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Allosteric activation mechanism of a human oncogenic chromatin remodeler ALC1
Allosteric activation mechanism of a human oncogenic chromatin remodeler ALC1
The packaging of the genetic material in the form of chromatin is the fundamental level of regulation for genome-templated processes. Chromatin folding acts as a crucial platform for nuclear processes by regulating the spatio-temporal access to the underlying DNA sequence, thereby regulating DNA transcription, replication, recombination, repair and genome maintenance. Many mechanisms exist to establish this regulation, one of which is via the regulated recruitment and activation of ATP-dependent chromatin-remodelling enzymes. These remodelers use the energy of ATP to remodel, space and/or disrupt nucleosomes or other DNA–protein complexes. One such previously described chromatin remodeler is ALC1 (Amplified in Liver Cancer 1), which is implicated in human cancers, and requires the activity of NAD+-dependent enzyme poly-ADP-ribose (PAR) polymerase 1 (PARP1) for its remodelling activity. ALC1 has a C- terminal poly-ADPr binding macrodomain and an N-terminal Snf2-like ATPase motor domain separated by a linker. This modular architecture provides a way to couple DNA damage induced PARP1-mediated poly-ADP-ribosylation with ATP-dependent remodelling. ALC1’s ATPase activity is strictly dependent on its intact ADPr-binding pocket of the macrodomain, suggesting the existence of a currently unique, post-translationally regulated allosteric activation mechanisms for this chromatin remodeler. However, how PAR regulates ALC1 structure and function was not known. In my core PhD project, I was able to establish that the macrodomain interacts with the ATPase domain and mediates auto-inhibition. DNA damage-induced PARP1 activation suppresses the inhibitory interaction. Poly-ADPr binding to the macrodomain releases auto-inhibition. We identified tri-ADPr as the minimal ligand acting as a potent allosteric effector, capable of disrupting ATPase-macrodomain interaction. The loss of interaction triggers an ungated, active conformation. Consistently, ALC1 fragments lacking the macrodomain decompact chromatin without requiring PARP1 activation. Further, the ATPase restricts the macrodomain’s interaction with PARP1 unless DNA damage is induced. In addition, I found that somatic cancer mutants disrupt ALC1’s auto-inhibition and promote chromatin remodeling. Our data show that the NAD+-metabolite PAR induces a conformational switch in the ALC1 that releases auto-inhibition to drive chromatin relaxation. Modular allostery in this chromatin remodeling oncogene triggers its robust, DNA-damage-dependent activation. My research may catalyze the development of small molecule therapeutics using ALC1 as potential target of clinical relevance. During my PhD, I also worked on many other projects out of which two are part of published results and therefore are also included in this cumulative dissertation; 1. The NASP histone chaperone - histone H3 interactions and the histone chaperoning mechanism thereof, 2. Circadian rhythm protein-protein interaction i.e Cry 1 interaction surface with the FBXL3 and PER2 and insights into the circadian function thereof., Die Verpackung des genetischen Materials in Form von Chromatin ist ein grundlegender Mechanismus für die Regulierung genomgestützter Prozesse. Die Chromatinstruktur dient hierbei als wichtige Plattform für nukleär e Vorgänge. Durch die spezifische Steuerung des räumlichen und zeitlichen Zugangs der zugrundeliegenden DNA-Sequenz werden genomgestützte Prozesse wie Transkription, Replikation, Rekombination, Reparatur und Genom-Engineering reguliert. Es existieren unterschiedliche Mechanismen, um diese Regulation zu gewährleisten. Einer dieser Mechanismen erfolgt über die Rekrutierung und Aktivierung ATP-abhängiger Chromatin-Remodeling-Enzyme. Diese sogenannten Remodeler nutzen die Energie von ATP, um Nukleosomen oder andere DNA- Protein-Komplexe zu verschieben, umzugestalten, deren Strukturen aufzulockern oder ganz aufzulösen, und hierdurch die genomassoziierten Prozesse zu steuern. Ein solcher kürzlich beschriebener Chromatin-Remodeler ist ALC1 (Amplified in Liver Cancer 1), von dem vielfach gezeigt werden konnte, dass er bei der Entstehung verschiedener Krebsarten beteiligt ist. ALC1 benötigt für seine Remodeling-Aktivität das NAD+-abhängige Enzym Poly-ADP-Ribose-Polymerase 1 (PARP1). ALC1 besteht aus einer C-terminalen ADP-Ribose-bindende Makrodomäne und einer N- terminale Snf2-ähnlichen ATPase-Motordomäne, die über eine Linkerregion miteinander verbunden sind. Diese modulare Struktur ermöglicht es, die durch DNA-Schäden induzierte PARP1-vermittelte Poly-ADP-Ribosylierung mit ATP- abhängigem Chromatin-Remodeling zu koppeln. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die ATPase-Aktivität von ALC1 strikt von seiner intakten ADP- Ribose-Bindungstasche der Makrodomäne abhängig ist. Dies weist auf eine einzigartige allosterische Regulation dieses Chromatin-Remodelers durch post- translationale Modifikationen hin. Allerdings ist der detaillierte Struktur- Funktionsmechanismus noch nicht bekannt. Im Hauptteil meiner Doktorarbeit zeige ich, dass die Makrodomäne mit der ATPase-Domäne interagiert und Autoinhibition vermittelt. Die durch DNA- Schädigung induzierte PARP1-Aktivierung und die Bindung von Poly-ADP-Ribose (PAR) an die Makrodomäne beendet diese inhibitorische Interaktion. Wir konnten Tri-ADP-Ribose als den minimalen Liganden identifizieren, der als ein potenter allosterischer Effektor die ATPase-Makrodomänen-Wechselwirkung aufbricht, aus der eine Konformationsänderung in eine offene, aktive Form resultiert. Hiermit übereinstimmend dekomprimieren ALC1-Fragmente, denen die Makrodomäne fehlt, Chromatin, ohne dass eine PARP1-Aktivierung erforderlich ist. Des Weiteren unterbindet die ATPase-Domäne die Interaktion der Makrodomäne mit PARP1, sofern keine DNA-Schädigung induziert wird. Ich konnte außerdem zeigen, dass somatische Krebsmutationen dieses Chromatin-Remodelers die Auto-Inhibition unterbrechen und die Chromatin-Remodellierung aktivieren. Unsere Daten zeigen, dass der NAD+-Metabolit PAR einen Konformationswechsel in ALC1 induziert, hierdurch die Autoinhibition aufgehoben wird und letztendlich Chromatinrelaxation resultiert. Eine modulare Allosterie in diesem onkogenen Chromatin-Remodeler löst eine stabile DNA-Schadens-abhängige Aktivierung aus. Diese Arbeit könnte die Entwicklung von niedermolekularen Therapeutika unterstützen, die ALC1 als potentielles Wirkstoffziel für eine klinischen Anwendung haben. Während meiner Doktorarbeit habe ich an zwei weiteren Projekten gearbeitet, von denen Teile meiner Ergebnisse in Publikationen eingeflossen sind: 1. Die Histonchaperon NASP-Histon H3 Interaktion und der zugrundeliegende Histonchaperon-Mechanismus, 2. Protein-Protein Interaktionen des circadianen Rythmus, u.a. die Interaktion von Cry 1 mit FBXL3 und PER2, und der Einfluss dieser Interaktion auf den circadianen Rythmus.
allostery, auto-inhibition, cancer, chromatin plasticity, enzyme, metabolite, ligand, oncogene, PARP, signaling
Singh, Hari Raj
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Singh, Hari Raj (2018): Allosteric activation mechanism of a human oncogenic chromatin remodeler ALC1. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

The packaging of the genetic material in the form of chromatin is the fundamental level of regulation for genome-templated processes. Chromatin folding acts as a crucial platform for nuclear processes by regulating the spatio-temporal access to the underlying DNA sequence, thereby regulating DNA transcription, replication, recombination, repair and genome maintenance. Many mechanisms exist to establish this regulation, one of which is via the regulated recruitment and activation of ATP-dependent chromatin-remodelling enzymes. These remodelers use the energy of ATP to remodel, space and/or disrupt nucleosomes or other DNA–protein complexes. One such previously described chromatin remodeler is ALC1 (Amplified in Liver Cancer 1), which is implicated in human cancers, and requires the activity of NAD+-dependent enzyme poly-ADP-ribose (PAR) polymerase 1 (PARP1) for its remodelling activity. ALC1 has a C- terminal poly-ADPr binding macrodomain and an N-terminal Snf2-like ATPase motor domain separated by a linker. This modular architecture provides a way to couple DNA damage induced PARP1-mediated poly-ADP-ribosylation with ATP-dependent remodelling. ALC1’s ATPase activity is strictly dependent on its intact ADPr-binding pocket of the macrodomain, suggesting the existence of a currently unique, post-translationally regulated allosteric activation mechanisms for this chromatin remodeler. However, how PAR regulates ALC1 structure and function was not known. In my core PhD project, I was able to establish that the macrodomain interacts with the ATPase domain and mediates auto-inhibition. DNA damage-induced PARP1 activation suppresses the inhibitory interaction. Poly-ADPr binding to the macrodomain releases auto-inhibition. We identified tri-ADPr as the minimal ligand acting as a potent allosteric effector, capable of disrupting ATPase-macrodomain interaction. The loss of interaction triggers an ungated, active conformation. Consistently, ALC1 fragments lacking the macrodomain decompact chromatin without requiring PARP1 activation. Further, the ATPase restricts the macrodomain’s interaction with PARP1 unless DNA damage is induced. In addition, I found that somatic cancer mutants disrupt ALC1’s auto-inhibition and promote chromatin remodeling. Our data show that the NAD+-metabolite PAR induces a conformational switch in the ALC1 that releases auto-inhibition to drive chromatin relaxation. Modular allostery in this chromatin remodeling oncogene triggers its robust, DNA-damage-dependent activation. My research may catalyze the development of small molecule therapeutics using ALC1 as potential target of clinical relevance. During my PhD, I also worked on many other projects out of which two are part of published results and therefore are also included in this cumulative dissertation; 1. The NASP histone chaperone - histone H3 interactions and the histone chaperoning mechanism thereof, 2. Circadian rhythm protein-protein interaction i.e Cry 1 interaction surface with the FBXL3 and PER2 and insights into the circadian function thereof.

Abstract

Die Verpackung des genetischen Materials in Form von Chromatin ist ein grundlegender Mechanismus für die Regulierung genomgestützter Prozesse. Die Chromatinstruktur dient hierbei als wichtige Plattform für nukleär e Vorgänge. Durch die spezifische Steuerung des räumlichen und zeitlichen Zugangs der zugrundeliegenden DNA-Sequenz werden genomgestützte Prozesse wie Transkription, Replikation, Rekombination, Reparatur und Genom-Engineering reguliert. Es existieren unterschiedliche Mechanismen, um diese Regulation zu gewährleisten. Einer dieser Mechanismen erfolgt über die Rekrutierung und Aktivierung ATP-abhängiger Chromatin-Remodeling-Enzyme. Diese sogenannten Remodeler nutzen die Energie von ATP, um Nukleosomen oder andere DNA- Protein-Komplexe zu verschieben, umzugestalten, deren Strukturen aufzulockern oder ganz aufzulösen, und hierdurch die genomassoziierten Prozesse zu steuern. Ein solcher kürzlich beschriebener Chromatin-Remodeler ist ALC1 (Amplified in Liver Cancer 1), von dem vielfach gezeigt werden konnte, dass er bei der Entstehung verschiedener Krebsarten beteiligt ist. ALC1 benötigt für seine Remodeling-Aktivität das NAD+-abhängige Enzym Poly-ADP-Ribose-Polymerase 1 (PARP1). ALC1 besteht aus einer C-terminalen ADP-Ribose-bindende Makrodomäne und einer N- terminale Snf2-ähnlichen ATPase-Motordomäne, die über eine Linkerregion miteinander verbunden sind. Diese modulare Struktur ermöglicht es, die durch DNA-Schäden induzierte PARP1-vermittelte Poly-ADP-Ribosylierung mit ATP- abhängigem Chromatin-Remodeling zu koppeln. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die ATPase-Aktivität von ALC1 strikt von seiner intakten ADP- Ribose-Bindungstasche der Makrodomäne abhängig ist. Dies weist auf eine einzigartige allosterische Regulation dieses Chromatin-Remodelers durch post- translationale Modifikationen hin. Allerdings ist der detaillierte Struktur- Funktionsmechanismus noch nicht bekannt. Im Hauptteil meiner Doktorarbeit zeige ich, dass die Makrodomäne mit der ATPase-Domäne interagiert und Autoinhibition vermittelt. Die durch DNA- Schädigung induzierte PARP1-Aktivierung und die Bindung von Poly-ADP-Ribose (PAR) an die Makrodomäne beendet diese inhibitorische Interaktion. Wir konnten Tri-ADP-Ribose als den minimalen Liganden identifizieren, der als ein potenter allosterischer Effektor die ATPase-Makrodomänen-Wechselwirkung aufbricht, aus der eine Konformationsänderung in eine offene, aktive Form resultiert. Hiermit übereinstimmend dekomprimieren ALC1-Fragmente, denen die Makrodomäne fehlt, Chromatin, ohne dass eine PARP1-Aktivierung erforderlich ist. Des Weiteren unterbindet die ATPase-Domäne die Interaktion der Makrodomäne mit PARP1, sofern keine DNA-Schädigung induziert wird. Ich konnte außerdem zeigen, dass somatische Krebsmutationen dieses Chromatin-Remodelers die Auto-Inhibition unterbrechen und die Chromatin-Remodellierung aktivieren. Unsere Daten zeigen, dass der NAD+-Metabolit PAR einen Konformationswechsel in ALC1 induziert, hierdurch die Autoinhibition aufgehoben wird und letztendlich Chromatinrelaxation resultiert. Eine modulare Allosterie in diesem onkogenen Chromatin-Remodeler löst eine stabile DNA-Schadens-abhängige Aktivierung aus. Diese Arbeit könnte die Entwicklung von niedermolekularen Therapeutika unterstützen, die ALC1 als potentielles Wirkstoffziel für eine klinischen Anwendung haben. Während meiner Doktorarbeit habe ich an zwei weiteren Projekten gearbeitet, von denen Teile meiner Ergebnisse in Publikationen eingeflossen sind: 1. Die Histonchaperon NASP-Histon H3 Interaktion und der zugrundeliegende Histonchaperon-Mechanismus, 2. Protein-Protein Interaktionen des circadianen Rythmus, u.a. die Interaktion von Cry 1 mit FBXL3 und PER2, und der Einfluss dieser Interaktion auf den circadianen Rythmus.