Decreased expression of MLH1 affects mitochondrial function, oxidative stress responses, and cytoskeletal organization
| Title: | Decreased expression of MLH1 affects mitochondrial function, oxidative stress responses, and cytoskeletal organization |
| Author(s): | Kyriacou, Mikael Sakarias |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Genetics and Molecular Biosciences |
| Specialisation: | Genetics and genomics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2021 |
| Abstract: |
MLH1 koodaa yhtä neljästä DNA:n emäspariutumavirheiden korjaukseen (mismatch repair, MMR) osallistuvista proteiineista MSH2:n, MSH6:n ja PMS2:n ohella. MMR:n ensisijainen tehtävä on tunnistaa DNA:n replikaation aikana syntyviä emäspariutumavirheitä ja insertio-/deleetiosilmukoita ja avustaa niiden korjauksessa. Heterotsygoottisesti periytyvät patogeeniset mutaatiot MMR-geeneissä johtavat Lynch oireyhtymään, joka altistaa mutaation kantajan usealle eri syövälle, erityisesti paksusuolisyövälle. MMR-geenin ilmentymisen menetys aiheuttaa MMR:n vajaatoimintaa, joka johtaa mikrosatelliittien epävakauteen eli mutaatioiden kertymiseen DNA:n mikrosatelliitti-toistojaksoihin. MMR: vajaatoiminnan aiheuttamaa kasvanutta mutaatiotaakkaa pidetään MMR:n vajaatoimintaa ilmentävien solujen genomisen epävakauden ja tuumorigeneesin ajavana tekijänä.
MMR:n lisäksi MLH1:llä ja MMR-koneistolla on rooleja muissa karsinogeneesiä vastustavissa solutoiminnoissa, kuten DNA-vaurioiden signaloinnissa ja kaksijuosteisten DNA-vaurioiden korjauksessa. Hiljattain MLH1:llä on osoitettu olevan myös merkittävä rooli mitokondriaalisen metabolian säätelyssä sekä oksidatiivisen stressin vasteessa. MMR:n normaalia toimintaa ilmentävien kasvaimien tunnistaminen Lynch oireyhtymää sairastavilla potilailla on nostanut esiin kysymyksen siitä, voisiko alentunut funktionaalisen MLH1:n määrä MLH1:n mutaation kantajilla aiheuttaa ongelmia näissä solutoiminnoissa johtaen poikkeaviin tuumorigeneesipolkuihin. Tätä tukee huomio, jonka mukaan MLH1:n rooli solusyklin säätelyssä DNA-vaurioiden signaloinnissa on huomattavasti herkempi alentuneelle MLH1 proteiinin määrälle kuin sen rooli MMR:ssä.
Tutkielman päätavoite oli tutkia alentuneen MLH1:n ilmentymisen vaikutusta muiden geenien ilmentymiseen, solutoimintoihin sekä mahdollisiin poikkeaviin tuumorigeneesipolkuihin. Tämän saavuttamiseksi, eritasoisesti MLH1:tä ilmentävien ihmisen fibroblastien koodaava transkriptomi sekvensoitiin, ja sekvensoinnista saatu data analysoitiin. Tutkimus paljasti, että alentunut MLH1:n ilmentyminen vaikuttaa mitokondrioiden toimintaan sekä oksidatiivisen stressin vasteeseen osallistuviin solutoimintoihin soluissa, jotka ilmentävät toiminnallista MMR:ää. Alassäätely kohdistui erityisesti NRF2:n kontrolloimiin soluja suojeleviin toimintoihin. MLH1:n alentuneella ilmentymisellä oli vaikutus myös useaan solun tukirangan uudelleenjärjestäytymiseen sekä solujen ja soluväliaineen vuorovaikutuksiin liittyviin solutoimintoihin.
Nämä tulokset vahvistavat hiljattain tehtyjä huomioita siitä, että MLH1:llä on rooli mitokondrioiden toiminnan säätelyssä ja oksidatiivisen stressin lievittämisessä, ja että nämä toiminnot ovat kytköksissä. Tutkimus tuo esiin myös uutta tietoa MLH1:n mahdollisesta roolista solun tukirangan säätelyssä, joka ei ole aiemmin saanut merkittävää huomiota. Alentuneen MLH1:n ilmentymisen aiheuttama mitokondrioiden toimintahäiriö, kasvanut oksidatiivinen stressi ja solun tukirangan uudelleenjärjestäytyminen voivat toimia ilmiöinä, jotka mahdollistavat solujen muutoksen syöpäsoluiksi ennen MMR:n toiminnan menetystä.
MLH1 is a gene that codes for one of the four mismatch repair (MMR) proteins alongside MSH2, MSH6, and PMS2. The main function of the MMR proteins is to recognize base mismatches and insertion-deletion loops formed during DNA replication and aid in their excision. Inherited heterozygous pathogenic variants in any of the four MMR genes lead to Lynch syndrome, an inherited cancer syndrome that predisposes to multiple different cancer types, most notably colorectal cancer. Loss of the expression of an MMR gene causes MMR-deficiency, which leads to microsatellite instability, the accumulation of mutations in microsatellite regions of the DNA. The higher mutational burden caused by MMR-deficiency is thought to be the main driving force of genomic instability and tumorigenesis in MMR-deficient cells.
In addition to MMR, MLH1 and the MMR machinery have roles in other anticarcinogenic cellular processes, such as DNA damage signaling and DNA double-strand break repair. Recently, MLH1 has also been shown to have a significant role in regulating mitochondrial metabolism and oxidative stress responses. The identification of MMR-proficient tumors in Lynch syndrome patients begs the question whether the lower amount of functional MLH1 observed in MLH1 mutation carriers could cause problems with these functions and pose alternative routes to tumorigenesis. In line with this, it has been shown that the role of MLH1 in cell cycle regulation in DNA damage signaling is notably more sensitive to decreased amount of the protein compared to its role in MMR.
The main goal of the thesis was to study the effects of decreased MLH1 expression on gene expression, cellular functions, and possible alternative tumorigenic pathways. In order to achieve this, the coding transcriptome of human fibroblast cell lines expressing MLH1 at different levels was sequenced and the resulting data analyzed. The study revealed that decreased MLH1 expression affects cellular functions associated with mitochondrial function and oxidative stress responses in cells with functional MMR. Particularly NRF2-controlled cytoprotective defence systems were observed to be downregulated. Decreased MLH1 expression was also observed to affect several cellular functions associated with reorganization of the cytoskeleton and interactions with the extracellular matrix.
These results strengthen the recently made notions that MLH1 has a role in controlling the function of mitochondria and in mitigating oxidative stress, and that these two functions are connected. The study also brings to light new information on the possible role of MLH1 in controlling the organization of the cytoskeleton, which has previously received little attention. Dysfunction of mitochondria, increased oxidative stress, and reorganization of the cytoskeleton, as a result of decreased MLH1 expression, could pose events that facilitate malignant transformation of cells prior to the total loss of MMR function.
|
| Keyword(s): | MLH1 mismatch repair MMR Lynch syndrome cancer colorectal cancer RNA-seq RNA-seq data analysis differential gene expression analysis |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Kyriacou_Mikael_thesis_2021.pdf | 1.497Mb |