Functional analysis of endoplasmic reticulum stress-induced prion protein gene expression

Abstract

The prion protein (PrP) is renowned for its role in the etiology of prion disease, but the physiological function of this broadly expressed protein remains largely unknown. Understanding the regulation of the human prion protein gene (PRNP) expression will provide essential insight into the elusive purpose of PrP. Endoplasmic reticulum (ER) stress is caused by the accumulation of misfolded protein and triggers the activation of the unfolded protein response (UPR), the molecular pathway responsible for restoring proteostasis and inducing the apoptosis of cells under irresolvable ER stress. This thesis work aimed at (1) investigating the impact of ER stress on PRNP expression, (2) characterizing the molecular mechanism surrounding this regulation, and (3) understanding the physiological purpose and clinical relevance of PRNP up-regulation by ER stress. Pharmacological modulation of ER stress levels influenced PRNP expression in several cell lines, including breast cancer cells. An extensive molecular approach enabled the discovery of new regulatory elements within the PRNP promoter region and identified the activating transcription factor 6 α (ATF6α), X-Box binding protein 1 (XBP1) and Luman transcription factors as key mediators of ER stress-induced PRNP expression. Regarding the physiological purpose of ER stress-induced PRNP expression, the current data argues against a role in facilitating ER associated degradation of misfolded proteins or promoting neuritogenesis, but instead suggests that PrP delays or precipitates apoptosis caused by disruption of proteostasis, depending on the nature of the insult. Given the implications of this finding to cancer survival, we addressed its clinical relevance using immunohistochemial staining of breast cancer tissue microarrays and revealed higher PrP levels in tumors expressing high levels of the ER stress marker BiP and that PrP levels associated with higher tumor grade. The current thesis describes the discovery and characterization of PRNP up-regulation by ER stress and refines our understanding of the elusive physiological purpose of PrP by supporting a clinically relevant function in modulating cancer cell survival against ER stress.La protéine prion (PrP) est célèbre pour son rôle dans l'étiologie des maladies à prion, mais sa fonction physiologique demeure à ce jour largement inconnue. Une meilleure compréhension de la régulation du gène encodant la protéine prion humaine (PRNP) est essentielle à l'élucidation de son insaisissable fonction. L'accumulation de protéines malformées cause un stress réticulo-endoplasmique et déclenche l'activation d'une réponse moléculaire nécessaire au rétablissement de la protéostasie et au déclanchement de l'apoptose chez les cellules souffrant d'un stress persistent. Ce travail de thèse visait à (1) déterminer l'impact du stress réticulo-endoplasmicque sur l'expression du gène PRNP, (2) caractériser le mécanisme moléculaire régissant cette régulation, et (3) comprendre la fonction physiologique, ainsi que la pertinence clinique, de la régulation du PRNP par le stress réticulo-endoplasmique. La modulation pharmacologique des niveaux de stress reticulo-endoplasmique influence l'expression du PRNP dans plusieurs lignées cellulaires, y compris celle du cancer du sein. Une approche moléculaire soutenue mena à la découvert de nouveaux éléments régulateurs dans la région promotrice du PRNP et à l'attribution d'un rôle clé aux facteurs de transcription activating transcription factor 6 α (ATF6α), X-Box binding protein 1 (XBP1) et Luman dans la régulation de l'expression du PRNP par le stress réticulo-endoplasmique. En ce qui concerne la fonction physiologique de l'induction de l'expression du PRNP par le stress réticulo-endoplasmique, les résultats de cette thèse s'opposent à un rôle de PrP dans la dégradation protéique associée au réticulum endoplasmique ou dans la neuritogénèse, mais suggère plutôt que la stimulation de l'expression de PrP par le stress réticulo-endoplasmique retarde ou précipite, selon son origine, l'apoptose issue d'une perturbation proteostasique. Considérant les ramifications que peuvent avoir ces résultats sur la survie des cellules cancéreuses, nous avons évalué leur pertinence clinique par marquage immunohistochimique de puces à tissus tumoraux de cancer du sein. Ces résultats ont révélé des niveaux de PrP supérieurs dans les tissues hautement marqués pour la protéine BiP, un indicateur du stress réticulo-endoplasmique, ainsi qu'une relation entre les niveaux de PrP et le grade des tumeurs. Cette thèse décrit la découverte et la caractérisation de la régulation de l'expression du PRNP par le stress réticulo-endoplasmique et raffine notre compréhension du rôle joué par la protéine prion humaine en supportant un rôle cliniquement pertinent à la survie des cellules cancéreuses face au stress réticulo-endoplasmique