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    Role of tertiary interactions in determining RNA architecture

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    Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

    Evaluation of anti-metastatic therapeutics targeting SEC62 in head and neck cancer using newly established murine in vivo metastasis models and functional characterization of stable SEC62 knock-out head and neck cancer cell lines generated by CRISPR/Cas9

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    For several years, research has been concerned with the clinical and molecular role of SEC62, a protein located in the ER membrane, which has been considered as a potential oncogene. Over time, significant overexpression of the SEC62 protein has been shown in various human tumour entities, including squamous cell carcinoma of the head and neck (HNSCC) which display a SEC62 overexpression in approximately 86% of cases. In general, head and neck tumours are among the seventh most common tumour entities worldwide with a mostly consistent and poor 5-year survival rate for affected patients of about 50 to 60 %. Head and neck tumours are often diagnosed at an advanced stage of disease and about 50 % of all patients already display lymph node metastases of the neck at the time of diagnosis. About 10% of patients even have distant metastases. Studies have shown that the ER membrane protein SEC62 is not only overexpressed in the majority of HNSCC patients but is also associated with a significantly worse prognosis and an advanced TNM status. In functional in vitro studies of the SEC62 protein, significant changes in migration were found, depending on an artificially altered SEC62 expression. Thus, plasmid-mediated overexpression of SEC62 led to a significantly increased migration. A transient knock-down of SEC62 via siRNA significantly decreased the ability of migration in HNSCC cells. Based on these properties, SEC62 was considered as a potential new target for directed therapy of SEC62-overexpressing HNSCC tumours. Since a direct transfer from those in vitro experiments to human is not possible, this work aimed at a functional knock-down of SEC62 by the administration of TFP and TG. TFP leads to an increased cytosolic Ca2+ content by blocking CaM, which would close the protein translocation channel SEC61 in the ER membrane. A strong concentration gradient causes a flow of Ca2+ from the ER Ca2+-store into the cytosol. Moreover, the simultaneous administration of TG irreversibly inhibits SERCA so that no Ca2+ can be actively transported back into the ER. These two compounds in combination are thought to significantly upset Ca2+ homeostasis in SEC62-overexpressing cancer cells, causing the cells to undergo apoptosis. Since these effects could be proven in vitro, two murine xenograft metastasis models were established within this thesis in order to be able to test the efficacy of both substances in vivo on the metastasis of HNSCC cells. Therefore, on the one hand tumour cells were injected orthotopically into the tongue of mice to test the anti-metastatic ability of TFP and TG. Here, TFP treatment resulted in a reduction of the number of cervical lymph node metastases, whereas TG treatment was able to reduce the size of detectable metastases. On the other hand, tumour cells were injected i.v. into the tail vein of the animals to investigate the impact of both substances on haematogenous metastasis. Here, the evaluation of the combinatory treatment on haematogenous metastasis achieved a reduction in metastatic burden in the lung. In addition to the main aspect of the effects of TFP and TG on metastasis, various imaging techniques and their evaluations including MRI, micro-CT, and histology were also established for monitoring the emerging metastases. In a second part of this work stable SEC62-knockout clones of an immortalized HNSCC cell line were generated using CRISPR-Cas9 technology, which should provide deeper insights into the role of SEC62 and the SEC62-associated processes inside the cell. These SEC62-ko clones were validated using various methods such as immunofluorescence, Western blot and next generation sequencing (NGS), and were also characterised based on whole-RNA-sequencing. Furthermore, first functional studies with SEC62-ko clones and their tolerance to TFP and TG were applied. In summary, two murine xenograft models for lymphatic and haematogenous metastasis of head and neck cancer were successfully established, on which first investigations on the efficacy of two potential new compounds for a targeted therapy of metastatic SEC62-overexpressing head and neck tumours could be performed. Herein, TG and TFP showed promising effects on lymphatic and haematogenous metastasis in vivo motivating for further investigations. Furthermore, two stable SEC62-ko HNSCC cell lines could be generated, validated and characterised using CRISPR-Cas9. Further analyses to understand the influence and function of SEC62 in more detail are the subject of future research.Die Forschung beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahren mit der klinischen als auch molekularen Rolle von SEC62, einem Protein, dass sich in der ER Membran befindet und als potentielles Onkogen gehandelt wird. In den letzten ca. 15 Jahren konnte in verschiedenen Tumorentitäten eine signifikante Überexpression des SEC62-Proteins nachgewiesen werden, so auch in ca. 86% aller Plattenepithelkarzinome des Kopf-Hals-Bereiches (head and neck squamous cell carinoma, HNSCC). Im Allgemeinen zählen Kopf-Hals Tumore zu den sieben häufigsten Tumorerkrankungen weltweit mit einer weitestgehend gleichbleibenden, schlechten 5-Jahres Überlebensrate für betroffene Patienten von etwa 50-60%. In der Mehrzahl der Fälle werden Kopf-Hals-Tumore erst in einem späten Stadium der Erkrankung diagnostiziert. Daher weisen zum Diagnosezeitpunkt bereits ca. 50% aller HNSCC-Patienten Hals-Lymphknotenmetastasen auf, ca. 10% der Patienten zeigen sogar bereits Fernmetastasen. In Studien konnte nachgewiesen werden, dass das ER-membranständige Protein SEC62 nicht nur von einem Großteil aller HNSCC Patienten überexprimiert wird, sondern auch mit einer deutlich schlechteren Prognose, sowie mit einem fortgeschrittenen TNM-Stadium assoziiert ist. In funktionellen in vitro Untersuchungen des SEC62 Proteins konnten signifikante Veränderungen in der Migrationsfähigkeit festgestellt werden, je nach artifiziell veränderter SEC62-Expression. So führte eine Plasmid-vermittelte Überexpression von SEC62 zu einer deutlich gesteigerten Migration, bzw. ein transienter knock-down zu einer signifikanten Abnahme der Migrationsfähigkeit in HNSCC Zellen. Aufgrund dieser Eigenschaften bietet sich SEC62 als mögliches neues Target für eine zielgerichtete Therapie von SEC62-überexprimierenden HNSCCs an. Da ein direkter Transfer der genannten in vitro Experimente auf den Menschen nicht möglich ist, wurde in dieser Arbeit ein funktioneller knock-down von SEC62 durch die Gabe von TFP und TG angestrebt. TFP führt zu einem gesteigerten zytosolischen Ca2+-Gehalt durch die Blockade von CaM, das normalerweise den Proteintranslokationskanal SEC61 in der ER-Membran verschließen würde. Durch ein starkes Konzentrationsgefälle von Ca2+ strömen die Ionen aus dem ER Ca2+-Speicher ins Zytosol. Durch die gleichzeitige Gabe von TG wird zudem auch die SERCA irreversible inhibiert, sodass kein Ca2+ energieabhängig ins ER zurückgepumpt werden kann. Diese beiden Substanzen in Kombination bringen die Ca2+-Homöostase in SEC62-überexprimierenden Krebszellen signifikant aus dem Gleichgewicht, sodass eine Apoptose der Tumorzellen erreicht werden kann. Da in vitro diese Effekte gezeigt werden konnten, wurden in dieser Arbeit zwei murine Xenograft Metastasierungs-Modell etabliert, um die Wirksamkeit der beiden Substanzen auch in vivo auf die Metastasierung von HNSCC Zellen testen zu können. Eine TFP-Behandlung orthothop injizierter Tiere zur Analyse der Auswirkungen beider Substanzen auf die lymphogene Metastasierung, führte zu einer Reduktion der Metastasenanzahl. Eine Behandlung mit TG konnte eine Verkleinerung der detektierten Metastasen erzeugen. Die Auswertung der Kombinationsbehandlung auf die hämatogene Metastasierung im zweiten etablierten Tiermodell erzielte eine Reduktion der Metastasenlast in der Lunge. Neben dem Hauptaspekt der Auswirkungen von TFP und TG auf die Metastasierung wurden auch verschiedene Bildgebungsverfahren und deren Auswertungen (Kleintier-MRT, micro-CT, Histologie) zum Monitoring der entstehenden Metastasen etabliert. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden stabile SEC62-knockout Klone einer immortalisierten HNSCC-Zelllinie mittels CRISPR-Cas9 generiert, die tiefere Erkenntnisse über Rolle von SEC62 und die mit SEC62-assoziierten Prozesse in der Zelle liefern sollten. Diese SEC62-ko Klone wurden mittels verschiedenster Methoden wie Immunfluoreszenz, Western Blot und next generation sequencing (NGS) validiert, sowie basierend auf einer whole-RNA-Sequenzierung charakterisiert. Des Weiteren wurden erste funktionelle Untersuchungen mit den SEC62-ko Klonen und ihre Toleranz gegenüber TFP und TG durchgeführt. Zusammenfassend konnten zwei murine Xenograft Modelle zur lymphogenen und hämatogenen Metastasierung von Kopf-Hals-Tumoren erfolgreich etabliert werden, an denen erste Untersuchungen zur Wirksamkeit zweier potentieller neuer Substanzen zur Therapie von metastasierenden, SEC62-überexpreimierenden Kopf-Hals-Tumoren durchgeführt werden konnten. Hierbei zeigten sich die beiden Substanzen TG und TFP als vielversprechende metastasierungshemmende Wirkstoffe, was zu weiteren Untersuchungen motiviert. Zudem konnten zwei stabile SEC62-ko Zelllinien mittels CRISPR-Cas9 generiert, validiert und charakterisiert werden. Weitere Analysen, um den Einfluss und die Funktion von SEC62 genauer verstehen zu können sind Gegenstand zukünftiger Forschung.Else-Kröner-Fresenius Stiftung, HOMFO

    Global energy minimisation and cotranslational protein folding of HP models

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    The globally minimum energy configurations of simpleHPlatticemodels (which use only two amino acid types, positioned on the vertices of a square lattice) of proteins have been established for short sequences. Here we investigate the folding of such proteins to this globally minimum energy configuration, both cotranslationally (as they are manufactured, sequentially, in the ribosome) and starting from a fully extended state. In order to do this we model the folding process and develop a heuristic method for finding local energy minima. Two main results emerge. First, some sequences do fold better cotranslationally than from a fully extended state and second, this can be due to cotranslational folding leading to an initial local energy minimum from which movement to the global minimum is efficient. Sequences for which this is true tend to have a higher density of hydrophobic residues at the start than at the finish. Structural properties of sequences that fold better cotranslationally than from a fully extended state are also identified.16 page(s
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