Bcl-xL (S49) and (S62) sequential phosphorylation/dephosphorylation during mitosis prevents chromosome instability and aneuploidy

Abstract

Une caractéristique intéressante de la protéine Bcl-xL est la présence d'un domaine en boucle non-structurée entre les hélices α1 and α2 de la protéine. Ce domaine protéique n'est pas essentiel pour sa fonction anti-apoptotique et absent chez CED-9, la protéine orthologue chez Caenorhabditis elegans. A l'intérieur de ce domaine, Bcl-xL subit une phosphorylation et déphosphorylation dynamique sur les résidus Ser49 et Ser62 en phase G2 du cycle cellulaire et lors de la mitose. Lorsque ces résidus sont mutés et les protéines exprimées dans des cellules cancéreuses, les cellules démontrent plusieurs défauts mitotiques liés à l'instabilité chromosomique. Pour analyser les effets de Bcl-xL Ser49 et Ser62 dans les cellules normales, les présentes études ont été réalisées dans des cellules diploïdes humaines normales, et in vivo chez Caenorhabditis elegans. Dans une première étude, nous avons utilisé la lignée cellulaire de cellules fibroblastiques diploïdes humaines normales BJ, exprimant Bcl-xL (type sauvage), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) et les double (S49/62A) et (S49/62D) mutants. Les cellules exprimant les mutants de phosphorylation ont montré des cinétiques de doublement de la population cellulaire réduites. Ces effets sur la cinétique de doublement de la population cellulaire corrèle avec l'apparition de la sénescence cellulaire, sans impact sur les taux de mort cellulaire. Ces cellules sénescentes affichent des phénotypes typiques de sénescence associés notamment à haut niveau de l'activité β-galactosidase associée à la sénescence, la sécrétion d' interleukine-6, l'activation de p53 et de p21WAF1/ Cip1, un inhibiteur des complexes kinase cycline-dépendant, ainsi que la formation de foyers de chromatine nucléaire associés à γH2A.X. Les analyses de fluorescence par hybridation in situ et des caryotypes par coloration au Giemsa ont révélé que l'expression des mutants de phosphorylation de Bcl-xL provoquent de l'instabilité chromosomique et l'aneuploïdie. Ces résultats suggèrent que les cycles de phosphorylation et déphosphorylation dynamiques de Bcl-xL Ser49 et Ser62 sont importants dans le maintien de l'intégrité des chromosomes lors de la mitose dans les cellules normales. Dans une deuxième étude, nous avons entrepris des expériences chez Caenorhabditis elegans pour comprendre l'importance des résidus Ser49 et Ser62 de Bcl-xL in vivo. Les vers transgéniques portant les mutations de Bcl-xL (S49A, S62A, S49D, S62D et S49/62A) ont été générés et leurs effets ont été analysés sur les cellules germinales des jeunes vers adultes. Les vers portant les mutations de Bcl-xL ont montré une diminution de ponte et d'éclosion des oeufs, des variations de la longueur de leurs régions mitotiques et des zones de transition, des anomalies chromosomiques à leur stade de diplotène, et une augmentation de l'apoptose des cellules germinales. Certaines de ces souches transgéniques, en particulier les variants Ser/Ala, ont également montré des variations de durée de vie par rapport aux vers témoins. Ces observations in vivo ont confirmé l'importance de Ser49 et Ser62 à l'intérieur du domaine à boucle de Bcl-xL pour le maintien de la stabilité chromosomique. Ces études auront une incidence sur les futures stratégies visant à développer et à identifier des composés qui pourraient cibler non seulement le domaine anti-apoptotique de la protéine Bcl-xL, mais aussi son domaine mitotique pour la thérapie du cancer.

An interesting feature of Bcl-xL protein is the presence of an unstructured loop domain between its α1 and α2 helices, a domain not essential for its anti-apoptotic function and absent in CED-9, ortholog protein in Caenorhabditis elegans. Within this domain, Bcl-xL undergoes dynamic phosphorylation and dephosphorylation at Ser49 and Ser62 during G2 and mitosis in human cancer cells. When these residues are mutated and proteins expressed in cancer cells, cells harbor mitotic defects, including chromosome mis-attachment, lagging, bridging and mis-segregation, events associated with chromosome instability and aneuploidy. To further analyze the effects of Bcl-xL Ser49 and Ser62 in normal cells, the present studies were performed in normal human diploid cells, and in vivo in Caenorhabditis elegans. First, we studied normal human diploid BJ foreskin fibroblast cells expressing Bcl-xL(wild type), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) and the dual (S49/62A) and (S49/62D) mutants. Cells expressing S49 and/or S62 phosphorylation mutants showed reduced kinetics of cell population doubling. These effects on cell population doubling kinetics correlated with early outbreak of senescence with no impact on the cell death rate. Senescent cells displayed typical senescence-associated phenotypes including high-level of senescence-associated β-galactosidase activity, interleukin-6 secretion, tumor suppressor p53 and cyclin-dependent kinase inhibitor p21Waf1/Cip1 activation as well as γH2A.X-associated nuclear chromatin foci. Fluorescence in situ hybridization analysis and Giemsa-banded karyotypes revealed that the expression of Bcl-xL phosphorylation mutants in normal diploid BJ cells provoked chromosome instability and aneuploidy. These findings suggest that dynamic Bcl-xL Ser49 and Ser62 phosphorylation/ dephosphorylation cycles are important in the maintenance of chromosome integrity during mitosis in normal cells. Second, we undertook experiments in Caenorhabditis elegans to understand the importance of Bcl-xL Ser49 and Ser62 in vivo. Transgenic worms carrying single-site S49A, S62A, S49D, S62D and dual-site S49/62A mutants were generated and their effects were analyzed in germlines of young adult worms. Worms expressing Bcl-xL variants showed decreased egg-laying and hatching, variations in the length of their mitotic regions and transition zones, chromosomal abnormalities at their diplotene stages, and increased germline apoptosis. Some of these transgenic strains, particularly the Ser to Ala variants, also showed slight modulations of lifespan compared to their controls. The in vivo observations confirmed the importance of Ser49 and Ser62 within the loop domain of Bcl-xL in maintaining chromosome stability. These studies could impact future strategies aiming to develop and identify compounds that could target not only the anti-apoptotic domain of Bcl-xL protein, but also its mitotic domain for cancer therapy.