Nuclear mechanisms in cell death induced by HAMLET (human alpha-lactalbumin made lethal to tumour cells)

• HAMLET (human alpha-lactalbumin made lethal to tumour cells), a protein-lipid complex originally isolated from human milk, induces programmed cell death selectively in tumour cells. It consists of partially unfolded alpha-lactalbumin in complex with oleic acid. It was previously not known if the unfolding of alpha-lactalbumin alone accounts for the activity of HAMLET or if the lipid adds biological activity. This was investigated using alpha-lactalbumin mutants that are present in the unfolded state at physiological conditions. These proteins were not active in cell death assays but could be converted to biologically active complexes with oleic acid, showing that unfolding of alpha-lactalbumin is not sufficient and that lipid structures are required for the cell death-inducing activity of HAMLET. HAMLET targets and accumulates in nuclei of sensitive cells but does not reach the nuclei of resistant cells, suggesting that a nuclear effect may be important for the cell death induction. We identified histones as nuclear targets for HAMLET, and HAMLET interacted with both denatured and native histones, as well as with histones in nucleosomes. In vivo, in tumour cell nuclei, HAMLET colocalised with histones and perturbed the global chromatin structure. The interaction with histones required partial unfolding of alpha-lactalbumin, achieved either by removal of calcium from the protein or conversion to HAMLET-like complexes with lipids. The lipid stabilised a histone-binding conformation of alpha-lactalbumin, but did not contribute to the binding specificity. Although there was a species variation in the ability of alpha-lactalbumin to bind histones, all but one of the biologically active HAMLET-like complexes tested were able to interact with histones. The HAMLET-histone interaction may induce damage to the chromatin, and cell death resulting from nuclear damage is often signalled through the p53 system. However, using cells with defined p53 status, we found no correlation between p53 and sensitivity of cells to HAMLET. We propose that the interaction of HAMLET with histones in the nuclei of tumour cells may lead to cell death in a p53-independent manner by disrupting the structure and function of chromatin.

• Popular Abstract in Swedish Celler är de minsta levande beståndsdelarna i kroppens vävnader. Under fosterutecklingen och kontinuerligt under livet behöver vävnaderna storlek regleras och gamla celler bytas ut mot nya. Nya celler bildas genom att de gamla delar sig och celler som är skadade, gamla eller inte längre behövs i vävnaden tas bort genom programmerad celldöd. Det innebär att cellerna bryter ned sig själva och äts upp av andra celler, och på så vis undviks en inflammation. Programmerad celldöd är en noggrant reglerad och signalerad process, men om regleringen sätts ur spel, så att celler kan växa obegränsat, kan tumörer bildas. Behandling av tumörer syftar till att döda de förändrade cellerna, men ofta är behandlingen mycket bred och drabbar även frisk vävnad vilket resulterar i obehagliga biverkningar. Vi har upptäckt en molekyl som selektivt angriper och dödar tumörceller. Molekylen, som vi kallar HAMLET (human alpha-lactalbumin made lethal to tumour cells), upptäcktes ursprungligen i bröstmjölk och består av ett protein, alfa-laktalbumin, och en fettsyra, oleinsyra. Alfa-laktalbumin är ett välkänt protein i mjölk och bidrar till bildandet av mjölksocker i bröstkörtlarna under amning. När proteinet bildas veckas det till sin rätta struktur genom att binda en kalciumjon, men alfa-laktalbumin kan också förekomma i andra veckningsformer när kalcium inte finns närvarande. Sådana former av proteinet är normalt sett inte stabila i de miljöer som finns i kroppen, men i HAMLET har en sådan veckningsform stabiliserats med hjälp av fettsyran. I studie I undersökte vi om det är själva förändringen i struktur hos proteinet som är orsak till HAMLETs biologiska effekt, eller om fettsyran i sig har en viktig funktion. Med hjälp av ett muterat alfa-lactalbumin som i frånvaro av fettsyran är stabilt i en HAMLET-liknande form visade vi att proteinet på egen hand inte kan döda tumörceller och att fettsyran behövs för den biologiska funktionen. HAMLET aktiverar vissa kända celldödsvägar i tumörceller, men det finns anledning att misstänka att alternativa mekanismer också är inblandade. För att få en ledtråd till hur HAMLET fungerar har vi studerat den cellulära lokalisationen av HAMLET, och vi fann att en viktig skillnad mellan tumörceller och friska celler är att HAMLET lokaliseras till cellkärnan specifikt i tumörceller. Vi ville därför undersöka vilka funktioner HAMLET har i kärnan, och i studie II undersökte vi kärnmolekyler som kan interagera med HAMLET. Vi fann att HAMLET kan associera med en grupp av proteiner, histoner, som organiserar DNA som kromatin i cellkärnan. HAMLETs interaktion med histoner i tumörceller skulle kunna leda till celldöd genom att störa funktionen av kromatinet. Hur en sådan effekt av HAMLET på kromatin kan leda till delldöd är inte känt, men en vanlig mekanism för att signallera skador på DNA är p53-systemet. p53 är ett protein som kontrollerar att DNA är helt och funktionellt, och om det upptäcker skador kan det starta ett celldödsprogram. I studie II studerade vi därför om p53 har någon funktion i HAMLET-inducerad celldöd. Vi jämförde celler med normalt p53 med 41 celler som saknar p53 och kunde inte finna någon skillnad i känslighet för HAMLET. HAMLET skiljer sig därigenom från många kända celldödssubstanser genom att det dödar celler oberoende av p53. Detta är en fördel vid behandling av tumörer eftersom många tumörceller saknar funktionellt p53. I studie IV studerade vi den molekylära basen för interaktionen mellan HAMLET och histoner med hjälp av alfa-laktalbumin och HAMLET-liknande komplex från olika djurarter. Resultaten visade att alfa-laktalbumin för att binda histoner måste vara i en HAMLET-liknande veckningsform, men att fettsyran inte påverkar bindningen. De flesta HAMLET-liknade komplex som dödar tumörceller kunde interagera med histoner. Vi föreslår därför att interaktionen med histoner i cellkärnan är en viktig del av HAMLETs tumördödande funktion.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinska och farmaceutiska grundvetenskaper -- Mikrobiologi inom det medicinska området (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Basic Medicine -- Microbiology in the medical area (hsv//eng)

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinska och farmaceutiska grundvetenskaper -- Immunologi inom det medicinska området (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Basic Medicine -- Immunology in the medical area (hsv//eng)

Nyckelord

Mikrobiologi

virology

mykologi

bakteriologi

virologi

mycology

bacteriology

Microbiology

chromatin

histones

apoptosis

alpha-lactalbumin

programmed cell death

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)