Université de Montréal Feedback regulation of Gab2-dependent signaling by the Ras/MAPK pathway par Xiaocui Zhang Programmes de Biologie Moléculaire Faculté de Médecine Thèse présentée à la Faculté de Médecine en vue de l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) en Biologie Moléculaire option Biologie des Systèmes Dec., 2014 © Xiaocui Zhang, 2014 Résumé La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus i pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers. Mots clés: Gab2; MAPK; RSK; ERK1/2; D-domain; phosphorylation; Shp2; p85; ii Abstract Receptor tyrosine kinase (RTK) signaling plays an essential role in modulating cell growth, proliferation, differentiation and motility. Abnormal regulation of RTKs results in many human diseases, including breast cancer, the second leading cause of cancer mortality in women by the frequent amplification and mutation of the HER2 (ERBB2) tyrosine kinase. The Grb2-associated binder (Gab) 2 is an adaptor protein that acts downstream of several RTKs, including HER2, to regulate multiple signaling pathways. In response to the stimulation of a number of growth factors and cytokines, Gab2 is recruited to the plasma membrane, where it potentiates the activation of the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) and PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B) pathways. In addition to playing an important role in the hematopoietic system during development, GAB2 is often amplified in cancers including breast cancer and melanoma, however, little is known about the molecular mechanisms that regulate Gab2 function. It has been well established that upon RTKs activation, Gab2 becomes phosphorylated on several Tyr residues leading to diverse adaptor protein associations, such as p85 and Shp2. Aside from the tyrosine phosphorylation, our lab and other groups noticed that Gab2 is also phosphorylated on Ser/Thr residues upon activation of MAPK signaling. However, less is known about this post-translational modification in the regulation of Gab2 functions. In order to understand how Gab2 is regulated by the MAPK pathway, we used different approaches. In the first part of my thesis, we determined a new mechanism by which the Ras/MAPK pathway through RSK (p90 ribosomal S6 kinase) phosphorylated Gab2 on three conserved Ser/Thr residues, both in vivo and in vitro. Mutation of these phosphorylation sites promoted Shp2 recruitment leading to increased cell motility, suggesting that RSK restricts Gab2-dependent functions as a result of participation in the negative feedback loop of MAPK signaling. In the second part of the thesis, we found that ERK1/2 phosphorylated Gab2 on several potential pS/T-P residues, both in vivo and in vitro, resulting in inhibited p85 recruitment. In addition, to the best of our knowledge, we established for the first time that Gab2 physically interacted with ERK1/2 in cells upon activation of the MAPK pathway. Furthermore, we revealed a novel ERK1/2 docking domain in Gab2. Mutation of the essential residues in this docking domain not only disrupted ERK1/2-Gab2 interaction, but also iii diminished ERK1/2-dependent phosphorylation on Gab2. Taken together, our data showed that the MAPK pathway regulates Gab2 functions through both RSK- and ERK1/2-dependent manners. Given that Gab2 is overexpressed in several cancers, this thesis decodes a complete figure of modulating actions of Gab2 by MAPK signaling in cancer development. Keywords: Gab2; MAPK; RSK; ERK1/2; D-domain; phosphorylation; Shp2; p85; iv Table of Contents Résumé ........................................................................................................................................ i Abstract .................................................................................................................................... iii Table of Contents ...................................................................................................................... v List of Tables ............................................................................................................................. ix List of Figures ............................................................................................................................ x List of Abbreviations .............................................................................................................. xii Acknowledgements ................................................................................................................ xix Contribution of Co-authors .................................................................................................. xxi Chapter 1 Introduction and Literature Review ..................................................................... 1 1.0 General Introduction ...................................................................................................... 2 1.1 Characteristics of carcinogenesis .................................................................................. 3 1.1.1 Sustaining proliferation and evading growth suppressors .................................. 4 1.1.2 Angiogenesis formation in the primary tumor site ............................................. 5 1.1.3 Invasion and metastasis ....................................................................................... 6 1.2 Breast cancer and receptor tyrosine kinase ................................................................... 8 1.2.1 Grades, stages and types of breast cancer ........................................................... 8 1.2.2 Treatments of breast cancer .............................................................................. 11 1.2.3 ErbB2/HER2 in breast cancer ........................................................................... 13 1.2.3.1 EGFR family ........................................................................................ 13 1.2.3.2 Activation mechanisms of HER2 receptor ........................................... 15 1.3 The Ras/MAPK/RSK signaling pathway .................................................................... 17 1.3.1 Background: Mechanisms of MAPK cascade activation .................................. 17 1.3.2 The ERK1/2 module ........................................................................................