German Title: Der positiv und negativ wirkende Transkriptionsfaktor Junb : Bedeutung in Epigenetik und Stressantwort

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Abstract

The AP-1 transcription factor is a central player in a multitude of biological processes from normal development to neoplastic transformation causing cancer. Junb, a subunit of AP-1, is special by the fact that it has at the same time activator and repressor functions. While positively regulated Junb target genes are principally required for proper vascular development, negative regulation of cytokines is of crucial importance to suppress pro-inflammatory and tumorigenic phenotypes. In this work, I approached this double-edge role of Junb by addressing two scientific questions: the mode of operation of Junb as negative transcription regulator and its impact in the ER stress response and apoptosis. First, I could show that, in addition to the general view of being an inhibitor of AP-1 by absorbing Jun activity, Junb also represses genes by epigenetic mechanisms. Although Junb did regulate neither the levels of histone acetylation nor the expression of HDACs, DNMTs and co-repressor complexes, few genes showed differential induction by HDAC inhibitors in wild-type and Junb-deficient fibroblasts. Presumably, these genes may be regulated through a yet to be identified Junb-dependent mechanism involving HDACs. Moreover, Junb regulated the DNA methylation of the imprinting control region of the gene H19. The molecular mechanisms involved in Junb-dependent epigenetic regulation appear to be novel and very unusual for an AP-1 member and remains to be fully solved. Secondly, I investigated the role of Junb in ER stress, a condition that has been described to contribute to hypoxia tolerance and tumor progression. Although Junb deficiency resulted in minor changes in the ER stress-triggered unfolded protein response (UPR), Junb-ablated MEFs were resistant towards apoptosis. Very high levels of activated pro-survival kinases resulted in aberrant post-translational modification of BH3-only proteins Bim and Bad and subsequent failure in mitochondria permeabilization and caspases activation. A soluble factor, most likely Pdgfb, elicited a pro-survival autocrine loop causative for the apoptosis resistance in absence of Junb. In summary, the negative regulation of cytokines and growth factors by Junb accounts for most of the deleterious effects observed in absence of Junb, except for the angiogenesis phenotype. Thus, the understanding of how Junb represses genes and the targeting of this specific mechanism would represent a promising therapeutic approach to treat in the future inflammatory disease and cancer.

Translation of abstract (German)

Der Transkriptionsfaktor AP-1 ist ein zentraler Akteur in einer großen Zahl biologischer Prozesse von der normalen Entwicklung bis zur neoplastischen Transformation, die zu Krebs führt. Junb, eine Untereinheit von AP-1, ist dadurch außergewöhnlich, dass Junb gleichzeitig Aktivator- und Repressorfunktionen hat. Während positiv regulierte Junb Zielgene in der Hauptsache für eine geordnete vaskuläre Entwicklung erforderlich sind, ist die negative Regulation von Zytokinen für die Unterdrückung von entzündlichen und tumorgenen Phänotypen von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit habe ich diese zweischneidige Rolle von Junb analysiert, indem ich zwei wissenschaftliche Fragen bearbeitete: die Arbeitsweise von Junb als negativer transkriptioneller Regulator und seinen Einfluss in der ER Stressantwort und Apoptose. Als Erstes konnte ich zeigen, dass zusätzlich zur generellen Ansicht, dass JunB AP-1 durch Abfangen der Jun Aktivität hemmt, Junb Gene auch über epigenetische Mechanismen inaktiviert. Obwohl Junb weder die Menge an Histonazetylierung, noch die Expression von HDACs, DNMTs und Ko-Repressorkomplexen regulierte, zeigten einige Gene in Wildtyp und Junb-defizienten Fibroblasten unterschiedliche Induktion nach HDAC Inhibitorgabe. Dies lässt vermuten, dass diese Gene durch einen noch zu identifizierenden Junb-abhängigen Mechanismus via HDACs reguliert sein könnten. Darüber hinaus regulierte Junb die DNA Methylierung der Imprinting Kontrollregion des H19 Gens. Der molekulare Mechanismus dieser Junb-abhängigen epigenetischen Regulation scheint neuartig und sehr ungewöhnlich für ein AP-1 Mitglied und muss noch vollständig geklärt werden. Als Zweites habe ich die Aufgabe von Junb im ER Stress untersucht, einem Zustand der mit Hypoxietoleranz und Tumorprogression im Zusammenhang steht. Obwohl das Fehlen von Junb zu minimalen Veränderungen im ER Stress induzierten Stoffwechselweg UPR führt, waren MEFs ohne Junb Apoptose-resistent. Sehr hohe Level an aktivierten überlebensstimulierenden Kinasen resultierten in veränderter posttranslationaler Modifikation der „BH-3 only“ Proteine Bim und Bad und im nachfolgendem Ausbleiben der Mitochondrienpermeabilisierung und Caspase-Aktivierung. Ein löslicher Faktor, sehr wahrscheinlich Pdgfb, löste einen überlebensfördernden autokrinen geschlossenen Regelkreis aus, der für die Apoptoseresistenz in Abwesenheit von Junb ursächlich ist. Zusammengefasst ist die negative Regulation von Zyktokinen und Wachstumsfaktoren durch Junb für die meisten schädlichen Auswirkungen verantwortlich, die mit Ausnahme des Angiogenesephänotyps, in Abwesenheit von Junb auftreten. Daher würde das Verständnis darüber wie Junb Gene reprimiert und der somit mögliche gezielte Eingriff in diesen Mechanismus ein viel versprechender therapeutischer Ansatz bieten, um künftig entzündliche Erkrankungen und Krebs zu behandeln.