Identification of pharmacological agents that induce HMGB1 release and inhibitors of conventional protein secretion

par Liwei Zhao

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Guido Kroemer.

Soutenue le 21-06-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Métabolisme, immunologie et cancer (Villejuif, Val-de-Marne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    Ll'identification d'agents pharmacologiques qui induisent la libération de HMGB1 et les inhibiteurs de sécrétion de protéine classiques


  • Résumé

    Le système RUSH, de l’anglais « Retention using selective hook » est un système développé récemment qui permet d'analyser et de quantifier en temps réel le transport d'une grande diversité de protéines. Le système RUSH permet, grâce à un excès de molécules de Streptavidine (Str.) dirigées dans différents compartiments cellulaires (appelées les hameçons), de retenir des protéines appelées les rapporteurs, comportant un biocapteur fluorescent tel que la GFP (« Green fluorescent protein ») fusionné avec un peptide SBP (« Streptavidin-binding peptide »). L’addition de biotine dans le milieu perturbe l’interaction entre SBP et la Streptavidine, libérant ainsi les rapporteurs de leur hameçon. Basé sur le système RUSH, nous avons établi une méthode de criblage pour identifier des agents pharmacologiques dotés de la capacité à induire la libération d’HMGB1 (« High Mobility Group Box 1 »). La translocation d’HMGB1 depuis le noyau vers le cytoplasme, ainsi que sa sécrétion ou libération passive dans l'espace extracellulaire à travers les membranes plasmiques perméabilisées, représente un signal de danger essentiel à l’activation du système immunitaire. Dans ce système RUSH modifié, une protéine de fusion du Str-NLS3 a été utilisée comme un hameçon nucléaire pour retenir la protéine chimère constituée d'HMGB1, SBP et GFP (HMGB1-SBP-GFP). Lorsque de la biotine est ajoutée en combinaison à des chimiothérapies inductrices de la mort cellulaire immunogène (ICD) telles que les anthracyclines, elle se lie de manière compétitive à Str-NLS3 et permet la libération et la translocation nucléo-cytoplasmique des rapporteurs HMGB1-SBP-GFP. Nous avons utilisé ce système pour des criblages à haut débit visant à identifier des agents induisant le relargage d’HMGB1. Les agents identifiés appartiennent à trois catégories différentes : les inducteurs connus de l’ICD, les inhibiteurs des microtubules et les modificateurs épigénétiques. Leur effet a été confirmé par des méthodes multiples de mesure de la quantité protéique d’HMGB1 nucléaire, cytoplasmique et extracellulaire dans des cellules humaines et murines in vitro ainsi que dans le plasma de souris. Nos données révèlent également que ces agents induisent la libération d’HMGB1 par des mécanismes distincts : arrêt du cycle cellulaire, acétylation des histones ou effets « on-target » par l'inhibition d’ADN méthyltransférase. Il serait alors intéressant d'étudier si les effets décrits ici peuvent contribuer aux effets immunostimulateurs des médicaments utilisés pour le traitement de cancers ou de maladies parasitaires.Le système RUSH permettant la synchronisation et la quantification de la sécrétion des protéines du réticulum endoplasmique (RE) vers l'appareil de Golgi, il permet de cribler un grand nombre de composés afin d’identifier des inhibiteurs des sécrétions candidates. Nous avons conçu et construit une lignée cellulaire humaine exprimant les chimères SBP-GFP sécrétables ainsi que les hameçons Str-KDEL ciblant l’ER ; la biotine permet donc la libération du rapporteur par les voies de sécrétion classiques. Nous avons identifié et validé plusieurs médicaments qui sont capables d’inhiber la sécrétion de protéines : les anti-angineux, les antidépresseurs, les anti-helminthiques, anti-psychotiques, anti-protozoaires, et agents immunosuppresseurs. Ces composés varient dans leur capacité à inhiber la synthèse des protéines et de compromettre la morphologie du RE ou l'intégrité du Golgi. Les données ont ensuite été soumises à une analyse bio-informatique et cette procédure a permis l'identification de quatre groupes en fonction de leur mode d'action. Cette partie démontre la faisabilité et l'utilité d'un nouvel essai de criblage phénotypique basé sur le système RUSH. Nous avons conçu des systèmes de HSC (« High Content Screening ») basés sur le système RUSH, qui ont permis l'identification d'agents pharmacologiques induisant la libération d’HMGB1, ainsi que des inhibiteurs de la sécrétion protéique.


  • Résumé

    The retention using selective hooks (RUSH) system allows withholding load cargoes with fluorescent biosensor such as green fluorescent proteins (GFP) fused to a streptavidin-binding peptide (SBP) by an excess of streptavidin (Str) molecules that are addressed to different subcellular localizations. Addition of biotin competitively disrupts this interaction, liberating the reporter from its hook. Based on the RUSH system, we developed a screening assay to identify pharmacological agents endowed with HMGB1 (high mobility group box 1) releasing capacities. The translocation of HMGB1 from the nucleus to the cytoplasm and its secretion or passive release through the permeabilized plasma membrane constitutes a major cellular danger signal. Extracellular HMGB1 can interact with specific pattern recognition receptors to stimulate pro-inflammatory and immunostimulatory pathways. In this modified RUSH system, a Str-NLS3 fusion protein was used as a nuclear hook to seize SBP fused with HMGB1 and GFP. When combined with biotin, which competitively binds to Stre-NLS3 to free the HMGB1-SBP-GFP, immunogenic cell death (ICD) inducers such as anthracyclines were able to cause the nucleo-cytoplasmic translocation of HMGB1-SBP-GFP. We used this system for high-content screenings (HCS) to identify HMGB1 releasing agents. Hits fell into three functional categories: known ICD inducers, microtubule inhibitors, and epigenetic modifiers. Their effective action was confirmed by multiple methods monitoring nuclear, cytoplasmic and extracellular HMGB1 pools, both in cultured human or murine cells, as well as in mouse plasma. These agents induced HMGB1 release through a whole set of distinct mechanisms, cell cycle arrest, histone acetylation, or on-target effect. It will be interesting to learn whether such effects may contribute to the immunostimulatory effects of drugs that are used to treat malignant disease or worm infection. For HCS of identification of pharmacological inhibitors of conventional protein secretion, we constructed a human cell line co-expressing soluble secretory-SBP-GFP (ss-SBP-GFP) and Str-KDEL hook within the endoplasmic reticulum (ER) lumen, and biotin addition releases the reporter, ss-SBP-GFP via the conventional Golgi-dependent protein secretion pathway into the culture supernatant. We identified and validated a series of molecularly unrelated drugs including antianginal, antidepressant, anthelmintic, antipsychotic, antiprotozoal and immunosuppressive agents that inhibit protein secretion. These compounds vary in their capacity to suppress protein synthesis and to compromise ER morphology and Golgi integrity, as well as in the degree of reversibility of such effects. These data was then subjected to bioinformatics analysis including correlation analyses, non-supervised hierarchical clustering, and principal component analysis and led to the identification of 4 clusters of agents. We demonstrate the feasibility and utility of a novel RUSH-based phenotypic screening assay. In summary, we built HCS systems based on the improved RUSH sysytem for identification of agents that induce HMGB1 release or inhibit conventional protein secretion.


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