La protéine eIF3D

Most cancer drugs are designed to halt cell growth, the hallmark of cancer, and one popular target is the pathway that controls the production of a cell's thousands of proteins.

University of California, Berkeley researchers have now found a promising new drug target within that pathway that is appealing, in part, because it appears to control production of only a few percent of the body's many proteins, those critical to regulating the growth and proliferation of cells.

The target is a protein that binds to messenger RNA -- the cell's blueprint for making protein -- and helps get it started along the production line that ends in a fully assembled protein. A drug blocking this binding protein could shut off translation of only the growth-promoting proteins and not other life-critical proteins inside the cell.

"If cancer cells are making too much mRNA, you could shut them down by preventing them from using that mRNA to make protein," said Jamie Cate, a UC Berkeley professor of molecular and cell biology and of chemistry and leader of the study. "Because this binding protein is not used for general translation -- not every mRNA uses this -- you may be able to get a more specific anti-cancer effect by targeting that alone."

The finding was a surprise because the protein is part of a larger assembly of proteins called eIF3 -eukaryotic initiation factor 3 -- that has been known and studied for nearly 50 years, and no one suspected it's undercover role in the cell, Cate said. This may be because eIF3's ability to selectively control mRNA translation is turned on only when it binds to the set of specialized mRNAs. Binding between eIF3 and these mRNAs opens up a pocket in eIF3 that then latches onto the end-cap of mRNA to trigger the translation process.

"To me, it's like finding a secret lever that opens a hidden drawer in an old-time desk," Cate said. "The desk has been around over one and half billion years and many have studied it for decades, but we figured out how to trigger the opening."

Lee and Cate's research hints that this secret lever, which triggers translation of only a special subset of mRNAs -- perhaps only 500 out of some 10,000 mRNAs produced by a cell -- will be found to play a critical role in other diseases besides cancer, as well as in plants and animals.

"It will be exciting to look in other organisms, such as crop plants and pathogenic fungi, to find out what mRNAs this protein regulates," said first author Amy Lee, a former UC Berkeley American Cancer Society postdoctoral fellow who is now an assistant professor at Brandeis University. "Down the road, one could imagine finding ways of manipulating how mRNAs bind to eIF3 in all of these different systems."

The new findings by Cate, Lee and their UC Berkeley colleagues will be posted online July 27 in advance of publication in the British journal Nature.

Hiding in plain sight

Cancer is characterized by uncontrolled cell growth, which means the protein production machinery goes into overdrive to provide the building materials and control systems for new cells. Hence, biologists for decades have studied the proteins that control how genes are transcribed into mRNA and how the mRNA is read and translated into a functioning protein.

One key insight more than 40 years ago was that a so-called initiation protein must bind to a chemical handle on the end of each mRNA to start it through the protein manufacturing plant, the ribosome. Until now, this initiation protein was thought to be eIF4E (eukaryotic initiation factor 4E) for all mRNAs.

"When cells don't control how the handle is used, cells can get out of control and cause cancer," Cate said. "Up until now, this has been thought to be due to eIF4E that binds to the handle."

Earlier this year, Cate and Lee discovered that for a certain specialized subset of mRNAs -- most of which have been linked somehow to cancer -- initiation is triggered by a different protein in eIF3. Before, that protein was thought to be just one of a dozen or so general initiation factors required for mRNA translation.

Instead, they discovered that eIF3, an assembly of 13 separate proteins, binds to a unique tag found only on this special subset of mRNAs.

"What we found is that another protein, hiding in plain sight for over four decades, can also bind the chemical handle on the end of mRNAs to promote translation," he said. "It's a component of eIF3 -- a protein called eIF3d -- which has never before been connected to binding the handle."

Subsequent X-ray crystallography of eIF3d revealed the structural rearrangements that must occur when eIF3 binds to the mRNA tag and which open up the secret compartment. The researchers plan further studies using cryoelectron microscopy to locate the actual trigger that opens the compartment.

"Basically, we found the button that opens the secret door, but we don't really know what the button looks like yet," Cate said.

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La plupart des médicaments anticancéreux sont conçus pour stopper la croissance des cellules, la caractéristique du cancer, et une cible populaire est la voie qui contrôle la production des milliers  de protéines d'une cellule.

À l'université de Californie, les chercheurs de Berkeley ont maintenant trouvé une nouvelle cible médicamenteuse prometteuse dans cette voie qui est attrayante, en partie, parce qu'elle semble contrôler la production de seulement quelques pour cent des nombreuses protéines du corps, celles qui sont importantes pour la régulation de la croissance et la prolifération des cellules.

La cible est une protéine qui se lie à l'ARN messager - le plan directeur de la cellule pour la fabrication de protéines - et aide à faire démarrer le long de la ligne de production qui se termine dans une protéine entièrement assemblé. Un médicament bloquant cette protéine de liaison pourrait arrêter la traduction des seules protéines favorisant la croissance et non d'autres protéines vitales à l'intérieur de la cellule.

"Si les cellules cancéreuses font trop d'ARNm, vous pouvez les arrêter en les empêchant d'utiliser cet ARNm pour faire des protéines", a déclaré Jamie Cate, professeur UC Berkeley de la biologie moléculaire et cellulaire et de la chimie et de chef de l'étude. "Parce que cette protéine de liaison n'est pas utilisé pour la traduction générale - ce n'est pas tous les ARNm qui l'utilise - vous pourriez être en mesure d'obtenir un effet plus spécifique anti-cancer en n'en ciblant qu'un seul."

La découverte a été une surprise parce que la protéine fait partie d'un plus grand ensemble de protéines appelées eIF3 facteur d'initiation -eukaryotic 3 - qui a été connu et étudié depuis près de 50 ans, et personne ne soupçonnait son rôle d'infiltration dans la cellule, dit Cate. Ceci peut être parce que la capacité de eIF3 pour commander sélectivement la traduction des ARNm est activé seulement quand elle se lie à l'ensemble des ARNm spécialisés. La relation entre eIF3 et ces ARNm ouvre une poche dans eIF3 qui se verrouille ensuite sur l'embout de l'ARNm pour déclencher le processus de traduction.

«Pour moi, c'est comme trouver un levier secret qui ouvre un tiroir caché dans un bureau vieux temps», a déclaré Cate. "Le bureau a été autour de plus d'un milliard et demi ans et beaucoup ont étudié pendant des décennies, mais nous avons compris comment déclencher l'ouverture."

Les recherches de Lee et Cate laisse entendre que ce levier secret, est ce qui déclenche la traduction de seulement un sous-ensemble spécifique des ARNm - peut-être seulement 500 des quelque 10.000 ARNm produits par une cellule - sera trouvé à jouer un rôle critique dans d'autres maladies en plus du cancer, ainsi que dans les plantes et les animaux.

"Il sera intéressant de regarder dans d'autres organismes, tels que les plantes cultivées et les champignons pathogènes, pour savoir ce que les ARNm de cette protéine régule», a déclaré le premier auteur Amy Lee, un ancien boursier postdoctoral UC Berkeley Société américaine du cancer, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Brandeis. "Sur la route, on pourrait imaginer de trouver des façons de manipuler la façon dont les ARNm se lient à eIF3 dans tous ces différents systèmes."

Les nouveaux résultats par Cate, Lee et leurs collègues UC Berkeley seront affichés en ligne le 27 Juillet à l'avance de la publication dans la revue britannique Nature.

Cacher à la vue

Le cancer est caractérisé par une croissance cellulaire non contrôlée, ce qui signifie que la machine de production de protéines va à la vitesse supérieure pour fournir les matériaux de construction et des systèmes de contrôle pour les nouvelles cellules. Par conséquent, les biologistes depuis des décennies ont étudié les protéines qui contrôlent la façon dont les gènes sont transcrits en ARNm et la façon dont l'ARNm est lu et traduit dans une protéine fonctionnelle.

Une idée fondamentale, il y a plus de 40 ans, était celle d'une protéine dite d'initiation doit se lier à une poignée de produits chimiques à l'extrémité de chaque ARNm pour le lancer à travers l'usine de fabrication de protéines du ribosome. Jusqu'à présent, cette protéine d'initiation a été pensé pour être eIF4E (facteur d'initiation eucaryote 4E) pour tous les ARNm.

"Lorsque les cellules ne contrôlent pas la façon dont la poignée est utilisée, les cellules peuvent devenir hors de contrôle et de causer le cancer», a déclaré Cate. «Jusqu'à présent, cela a été pensé pour être en raison de eIF4E qui se lie à la poignée."

Plus tôt cette année, Cate et Lee ont découvert que pour un certain sous-ensemble spécialisé des ARNm - dont la plupart ont été liés en quelque sorte au cancer - l'initiation est déclenchée par une protéine différente dans eIF3. Avant, cette protéine a été pensé pour être juste l'une d'une douzaine de facteurs de manière générale d'initiation nécessaires pour la traduction de l'ARNm.

Au lieu de cela, ils ont découvert que eIF3, un ensemble de 13 protéines distinctes, se lie à une étiquette unique qui se trouve uniquement sur ce sous-ensemble spécifique des ARNm.

"Ce que nous avons trouvé est que une autre protéine, se cachant dans la vue depuis plus de quatre décennies, peut également se lier à la poignée chimique sur la fin des ARNm pour promouvoir la traduction," at-il dit. «c'est une composante de eIF3 - une protéine appelée eIF3d - qui n'a jamais été relié à la liaison de la poignée."

Après cristallographie aux rayons X de eIF3d il a été révélé les réarrangements structuraux qui doivent se produire lorsque eIF3 se lie au marqueur d'ARNm et qui ouvre le compartiment secret. Les chercheurs envisagent d'autres études utilisant la microscopie cryoelectron pour localiser le déclenchement réel qui ouvre le compartiment.

"Fondamentalement, nous avons trouvé le bouton qui ouvre la porte secrète, mais nous ne savons pas vraiment à quoi ce bouton ressemble encore", a déclaré Cate.

Malignant melanoma has long been known as a cancerous disease that primarily affects the skin. Despite its relatively minute representation (5% of skin cancers), malignant melanoma is the cause of 80% of all skin cancer-related deaths. Furthermore, the five-year survival rate of those who have malignant melanoma is a mere 5-16% compared to the 90% survival rate of those who have localized melanoma. For these reasons, the need for treatment for this deadly disease is of the utmost importance.

Some therapeutic approaches in reducing the tumours of malignant melanoma in the body have been to inhibit the translation of multiple malignancy-associated mRNAs. It has been seen that eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E) is responsible for regulating these malignant mRNAs. Therefore, reducing eIF4E expression will subsequently cause a reduction in tumour growth and metastases. It has also been seen that the translation inhibitor 4E-BP1 releases eIF4E after undergoing hyperphosphorylation suggesting that the increased translation initiation is associated to poor survival in melanoma patients.

While the phosphorylation of 4E-BP1 causes the release of eIF4E, its phosphorylation downstream by kinases Mnk 1 and Mnk 2 further activate eIF4E. Western Blot data depicts that phospho-eIF4E and eIF4E were present in melanoma cell lines. This data suggests that eIF4E phosphorylation is significant during the development of human malignant melanoma, in the progression of melanoma to metastasis and the signals that increase the risk of death in melanoma patients. New evidence amplifies the prominence of eIF4E phosphorylation in relation to malignant melanoma since the increase in phosphorylation of eIF4E serine 209 has been associated to metastases, malignancy and the reduced survival rate of those with malignant melanoma.

Therapeutic strategies for malignant melanoma can involve the inhibition of either eIF4E or eIF4E phosphorylation since their near similar presence in malignant melanocytes suggests that either method would reduce the progression of malignant melanoma in the human body.

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Le mélanome malin est connue depuis longtemps comme une maladie cancéreuse qui affecte principalement la peau. Le mélanome malin est la cause de 80% de tous les décès liés au cancer de peau. En outre, le taux de survie à cinq ans de ceux qui ont le mélanome malin est un simple 5-16% par rapport au taux de survie de 90% de ceux qui ont le mélanome localisé. Pour ces raisons, la nécessité d'un traitement pour cette maladie mortelle est de la plus haute importance.

Certaines approches thérapeutiques pour réduire les tumeurs du mélanome malin dans le corps ont été faites pour inhiber la traduction de l'ARNm des multiples tumeurs malignes associées. On a vu que la traduction du facteur d'initiation eucaryote 4E (eIF4E) est chargée de réglementer ces ARNm malignes. Par conséquent, la réduction de l'expression de eIF4E va ensuite provoquer une réduction de la croissance tumorale et les métastases. Il a également été observé que l'inhibiteur de la traduction 4E-BP1 libère eIF4E après avoir subi l'hyperphosphorylation ce qui suggère que l'initiation de la traduction accrue est associée à une mauvaise survie des patients atteints de mélanome.

Alors que la phosphorylation de 4E-BP1 provoque la libération d'eIF4E, sa phosphorylation en aval par des kinases Mnk 1 et 2 Mnk active eIF4E. Des données d'un examen Western Blot montre que phospho-eIF4E et eIF4E étaient présents dans des lignées cellulaires de mélanome. Ces données suggèrent que la phosphorylation eIF4E est importante lors du développement d'un mélanome malin humain, dans la progression du mélanome à métastases et les signaux qui augmentent le risque de décès chez les patients atteints de mélanome. De nouvelles preuves amplifie l'importance de la phosphorylation eIF4E par rapport à un mélanome malin car l'augmentation de la phosphorylation de la serine 209 eIF4E a été associée à des métastases, le cancer et le taux de réduction de la survie de ceux atteints de mélanome malin.

Les stratégies thérapeutiques pour le mélanome malin peuvent impliquer l'inhibition de eIF4E ou de la phosphorylation de eIF4E  car leur présence presque similaire dans les mélanocytes malins suggère que l'une ou l'autre  méthode permettrait de réduire la progression du mélanome malin dans le corps humain.

Aug. 20, 2013 — Researchers have long known that high levels of a specific protein in human cells are linked to tumor growth -- but no one has fully understood how.

Now, a groundbreaking discovery by UC Davis graduate student Kateryna Feoktistova and Assistant Professor Christopher Fraser illuminates the way that the protein, eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E), acts upon cancer-promoting messenger RNA molecules. When translated, this type of mRNA can trigger the runaway cell replication that results in malignancies.

Published in the August 13 edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences, the results solve a decades-long scientific mystery and may lead to new, highly specific cancer treatments that will act only on growth-promoting cells as opposed to all cells.

"This protein is one the most important initiation factors in this cellular pathway, and there is a lot of energy in the cell that goes into regulating the level and availability of it," Fraser said. "To suddenly find this function is quite a transformative idea in the field; people can now try and study this new activity and its relation to growth-promotion and cancer."

With elevated eIF4E levels found in 30 percent of all major cancers, the protein is already a target of pharmaceutical research. Clinical trials are currently underway for drugs that act upon eIF4E's long-known function of binding the cap at the head of all mRNA.

But the protein's cap-binding activity doesn't fully explain its relationship to cancer.

Feoktistova and Fraser solved that mystery while studying a region at the head of mRNA strands, where many cancer-promoting mRNA are much more complex than typical mRNA. In the cancer-promoting variants, a highly knotted region at the start of the strand must be unwound before a ribosome can bind and begin translating the genetic code into the amino acids that build our cellular proteins.

Usually that knotted region prevents most of the ribosomes from starting the process, so cancer-promoting mRNAs aren't translated effectively. But when high levels of eIF4E are present the 4E binds to a complex that activates another protein, 4A, which then is able to unwind the knot and translate the genetic code into proteins that can trigger tumor growth.

The man who originally discovered eIF4E in 1978, Professor Nahum Sonenberg of McGill University, expressed his enthusiasm for what he calls "logical, beautiful" research.

"This is really a big discovery -- it explains a lot of the biology that we have. At the beginning of my talks I used to emphasize that mRNAs are eIF4E-sensitive, but people would ask 'how does it work?' and I never had an answer," Sonenberg said. "In the last month, I have been able to mention Chris Fraser's paper and finally provide an explanation.

"It has made my life much easier," he joked.

Feoktistova, a fifth-year Ph.D. student who also got her undergraduate degree at UC Davis, made the breakthrough when she purified the individual components of eIF4E's larger protein complex and then observed the complex's activity with individual parts missing. It was during this process that she first noticed 4E's stimulation of 4A.

"Without 4E, the complex wasn't active. People hadn't studied it without 4E before because its individual protein components were very hard to separate," Feoktistova said.

Fraser added that it is necessary to maintain an interaction between 4E and the complex containing 4A in order to complete the unwinding.

"If you lose this connection, you stall the complex," he said. "But if you have a lot of 4E floating around in the cell, and the complex loses a 4E, another one can be easily found" (see illustration).

Now researchers can add the stimulation of 4A and its unwinding activity to 4E's long-known -- and totally separate -- cap-binding activity.

"Textbooks are likely to be revised once the finding is confirmed given the fundamental importance of this protein in cell physiology and the fact that essentially nothing new has been discovered regarding its function for several decades," College of Biological Sciences Dean James E. K. Hildreth said.

Fraser and Feoktistova's next steps will be to study the ways that 4E, 4A, and the rest of the complex work together translate mRNA.

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Les chercheurs savent depuis longtemps que des niveaux élevés d'une protéine spécifique dans les cellules humaines sont liées à la croissance tumorale - mais personne ne l'a parfaitement compris comment.

Maintenant, une découverte révolutionnaire par une étudiante diplômée, Kateryna Feoktistova et un professeur adjoint Christopher Fraser éclaire le chemin que la protéine eucaryote 4E facteur initie (eIF4E), elle agit sur la promotion du cancer des molécules d'ARN messager. Quand il est traduit, ce type d'ARNm peut déclencher la réplication des cellules qui se traduit par des tumeurs malignes.

Publié dans l'édition Août 13 des Actes de l'Académie nationale des sciences, les résultats résolvent des décennies de mystères scientifiques et peuvent conduire à de nouveaux traitements hautement spécifiques contre le cancer qui vont agir seulement sur la croissance des cellules, par opposition à toutes les cellules.

"Cette protéine est l'un des facteurs de déclenchement les plus importants dans cette voie cellulaire, et il y a beaucoup d'énergie dans la cellule qui va dans la régulation du niveau et la disponibilité de celle-ci», a déclaré M. Fraser. "trouver tout à coup cette fonction est tout à fait une révolution dans le domaine, les gens peuvent maintenant essayer et étudier cette nouvelle activité et sa relation à la croissance et la promotion du cancer."

Avec des niveaux élevés de eIF4E présents dans 30 pour cent de tous les cancers majeurs, la protéine est déjà une cible de la recherche pharmaceutique. Des essais cliniques sont actuellement en cours pour des médicaments qui agissent sur la fonction longtemps connue de eIF4E de lier le cap à la tête de tous les ARNm.

Mais l'activité de plafonnement contraignant de la protéine n'explique pas entièrement sa relation avec le cancer.

Feoktistova et Fraser ont résolu ce mystère en étudiant une région à la tête des brins d'ARNm, où de nombreux ARNm favorisant le cancer sont beaucoup plus complexes que les ARNm typiques. Dans les variantes favorisant le cancer, une région fortement nouée au début du brin doit être déroulée devant une ribosome peut se lier et de commencer la traduction du code génétique en acides aminés qui construisent les protéines cellulaires.

Habituellement cette région empêche la plupart des ribosomes de démarrer le processus, ainsi les ARNm qui promeuvent le cancer ne sont pas traduits de manière efficace. Mais lorsque des niveaux élevés de eIF4E sont présents 4E se lie à une molécule qui active une autre protéine, 4A, qui est alors en mesure de se défaire le noeud et de traduire le code génétique en protéines qui peuvent déclencher la croissance tumorale.

L'homme qui a été découvert eIF4E en 1978, le professeur Nahum Sonenberg de l'Université McGill, a exprimé son enthousiasme pour ce qu'il appelle ", belle logique» de la recherche.

«C'est vraiment une grande découverte - cela explique beaucoup de choses sur la biologie que nous avons au début de mes entretiens j'ai l'habitude de souligner que les ARNm sont sensibles à elF3E, mais les gens me demandaient.« Comment ça marche? et je n'ai jamais eu une réponse ", a déclaré Sonenberg. «Dans le dernier mois, j'ai pu parler de l'article de Chris Fraser et enfin de fournir une explication.

"Il a rendu ma vie plus facile», at-il plaisanté.

Feoktistova fait la percée quand elle purifie les composants individuels de la molécule protéique de eIF4E et a ensuite observé l'activité de la molécule avec différentes parties manquantes. C'est au cours de ce processus qu'elle a d'abord remarqué la stimulation de 4E de 4A.

«Sans 4E, la molécule n'était pas active. Personne ne l'avait étudié sans 4E avant parce que les composants individuels de protéines étaient très difficiles à séparer", a déclaré Feoktistova.

Fraser a ajouté qu'il est nécessaire de maintenir une interaction entre 4E et les 4A contenant complexes afin de compléter le dénouement.

"Si vous perdez cette connexion, vous calez la molécule», at-il dit. "Mais si vous avez beaucoup de 4E flottant dans la cellule, et la molécule perd un 4E, un autre peut être facilement trouvé".

Maintenant, les chercheurs peuvent ajouter la stimulation de 4A et le déroulement de son activité vers 4E connue depuis longtemps et totalement indépendante

"Les manuels sont susceptibles d'être révisés une fois que la découverte sera confirmée compte tenu de l'importance fondamentale de cette protéine dans la physiologie cellulaire et le fait que pratiquement rien de nouveau n'a été découvert en ce qui concerne sa fonction depuis plusieurs décennies,".

les Prochaines étapes de Fraser et Feoktistova seront d'étudier les façons dont les 4E, 4A, et le reste des molécules travaillent ensemble pour traduire l'ARNm.

A new study by Jeremy Graff and colleagues from Eli Lilly and Company has demonstrated the anti-cancer effect of a new therapeutic in a mouse model of human tumors and has spawned clinical trials to test the ability of this therapeutic to treat human cancers.

Une nouvelle étude de Jeremy Graff et ses collègues de Eli Lilly et compagnie a démontré l'effet anti-cancer d'une nouvelle thérapie essayé sur des souris ayant un modèle humain de tumeur cancéreuse. Les résultats de cette expérience ont amené des essais sur des humains pour vérifier l'efficacité du médicament.

As highlighted in the accompanying commentary by Celeste Simon and colleagues from the University of Pennsylvania, Philadelphia, if the therapeutic is as effective in clinical trials as it was in mice it will be useful for the treatment of a broad range of cancers.

Comme souligné par les commentaires de Celeste Simon et ses collègues de l'université de Philadelphie, si la thérapie est aussi efficace dans les essais clinique qu'elle l'était chez les souris cela pourrait être utile pour un large éventail de cancers.

The growth of many tumors is promoted by increased expression of the protein eIF4E, but no eIF4E-specific therapy has yet been developed.

La croissance de beaucoupd etumeurs est promu par l'expression en augmentation de la protéine eiF4E, mais aucune thérapie anti eiF4E a encore été développée.

In this study, the intravenous administration of eIF4E-specific antisense oligonucleotides (ASOs) to mice bearing human tumors substantially inhibited tumor growth. Importantly, although these ASOs also decreased eIF4E expression in normal tissues, the function of the normal tissues analyzed was not compromised.

Dans cette étude, l'administration par intraveineuse d'oligonucléotide antisens (ASOs) à des souris porteuses de tumeurs humaines a substanciellement inhibé la croissance des tumeurs. De façon importante même si ces ASOs a inhibé l'expression de la protéine dans les tissus normaux également, la fonction des tissus normaux n'était pas compromise.

The authors therefore suggest that tumor cells are more susceptible to decreased expression of eIF4E than normal cells, meaning that eIF4E-specific ASOs should not cause damage to normal tissues.

Les auteurs suggèrent que les tumeurs sont plus sensibles à la décroissance de la prtotéine eiF4E que les cellules normales.

Article: Therapeutic suppression of translation initiation factor eIF4E expression reduces tumor growth without toxicity