Resumen de The role of VRK1 in chromatin remodeling: regulation of histone post-translational modifications and epigenetic enzymes
- español
La organización del ADN es esencial para el correcto empaquetamiento de la cromatina y necesaria para facilitar distintos procesos celulares que requieren una remodelación dinámica de la cromatina. La modulación de su estructura es esencial para la regulación de la expresión génica, ya que determina qué genes son accesibles y qué factores reguladores son reclutados al ADN. Por ello, las células eucariotas han desarrollado mecanismos que permiten la modulación y apertura de la cromatina cuando esta es inaccesible. Las alteraciones epigenéticas son un mecanismo para controlar la accesibilidad del ADN y regular los patrones de expresión génica y el desarrollo normal. El control epigenético puede producirse a través de la metilación del ADN, las modificaciones postraduccionales (PTM) de las histonas, la interpretación de estas modificaciones por las enzimas epigenéticas, el intercambio de variantes de las histonas y el ARN no codificante. Los errores en estos mecanismos pueden desregular el control de los procesos basados en la accesibilidad de la cromatina, lo que conduce a una expresión anormal de distintos genes. Se ha descubierto que condiciones patológicas como el cáncer, los trastornos metabólicos y las enfermedades inflamatorias y neurodegenerativas están relacionadas con errores epigenéticos. Las modificaciones postraduccionales (PTM) de las colas N-terminales de las histonas regulan el acceso al ADN. Es importante destacar que las PTM de las histonas son reversibles y su coordinación requiere la regulación estricta de múltiples enzimas epigenéticas, conocidas como writers (enzimas que añaden una modificación) y erasers (enzimas que eliminan una modificación). Cabe destacar la acetilación y la metilación entre las diversas PTMs, ya que ha sido ampliamente estudiada su relación con el cáncer y su respuesta a tratamientos. El equilibrio entre la de- y la acetilación está controlado por las deacetilasas (HDAC) y las acetiltransferasas (HAT), mientras que la de- y la metilación están reguladas por las demetilasas (KDM) y las metiltransferasas (KMT). Una actividad anómala de las enzimas epigenéticas y, por consiguiente, una alteración del patrón de PTM de histonas pueden alterar distintos procesos celulares como la proliferación, la reparación del ADN, la transcripción génica y la replicación del ADN, así como la expresión de genes supresores de tumores o asociados al cáncer. Por ello, es crucial desvelar los mecanismos moleculares que controlan estos cambios y las enzimas epigenéticas implicadas en dicha regulación. VRK1 (Vaccinia-related kinase 1) es una quinasa nuclear implicada en diferentes procesos celulares, como la modulación de factores de transcripción o proteínas implicadas en la respuesta al daño del ADN. La localización de VRK1 en el núcleo la convierte en una posible candidata para participar en la remodelación de la cromatina y, por tanto, en una potencial diana terapéutica. Sin embargo, el diseño de inhibidores específicos para quinasas, especialmente para VRK1 debido a su estructura, sigue siendo un reto importante. Por ello, esta tesis pretende ampliar el conocimiento del papel de la quinasa humana VRK1 en la remodelación de la cromatina, descifrando la regulación del patrón de PTMs de histonas y caracterizando nuevos posibles sustratos como las enzimas epigenéticas. Otro objetivo de este trabajo es caracterizar un nuevo inhibidor de VRK1, VRK-IN-1, para comprender su mecanismo de acción y proponer así la inhibición de VRK1 como posible tratamiento del cáncer. En este trabajo, se ha demostrado que la ausencia de VRK1 altera completamente el patrón de PTM de histonas, siendo capaz de imitar el efecto de algunos inhibidores de enzimas epigenéticas. La depleción de VRK1 causa una disminución de los niveles de H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac, H3K79me2 y H4K16ac, y un aumento de H3K9me3 y H3K27me3 en células de adenocarcinoma de pulmón y osteosarcoma. Además, VRK1 puede formar un complejo proteico estable con HDAC1, SIRT1, SIRT2, SETDB1, LSD1, JMJD1A y JMJD2A, lo que sugiere que VRK1 podría estar controlando la actividad de estas enzimas epigenéticas. Además, se observó que la inhibición de la actividad quinasa de VRK1 mediante el tratamiento con VRK-IN-1 muestra resultados similares a la disminución de la expresión de VRK1, bloqueando la proliferación celular, alterando el patrón PTM de histonas y la respuesta génica tras daño en el ADN. En conjunto, estos hallazgos proponen a VRK1 como un regulador de la cromatina, capaz de interactuar con diferentes enzimas epigenéticas y mantener los PTMs de histonas asociados un estado relajado. Además, los datos presentados, no sólo proporcionan un nuevo recurso para investigar inhibidores más específicos de VRK1, sino que también abren una puerta a nuevas oportunidades para la inhibición de VRK1
- English
DNA organization is essential for proper chromatin packaging and necessary to facilitate different processes that require dynamic chromatin remodeling. Modulation of chromatin structure is critical for the regulation of gene expression, since it determines which genes are accessible for transcription and the sequential recruitment of regulatory factors to the underlying DNA. Thus, to deal with inaccessible chromatin, eukaryotic cells have developed mechanisms that facilitate the opening of chromatin. Epigenetic alterations are defined as mechanisms that control DNA accessibility for the regulation of gene expression patterns and normal development. The epigenetic transcriptional control can occur through DNA methylation, histone post-translational modifications (PTMs), the reading of these modifications by epigenetic enzymes, histone-variants exchange, and noncoding RNA. Errors in the epigenetic regulation can alter the control of chromatin-based processes, ultimately leading to abnormal gene expression. Pathological conditions such as cancers, metabolic disorders, and inflammatory and neurodegenerative diseases have been found to be related to epigenetic errors.
Post-translational modifications (PTMs) of the N-terminal tail of histones regulate DNA access. Importantly, histone PTMs are reversible, and their coordination requires a tight regulation of multiple epigenetic enzymes, known as writers (enzymes that add a mark) and erasers (enzymes that remove a mark)111. Among the different PTMs, acetylation and methylation are especially important. They have been extensively investigated in a context of cancer and therapy responses. The balance between de- and acetylation is controlled by deacetylases (HDACs) and acetyltransferases (HATs), while de- and methylation are regulated by demethylases (KDMs) and methyltransferases (KMTs).
An abnormal activity of the epigenetic enzymes and, subsequently, a disturbed histone PTM landscape can alter different cellular processes such as proliferation, DNA repair, gene transcription, and DNA replication, together with the expression of tumor-suppressor or cancer-associated genes. Thus, it is crucial to unveil the molecular mechanisms that modulate these changes and the histone-modifying enzymes involved in such regulation.
VRK1 (Vaccinia-related kinase 1) is a nuclear kinase implicated in different cellular processes, such as modulation of transcription factors (TFs) or proteins implicated in the DNA damage response (DDR). The location of VRK1 as a nucleus-resident kinase makes it a suitable candidate to participate in chromatin remodeling and, thus, a potential therapeutic target.
Therefore, this thesis aims to broaden the knowledge of the role of the human kinase VRK1 in chromatin remodeling, deciphering the regulation of histone PTMs patterns and characterizing new possible epigenetic enzymes substrates of VRK1. Another goal of this work is characterizing a novel VRK1 inhibitor, VRK-IN-1, to understand its mechanism of action and propose VRK1 inhibition as a potential cancer therapy.
In this work, we demonstrate that the absence of VRK1 alters the histone PTM landscape, mimicking the effect of some epigenetic enzyme inhibitors. VRK1 depletion causes a decrease of H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac, H3K79me2 and H4K16ac levels, and an increase of H3K9me3 and H3K27me3 levels in lung adenocarcinoma and osteosarcoma cellular models. Furthermore, VRK1 can form a stable protein complex with HDAC1, SIRT1, SIRT2, SETDB1, LSD1, JMJD1A and JMJD2A, suggesting that VRK1 controls the activity of these epigenetic enzymes. In addition, we observed that the inhibition of VRK1 kinase activity by using VRK-IN-1 resembles the VRK1 depletion, thus blocking cell proliferation, impairing histone PTM patterns and altering the DDR upon DNA damage induction.
Altogether, these findings reveal VRK1 as an orchestrator of chromatin remodeling, capable of interacting with different epigenetic enzymes and maintaining histone PTMs associated with relaxed chromatin. Moreover, the present data provides a resource for investigating novel VRK1 inhibitors, as well as exploring new target therapies through the biochemical mechanisms here uncovered.
