Το επιστημονικό ενδιαφέρον της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στο ρόλο του κυτταροσκελετού της δεσμίνης (desmin), της μυοειδικής πρωτεΐνης, μέλος της οικογένειας των ενδιάμεσων ινιδίων, στη διατήρηση και τη λειτουργία του καρδιακού μυός. H καταστολή της έκφρασης της δεσμίνης σε μύες με τη χρησιμοποίηση της γονιδιακής στόχευσης, έδειξε πως η έκφραση της δεσμίνης είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της λειτουργικής και δομικής ακεραιότητας του καρδιακού μυός. Μύες που δεν εκφράζουν δεσμίνη αναπτύσσουν διατατική καρδιομυοπάθεια, που χαρακτηρίζεται από ανωμαλίες σε υποκυτταρικά οργανίδια, όπως είναι τα μιτοχόνδρια, εκτεταμένη ίνωση και εναπόθεση ασβεστίου, με επακόλουθο τον κυτταρικό θάνατο, και τελικά την καρδιακή ανεπάρκεια. Πιο συγκεκριμένα σε μια προσπάθεια διερεύνησης της βιολογικής δράσης της δεσμίνης, μελετήθηκαν οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις αυτού του μορίου. Η ανεύρεση μορίων με τα οποία η δεσμίνη αλληλεπιδρά μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για τη βιολογικής της δράση και να βοηθήσει στην κατανόηση της παθολογίας που παρατηρείται σε επίμυς όπου έχει κατασταλεί η έκφρασή της (διαγονιδιακό μοντέλο διατατικής καρδιομυοπάθειας που έχει δημιουργηθεί από το εργαστήριό μας, des-/-) ή σε ασθενείς με καρδιομυοπάθειες εξαιτίας μεταλλαγών στο μόριο της δεσμίνης. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η μέθοδος του διυβριδικού συστήματος ζύμης (Yeast two-hybrid), όπου χρησιμοποιήθηκε τμήμα του μορίου της δεσμίνης (το αμινο-τελικό άκρο), με το οποίο ‘σαρώθηκε’ (screening) μια cDNA καρδιακή βιβλιοθήκη, και βρέθηκε ένας αριθμός δυνητικών αλληλεπιδράσεων. Η σάρωση αποκάλυψε την αλληλεπίδραση της δεσμίνης με ένα νέο μόριο, τη Myospryn, μια μυοειδική πρωτεΐνη 413 kDa, μέλος της οικογένειας των TRIM-like πρωτεϊνών. Η πρωτεΐνη myospryn βρέθηκε αρχικά να αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη dysbindin, η οποία εμπλέκεται σε διαδικασίες διαμετακίνησης πρωτεϊνών, κυστιδίων και βιοσύνθεσης οργανιδίων, και αποτελεί συστατικό ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου υπεύθυνου για τη βιογένεση λυσοσωμάτων και λυσοσωματικά συσχετιζόμενων οργανιδίων, γνωστό ως Biogenesis of Lysosome Related Organelles (BLOC-1). Η πρόσδεση της δεσμίνης με τη myospryn επαληθεύτηκε με in vitro μεθόδους (GST pull down assay, Co-immunoprecipitation). H ανάλυση ανοσοαποτύπωσης (western blot) απεκάλυψε ότι το ανοσολογικό σύμπλοκο που κατακρημνίζεται με χρήση αντισωμάτων δεσμίνης περιέχει, εκτός της myospryn, και δυο τουλάχιστον υπομονάδες του πρωτεϊνικού συμπλόκου BLOC-1, dysbindin και pallidin. Πειράματα με το δι-υβριδικό σύστημα ζύμης απεκάλυψαν την ακριβή περιοχή αλληλεπίδρασης των δύο πρωτεϊνών, και η οποία περιλαμβάνει τα αα58-103 του αμινο-τελικού άκρου της δεσμίνης και τα τελευταία 24αα του καρβόξυ-τελικού άκρου του μορίου της myospryn, που αντιστοιχούν στο SPRY τμήμα του TRIM-like μοτίβου της οικογένειας των πρωτεϊνών στην οποία ανήκει η myospryn. Πειράματα ανοσοφθορισμού σε απομονωμένα καρδιομυοκύτταρα απεκάλυψαν ότι η myospryn τοπολογείται στην περιφέρεια του πυρήνα, σε στενή γειτνίαση με τις μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου, και στο σημείο αυτό αλληλο-επικαλύπτεται με τη δεσμίνη, η οποία σχηματίζει ένα δίκτυο ινιδίων που διατρέχει όλο το μήκος του κυττάρου. Στον ενήλικο καρδιακό ιστό, η myospryn βρίσκεται κυρίως στους εμβόλιμους δίσκους, καθώς και στο επίπεδο της πλασματικής μεμβράνης, του σαρκολείματος, όπου και αλληλοεπικαλύπτεται με τη δεσμίνη. Η αλληλο-επικάλυψη των δυο πρωτεϊνών είναι έντονη στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων. Δείχθηκε πως η myospryn άλληλο-επικαλύπτεται με τα λυσοσώματα καθώς και ότι η δεσμίνη είναι απαραίτητη τόσο για τη σωστή τοπολόγηση της myospryn, όσο και για αυτήν των λυσοσωμάτων. Τέλος, με πειράματα καταστολής τηw έκφρασης της myospryn, αποκαλύφθηκε πως η παρουσία της myospryn είναι απαραίτητη προκειμένου η δεσμίνη να μπορεί να ανοσοκατακρημνίσει τις υπομονάδες του BLOC-1, dysbindin και pallidin Τέλος, στην προσπάθεια χαρακτηρισμού του λειτουργικού ρόλου της myospryn συμπεριλήφθηκε η χρησιμοποίηση του μοντέλου του D. rerio (zebrafish). Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των antisense morpholinos, ήταν δυνατή η παρεμπόδιση της έκφρασης της myospryn και η μελέτη των επιπτώσεων στην ανάπτυξη και λειτουργία του καρδιακού ιστού. Η καταστολή της έκφρασης της myospryn είχε ως αποτέλεσμα σοβαρές δομικές και λειτουργικές ανωμαλίες στο καρδιακό σύστημα ατόμων Danio rerio, καταδεικνύοντας την σπουδαιότητα αυτού του μορίου στην ανάπτυξη του καρδιακού συστήματος του D.rerio. Συμπερασματικά η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται τις πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις της μυοειδικής πρωτεΐνης δεσμίνης, αποκαλύπτοντας νέους ρυθμιστικούς ρόλους για το μόριο αυτό. / The scientific interest of this PhD thesis is mainly the role of desmin cytoskeleton (the muscle-specific intermediate filament) in myocyte maintenance and function. The ablation of desmin expression in mice by gene targeting demonstrated that desmin expression is crucial for maintanance of healthy muscle. Mice null for desmin develop dilated cardiomyopathy characterized by mitochondrial abnormalities, extensive cardiomyocyte death, fibrosis, calcification and eventually heart failure. Study of desmin protein interactions could facilitate our understanding of the molecular mechanisms responsible for the observed pathology. To that end, we have performed a yeast two-hybrid screening of a cardiac cDNA library We showed that the desmin amino-terminal domain [Naa(1 -103)] binds to a 413kDa TRIM-like protein, myospryn, originally identified as the muscle-specific partner of dysbindin, a component of the Biogenesis of Lysosome Related Organelles Complex 1 (BLOC-1). Binding of desmin with myospryn was confirmed with GST pull down assays and co-immunoprecipitation experiments. Western blot analysis revealed that the complex immunoprecipitated by desmin antibodies, in addition to myospryn contained the BLOC-1 components dysbindin and pallidin. Deletion analysis revealed that only the [Naa(1 -103)] fragment of desmin binds to myospryn carboxyl terminus and that this association takes place through the 24aa long C-terminal end of the SPRY domain of myospryn. Using an antibody against the COOH terminus of myospryn, we demonstrated that myospryn co-localizes with desmin at the periphery of the nucleus, in close proximity to the endoplasmic reticulum, of mouse neonatal cardiomyocytes. In adult heart muscle, the two proteins co localize, predominantly, at intercalated discs and costameres. We also showed that myospryn colocalizes with lysosomes. Using desmin null hearts, we demonstrated that desmin is required for both the proper perinuclear localization of myospryn, as well as the proper positioning of lysosomes, thus suggesting a potential role of desmin IFs in lysosomes and lysosome-related organelle biogenesis and/or positioning. siRNAs experiments for myospryn knock down revealed that when myospryn is absent, desmin is not able to immunoprecipitate BLOC-1 subunits. Additionally, the in vivo role of myospryn was examined using the model of D. rerio. Using a splice morpholino for knocking down myospryn transcript, we examined the effects on zebrafish heart development and function caused by the absence of myospryn, where it was shown that myospryn is essential for the early heart development in D.rerio. In summary, this work reveals the association of desmin with a novel molecule, myospryn, and it sheds light on novel regulatory role for this member of intermediate filament family.

The purpose of this work is to make an attempt to quantify and model various types of cell death for a small cell lung cancer (SCLC) cell line (U1690) after exposure to a 137Cs source and as well as to compare cell survival models, the Linear-Quadratic (LQ) and Repairable Conditionally – Repairable model (RCR). This study is based on four different experiments that were taken place at Cancer Centrum Karolinska (CCK). A human small cell lung cancer (SCLC) cell line after the exposure to a 137Cs source was used for the extraction of the clonogenic cell survival curve. Additionally for the determination and quantification of various modes of cell death the method of fluorescence staining was implemented, where we categorized the cell death based on morphological characteristics. As next with the flow cytometry analysis we measured the properties of individual particles and more specifically the percentage of cells in each phase of the cell cycle. The quantification of senescent cells was performed by staining the samples with senescence associated-β-gal solution and then scoring as senescent cells those that had incorporated the substance. These data were introduced into a maximum likelihood fitting to calculate the best estimates of the parameters used by the model in section 2.8. In this model we sorted the modes of cell death into three categories: apoptotic, senescent and other types of cell death (nec/apop, necrotic, micronuclei, giant). In regards to the clonogenic cell survival assay the RCR model shows a ρ2 value that is equal to 6.10 whereas for the LQ model is 9.61. Moreover from the fluorescence microscopy and senescence assay we observed an initial increase of the probability of three different categories of cell death on day 2 and at higher doses there was saturation. On day 7 a significant induction of apoptosis in a dose and time dependent manner was evident whereas senescence was slightly increased in response to dose but not to time. As for the „other types of cell death‟ category on day 7 showed a higher probability that the one on day 2 and as well as a prominent dose dependence. A dose dependent accumulation of cells in the G2/M phase of the cell cycle was induced by photons on day 2. The accumulation in the G2/M phase on day 2 is released on day 7 and simultaneously an increase of the probability of apoptosis with time was observed. The RCR model is fitted better to the experimental data rather than the LQ model. On day 2 there is a slight increase of the apoptotic and senescent probability with dose. On the other hand on day 7 the shape of the curve of apoptosis differs and we observe a sigmoidal increase with dose. At both time points the mathematical model fit the data reasonable well. Due to the fact that the clonogenic survival doesn‟t coincide with the one extracted from the fluorescence microscopy, a more accurate way of quantification of cell death need to be used (e.g. CVTL). / Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι η ποσοτικοποίηση και μοντελοποίηση διαφόρων τύπων κυτταρικού θανάτου μικροκυτταρικού καρκίνου πνεύμονα μετά από ακτινοβόληση με πηγή Καισίου (137Cs) καθώς και η σύγκριση μοντέλων κυτταρικής επιβίωσης, Linear-Quadratic (LQ) και Repairable Conditionally-Repairable. Η μελέτη είναι βασισμένη σε τέσσερα ξεχωριστά πειράματα τα οποία πραγματοποιήθηκαν στο Cancer Centrum Karolinska (CCK). Ανθρώπινος μικροκυτταρικός καρκίνος πνεύμονα χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της καμπύλης κυτταρικής επιβίωσης μετά από ακτινοβόληση με πηγή Καισίου (137Cs). Επιπρόσθετα για τον προσδιορισμό και την μοντελοποίηση των διαφόρων ειδών θανάτου εφαρμόστηκε η μέθοδος της φθορίζουσας μικροσκοπίας, με την βοήθεια της οποίας κατηγοριοποιήθηκε ο κυτταρικός θάνατος βάσει μορφολογικών χαρακτηριστικών. Στη συνέχεια μέσω της κυτταρομετρίας ροής υπολογίσαμε τις ιδιότητες μεμονομένων σωματιδίων (κυττάρων) και πιο συγκεκριμένα το ποσοστό των κυττάρων σε κάθε φάση του κυτταρικού κύκλου. Η ποσοτικοποίηση των κυττάρων γήρανσης πραγματοποιήθηκε μέσω της χρώσης των δειγμάτων με διάλυμα συσχετιζόμενο με την γήρανση και μετά καταγράφηκαν σαν κύτταρα γήρανσης αυτά τα οποία είχαν ενσωματώσει την ουσία. Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν σε μια διαδικασία προσαρμογής μέγιστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood fitting) ώστε να υπολογιστούν οι βέλτιστες τιμές των παράμετρων που χρησιμοποιούνται από το μοντέλο στην ενότητα 2.8. Στο παρόν μοντέλο έχουμε ταξινομήσει τον κυτταρικό θάνατο σε τρεις κατηγορίες: απόπτωση, γήρανση και άλλοι τύποι κυτταρικού θανάτου (νεκ/αποπ, νέκρωση, μικροπυρήνες και γίγαντες). Όσον αφορά την κλωνογόνο κυτταρική επιβίωση το RCR μοντέλο παρουσιάζει τιμή χ2 ίση με 6.10 ενώ για το LQ μοντέλο ίση με 9.61. Επιπλέον μέσω της φθορίζουσας μικροσκοπίας και της χημικής δοκιμής για την κυτταρική γήρανση παρατηρήσαμε την 2η μέρα αρχική αύξηση της πιθανότητας και για τις τρεις κατηγορίες κυτταρικού θανάτου ενώ εμφανής ήταν ο κορεσμός στις υψηλότερες δόσεις. Την 7η μέρα παρουσιάστηκε επαγωγή της απόπτωσης με δοσο/χρονο-εξαρτώμενο τρόπο καθώς και το ότι η γήρανση των κυττάρων αυξήθηκε ελάχιστα με την δόση αλλά όχι με τον χρόνο. Σχετικά με την τρίτη κατηγορία ‘άλλοι τύποι κυτταρικού θανάτου’ την 7η μέρα ανέδειξε υψηλότερη πιθανότητα συγκριτικά με την 2η μέρα καθώς και μια έκδηλη εξάρτηση με την δόση. Κατά την ανάλυση του κυτταρικού κύκλου για την 2η μέρα αναδεικνύεται συσσώρευση των κυττάρων με δοσοεξαρτώμενο τρόπο στην φάση G2/M του κυτταρικού κύκλου. Η συσσώρευση των κυττάρων στην φάση G2/M την 2η μέρα απελευθερώθηκε την 7η μέρα με ταυτόχρονη αύξηση της πιθανότητας για απόπτωση συναρτήσει της δόσης. Βρέθηκε ότι το RCR μοντέλο προσαρμόζεται καλύτερα στα πειραματικά δεδομένα σε σχέση με το LQ μοντέλο. Την 2η μέρα παρατηρήθηκε πολύ μικρή αύξηση της πιθανότητας για απόπτωση και γήρανση συναρτήσει της δόσης. Ενώ την 7η μέρα η μορφή της καμπύλης της απόπτωσης διαφοροποιήθηκε και παρατηρήθηκε σιγμοειδής αύξηση με την δόση. Το μαθηματικό μοντέλο προσαρμόζεται αρκετά καλά στα δεδομένα για την 2η και 7η μέρα. Ένας πιο ακριβής τρόπος υπολογισμού της ποσοτικοποίησης του κυτταρικού θανάτου θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί εξ’αιτίας του γεγονότος ότι η καμπύλη της κλωνογόνου επιβίωσης δεν συμπίπτει με αυτή που παράχθηκε από την μικροσκοπία φθορισμού.

Programmed cell death in animals, plants and protists is in part regulated by a variety of proteases, including cysteine aspartyl proteases, (caspases, paracaspases and metacaspases), cathepsins, subtilisin-like serine proteases, vacuolar processing enzymes and the proteasome. The role of different proteases in the cell death responses of the fungi is however largely unknown. A greater understanding of the fungal cell death machinery may provide new insights into the mechanisms and evolution of PCD and potentially reveal novel targets for a new generation of antifungal drugs. The role of a metacaspase encoding gene, MCA1, in the cell death response of the human pathogen Candida albicans pathogen has been investigated by functional analysis. MCA1 deletion not only alters the sensitivity of cells to a number of cell death stimuli, it also enhances virulence in an insect model. C. albicans shows altered cell and colony morphology on Lee’s medium. Evidence is presented to suggest that these functions appear to be dependent upon active mitochondria. In this study it has also been shown that key caspase substrates may be conserved between humans and the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans. Many substrates, particularly those which are essential, have retained their caspase cleavage motifs. 14 protease mutants displayed altered activity against caspase 1, 3, 6 or 8 substrates during acetic acid-induced PCD and caspase 1-like activity appeared to be particularly associated with PCD. Using a novel bioinformatic analysis of experimental LC-MS/MS data, changes in the degradation patterns of the proteome (destructome) following acetic acid-induced cell death have been investigated in wild-type yeast. In addition, potential native substrates of the yeast Mca1 have also been identified. The future challenge is to characterise the destructome of different proteases under a range of cell death conditions. In this way it may be possible to identify key components of the cell death machinery and their substrates and so reveal the most promising targets for future therapeutics.

L'acétylation des lysines est une modification post-traductionnelle des protéines dont l’ajout et l’élimination sont catalysés respectivement par les histones acétyltransférases (HAT) et les désacétylases d'histones (HDAC). Cette modification joue un rôle majeur dans la régulation de processus cellulaires tels que l'expression génique, la mobilité cellulaire et le métabolisme. Il est maintenant bien établi qu'une altération de l'activité des désacétylases, entrainant ainsi une dérégulation de l'acétylome, est associée au développement tumoral. Par conséquent, les HDAC sont considérées comme des cibles prometteuses en thérapie anti-cancéreuse ce qui a conduit au développement de nombreux inhibiteurs de HDAC. Cependant, la recherche de nouvelles molécules avec un potentiel anti-cancéreux accru et moins d’effets secondaires est indispensable. Nous avons identifié cinq acides 4-hydroxybenzoïques comme nouveaux inhibiteurs de HDAC, trois inhibiteurs qui ciblent plusieurs HDAC et deux inhibiteurs spécifiques de HDAC6. Les inhibiteurs qui ciblent plusieurs HDAC induisent l'acétylation de certaines lysines des histones H3 et H4 dans les cellules de leucémie myéloïde chronique humaine K-562. Le traitement des cellules induit un arrêt de la progression du cycle cellulaire associé à la modulation de l'expression des cyclines et l'activation de la transcription du gène codant p21. Enfin, les trois composés qui inhibent plusieurs HDAC induisent une mort par apoptose qui est confirmée par l'observation du clivage et de l'activation des caspases. Les inhibiteurs spécifiques de HDAC6 induisent une hyperacétylation importante de la tubuline-α corrélée à une condensation des microtubules dans les cellules cancéreuses adhérentes de prostate (cellules PC-3 et LNCaP). Ces composés induisent une mort par apoptose des cellules cancéreuses en suspension K-562 accompagnée du clivage des caspases et de l'activation de la protéine pro-apoptotique BAX. Enfin, les molécules altèrent la fonction de la protéine chaperonne HSP90α observée par une forte diminution de l'expression de ses protéines clientes: Bcr-Abl et le récepteur aux androgènes. Par ailleurs, les cinq composés n'affectent pas la viabilité des cellules saines. L'ensemble de ce travail révèle que les acides 4-hydroxybenzoïques sont des molécules prometteuses pour le développement de nouveaux composés ayant des propriétés anti-tumorales intéressantes / Lysine acetylation is a post-translational modification characterized by addition and removal acetyl group by histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), respectively. This modification plays a crucial role in multiple cellular processes including gene expression, cell motility and metabolism. It is now well established that disruption of deacetylase activity, leading to a pathological acetylation profile, is associated to cancer development. Consequently, HDACs are considered as promising targets for anticancer therapy, which led to the development of novel HDAC inhibitors. However, discovery and synthesis of new molecules is essential to increase anticancer potential and decrease adverse health effects of already known compounds. We identified five 4-hydroxybenzoic acids as new HDAC inhibitors: three pan-HDAC inhibitors and two HDAC6-specific inhibitors. Pan-HDAC inhibitors induce acetylation of selected lysines within histones H3 and H4 in human chronic myeloid leukemia K-562 cells. Treatment of cells induces cell cycle arrest associated with increased cyclin expression and the transcriptional activation of p21. Finally, these pan-HDAC inhibitors induce apoptotic cell death further confirmed by the cleavage and activation of caspases. HDAC6-specific inhibitors induce hyperacetylation of α-tubulin in correlation with microtubule condensation in adherent prostate cancer cells (PC-3 and LNCaP cells). These compounds induce apoptotic cell death in K-562 cells accompanied by caspase cleavage and the activation of the pro-apoptotic protein BAX. Furthermore, these molecules alter the chaperon function of HSP90α, which is observed through the robust decrease of the expression of its client proteins (i.e. Bcr-Abl and androgen receptor). Noteworthy, the five compounds did not affect healthy cell viability. Taken together these results revealed that 4-hydroxybenzoic acids are attractive molecules for the development of new compounds with promising anticancer properties