Characterization of protein-protein interactions between Forkhead box O (FOXO) and p53 transcription factors

Abstract

Transkripční faktor p53 hraje klíčovou roli v regulaci buněčného cyklu, opravě DNA, apoptóze, obraně před nádorovými onemocněními a udržování buněčné homeostázy. Při buněčném stresu p53 přímo interaguje s transkripčním faktorem Forkhead box O (FOXO) 4, čímž zvyšuje expresi proteinu p21, což vede k indukci buněčné senescence. Molekulární mechanismus interakce těchto dvou klíčových transkripčních faktorů však zůstává nejasný kvůli absenci strukturních dat. Hlavním cílem této dizertační práce byla strukturní charakterizace interakce mezi FOXO4 a p53 prostřednictvím několika biofyzikálních technik včetně metody sedimentační rychlosti analytické ultracentrifugace (SV AUC), nukleární magnetické rezonance (NMR), chemického zesítění spojeného s hmotnostní spektrometrií. Dále byla studována DNA vazebná afinita obou proteinů k jejich příslušným konsenzuálním DNA sekvencím v přítomnosti nebo nepřítomnosti jejich vazebných partnerů a byl porovnán p53-vazebný povrch Forkhead domény tří různých FOXO proteinů. Připravené proteiny byly také použity pro optimalizaci nízkomolekulárních sloučenin umožňujících inhibici interakce mezi FOXO3 a DNA. Získané výsledky ukázaly, že p53 interaguje s FOXO4 prostřednictvím komplexních přechodných interakcí zahrnujících strukturované i neuspořádané oblasti obou proteinů. NMR...

The transcription factor p53 plays a key role in cell cycle arrest, DNA repair, apoptosis, tumor suppression, and maintaining cellular homeostasis. Under cellular stress, p53 directly interacts with the Forkhead box O (FOXO) 4 transcription factor, thereby upregulating the expression of the p21 gene, resulting in the induction of cellular senescence. However, the detailed molecular mechanism behind FOXO4-p53 interaction remains unclear due to the unavailability of structural data. Therefore, main goal of this doctoral thesis was the characterization of the interaction between FOXO4 and p53 using several biophysical techniques including sedimentation velocity analytical ultracentrifugation (SV AUC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and chemical cross-linking coupled to mass spectrometry. Furthermore, we also investigated the DNA binding properties of both proteins with their respective consensus DNA sequences in the presence or absence of their binding partners by fluorescence anisotropy measurements along with the comparison of p53-binding surfaces of the Forkhead domain of three different FOXO proteins by NMR spectroscopy. In addition, we also optimized small molecule compounds for the inhibition of FOXO3-DNA interaction. Our results revealed that the p53 interacts with FOXO4 through...