Multiple sclerosis (MS) is a chronic central nervous system disease featuring exacerbations of inflammation and demyelination that cause progressively debilitating clinical effects over time. Current treatments for multiple sclerosis are limited in their ability to impact overall disease progression. Research aimed at generation of novel potential therapeutics for MS is needed. Recently, kallikrein 6 (KLK6), a member of the kallikrein (KLK) family of secreted serine proteases, was found to be elevated in the cerebrospinal fluid and brain of MS patients. The fifteen known tissue-based KLKs cleave proteins through a similar mechanism, but have different binding pocket specificity, diverse localization in human tissues, and multiple biological functions. KLKs have been linked to normal human physiology (e.g. KLK4, enamel formation) and disease (e.g. KLK3, prostate cancer). KLK6 is one of the highest expressed serine proteases in the healthy human brain and is expressed predominately in mature oligodendrocytes in both human and mouse brain. The role of KLK6 in oligodendrocyte maturation, myelination, and disease is not fully understood. To evaluate the role of KLK6 in oligodendrocyte maturation, I used a pluripotent in vitro primary cell system to assess the impact of exogenous KLK6 and modulators of the KLK6 pathway on oligodendrocyte maturation. I demonstrate that signaling through KLK6 decreases the number of mature oligodendrocytes in culture, whereas blockade of KLK6 signaling increases the number of mature oligodendrocytes in culture in the presence of triiodothyronine higher than either agent alone. This work suggests that KLK6 modulation impacts oligodendrocyte maturation. To understand the potential impact of KLK6 pathway inhibition on remyelination, I used the toxin cuprizone to induce demyelination in mice. I found that animals treated with a KLK6 inhibitor had increased myelin staining in the corpus callosum compared to vehicle-treated. This work suggests that KLK6 modulates oligodendrocyte maturation and myelination and may be relevant for improving myelin-related therapeutic outcomes, particularly in multiple sclerosis. / 2019-06-12T00:00:00Z

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή δείχθηκε ότι το γονίδιο της ανθρώπινης καλλικρεΐνης 6 μπορεί να ενεργοποιηθεί φαρμακολογικά σε καρκινικές κυτταρικές σειρές μαστού και μελετήθηκε ο μοριακός μηχανισμός της ενεργοποίησης. Το cDNA της ανθρώπινης καλλικρεΐνης 6 αρχικά κλωνοποιήθηκε με την τεχνική της διαφορικής παράθεσης των mRNAs βάσει της υπερέκφρασης σε πρωτοπαθή όγκο μαστού σε σχέση με την πλήρη αποσιώπηση στην μετάστασή του στον πνεύμονα, καθώς και στις περισσότερες μεταστατικές καρκινικές σειρές μαστού και δείγματα ιστών. Λόγω της καταστολής της έκφρασής της σε μεταστατικούς όγκους του μαστού, θεωρήθηκε ότι η κωδικοποιούμενη πρωτεΐνη (hK6)-μια νέα σερινοπρωτεάση- θα μπορούσε να έχει ογκοκατασταλτική δράση. Πρόσφατα δεδομένα δείχθουν ότι η hK6 αντιπροσωπεύει έναν νέο μοριακό δείκτη του καρκίνου, αφού αυξημένες συγκεντρώσεις της στον ορό είναι διαγνωστικές για τον καρκίνο των ωοθηκών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της θεραπευτικής αγωγής. Οι φυσιολογικές λειτουργίες της hK6 δεν έχουν βρεθεί. Πρόσφατα, αλλαγές στην έκφραση του γονιδίου KLK6 έχουν συσχετιστεί με την παθογένεση των πιο κοινών νευροεκφυλιστικών νόσων, όπως Alzheimer’s και Parkinson’s. Σημαντικό, είναι το γεγονός της αποικοδόμησης της μυελίνης από την hK6, που πιστοποιεί την συμμετοχή της στην σκλήρυνση κατά πλάκας. Για τους παραπάνω λόγους η hK6, καθώς και το γονίδιο KLK6 αποτελούν ένα σημαντικό θεραπευτικό στόχο. Στην παρούσα εργασία, δείχθηκε ότι οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν την μεταγραφή καθώς και την ιστο-εξειδικευμένη έκφραση του γονιδίου KLK6 περιλαμβάνουν την δραστικότητα δύο υποκινητών. Επίσης κλωνοποιήθηκαν νέες ισομορφές του γονιδίου που προκύπτουν από εναλλακτικό μάτισμα και αντιστοιχούν στο 10-20% των KLK6 mRNAs. Προηγούμενη έρευνα δεν είχε παρατηρήσει εκτεταμένες γονιδιωματικές αλλαγές σε καρκινικούς όγκους στην γενετικό τόπο 19q13.4 που εδρεύει το γονίδιο KLK6, και σε συνδυασμό με την πιθανή ογκοκατασταλτική δράση της hK6, διερευνήθηκε η συμμετοχή επιγενετικών μηχανισμών στην αποσιώπηση της έκφρασης του γονιδίου KLK6. Κατεργασία των καρκινικών κυτταρικών σειρών μαστού T47D και MDA-MB-231 με το απομεθυλιωτικό αντιδραστήριο 5-αζα-2΄-δεοξυκυτιδίνη επανενεργοποίησε την έκφραση του γονιδίου KLK6. Η τριχοστατίνη Α, αναστολέας των αποακετυλασών των ιστονών, επανενεργοποίησε την έκφραση KLK6 μόνο στα MDA-MB-231 κύτταρα. Επίσης, βρήκαμε ότι η καταστολή της έκφρασης KLK6 στις καρκινικές κυτταρικές σειρές μαστού συνδέεται με την μεθυλίωση συγκεκριμένων δινουκλεοτιδικών αλληλουχιών CpGs που βρίσκονται στον εγγύς υποκινητή του γονιδίου και σε θέσεις πρόσδεσης του μεταγραφικού παράγοντα Sp1. Η αποσιώπηση της έκφρασης λαμβάνει χώρα με την πρόσδεση του εξαρτώμενου από μεθυλίωση μεταγραφικού καταστολέα MeCP2 και την δημιουργία ετεροχρωματινικής δομής λόγω αποακετυλίωσης των ιστονών. Επειδή η επιγενετική αποσιώπηση του γονιδίου KLK6 υποδηλώνει ογκοκατασταλτικό ρόλο στον καρκίνο του μαστού, διαμολύνθηκε σταθερά το KLK6 cDNA στην μεταστική σειρά MDA-MB-231 με σκοπό τη διαπίστωση του πιθανού αυτού ρόλου. Τα σταθερά διαμολυσμένα κύτταρα που προέκυψαν, είχαν μικρότερο ρυθμό πολλαπλασιασμού, ενώ δεν μπορούσαν να σχηματίσουν αποικίες σε μαλακό άγαρ. Συμπερασματικά στην παρούσα διατριβή δείχθηκε ότι το γονίδιο KLK6 αποτελεί πιθανό ογκοκατασταλτικό γονίδιο, που αποσιωπάται σε καρκινικές σειρές μαστού μέσω μεθυλίωσης του γονιδιωματικού DNA, καθώς και δημιουργίας ετεροχρωματινικής δομής στον εγγύς υποκινητή του. Η φαρμακολογική ενεργοποίηση της έκφρασης του γονιδίου KLK6 μέσω επιγενετικών φαρμάκων, είναι πιθανό να ανοίξει νέους δρόμους για την αντιμετώπιση του καρκίνου του μαστού. / In the present thesis it was shown that the human kallikrein 6 gene is pharmacologically modulated in breast cancer cell lines and the molecular mechanism accounting for the modulation was analyzed. The cDNA encoding human kallikrein 6 (protease M) was originally cloned by mRNA differential display as being over expressed in a primary breast tumor but completely inactivated in its lung metastasis, and in the majority of metastatic breast cancer cell lines and tissue specimens. Based on this expression pattern, it was suggested that the encoded protein (hK6)-a novel serine protease-could play a suppressor role in cancer progression. Recent evidence suggests that hK6 represents a novel cancer biomarker, since elevated serum concentrations of hK6 are diagnostic of ovarian cancer and can be exploited for monitoring therapeutic response to treatment. The physiological function(s) of hK6 have not been elucidated. Recently, aberrant expression of the KLK6 gene has been implicated in the pathogenesis of most common neurodegenerative disorders, such as Alzheimer’s and Parkinson’s disease. In addition, hK6 is involved in enhanced proteolysis of myelin basic protein associated with multiple sclerosis. Therefore, hK6 and KLK6 gene, represent potential therapeutic targets for pharmacological intervention. In the present study, we have shown that the mechanisms regulating KLK6 transcription and tissue-specific expression involve the action of two different promoters. Also, new KLK6 splice variants were cloned, and shown to account for 10-20% of all KLK6 mRNA species. Previous study had shown no gross genomic alterations in tumor speciments in the KLK6 genomic locus 19q13.4, and in accordance with putative tumor suppressor activity the involvement of epigenetic mechanisms in KLK6 gene silencing in breast cancer was studied. Treatment of KLK6-negative T47D and MDA-MB-231 human breast cancer cell lines with the demethylating agent 5-aza-2\\\\\\\\

Growing evidence indicates that serine proteases known as kallikreins are associated with malignancy and may have potential diagnostic/prognostic applications in cancer. Kallikreins are the largest group of serine proteases. Kallikrein enzymes are often involved in proteolytic cascades through their function in degradation of extracellular matrix proteins and promotion of angiogenesis. Kallikrein 6 (KLK6) is a member of the family of fifteen highly conserved secreted trypsin- or chemotrypsin-like serine proteases. Over-expression of KLK6 has been observed in different pathophysiological states such as neurodegenerative diseases, inflammation and various cancers, including colorectal cancer. In Chapter 3 we elucidated the miRNA-based mechanism of regulation of invasion in metastatic colorectal cancer over-expressing KLK6. We developed HCT116 colon stable isogenic cell lines with knockdown of KLK6 expression using short-hairpin interference RNA (shKLK6 clones). The shKLK6 clones had decreased expression and secretion of KLK6 protein with a minimal effect on cell growth and viability in cell culture. SCID mice injected with shKLK6-3 clone 3 cells exhibited a statistically significant increase in the survival rates (P=0.005), decrease in the incidence of distant metastases and a shift in the location of the metastatic foci closer to the cell's injection site. Levels of KLK6 protein secreted into the bloodstream were significantly lower in animals injected with shKLK6-3 clone 3 compared to HCT116 control clone 1 (P < 0.04). Through bioinformatics analyses we identified and validated three miRNAs, which are important in post-translational modification of bioactive proteins, proliferation, migration and p38 MAPK signaling pathway. In Chapter 4 we developed Caco-2 colon stable isogenic cell lines with expressing enzymatically active or mutant KLK6 protein (Caco-2 stable clones). We employed these cell lines to investigate the importance of KLK6 enzymatic activity of initiation of cell invasion using in vitro and in vivo models.