title: Characterization of DYRK1A as a non-canonical modulator of the Hedgehog signaling pathway
title: Charakterisierung von DYRK1A als nicht-kanonischer Modulator des Hedgehog-Signalwegs
Creators: name: Schneider, Philipp
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Forschung
Medizin, Gesundheit
DYRK1A , Hedgehog
Krebs , Down-Syndrom
Biologie , Medizin
Krebsforschung

description: The Hedgehog (HH) signaling
      pathway plays a pivotal role during embryogenesis. Except for
      few exceptions it is inactive in adults and ectopic
      reactivation can lead to the development of cancer. 30 % of
      all tumors show increased HH activity. Besides canonical
      pathway activation by a HH ligand alternative routes leading
      to increased activation of the GLI-Kruppel family
      transcription factors GLI1, GLI2 and GLI3 exist. Here dual
      specificity tyrosine-phosphorylation regulated kinases
      (DYRKs) play emerging roles. DYRK1B and DYRK2 counteract the
      HH pathway. In the literature DYRK1A is characterized as a
      positive factor for GLI1 by direct phosphorylation depending
      on GLI1’s N terminus bearing activating functions such as an
      accumulation of GLI1 in the nucleus. The clarification of
      this mechanism is a worthwhile aim, since protein kinases are
      ideal targets for highly potent pharmaceuticals. This work
      confirms the positive effect of transiently overexpressed
      DYRK1A on GLI1. Serine 102, 104, 130 and 132 were of
      importance to that suggesting a phosphorylation of these
      amino residues. The serines 102 and 104 and also 130 and 132
      each form together with a proline a general nuclear
      translocation signal. Besides, this work shows the
      disassembly of the SUFU-GLI1 complex by DYRK1A depending on
      its kinase activity but not on the aforementioned serine
      residues hinting at additional regulatory mechanisms on GLI1
      by DYRK1A. Further experiments showed different effects of
      DYRK1A on HH signaling ranging from the expected stimulatory
      effect to an inhibition of the signaling pathway. An in vitro
      kinase screen performed by the group showed the ACTIN binding
      LIM protein 1 (ABLIM1) as phosphorylation target of DYRK1A
      and further investigation revealed ABLIM1 (and ABLIM2) and
      also the downstream effectors MKL1 (megakaryoblastic leukemia
      1) and KDM3A (lysine-specific demethylase 3A) as postitve
      factors for the HH pathway. We hypothesize that DYRK1A
      phosphorylates ABLIM proteins leading to their release from
      ACTIN filaments. The consequential increment of the G ACTIN
      pool leads to an inhibition of MKL1 with the result that it
      no longer promotes the expression of HH target genes together
      with KDM3A. This shows a new non-canonical mechanism of HH
      pathway regulation by DYRK1A that could explain the observed
      inhibitory role of the kinase. The connection of HH Signaling
      with the field of MKL1 mediated target gene expression
      enables a cross-link with a number of cellular processes. The
      novel insights obtained in this work contribute to the
      clarification of the complex modulation of the HH pathway und
      so are an important step for the targeted development of
      therapeutic approaches concerning tumor diseases resulting
      from a deregulation of the HH pathway.
description: Der Hedgehog (HH)-Signalweg spielt
      eine besondere Rolle während der Embryonalentwicklung. Im
      adulten Stadium ist er bis auf wenige Ausnahmen inaktiv und
      eine ektopische Reaktivierung kann zur Entstehung von Krebs
      führen. 30 % aller Tumorerkrankungen zeigen eine gesteigerte
      Aktivität des HH-Signalwegs. Neben der kanonischen
      Aktivierung des Signalwegs durch einen HH-Liganden existieren
      auch alternative Routen, die in erhöhter Aktivität der
      Transkriptionsfaktoren der GLI-Krüppel-Familie GLI1, GLI2 und
      GLI3 resultieren. Hierbei deutet sich eine besondere Rolle
      für die „Dual specificity tyrosine-phosphorylation regulated“
      Kinasen (DYRKs) an. DYRK1B und DYRK2 sind als Gegenspieler
      des HH-Signalwegs beschrieben. Die Literatur beschreibt
      DYRK1A als positiven Faktor für GLI1 durch direkte
      Phosphorylierung abhängig vom N Terminus von GLI1, was
      aktivierende Funktionen, wie etwa eine Anreicherung von GLI1
      im Zellkern, hat. Die Aufklärung dieses Mechanismus ist ein
      lohnendes Ziel, denn Proteinkinasen bieten ideale
      Zielstrukturen für hochpotente Pharmazeutika. Diese Arbeit
      bestätigt den positiven Effekt von transient überexprimiertem
      DYRK1A auf GLI1. Die Serine 102, 104, 130 und 132 sind dabei
      von Bedeutung, was eine Phosphorylierung dieser Aminosäuren
      nahelegt. Jeweils die Serine 102 und 104 sowie 130 und 132
      bilden zusammen mit einem Prolin ein allgemeines
      Kerntranslokalisationssignal. Außerdem wurde in dieser Arbeit
      gezeigt, dass DYRK1A den SUFU-GLI1-Komplex in Abhängigkeit
      seiner Kinaseaktivität, nicht jedoch der oben genannten
      Serine, auflösen kann, was auf weitere Regulationsmechanismen
      von GLI1 durch DYRK1A hinweist. Weitere Experimente zeigten
      abhängig von Zelltyp und Zustand des HH-Signalwegs
      unterschiedliche Funktionen von DYRK1A, die vom erwarteten
      stimulierenden Effekt bis hin zu einer Inhibition des
      Signalwegs reichten. Ein von der Gruppe durchgeführter in
      vitro Kinase „Screen“ zeigte das AKTIN-bindende LIM Protein 1
      (ABLIM1) als Phosphorylierungsziel von DYRK1A und weitere
      Untersuchungen zeigten ABLIM1 (und ABLIM2) sowie die
      „downstream“ wirkenden Proteine MKL1 („Megakaryoblastic
      leukemia 1“) und KDM3A (Lysin-spezifische Demethylase 3A) als
      positive Faktoren für den HH-Signalweg. Wir vermuten, dass
      DYRK1A ABLIM-Proteine phosphorylieren kann und so von
      AKTIN-Filamenten löst. Die daraus resultierende Erhöhung des
      G AKTIN-Pools führt zur Inhibition von MKL1 und so kann
      dieses nicht mehr in Kombination mit KDM3A bei der Expression
      von HH-Zielgenen mitwirken. Dies zeigt einen bisher
      unbekannten nicht-kanonischen Mechanismus der Regulation des
      HH-Signalwegs durch DYRK1A, der die beobachtete
      inhibitorische Rolle der Kinase erklären kann. Die
      Verknüpfung des HH-Signalwegs mit dem Feld der
      MKL1-regulierten Zielgentranskription ermöglicht eine
      Vernetzung mit einer Reihe anderer zellulärer Vorgänge. Die
      in dieser Arbeit gewonnenen neuartigen Erkenntnisse tragen
      weiter zur Aufklärung der komplexen Modulation des
      HH-Signalwegs bei und sind damit ein wichtiger Schritt für
      die zielgerichtete Entwicklung von Therapieansätzen bezüglich
      Tumorerkrankungen, die aus einer Deregulation des
      HH-Signalwegs resultieren.