A novel role for the chromosomal passenger complex in DNA replication and damage response
Survivin was already expressed in early S phase and formed nuclear foci. Some of these foci were in close proximity or co-localized with PCNA, especially during late S phase. Similarly, Aurora B also accumulated in nuclear foci during S phase, co-localizing with PCNA. In order to track the formation of CPC foci, time-lapse studies were performed but need to be improved to obtain further evidence regarding the spatial and temporal regulation of CPC foci formation throughout the cell cycle. Since the CPC co-localized with PCNA especially during late S phase, when the constitutive heterochromatin is replicated, the localization referring to heterochromatin protein 1 (HP1) was investigated in more detail. Both overexpressed and endogenous CPC proteins co-localized with heterochromatin in interphase cells. The CPC co-localized at replication sites defined by PCNA not only with HP1, but also to centromeric chromatin defined by a staining with a specific centromere antiserum (CREST).
In order to address the question if the CPC is bound to the replisome via PCNA or to heterochromatin, an iPOND assay was performed. While Survivin seems to be bound to the newly synthesized DNA strand in the vicinity of the replisome, it is still unknown whether this link is provided through an interaction with chromatin or with replication proteins, respectively. PLA analysis demonstrated a close proximity of all CPC members to PCNA, indicative for an interaction. Indeed, also in co-IP experiments Aurora B-HA, Borealin-HA and myc-INCENP were detected in immunoprecipitates of PCNA. A conserved PCNA-interacting protein (PIP)-box motif was found in the human protein INCENP and comfirmed in PLA and co-IP experiments either by blocking the interaction via inhibitor treatment or by mutation of the PIP box. A disruption of the interaction by mutating the respective binding site did not result in localization changes of INCENP, thus indicating that the PIP box motif in INCENP is necessary for interaction with PCNA but does not play a role in foci formation. Since the CPC proteins co-localized to the heterochromatin marker HP1 co-IPs were conducted and revealed a potential binding of HP1 and Borealin, but still need to be confirmed by further studies.
To evaluate whether the CPC could be functionally implicated in processes during replication, flow cytometry was performed and has demonstrated that cells in G2/M phase increased dramatically while the amount of S and G1 phase cells decreased upon depletion of Survivin. However, in this case the mitotic and a potential replicative dysfunction can not be unambiguously distinguished from one another. Further functional analysis of replication fork velocities via fiber assay analysis revealed a reduced replication fork speed in Survivin-depleted cells but not after Aurora B inhibition.
Since Survivin depletion decelerated the replication fork, thus causing replication stress, the question arises whether induced replication stress reversely affects the CPC. After induction of replication stress by different chemicals and irradiation, all CPC proteins showed similar expression levels in all samples of whole cell lysates, indicating that the total protein quantity remains the same. Aurora B and Survivin were slightly increased only in the cytoplasmic fraction after CPT and APH treatment as well as after irradiation, which still needs to be elucidated in more detail. Both soluble nuclear and chromatin bound fractions showed similar levels independently of the type of treatment in contrast to previous results after irradiation. Likewise, quantitative analysis of immunostaining revealed only slight or no alterations in nuclear protein expression of Survivin and Aurora B after induction of replication stress. In addition to replication fork stalling, replication stress can also lead to fork collapse. In this case, replication stress leads to functional uncoupling of the helicase complex from the replicative polymerase resulting in dissociation of elongating factors from the replication fork. While PCNA dissociated from forks, CPC proteins still showed an accumulation after fork collapse. This leads to the assumption that even if the CPC can bind to PCNA, this interaction seems not to be sufficient for targeting the CPC to replication sites. Furthermore, recent studies have shown that in cases of replication stress without checkpoint activation, DNA synthesis takes place even during mitosis. However, INCENP was not detected on newly synthesized DNA in mitotic cells, indicating that CPC members conduct their mitotic function without a relocation to replication sites.
Taken together, these results indicate a novel role of the CPC in DNA replication or replicationassociated processes as well as after damage response. The CPC accumulates in nuclear foci, especially during late S phase, and these proteins interact via a PIP box motif in INCENP with PCNA. In addition, these foci are also located at heterochromatin, more precisely at centromeres. Furthermore, Survivin-depletion affected replication fork velocities thus causing replication stress. Overall, these results emphasize the concept of the multifunctional nature of the CPC. This kind of multitasking accomplished by a single protein complex could be on the one hand much more economical for a cell than producing many different proteins or protein complexes to regulate different tasks during the cell cycle. On the other hand, this vast array of tasks in maintaining genomic stability also support the CPC’s importance for cancer therapy as treatment against one single protein complex can multiply its effect by targeting a multitude of cellular processes.
Survivin wird bereits in der frühen S-Phase exprimiert und bildet nukleäre Foci. Einige dieser Foci befinden sich in unmittelbarer Nähe von oder co-lokalisierten mit PCNA, insbesondere während der späten S-Phase. In ähnlicher Weise akkumuliert Aurora B während der S-Phase in nukleären Foci, ebenfalls gemeinsam mit PCNA. Um die Bildung der CPC-Foci während des gesamten Zellzyklus zu verfolgen, wurden Studien im zeitlichen Verlauf durchgeführt, die jedoch weiter verfeinert werden müssen, um deren räumliche und zeitliche Entwicklung zweifelsfrei darlegen zu können. Da der CPC vor allem während der späten S-Phase mit PCNA co-lokalisiert, also zum Zeitpunkt der Replikation des konstitutiven Heterochromatins, wurde die Lokalisation anhand des Heterochromatin-Proteins 1 (HP1) genauer untersucht. Sowohl überexprimierte als auch endogene CPC-Proteine co-lokalisieren mit Heterochromatin in Interphase-Zellen. Der CPC co-lokalisiert an Replikationsstellen, die durch PCNA definiert wurden, nicht nur mit HP1 sondern auch mit centromerischem Chromatin, das durch eine Färbung mit einem spezifischen Centromer-Antiserum (CREST) definiert wurde.
Mithilfe der Durchführung eines iPOND-Assays sollte der Frage nachgegangen werden, ob der CPC über PCNA an das Replisom oder an das Heterochromatin gebunden ist. Während Survivin vermutlich an den neu synthetisierten DNA-Strang in der Nähe des Replisoms bindet, wurde noch nicht geklärt, ob diese Verbindung durch eine Interaktion mit dem Chromatin oder mit Replikationsproteinen erfolgt. Die PLA-Analyse zeigte eine unmittelbare Nähe aller CPCMitglieder zu PCNA, was auf eine Interaktion hindeutet. Tatsächlich wurden auch in Co-IPExperimenten Aurora B-HA, Borealin-HA und myc-INCENP in Immunopräzipitaten von PCNA nachgewiesen. Ein konserviertes PIP (PCNA-interacting protein)-Box-Motiv wurde im humanen Protein INCENP gefunden und in PLA- und Co-IP-Experimenten entweder durch Blockierung der Interaktion durch Inhibitor-Behandlung oder mittels Mutation der PIP-Box bestätigt.
Eine Verhinderung der Interaktion durch Mutation der Interaktionsstelle führte allerdings nicht zu Lokalisationsänderungen von INCENP, was darauf hindeutet, dass das PIP-Box-Motiv in INCENP für die Interaktion mit PCNA zwar notwendig ist, aber keine Rolle bei der Foci-Bildung spielt. Aufgrund der Tatsache, dass die CPC-Proteine zusammen mit dem Heterochromatinmarker HP1 lokalisieren, wurden co-IPs durchgeführt und diese zeigten eine potentielle Bindung von HP1 und Borealin, die aber noch weiter bestätigt werden muss.
Um zu klären, ob der CPC eine funktionelle Rolle in Replikationsprozessen spielt, wurden durchflusszytometrische Analysen durchgeführt. Hier zeigte sich, dass die Anzahl von Zellen in der G2/M-Phase dramatisch anstieg, während die Menge an S- und G1-Phasenzellen nach Survivin-Depletion abnahm. In diesem Fall können die mitotische und eine potentielle replikative Dysfunktion jedoch nicht eindeutig voneinander unterschieden werden. Weitere funktionelle Analysen mittels Fiber Assays zeigten eine reduzierte Geschwindigkeit der Replikationsgabel in Survivin-depletierten Zellen, jedoch nicht nach Aurora B Kinase Inhibition.
Da die Survivin-Depletion die Replikationsgabel verlangsamte und somit Replikations-Stress verursachte, stellte sich die Frage, ob induzierter Replikations-Stress umgekehrt auch den CPC beeinflusst. Nach Induktion von Replikations-Stress durch verschiedene Chemikalien und Bestrahlung zeigten alle CPC-Proteine ähnliche Expressionsniveaus in allen Proben von ZellLysaten, was darauf hindeutet, dass die Gesamtproteinmenge konstant bleibt. Aurora B und Survivin waren nur in der zytoplasmatischen Fraktion nach Camptothecin- und AphidicolinBehandlung sowie nach Bestrahlung leicht erhöht, was allerdings noch genauer untersucht werden muss. Sowohl lösliche nukleäre als auch Chromatin-gebundene Fraktionen zeigten unabhängig von der Art der Behandlung ähnliche Werte, im Gegensatz zu früheren Ergebnissen nach Bestrahlung. In ähnlicher Weise zeigte eine quantitative Analyse der Immunfärbung nur geringe oder keine Veränderungen in der nukleären Proteinexpression von Survivin und Aurora B nach Induktion von Replikationsstress. Zusätzlich zum Pausieren der Replikationsgabel kann Replikations-Stress auch zum Zusammenbruch der Replikationsgabel führen. In diesem Fall führt der Stress zu einer funktionellen Abkopplung des HelikaseKomplexes von der replikativen Polymerase, was zur Dissoziation der Elongationsfaktoren von der Replikationsgabel führt. Während PCNA von den Gabeln dissoziierte, zeigten die CPCProteine immer noch eine Akkumulation nach dem Zusammenbruch der Replikationsgabel. Dies führt zu der Annahme, dass, selbst wenn der CPC an PCNA binden kann, diese Interaktion nicht ausreicht, um den CPC fest an Replikationsstellen zu adressieren. Darüber hinaus haben neuere Studien gezeigt, dass in Fällen von Replikations-Stress ohne Aktivierung des Kontrollpunktes die DNA-Synthese sogar noch während der Mitose stattfinden kann. Jedoch wurde INCENP nicht an neu synthetisierter DNA in mitotischen Zellen nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass CPC-Mitglieder ihre mitotische Funktion ohne eine Verlagerung zu Replikationsstellen ausführen.
Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse eine neue Rolle des CPC bei der DNA-Replikation oder Replikations-assoziierten Prozessen sowie nach einer Schadensantwort. Der CPC akkumuliert in nukleären Foci, insbesondere während der späten S-Phase, und diese Proteine interagieren über ein PIP-Box Motiv in INCENP mit PCNA. Außerdem befinden sich diese Foci in heterochromatischen Bereichen, genauer gesagt an Zentromeren. Darüber hinaus beeinflusste die Survivin-Depletion die Geschwindigkeit der Replikationsgabel und verursachte auf diese Weise Replikations-Stress. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse das Konzept des multifunktionalen Charakters des CPC. Dias gleichzeitige Erfüllen mehrerer Aufgaben während des Zellzyklus durch nur einen einzigen Proteinkomplex könnte einerseits für die Zelle viel wirtschaftlicher sein als die Herstellung vieler verschiedener Proteine oder Proteinkomplexe. Auf der anderen Seite unterstreichen diese vielfältigen Aufgaben bei der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität auch die Bedeutung des CPCs für die Krebstherapie, da die Behandlung gegen einen einzigen Proteinkomplex den Behandlungseffekt multiplizieren kann, indem eine Vielzahl zellulärer Prozesse beeinflusst wird.