Aneuploidy impairs protein folding and genome integrity in human cells

Donnelly, Neysan (2016): Aneuploidy impairs protein folding and genome integrity in human cells. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Aneuploidy or imbalanced chromosome content is the cause of pathological conditions such as Down's syndrome and is also a hallmark of cancer where it is linked with malignancy and poor prognosis. A growing body of evidence has demonstrated that aneuploidy exerts a large number of effects at the cellular level. These effects include an impairment of proliferation, distinct changes to the transcriptome and proteome, as well as a disturbance of cellular proteostasis. However, the molecular mechanisms underlying the impairment of proteostasis and the changes in gene expression are not well understood. Further, the consequences of the altered gene expression in aneuploid cells also remain incompletely characterised. The work described herein was performed to gain insights into the consequences of aneuploidy in human cells. We have found that human aneuploid cells are impaired in HSP90-mediated protein folding. Further, we demonstrate that aneuploidy hampers induction of the heat shock response suggesting that the activity of the transcription factor HSF1 is compromised in human aneuploid cells. Increasing the levels of HSF1, either by endogenous or exogenous means, counteracts the effects of aneuploidy on HSP90 function, indicating that the defective HSP90 function of aneuploid cells is due to insufficient HSF1 capacity. We also demonstrate that the deficient protein folding capacity is at least partly responsible for the complex changes in gene expression observed in aneuploid cells. One of the most striking characteristics of the gene expression changes elicited by aneuploidy is the consistent downregulation of factors related to DNA transactions. Thus, the second study described here was undertaken to determine the effects of aneuploidy on DNA replication and genome stability. Our analysis showed that DNA replication is indeed impaired in human aneuploid cells, leading to higher levels of anaphase bridges, ultrafine bridges, chromosome breaks, as well as ultimately, complex chromosomal rearrangements. These defects were shown to stem from lower expression of the MCM2-7 helicase and could be rescued by MCM2-7 overexpression. The results described here provide mechanistic insight into the causes of the disturbed proteostasis in aneuploids as well as revealing the consequences of impaired protein folding capacity for aneuploid cells. Further, they demonstrate that aneuploidy is by itself capable of destabilising the genome and delineate a molecular mechanism by which this can occur. Taken together, the gleaned insights may have important implications for the role of aneuploidy in pathological conditions.

Abstract

Aneuploidie ist eine numerische Chromosomenaberration, ein Ungleichgewicht der Chromosomenzahl, die Down Syndrom verursacht und zu den Hauptcharakteristiken von Krebs zählt. Bei Tumoren ist Aneuploidie mit Malignität und schlechter Prognose verbunden. Eine stetig wachsende Evidenzlage zeigt, dass Aneuploidie eine Vielzahl von Effekten auf zellulärer Ebene hat. Unter anderem führt Aneuploidie zu einer Beeinträchtigung der Zellproliferation, zu bestimmten Veränderungen des Transkriptoms und des Proteoms, sowie zu Störungen der zellulären Proteostase. Es ist allerdings unklar, welche Mechanismen die Proteostase und die Genexpression beeinträchtigen. Auch sind die genauen Konsequenzen der veränderten Genexpression noch nicht geklärt. Die in dieser Dissertation beschriebene Forschungsarbeit setzte sich zum Ziel, neue Erkenntnisse zur Beantwortung dieser Fragen beizutragen. Wir haben herausgefunden, dass menschliche aneuploide Zellen eine Beeinträchtigung in der HSP90-abhängigen Proteinfaltung aufweisen. Darüber hinaus zeigen wir, dass Aneuploidie die Induktion der zellulären Hitzeschockantwort hemmt, was auf eine Störung des Transkriptionsfaktors HSF1 hindeuten könnte. Tatsächlich führt eine Erhöhung der zellulären HSF1 Konzentration, entweder auf endogene oder auf exogene Weise, zu einer Umkehrung des Effekts von Aneuploidie auf die Funktion von HSP90, was die Hypothese stützt, dass die gestörte HSP90 Funktion in aneuploiden Zellen auf eine unzureichende Kapazität von HSF1 zurückzuführen ist. Wir zeigen außerdem, dass die geminderte Proteinfaltungskapazität zumindest teilweise für die komplexen Veränderungen in der Genexpression in aneuploiden Zellen verantwortlich ist. Eine der auffälligsten Veränderungen der Genexpression in aneuploiden Zellen ist die konstante Repression von Faktoren, die in die DNS-Transaktionen verwickelt sind. Aus diesem Grund setzten wir uns mit der zweiten in dieser Arbeit beschriebenen Studie zum Ziel, die Auswirkungen von Aneuploidie auf DNS-Replikation und auf die genomische Stabilität zu ermitteln. Unsere Analysen beweisen, dass in aneuploiden menschlichen Zellen die DNS-Replikation tatsächlich beeinträchtigt ist, was zu erhöhten Mengen von Anaphase-Brücken, fadenförmigen DNS-Brücken, Chromosombrüchen und letztendlich zu komplexen Umordnungen der Chromosomen führt. Wir zeigen, dass diese Schäden auf eine verringerte Expression der MCM2-7 Helikase zurückzuführen sind und durch Überexpression von MCM2-7 revidierten werden können. Die hier beschriebenen Ergebnisse liefern neue mechanistische Erkenntnisse zu den Ursachen der gestörten Proteostase in Aneuploidie und der Auswirkungen von beeinträchtigter Proteinfaltungskapazität auf aneuploide Zellen. Sie beweisen, dass Aneuploidie selbst imstande ist, das Genom zu destabilisieren und beschreiben den molekularen Mechanismus, der dazu führt. Zusammengefasst könnten die gewonnen Erkenntnisse wichtige Implikationen für die Rolle von Aneuploidie in Krankheitszuständen haben.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Aneuploidy, protein homeostasis, genome stability
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. Oktober 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Jentsch, Stefan