Understanding and Drugging the Bcl-2 Transmembrane Interactome for Tumor Treatment

Lucendo Gutiérrez, Estefanía

doi:10.4995/Thesis/10251/155914

Riunet Móvil

Understanding and Drugging the Bcl-2 Transmembrane Interactome for Tumor Treatment

dc.contributor.advisor	Orzáez Calatayud, Mar	es_ES
dc.contributor.author	Lucendo Gutiérrez, Estefanía	es_ES
dc.date.accessioned	2020-11-26T13:14:13Z
dc.date.available	2020-11-26T13:14:13Z
dc.date.created	2020-10-14
dc.date.issued	2020-11-25	es_ES
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10251/155914
dc.description.abstract	[ES] La familia de proteínas Bcl-2 regula la apoptosis a través de una compleja red de interacciones. Las células tumorales suelen presentar mutaciones que afectan a su expresión o sus interacciones para mejorar la progresión tumoral. Además, alteraciones en su regulación también promueven la migración de células cancerígenas, la invasión y la metástasis. Para llevar a cabo sus funciones, las proteínas Bcl 2 interaccionan entre sí tanto en el citoplasma como en las membranas intracelulares. Los equilibrios de interacción de los dominios Bcl citosólicos se han investigado ampliamente y recientemente, se han propuesto como dianas terapéuticas. Sin embargo, el interactoma de los dominios transmembrana (TMD, del inglés transmembrane domains) sigue siendo poco conocido. Por ello, un conocimiento profundo de la biología de las proteínas Bcl-2 es necesario para explotar eficientemente sus superficies de unión en el tratamiento del cáncer. Para llevar a cabo este objetivo, nos hemos centrado en tres áreas: 1. La comprensión detallada de la contribución del TMD de Mcl-1 a su interactoma en membrana y su función. 2. El descubrimiento de nuevos inhibidores de Mcl-1 que actúen sobre su TMD y que permitan desarrollar una clase de drogas anticancerígenas aún por explorar. 3. La caracterización molecular de mutaciones relacionadas con el cáncer descritas en los TMD de Bcl-2 y Bcl-xL y sus implicaciones en la supervivencia de las células tumorales. La proteína antiapoptótica Mcl-1 inhibe a los miembros proapoptóticos Bak, Bax, Bok, Noxa, etc. Aunque se ha estudiado en detalle su actividad promoviendo la supervivencia celular, el mecanismo molecular por el cuál previene la apoptosis mediada por Bok aún no está claro. Además, el conocimiento de las actividades de Mcl-1, descritas hasta ahora, se basa exclusivamente en las estructuras resueltas de las regiones solubles en agua y en estudios centrados en los dominios citosólicos. Por primera vez, hemos demostrado la relevancia del TMD de Mcl-1 en su equilibrio de interacción. En este trabajo describimos su capacidad específica para homo- y hetero-oligomerizar con el TMD de Bok. También ponemos de manifiesto la influencia de estas interacciones en la modulación de apoptosis y resaltamos la relevancia clínica de los mutantes del TMD de Mcl-1 identificados en pacientes con cáncer. Muchos tumores hematológicos y sólidos sobre-expresan Mcl-1 como mecanismo para adquirir quimiorresistencia. Se han desarrollado miméticos de BH3 específicos para modular su actividad antiapoptótica en células cancerosas. Sin embargo, aún no disponemos de datos científicos que informen sobre su toxicidad y eficacia en humanos. En este trabajo, proponemos la novedosa interacción de los TMDs de Mcl-1 y Bok como un nuevo sitio de acción de fármacos quimioterapéuticos. Hemos identificado tres inhibidores de esta interacción con características que los hacen prometedores candidatos para el desarrollo farmacéutico, así como buenas herramientas moleculares para estudiar la interacción de los TMDs de Mcl-1 y Bok. Para modular la apoptosis, las células tumorales también presentan versiones mutadas de las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 y Bcl-xL. En nuestro conocimiento, este es el primer estudio que analiza mutaciones somáticas de sus TMDs. Nuestro trabajo demuestra cómo estas mutaciones alteran el equilibrio en membrana de las proteínas. Además, nuestros resultados explican la influencia que algunos mutantes somáticos ejercen en la regulación de la apoptosis. En general, los resultados científicos que aparecen en esta tesis resaltan el papel de los Bcl TMDs en el interactoma de las proteínas Bcl-2. Estos hallazgos corroboran que las interacciones laterales entre los TMDs son específicas y contribuyen activamente a la funcionalidad de la proteína. Por lo tanto, comprender los Bcl TMDs puede proporcionar nuevos conocimientos sobre la biología de las proteínas Bcl.	es_ES
dc.description.abstract	[CA] La família de proteïnes Bcl-2 regula l'apoptosi a través d'una complexa xarxa d'interaccions. Les cèl·lules tumorals solen presentar mutacions que afecten la seua expressió o les seues interaccions per a millorar la progressió tumoral. A més, alteracions en la seua regulació també promouen la migració de cèl·lules cancerígenes, la invasió i la metàstasi. Per a dur a terme les seues funcions, les proteïnes Bcl-2 interaccionen entre si tant en el citoplasma com en les membranes intracel·lulars. Els equilibris d'interacció dels dominis Bcl citosòlics s'han investigat àmpliament i recentment, s'han proposat com a dianes terapèutiques. No obstant això, l'interactoma dels dominis transmembrana (TMD, de l'anglés transmembrane domains) continua sent poc conegut. Per això, un coneixement profund de la biologia de les proteïnes Bcl-2 és necessari per a explotar eficientment les seues superfícies d'unió en el tractament del càncer. Per a dur a terme aquest objectiu, ens hem centrat en tres àrees: 1. La comprensió detallada de la contribució del TMD de Mcl-1 al seu interactoma en membrana i la seua funció. 2. El descobriment de nous inhibidors de Mcl-1 que actuen sobre el seu TMD i que permeten desenvolupar una classe de drogues anticanceroses encara per explorar. 3. La caracterització molecular de mutacions relacionades amb el càncer descrites en els TMD de Bcl-2 i Bcl-xL i les seues implicacions en la supervivència de les cèl·lules tumorals. La proteïna anti apoptòtica Mcl-1 inhibeix als membres pro apoptòtics Bak, Bax, Bok, Noxa, etc. Encara que s'ha estudiat detalladament la seua activitat promovent la supervivència cel·lular, el mecanisme molecular pel qual prevé l'apoptosi mediada per Bok encara no és clar. A més, el coneixement de les activitats de Mcl-1, descrites fins ara, es basa exclusivament en les estructures resoltes solubles en aigua i en estudis centrats en els dominis externs a la membrana. Per primera vegada, hem demostrat la rellevància del TMD de Mcl-1 el seu equilibri d'interacció. En aquest treball descrivim la seua capacitat específica per a unir-se amb si mateix i per a hetero-oligomeritzar amb el TMD de Bok. També expliquem la influència d'aquestes interaccions en l'apoptosi i ressaltem la rellevància clínica dels mutants del TMD de Mcl-1 identificats en pacients amb càncer. Molts tumors hematològics i sòlids sobre-expressen Mcl-1 com un mecanisme per a adquirir quimioresistència. S'han desenvolupat mimètics de BH3 específics per a modular la seua activitat anti apoptòtica en cèl·lules canceroses. No obstant això, encara no disposem de dades científiques que informen sobre la seua toxicitat i eficàcia en humans. Per això, proposem la nova interacció dels TMDs de Mcl-1 i Bok com un lloc d'actuació de fàrmacs quimioterapèutiques. Hem identificat tres inhibidors d'aquesta interacció amb característiques que els fan prometedors candidats per al desenvolupament farmacèutic, així com bones eines moleculars per a estudiar la interacció dels TMDs de Mcl-1 i Bok. Per a modular l'apoptosi, les cèl·lules tumorals també presenten versions mutades de les proteïnes anti apoptòtiques Bcl-2 i Bcl-xL. En el nostre coneixement, aquest és el primer estudi que analitza mutacions somàtiques de les seues TMDs. El nostre treball demostra com aquestes mutacions alteren l'equilibri en membrana de les proteïnes. A més, els nostres resultats expliquen la influència que alguns mutants somàtics exerceixen en la regulació de l'apoptosi. En general, els resultats científics que apareixen en aquesta tesi ressalten el paper dels Bcl TMDs en l'interactoma de les proteïnes Bcl-2. Aquestes troballes corroboren que les interaccions laterals entre els TMDs són específiques de la seqüència i contribueixen activament a la funcionalitat de la proteïna. Per tant, comprendre els Bcl TMDs pot proporcionar nous coneixements sobre la biologia de les proteïnes Bcl	es_ES
dc.description.abstract	[EN] The family of the Bcl-2 proteins modulates the apoptotic pathway by a complex network of interactions. Tumor cells frequently present mutations that affect Bcl-2 proteins expression or interactions to enhance cancer progression. Dysregulation of these proteins also promotes cancer cell migration, invasion, and metastasis. To execute their functions, Bcl-2 proteins interact in both the cytosol and intracellular membranes. Binding equilibria of Bcl extramembrane domains has been largely investigated and recently proposed as chemotherapeutic targets. However, the interactome of transmembrane domains (TMDs) remains poorly understood. In this scenario, a deep knowledge of the biology of Bcl-2 proteins is needed to exploit efficiently their binding surfaces for cancer treatment. To address this aim, our research focuses on three areas: 1. The detailed comprehension of the TMD contribution to both the Mcl-1 membrane interactome and protein functionality. 2. The discovery of new Mcl-1 inhibitors that target the transmembrane surface to develop a class of anticancer drugs currently unexplored. 3. The molecular characterization of cancer-related mutations within the Bcl-2 and Bcl-xL TMDs and their implications for the survival of cancer cells. Antiapoptotic Mcl-1 protein inhibits the proapoptotic members Bak, Bax, Bok, and Noxa, among others. Although its prosurvival activity has been well studied, the molecular mechanism to prevent Bok-mediated apoptosis remains unclear. Furthermore, understanding of Mcl-1 activities described to date is only based on water-soluble structures and studies focused on extramembrane domains. For the first time, we uncover the relevance of the Mcl-1 TMD in the interaction equilibria of the protein. In the present work, we describe its specific capacity to self-associate and hetero-oligomerize with the Bok TMD. We also explain the influence of these interactions in the apoptotic pathway and highlight the clinical relevance of Mcl-1 TMD mutants identified in tumor patients. Many hematological and solid malignancies overexpress Mcl-1 as an acquired chemoresistance mechanism. To modulate its antiapoptotic activity in cancer cells, specific BH3 mimetics have been developed; however, there is no scientific data yet regarding human toxicity and efficacy. In this work, we propose the novel Mcl-1 and Bok TMDs interaction interface as a drugging site in the development of chemotherapeutics. We identify three potential inhibitors of such molecular interface with promising features to become both drug candidates for pharmaceutical development and research toosl for the molecular study of the Mcl-1 and Bok TMDs interaction. To take advantage of apoptosis modulation, tumor cells also present mutated versions of the antiapoptotic members Bcl-2 and Bcl-xL. To our knowledge, this is the first study that analyzes patient-derived mutations within Bcl-2 and Bcl-xL TMDs and demonstrates how said mutations alter the membrane equilibria of these proteins. The results presented here also explain the functional influence of some somatic mutants in apoptosis regulation. Overall, the scientific results exhibited in this Thesis highlight the role of Bcl TMDs in the interactome of Bcl-2 proteins. These findings corroborate that lateral interactions between TMDs are sequence-specific and actively contribute to protein functionality. Therefore, understanding of Bcl transmembrane segments may provide new insights into the biology of Bcl 2 proteins for their pharmaceutical modulation in antitumoral therapy.	es_ES
dc.description.sponsorship	The student has been granted with a PhD fellowship and a short-term fellowship from the Generalitat Valenciana (Subvenciones para la contratación de personal investigador de carácter predoctoral, 2016-2019, and Grant for predoctoral stays out of the Comunitat Valenciana, 2019). This work has been supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (projects SAF2014-52614-R and SAF2017-84689-R	es_ES
dc.format.extent	210	es_ES
dc.language	Inglés	es_ES
dc.publisher	Universitat Politècnica de València	es_ES
dc.rights	Reserva de todos los derechos	es_ES
dc.subject	Apoptosis	es_ES
dc.subject	Bcl-2	es_ES
dc.subject	Transmembrane	es_ES
dc.subject	Mitochondria	es_ES
dc.subject	Mitocondrias
dc.subject	Transmembrana
dc.subject	Bcl-2 Transmembrana
dc.title	Understanding and Drugging the Bcl-2 Transmembrane Interactome for Tumor Treatment	es_ES
dc.type	Tesis doctoral	es_ES
dc.identifier.doi	10.4995/Thesis/10251/155914	es_ES
dc.relation.projectID	info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016/SAF2017-84689-R/ES/DESCIFRANDO Y MODULANDO EL INTERACTOMA TRANSMEMBRANA DE LAS PROTEINAS BCL-2 COMO DIANA ANTITUMORAL/	es_ES
dc.relation.projectID	info:eu-repo/grantAgreement/MINECO//SAF2014-52614-R/ES/EL INTERACTOMA DE LOS DOMINIOS TRANSMEMBRANA DE LAS PROTEINAS BCL-2 COMO DIANA ANTITUMORAL/	es_ES
dc.rights.accessRights	Abierto	es_ES
dc.contributor.affiliation	Universitat Politècnica de València. Departamento de Biotecnología - Departament de Biotecnologia	es_ES
dc.description.bibliographicCitation	Lucendo Gutiérrez, E. (2020). Understanding and Drugging the Bcl-2 Transmembrane Interactome for Tumor Treatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/155914	es_ES
dc.description.accrualMethod	TESIS	es_ES
dc.type.version	info:eu-repo/semantics/acceptedVersion	es_ES
dc.relation.pasarela	TESIS\11735	es_ES
dc.contributor.funder	Generalitat Valenciana	es_ES
dc.contributor.funder	Ministerio de Economía y Competitividad	es_ES
dc.contributor.funder	Agencia Estatal de Investigación	es_ES