NAT-enzymer og deres rolle ved kreft, genetiske syndrom og fedme

Prosjektnummer: 911883
Ansvarlig person: Thomas Arnesen
Institusjon: Helse Bergen HF
Prosjektkategori: Forskningsprosjekt
Helsekategori: Cancer, Congenital Disorders, Metabolic and Endocrine
Forskningsaktivitet: 2. Aetiology, 5. Treatment Developement

2016 - sluttrapport

Dette translasjonsprosjektet har fokusert på de humane NAT-enzymene (N-terminale acetyltransferaser) og deres koblinger til sykdom. I de tre årene med støtte (2014-2016) har det vært en betydelig progresjon på flere felt og en vitenskapelig produksjon på 21 publiserte arbeider og 5 avlagte doktorgrader. Ogden syndromet som fører til utviklingsdefekter og tidlig død hos guttebarn skyldes en mutasjon i NAA10 genet (Rope A et al., Am J Hum Genet, 2011). NAA10 koder for et enzym ansvarlig for en cellulær prosess kalt N-terminal acetylering der proteiner påsettes en liten merkelapp (en acetylgruppe) på enden (N-terminal). Sammen med Naa15 danner Naa10 det såkalte NatA komplekset som hos mennesker er ansvarlig for acetyleringen av en stor andel av proteinene (Arnesen T et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2009). Forskere i NAT-gruppen ved Kirurgisk klinikk HUS og Molekylærbiologisk institutt (MBI) UiB og samarbeidspartnere gikk bredt ut for å definere feilen i det muterte Naa10 proteinet (Myklebust LM et al., Hum Mol Genet, 2015). Det muterte Naa10 som finnes hos gutter med Ogden syndrom hadde manglende evne til å danne NatA kompleks med Naa15 og hadde redusert katalytisk aktivitet. Cellulære analyser avslørte defekt N-terminal acetylering for en spesifikk del av proteomet og Ogden syndrom fibroblaster viste abnormal celleproliferasjon og migrering samt endringer i spesifikke cellulære signalveier. Studien viser underliggende mekanismer ved dette syndromet, og viser for første gang at N-terminal acetylering er av stor betydning for normal fysiologi og sykdom hos mennesker. Nylig utviklet vi også en gjærmodell av Ogden syndromet som sterkt støtter de etiologiske funnene i menneskeceller (Van Damme P et al., Mol Cell Proteomics, 2014). Bruk av gjær som modell for funksjonalitet av andre humane NAT-enzymer ble også nylig vist (Osberg C et al., Sci Rep, 2016). Selv om dette syndromet er sjeldent så dukker det stadig opp nye barn med ulike kliniske manifestasjoner som skyldes mutasjoner i NAA10 genet. To av disse barna med psykisk utviklingshemming ble beskrevet og funksjonelt undersøkt (Popp B et al., Eur J Hum Genet, 2015). Et brødrepar fra Irland med NAA10-mutasjon viste psykisk utviklingshemming og hjertearrytmier, og funksjonelle studier viste tydelig at guttene hadde et defekt Naa10 protein (Casey J et al., Sci Rep, 2015). Andre kausale mutasjoner i NAA10 hos norske og utenlandske barn blir for tiden studert (Saunier C and Støve SI et al., Hum Mutat, 2016; Støve SI et al., unpublished). Med mange ulike pasienter identifisert vil det nå være mulig å komme nærmere inn på genotype-fenotype koblinger og å forstå bedre hvilke mekanismer som er årsak til de ulike kliniske manifestasjoner. Nye studier fra Bergen der NAA10 er fjernet i sebrafisk viser også tydelige utviklingsdefekter (Ree R and Myklebust LM et al., Biosci Rep, 2015). I planter gir fjerning av NAA10 en spesiell stressrespons som beskytter planter mot tørke (Linster E et al., Nature Commun, 2015). En helt ny type NAT-system (Naa60) ble også definert og strukturbestemt, og vil bli studert videre i klinisk sammenheng (Aksnes H et al., Cell Rep, 2015; Støve S et al., Structure, 2016). Studier av hvordan N-terminal acetylering er kritisk for celledeling er nylig publisert (Ribeiro AL et al., Sci Rep, 2016). Det samme gjelder en krkobling mellom NAT-enzymet Naa30 og humane cellers mitokondriefunksjon (Van Damme P et al., Mol Cell Proteomics, 2016). Søket etter en hormonregulator har ikke kommet i mål, men våre søk har resultert i funn av et nytt enzym som regulerer kreftcellers motilitet og disse studiene vil bli videreført. Aktiviteter i prosjektet som er rettet mot utvikling av NAT-hemmere i forbindelse med kjemoterapi mot kreft har definert en NatA hemmer med stor selektivitet og potens in vitro (Foyn H and Myklebust LM, et al., unpublished). Disse molekylene vil nå bli optimalisert for patentering og videre studier i kreftceller og mus. Prosjektet er et translasjonsprosjekt med stor bredde og har derfor potensiell relevans for helsetjenesten på ulike nivåer. a) En del av de translasjonelle funnene vil kunne komme til nytte i et lengre perspektiv når videre studier har belyst dette ytterligere. b) Funksjonell testing av mutasjoner hos en rekke pasienter er blitt utført for å definere kausalitet i forhold til sjeldne tilfeller av tidlig død, utviklingshemming, hjertearrytmier med mer som sees ved NAT-mutasjoner. Norske og utenlandske pasienter og pårørende søker svar via sine leger. Ved å utføre funksjonelle tester av de aktuelle mutantene kan vi definere denne kausaliteten og pasienten og familien vil få forklart hvilken genfeil barnet har. Selv om det pt ikke finnes noen behandling er det viktig å definere disse tilfellene. Mange pårørende uttrykker glede over å få svar og det er opprettet kontakt mellom berørte familier via sosiale medier som gir pasientene et felles rom for utveksling av erfaringer. c) Utviklingen av NAT-hemmere for bruk i kreftbehandling. Studier fra en rekke forskningsgrupper i verden tyder sterkt på at NAT-enzymene er viktige for mange ulike krefttyper (inkludert lunge, prostata, og brystkreft), og NAT-hemmerne har dermed et bredt terapeutisk potensiale. Vår gruppe ved HUS/UiB har utviklet og publisert den første generasjons NAT-hemmere. Andre generasjons hemmere med svært god selektivitet og aktivitet er nå også nylig utviklet. Det er inngått avtale med Bergen Teknologioverføring AS (BTO) om overføring av kommersielle rettigheter og det arbeides mot patentering av disse molekylene. Det sentrale nå er å teste disse hemmerne preklinisk i ulike kreftceller og musemodeller slik at en kan definere direkte samt synergistiske effekter med andre kjemoterapeutika som er i bruk for de ulike kreftformene. Det er vanskelig å forutsi når testingen går over i en klinisk fase, men patenteringen vil muliggjøre at dette kan bringes videre av farmasøytisk industri slik at dette kan bli tilgjengelig for pasientgrupper med ulike typer kreft. Samlet sett vil prosjektet gi gode muligheter for forbedret kunnskap og behandling, både på kort og lang sikt, og for flere ulike sykdommer.

2015

Defekt proteinmodifisering gir hjertearrytmier og psykisk utviklingshemmingDet dødelige Ogden syndromet ble først beskrevet i 2011 etter å ha rammet flere guttebarn i byen Ogden i Utah. Nå har NAT-gruppen ved Kirurgisk klinikk HUS og Molekylærbiologisk institutt UiB, karakterisert nye mutasjoner i NAA10 genet funnet hos barn med psykisk utviklingshemming og hjertearrytmier.Ogden syndromet som fører til utviklingsdefekter og tidlig død hos guttebarn skyldes en mutasjon i NAA10 genet (Rope A et al., Am J Hum Genet, 2011). NAA10 koder for et enzym ansvarlig for en cellulær prosess kalt N-terminal acetylering der proteiner påsettes en liten merkelapp (en acetylgruppe) på enden (N-terminal). Sammen med Naa15 danner Naa10 det såkalte NatA komplekset som hos mennesker er ansvarlig for acetyleringen av en stor andel av proteinene (Arnesen T et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2009). Forskere i NAT-gruppen ved Kirurgisk klinikk HUS og Molekylærbiologisk institutt (MBI) UiB og samarbeidspartnere ved Gent University (VIB), Cold Spring Harbor Laboratory og University of Pennsylvania fant at det muterte Naa10 proteinet som finnes hos gutter med Ogden syndrom hadde manglende evne til å danne NatA kompleks med Naa15 og hadde redusert katalytisk aktivitet. Cellulære analyser avslørte defekt N-terminal acetylering for en spesifikk del av proteomet, og Ogden syndrom fibroblaster viste abnormal celleproliferasjon og migrering samt endringer i spesifikke cellulære signalveier. Studien viser underliggende mekanismer ved dette syndromet, og viser for første gang at N-terminal acetylering er av stor betydning for normal fysiologi og sykdom hos mennesker. (Myklebust LM et al., Hum Mol Genet, 2015). I den siste tiden har det blitt identifisert mange nye tilfeller av barn med ulike kliniske manifestasjoner som skyldes NAA10-mutasjoner. To av disse barna med psykisk utviklingshemming ble beskrevet og funksjonelt undersøkt av forskere ved Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg sammen med forskere ved Kirurgisk klinikk HUS (Popp B et al., Eur J Hum Genet, 2015). Et brødrepar fra Irland med NAA10-mutasjon viste psykisk utviklingshemming og hjertearrytmier, og funksjonelle studier utført ved MBI viste tydelig at guttene hadde et defekt Naa10 protein (Casey J et al., Sci Rep, 2015). Andre kausale mutasjoner i NAA10 hos europeiske og amerikanske barn blir for tiden studert (Saunier C and Støve SI et al., submitted; Støve SI et al., unpublished). Med mange ulike pasienter identifisert vil det nå være mulig å komme nærmere inn på genotype-fenotype koblinger og å forstå bedre hvilke mekanismer som er årsak til de ulike kliniske manifestasjoner. Nye studier fra Bergen der NAA10 er fjernet i sebrafisk viser også tydelige utviklingsdefekter (Ree R and Myklebust LM et a., Biosci Rep, 2015). I planter gir fjerning av NAA10 en spesiell stressrespons som beskytter planter mot tørke (Linster E et al., Nature Commun, 2015). En helt ny type NAT-system ble også identifisert, og vil bli studert videre i sammenheng med kliniske koblinger (Aksnes H et al., Cell Rep, 2015). Aktiviteter i prosjektet som er rettet mot utvikling av NAT-hemmere i forbindelse med kjemoterapi samt identifisering av en hormonregulator har også god fremgang. Flere av NAT-hemmerne viser god spesifisitet (Foyn H and Myklebust LM, et al., unpublished) og er nå under videre utvikling for testing i kreftceller i ulike systemer.

2014

HUS og MBI forskere avslører at genetisk syndrom skyldes defekt proteinmodifiseringDet dødelige Ogden syndromet ble først beskrevet i 2011 etter å ha rammet flere guttebarn i byen Ogden i Utah. Nå har NAT-gruppen ved Kirurgisk klinikk HUS avslørt noen av de molekylære mekanismene som forårsaker dette syndromet. Dette er første gang defekt N-terminal acetylering, en svært vanlig proteinmodifisering, er påvist i pasientceller.Ogden syndromet som fører til utviklingsdefekter og tidlig død hos guttebarn skyldes en mutasjon i NAA10 genet (Rope A et al., Am J Hum Genet, 2011). NAA10 koder for et enzym ansvarlig for en cellulær prosess kalt N-terminal acetylering der proteiner påsettes en liten merkelapp (en acetylgruppe) på enden (N-terminal). Sammen med Naa15 danner Naa10 det såkalte NatA komplekset som hos mennesker er ansvarlig for acetyleringen av en stor andel av proteinene (Arnesen T et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2009). Forskere i NAT-gruppen ved Kirurgisk klinikk HUS og Molekylærbiologisk institutt (MBI) UiB og samarbeidspartnere ved Gent University (VIB), Cold Spring Harbor Laboratory og University of Pennsylvania gikk bredt ut for å definere feilen i det muterte Naa10 proteinet (Myklebust LM et al., Hum Mol Genet, 2014 in press). Både strukturmodeller, enzymatiske analyser, immortaliserte pasientceller, signalerings- og fenotypeanalyser og storskala proteomikk ble tatt i bruk. Det muterte Naa10 som finnes hos gutter med Ogden syndrom hadde manglende evne til å danne NatA kompleks med Naa15 og hadde redusert katalytisk aktivitet. Cellulære analyser avslørte defekt N-terminal acetylering for en spesifikk del av proteomet, og Ogden syndrom fibroblaster viste abnormal celleproliferasjon og migrering samt endringer i spesifikke cellulære signalveier. Studien viser underliggende mekanismer ved dette syndromet, og viser for første gang at N-terminal acetylering er av stor betydning for normal fysiologi og sykdom hos mennesker. Nylig utviklet også NAT-gruppen og partnere ved Gent University (VIB) en gjærmodell av Ogden syndromet som sterkt støtter de siste etiologiske funnene i menneskeceller (Van Damme P et al., Mol Cell Proteomics, 2014). Selv om dette syndromet er veldig sjeldent så dukker det stadig opp nye barn med ulike kliniske manifestasjoner som skyldes mutasjoner i NAA10 genet. To av disse tilfellene ble beskrevet og funksjonelt undersøkt av forskere ved Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg sammen med forskere ved Kirurgisk klinikk HUS (Popp B et al., Eur J Hum Genet, 2014 in press). Andre kausale mutasjoner i NAA10 hos europeiske og amerikanske barn med distinkte kliniske manifestasjoner blir for tiden studert. Aktiviteter i prosjektet som er rettet mot utvikling av NAT-hemmere og identifisering av en hormonregulator har også fremgang.

Vitenskapelige artikler

Ribeiro AL, Silva RD, Foyn H, Tiago MN, Rathore OS, Arnesen T, Martinho RG

Naa50/San-dependent N-terminal acetylation of Scc1 is potentially important for sister chromatid cohesion.

Sci Rep 2016 Dec 20;6():39118. Epub 2016 des 20

PMID: 27996020

Van Damme P, Kalvik TV, Starheim KK, Jonckheere V, Myklebust LM, Menschaert G, Varhaug JE, Gevaert K, Arnesen T

A Role for Human N-alpha Acetyltransferase 30 (Naa30) in Maintaining Mitochondrial Integrity.

Mol Cell Proteomics 2016 Nov;15(11):3361-3372. Epub 2016 sep 30

PMID: 27694331

Drazic A, Myklebust LM, Ree R, Arnesen T

The world of protein acetylation.

Biochim Biophys Acta 2016 Oct;1864(10):1372-401. Epub 2016 jun 11

PMID: 27296530

Aksnes H, Drazic A, Marie M, Arnesen T

First Things First: Vital Protein Marks by N-Terminal Acetyltransferases.

Trends Biochem Sci 2016 Sep;41(9):746-60. Epub 2016 aug 3

PMID: 27498224

Osberg C, Aksnes H, Ninzima S, Marie M, Arnesen T

Microscopy-based Saccharomyces cerevisiae complementation model reveals functional conservation and redundancy of N-terminal acetyltransferases.

Sci Rep 2016 Aug 24;6():31627. Epub 2016 aug 24

PMID: 27555049

Saunier C, Støve SI, Popp B, Gérard B, Blenski M, AhMew N, de Bie C, Goldenberg P, Isidor B, Keren B, Leheup B, Lampert L, Mignot C, Tezcan K, Mancini GM, Nava C, Wasserstein M, Bruel AL, Thevenon J, Masurel A, Duffourd Y, Kuentz P, Huet F, Rivière JB, van Slegtenhorst M, Faivre L, Piton A, Reis A, Arnesen T, Thauvin-Robinet C, Zweier C

Expanding the Phenotype Associated with NAA10-Related N-Terminal Acetylation Deficiency.

Hum Mutat 2016 Aug;37(8):755-64. Epub 2016 mai 4

PMID: 27094817

Støve SI, Magin RS, Foyn H, Haug BE, Marmorstein R, Arnesen T

Crystal Structure of the Golgi-Associated Human Na-Acetyltransferase 60 Reveals the Molecular Determinants for Substrate-Specific Acetylation.

Structure 2016 Jul 06;24(7):1044-56. Epub 2016 jun 16

PMID: 27320834

Casey JP, Støve SI, McGorrian C, Galvin J, Blenski M, Dunne A, Ennis S, Brett F, King MD, Arnesen T, Lynch SA

NAA10 mutation causing a novel intellectual disability syndrome with Long QT due to N-terminal acetyltransferase impairment.

Sci Rep 2015;5():16022. Epub 2015 nov 2

PMID: 26522270

Myklebust LM, Støve SI, Arnesen T

Naa10 in development and disease.

Oncotarget 2015 Oct 27;6(33):34041-2.

PMID: 26431279

Ree R, Myklebust LM, Thiel P, Foyn H, Fladmark KE, Arnesen T

The N-terminal acetyltransferase Naa10 is essential for zebrafish development.

Biosci Rep 2015;35(5). Epub 2015 aug 6

PMID: 26251455

Linster E, Stephan I, Bienvenut WV, Maple-Grødem J, Myklebust LM, Huber M, Reichelt M, Sticht C, Geir Møller S, Meinnel T, Arnesen T, Giglione C, Hell R, Wirtz M

Downregulation of N-terminal acetylation triggers ABA-mediated drought responses in Arabidopsis.

Nat Commun 2015;6():7640. Epub 2015 jul 17

PMID: 26184543

Aksnes H, Marie M, Arnesen T

Holding it together: Naa60 at the Golgi.

Oncotarget 2015 Jun 30;6(18):15726-7.

PMID: 26164078

Aksnes H, Drazic A, Arnesen T

(Hyper)tension release by N-terminal acetylation.

Trends Biochem Sci 2015 Aug;40(8):422-4. Epub 2015 mai 28

PMID: 26027460

Varland S, Osberg C, Arnesen T

N-terminal modifications of cellular proteins: The enzymes involved, their substrate specificities and biological effects.

Proteomics 2015 Jul;15(14):2385-401. Epub 2015 jun 16

PMID: 25914051

Van Damme P, Hole K, Gevaert K, Arnesen T

N-terminal acetylome analysis reveals the specificity of Naa50 (Nat5) and suggests a kinetic competition between N-terminal acetyltransferases and methionine aminopeptidases.

Proteomics 2015 Jul;15(14):2436-46. Epub 2015 jun 5

PMID: 25886145

Aksnes H, Hole K, Arnesen T

Molecular, cellular, and physiological significance of N-terminal acetylation.

Int Rev Cell Mol Biol 2015;316():267-305. Epub 2015 feb 25

PMID: 25805127

Aksnes H, Van Damme P, Goris M, Starheim KK, Marie M, Støve SI, Hoel C, Kalvik TV, Hole K, Glomnes N, Furnes C, Ljostveit S, Ziegler M, Niere M, Gevaert K, Arnesen T

An organellar na-acetyltransferase, naa60, acetylates cytosolic N termini of transmembrane proteins and maintains Golgi integrity.

Cell Rep 2015 Mar 3;10(8):1362-74. Epub 2015 feb 26

PMID: 25732826

Myklebust LM, Van Damme P, Støve SI, Dörfel MJ, Abboud A, Kalvik TV, Grauffel C, Jonckheere V, Wu Y, Swensen J, Kaasa H, Liszczak G, Marmorstein R, Reuter N, Lyon GJ, Gevaert K, Arnesen T

Biochemical and cellular analysis of Ogden syndrome reveals downstream Nt-acetylation defects.

Hum Mol Genet 2015 Apr 1;24(7):1956-76. Epub 2014 des 8

PMID: 25489052

Popp B, Støve SI, Endele S, Myklebust LM, Hoyer J, Sticht H, Azzarello-Burri S, Rauch A, Arnesen T, Reis A

De novo missense mutations in the NAA10 gene cause severe non-syndromic developmental delay in males and females.

Eur J Hum Genet 2015 May;23(5):602-9. Epub 2014 aug 6

PMID: 25099252

Van Damme Petra, Støve Svein I, Glomnes Nina, Gevaert Kris, Arnesen Thomas

A Saccharomyces cerevisiae model reveals in vivo functional impairment of the Ogden syndrome N-terminal acetyltransferase NAA10 Ser37Pro mutant.

Mol Cell Proteomics 2014 Aug;13(8):2031-41. Epub 2014 jan 9

PMID: 24408909

Dutta Ravi Kumar, Welander Jenny, Brauckhoff Michael, Walz Martin, Alesina Piero, Arnesen Thomas, Söderkvist Peter, Gimm Oliver

Complementary somatic mutations of KCNJ5, ATP1A1, and ATP2B3 in sporadic aldosterone producing adrenal adenomas.

Endocr Relat Cancer 2014 Feb;21(1):L1-4. Epub 2014 jan 8

PMID: 24179102

Doktorgrader

Sylvia Varland

Regulation of protein N-terminal acetylation

Disputert:: oktober 2016
Hovedveileder:: Thomas Arnesen

Camilla Osberg

The protein N-terminal acetyltransferase C (NatC) – Functional implications and evolutionary conservation

Disputert:: mai 2016
Hovedveileder:: Thomas Arnesen

Svein Isungset Støve

Functional analysis of Na-acetyltransferase 10 (NAA10) variants identified in patients with genetic disorders

Disputert:: mars 2015
Hovedveileder:: Thomas Arnesen

Henriette Aksnes

N-terminal acetyltransferases NatC and NatF: cellular functions and substrates

Disputert:: februar 2014
Hovedveileder:: Thomas Arnesen

Thomas Vikestad Kalvik

Substrates and Cellular functions of the human N-terminal acetyltransferases NatA and NatC

Disputert:: april 2014
Hovedveileder:: Thomas Arnesen

Deltagere

Anette Heie Prosjektdeltaker
Katrin Brauckhoff Prosjektdeltaker
Michael Bruno Eric Marie Prosjektdeltaker
Marianne Goris Ph.d.-kandidat
Henriette Aksnes Prosjektdeltaker
Håvard Foyn Prosjektdeltaker
Adrian Drazic Prosjektdeltaker
Sylvia Varland Ph.d.-kandidat
Camilla Osberg Ph.d.-kandidat
Rasmus Moen Ree Ph.d.-kandidat
Svein Isungset Støve Prosjektdeltaker
Line Merethe Myklebust Prosjektdeltaker
Thomas Arnesen Prosjektleder

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Faglig rapportering, Helse Vest

Personvern - Informasjonskapsler