Unraveling the interactome of protein phosphatase 1: searching for biomarkers and therapeutic targets for human prostate cancer

Abstract

The prostate is an important accessory gland of the male reproductive system. Its genesis, development and function are strictly regulated by cell signaling pathways. Understanding such pathways is important to better understand the molecular and cellular events that underlie two frequently diagnosed diseases in men over 50—benign prostate hyperplasia and prostate cancer (PCa). PCa remains one of the most common malignancies in men worldwide and, despite recent advances in PCa diagnosis and treatment, clinical management is still challenging. Reversible phosphorylation is one of the key cellular mechanisms for regulating the activation state of proteins and, consequently, their downstream signaling cascade(s). Protein phosphatase 1 (PP1)—one of the most relevant serine/threonine phosphatases—participates in several cellular processes, from cell cycle to cytoskeleton dynamics. Its activity, or deregulation, has also been associated with the development and progression of various diseases, including cancer. In PCa, PP1 is known to promote the androgen receptor (AR) activity—a central player in PCa development and progression and the main target of clinically-approved pharmacological interventions for the management of the disease at early castration-naïve stages. However, few studies have addressed PP1 in PCa. Therefore, this study aimed to characterize the expression of PP1 in PCa and to identify its interactome for a better understanding of its function and identification of potential new biomarkers and/or therapeutic targets. To that end, we analyzed the expression of the PP1 catalytic isoforms in normal and tumoral conditions of the prostate and found them to be differentially expressed. In addition, our results provide evidence for potential isoform specific roles, emphasizing the need for isoform-dedicated studies. We then proceed our study with the characterization of the PP-1G's (gamma isoform) interactome in PCa, using a combination of biochemical and bioinformatics approaches. This allowed us to highlight particularly relevant interactors that would be of interest to further address in future studies. Finally, we designed and synthesized cell-penetrating peptides based on the PP1-docking motifs present in the AR's amino acid sequence. The peptides were successfully internalized by PCa cells and decreased the viability of both androgen dependent and castration-resistant PCa cells when used in combination.

A próstata é uma importante glândula acessória do sistema reprodutor masculino. A sua génese, desenvolvimento e função são estritamente reguladas por vias de sinalização celular, cujo conhecimento permite uma melhor compreensão dos eventos moleculares e celulares subjacentes ao desenvolvimento de duas doenças frequentemente diagnosticadas em homens com mais de 50 anos: a hiperplasia benigna da próstata e o cancro da próstata (CaP). O CaP continua a ser uma das neoplasias malignas mais comuns em homens em todo o mundo e, apesar dos avanços recentes no seu diagnóstico e tratamento, a sua gestão clínica continua a ser desafiante. A fosforilação reversível é um dos principais mecanismos de regulação do estado de ativação das proteínas e, consequentemente, das cascatas de sinalização celular por elas mediadas. A proteína fosfatase 1 (PP1)—um dos principais catalisadores celulares de reações de desfosforilação em resíduos de serina e treonina—participa em inúmeros processos celulares, desde o ciclo celular à dinâmica do citoesqueleto. A sua atividade, ou desregulação da mesma, tem sido também associada ao desenvolvimento e progressão de várias doenças, como o cancro. No CaP, sabe-se que a PP1 promove a atividade do recetor de androgénios (AR)—um fator de transcrição central na carcinogénese da próstata e o principal alvo das intervenções farmacológicas clinicamente aprovadas para o tratamento da doença em estadios iniciais. Contudo, são escassos os estudos dedicados à PP1 no CaP. Assim, este estudo surge com o objetivo de caracterizar a expressão da PP1 no CaP e de identificar o seu interatoma para uma melhor compreensão da sua função e identificação de potenciais novos biomarcadores e/ou alvos terapêuticos para a doença. Neste sentido, analisamos a expressão das isoformas catalíticas PP1 em condições normais e tumorais da próstata e descobrimos que eram diferencialmente expressas. Além disso, os nossos resultados apontam para a existência de funções específicas de cada isoforma. Prosseguimos com a caracterização do interatoma da isoforma gama, PP-1G, no CaP, usando uma combinação de abordagens bioquímicas e bioinformáticas. Isto permitiu-nos identificar interatores particularmente relevantes para investigação detalhada em estudos futuros. Por último, desenhamos e sintetizamos péptidos derivados dos motivos de ligação à PP1 presentes na sequência de aminoácidos do AR, que mostramos serem internalizados por modelos celulares de CaP e diminuírem a viabilidade celular, mesmo em células resistentes à castração, quando usados em combinação.