Stress management : multilayer regulation of the heat shock response

Protein-damaging stresses, such as exposure to elevated temperature, alcohol, and heavy metals and microbial infections, increase the amount of misfolded proteins in cells, which may lead to formation of toxic protein aggregates. In order to counteract detrimental effects of proteotoxic stresses, all organisms have developed a specific response, called the heat shock response (HSR). Upon the HSR activation, synthesis of heat shock proteins (HSPs) increases. HSPs function as molecular chaperones to aid in the refolding of misfolded proteins and prevent formation of protein aggregates. The inducible expression of HSP genes is mediated by heat shock factors (HSFs). Mounting the HSR involves trimerization, nuclear accumulation, gain of DNA-binding and transactivation capacity of HSF1 and coincides with extensive post-translational modifications of HSF1. However, the importance of these modifications on HSF1 activity has remained elusive. This PhD thesis describes the functional impact of stress-inducible phosphorylation of HSF1 on the HSR. While HSF1 phosphorylation upon stress is not required for the HSR activation, it defines the onset of the HSR and fine-tunes the magnitude of the response. Moreover, a chaperone co-inducer BGP-15 was found to augment the HSR, due to its ability to inhibit histone deacetylases (HDACs). BGP-15 as an HDAC inhibitor increases chromatin accessibility at multiple genomic loci including HSP genes and accelerates HSF1 activation in the event of proteotoxic stress. Furthermore, HDAC inhibitors can function as chaperone co-inducers and have cytoprotective effect for cells exposed to stress. Taken together, this study provides valuable information on molecular mechanisms regulating the HSR, which can serve as a basis for further development of pharmaceuticals aimed to activate, enhance or repress the HSR. SAMMANFATTING (Swedish Abstract) Cellens överlevnad är beroende av förmågan att upprätthålla proteiners struktur och funktion. De cellulära proteinerna är uppbyggda av aminosyrakedjor och de är essentiella för nästan varje uppgift av cellulärt liv. För att kunna överleva cellulär stress som skadar proteiners struktur, aktiverar cellen specifika försvarsmekanismer. Förändringar i den intracellulära eller extracellulära omgivningen, vilka skadar proteostasen, aktiverar den evolutionärt konserverade försvarsmekanismen som kallas för värmechockresponsen (eng. heat shock response, HSR). Aktiveringen av HSR leder till en markant ökning i uttryck av värmechockproteiner (eng. heat shock proteins, HSPs). HSP:er är molekylära chaperoner som hjälper andra proteiner att upprätthålla sin struktur och funktion. Molekylära chaperoner kan dessutom hindra formationen av toxiska proteinaggregat och i situationer där proteiners struktur är allvarligt skadade kan HSP:er rikta dem för nedbrytning. Under HSR är uttrycket av HSP-generna strikt reglerade av värmechockfaktorer (eng. heat shock factors, HSFs). I däggdjur är HSF1 den huvudsakliga regleraren av HSR. Vid cellulär stress bildar HSF1 trimerer, vilka i sin tur ansamlas i cellkärnan där de binder till promotorregioner vid sina målgener. Under aktiverings-attenueringsräckan av HSR genomgår HSF1 omfattande posttranslationella modifieringar, såsom fosforylering. Det är dock okänt i vilken grad dessa ändringar påverkar HSF1:s transaktiveringskapacitet. Stressinducerbar fosforylering har ansetts krävas för aktivering av HSF1, men klara bevis för eller emot denna hypotes saknas. Inducerad aktivering av HSR anses vara en lovande behandlingsmetod för att återställa proteinhomeostasen i sjukdomstillstånd, såsom neurodegeneration. Flera analyser har identifierat ett stort antal HSF1-aktivatorer, men många av dem ger upphov till allvarliga biverkningar, vilket avhåller deras användning i kliniker. Följaktligen betraktas så kallade chaperonkoincuderare som en alternativ metod för att öka på HSP-uttrycket i olika sjukdomstillstånd eftersom de kan inte direkt aktivera HSR. Den exakta mekanismen för deras verkan är dock ännu okänd, vilket avhåller deras utveckling som effektiva läkemedel. I denna avhandling har jag skapat en HSF1-mutant, som saknar bindningsställen för fosfor, för att kunna studera den funktionella inverkan av fosforylering vid HSF1:s aktivering. Med hjälp av denna mutant har jag visat att stressinducerbar fosforylering inte är nödvändigt för HSF1:s aktivering, men att den istället styr tröskelvärdet för dess aktivering. Dessutom visar jag i denna avhandling att chaperonkoinduceraren BGP-15 ökar på uttrycket av HSP:er under cellulära stresser genom att öppna kromatinet. Denna egenskap beror på att BGP-15 kan inhibera histondeacetylaser (eng. histone deacetylases, HDACs). BGP-15 kan dessutom påverka tröskelvärdet för HSF1:s aktivering, vilket möjliggör HSF1:s aktivering under stressförhållanden som normalt inte skulle aktivera HSR. Dessa resultat visar att chaperonkoinducerare kan förstärka HSR och därmed öka på cellens förmåga att hantera proteinskadande stress.