Actin cytoskeleton is essential in generating mechanical forces together with the associated adhesions and transmitting signals that impact processes such as cell migration. Cell migration is necessary for numerous biological processes including wound healing and embryonic development. Moreover, aberrant cell migration promotes cancer invasion and metastasis. Cell migration events require dramatic spatial and temporal reorganization of the actin cytoskeleton that involves coordinated formation and regulation of multiple structures such as actin stress fibers. Actin stress fibers are dynamic structures, which differ in their subcellular localization, connection to substratum and their dynamics. However, these actin stress fibers are less characterized in terms of the molecules required for assembly-disassembly and the signaling pathways involved in regulating their functions in mesenchymal and epithelial cells. This thesis focuses on characterizing key players and signaling pathways involved in regulating actin stress fiber assembly-disassembly, cell adhesion and contractility. Understanding these cell plasticity changes is essential as in cancer context they are likely to be deregulated thus leading to increased migratory and invasive potential of the cells.
During this thesis study, NUAK2 a novel serine-threonine kinase was identified to associate with myosin phosphatase Rho-interacting protein (MRIP) on actin stress fibers. Association between NUAK2 and MRIP increases cells contractility and promotes formation of actin stress fibers through phosphorylation of myosin light chain (MLC). The identified NUAK2-MRIP association reveals a novel mechanism for the maintenance of actin stress fibers. Our findings implicate NUAK2 as an important regulator of cell contractility and actin stress fiber assembly. Thus providing further knowledge of how actin stress fibers and cell contractility can be regulated in mesenchymal cells.
To further characterize the specificity of molecules required for the assembly of actin stress fibers, we studied the function of most abundant actin crosslinking proteins in non-muscle cells, α-actinin-1 and α-actinin-4. Our findings reveal that specifically α-actinin-1 and not α-actinin-4, is required to assemble dorsal stress fibers found at the leading edge of mesenchymal cells. In addition, loss of α-actinin-1 modulates cell-matrix adhesions leading to decreased cell migration without altering cells contractility. Contrary to traditional views, dorsal stress fibers assembled by α-actinin-1 are non-contractile and are induced by Rac1 signaling. Rac1 is essential in regulating polymerization of actin filaments. Thus suggesting that force required for cell migration is at least partially generated through actin polymerization. Interestingly, we found α-actinin-1 to be upregulated in various cancers and especially associates with decreased survival in estrogen receptor (ER) negative breast cancer patients. In mammary epithelial cells, α-actinin-1 levels regulate epithelial cell plasticity, reorganize actin stress fibers and destabilize cell-cell adhesions accompanied with increased cell migration. This thesis extends the knowledge of especially α-actinin-1 in regulating actin stress fiber assembly and cell plasticity in both epithelial and mesenchymal cells. Furthermore, identifying α-actinin-1 as a candidate prognostic biomarker in ER negative breast cancer patients.Solujen kyky liikkua, muuttaa muotoaan ja muokkautua ympäröivään kudokseen sekä mekaanisiin ärsykkeisiin ovat keskeisessä asemassa lukuisissa biologisissa prosesseissa kuten haavan paranemisessa ja alkionkehityksessä. Patologisissa olosuhteissa kuten syövässä solut liikkuvat hallitsemattomasti, mikä puolestaan johtaa niiden kudosrajoista piittaamattomaan leviämiseen ympäröivään kudokseen ja sitä kautta muihin elimiin. Liikkuakseen solu tarvitsee aktiinitukirankaa, joka tuottaa liikkumiseen tarvittavaa voimaa erityisesti supistuvien aktiinisäikeiden avulla. Aktiinisäikeet voivat sitoutua solun kasvupohjassa sijaitseviin reseptoreihin ja siten säädellä solujen kiinnittymistä ympäröivään kudokseen sekä aikaansaada voimia, joiden avulla solu kykenee liikkumaan hallitusti eteenpäin. Tämän väitöskirjatyön päämääränä oli tutkia liikkumisen kannalta keskeisten aktiinisäikeiden molekulaarinen koostumus ja säätelymekanismit sekä niiden merkitys syöpäsolujen liikkumisessa ja vuorovaikutuksessa.
Väitöskirjatyön aikana tunnistettiin uusi vuorovaikutus aiemmin tunnetun aktiinisäieproteiini MRIP:n sekä NUAK2-kinaasin välillä. Tämä vuorovaikutus paljasti uuden mekanismin, jonka avulla solut voivat säädellä aktiinisäikeiden muodostumista, sekä niiden supistumista. Lisäksi havaittiin, että NUAK2-kinaasin ilmentymistasot voi säädellä supistuvien aktiinisäikeiden määrää. Nämä havainnot ovat tärkeitä ja ne lisäävät merkittävästi tietämystä siitä, minkälaisilla mekanismeilla aktiinisäikeitä voidaan säädellä.
Selvittääksemme tarkemmin aktiinisäikeiden molekulaarista koostumusta, tutkimme väitöskirjatyössäni myös aktiinisäikeitä niputtavia proteiineja α-aktiniini-1 ja α-aktiniini-4. Tutkimuksemme osoitti, että erityisesti α-aktiniini-1 on välttämätön ns. dorsaalisten aktiinisäikeiden niputtaja ja, että nämä säikeet edistävät solujen liikkumista. Tutkimuksemme paljastivat myös, että α-aktiniini-1 on erittäin keskeisessä asemassa mesenkymaalisten solujen kiinnittymisessä kasvupohjan reseptoreihin. Lisäksi havaitsimme rintarauhasen epiteelisoluissa, että α-aktiniini-1:n ilmentymistasot säätelevät aktiinisäikeiden uudelleenjärjestäytymistä, solujen välistä yhteyttä, sekä solujen liikkumista. Löydöksemme osoittavat myös, että α-aktiniini-1:n ilmentymistaso on lisääntynyt useissa syövissä, ja tämän on havaittu olevan sidoksissa heikentyneeseen eloonjäämisennusteeseen erityisesti estrogeenireseptorin (ER) suhteen negatiivisilla rintasyöpäpotilailla. Tämän väitöskirjatyön tulokset laajentavat erityisesti tietämystä α-aktiniini-1:n roolista aktiinisäikeiden säätelijänä ja solujen plastisuuden muokkaajana niin mesenkymaalisissa kuin epiteelisoluissakin. Tutkimustuloksemme viittaavat siihen, että α-aktiniini-1 voisi toimia yhtenä mahdollisena prognostisena biomarkerina ER:n suhteen negatiivisilla rintasyöpäpotilailla. Väitöskirjatyöni tutkimustulokset selvittävät aktiinisäikeiden sekä niiden säätelijöiden kuten, α-aktiniini-1, merkitystä syöpäsolujen vuorovaikutuksessa ja niiden hallitsemattomassa liikkumisessa. Parhaimmillaan tämä tieto voi edesauttaa syövän diagnostiikkaa ja hoitomenetelmien kehittämistä
