation thereby allowing the signal to pass. We discovered that the PI3K-pathway intersects with TGF-β pathway as the PI3K-pathway kinase Akt phosphorylates Ski, thereby destabilising it. Destabilisation of Ski leads to an induction of a TGF-β target gene Smad7. Given that Smad7 is another negative regulator of TGF-β signalling, several genes such as the CDK-inhibitor p15 are downregulated. Concomitant activation of Akt and TGF-β therefore reduced induction of p15 and relaxed cell cycle controls. In addition the effects of external stress on cell cycle were investigated in a human prostate epithelial cells. Surprisingly, these cells did not undergo cell cycle arrest in response to ionising radiation. These cells were noted to have low or undetectable levels of Wee1 kinase, which normally exerts an inhibitory phosphorylation on CDK2 and CDK1 in response to external stress. Due to lack of inhibition, CDK2 activity remained high even after high doses of radiation. In this work we identified different points of cross talk between cell cycle promoting and inhibiting signalling pathways. These findings have significance in cancer and cancer treatment, which is often based on inhibiting the hyper activation of cell cycle promoting pathways by using hormones, radiation or small molecule compounds.Solu on elollisten olioiden perusyksikkö, ja solujen jakautuminen ja uudistuminen eliöiden ja lisääntymisen perusta. Prosessia, jossa solu monistaa itsensä muodostaen kaksi tytärsolua, kutsutaan solusykliksi, ja sen säätely on yksi organismin homeostaasin eli tasapainotilan kulmakiviä. Säätelyn pettäessä seurauksena voi olla hallitsematon solujakautuminen, mikä on syövän keskeisiä tunnusmerkkejä. Solusykliä edistävät CDK-proteiinit, jotka yhdessä sykliini-partneriensa kanssa aktivoivat syklin keskeisiä proteiineja. CDK-sykliinikompleksien aktiivisuutta hillitsevät CDK-inhibiittoriproteiinit, mukaan lukien p27Kip1. Solusyklin säätely on tärkeää myös ympäristöön sopeutumisen kannalta. Useimmat elimistön solut ovat lepotilassa, mutta käynnistävät solusyklin ulkoisen viestin kuten hormoni- tai kasvutekijäsignaalin saapuessa. Sitoutuessaan solussa oleviin reseptoreihin, nämä molekyylit aktivoivat solusykliä sääteleviä signalointireittejä. Kasvua haittaavat olosuhteet, esimerkiksi energiavaje tai ulkoinen stressi, puolestaan hidastavat tai estävät solujakautumista. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mm. TGF-β, PI3K-, ja AMPK–solusignalointireittien vaikutusta solusykliin. Tutkimuksessa keskityttiin CDK-inhibiittoriproteiini p27Kip1:n muotoon, jonka havaittiin lisääntyvän erilaisten kasvua hidastavien ja solustressiä aiheuttavien signaaleiden kuten TGF-β:n ja AMPK:n aktivaation seurauksena. Kasvua edistävien, kuten PI3-kinaasireitin, vaikutuksen havaittiin olevan päinvastainen. PI3-kinaasireitin todettiin myös risteävän TGF-β -reitin kanssa Ski-proteiinin fosforylaation kautta. Lisäksi selvitettiin ulkoisen stressin vaikutusta solusykliin, jossa mallina käytettiin eturauhasen pintaepiteelisoluja. Käytetty eturauhasmalli osoitti, että solutyypissä ei ionisoivan säteilyn jälkeen tavata useissa muissa solutyypeissä kuvattua solusykliarestia. Soluissa todettiin matalat Wee1-kinaasin tasot, mikä mahdollisti CDK-proteiniin aktiivisuuden myös DNA-vauriovasteen jälkeen ja mahdollisti solusyklin myös tässä tilanteessa. Työssä tunnistettiin erilaisia risteämiskohtia solujakautumista edistävien ja estävien signaalireittien välillä. Näillä löydöillä voi olla merkitystä myös syövässä ja sen hoidossa, kun jakautumista edistävien reittien yliaktiivisuutta pyritään hillitsemään esimerkiksi hormonien, säteilyn tai pienimolekyylisten yhdisteiden avulla.
Subject: syöpä- ja molekyylibiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
CELLCYCL.pdf 992.1Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record