The Tousled-like kinases and their implications in cancer and neurodevelopmental disorders

Abstract

The Tousled like kinases 1 and 2 (TLK1 and TLK2) are evolutionarily conserved Ser/Thr kinases that are required for genome stability and normal development in numerous organisms. Both kinases contribute to histone deposition by targeting the histone chaperone ASF1 and are regulated by the DNA damage response. Their expression is ubiquitous and often elevated in cancer cells with suppressed immune gene expression. In cultured cells, TLK depletion causes replication stress, DNA damage and altered chromatin maintenance, eliciting an innate immune response dependent on the Alternative-lengthening of telomeres pathway. This suggested that TLKs would be a potential target in cancer therapy. In addition, TLKs have been linked to a distinct neurodevelopmental disorder (NDD) known as Mental Retardation Autosomal Dominant (MRD57). How TLKs contribute to these pathologies remains largely unknown. The aims of this thesis are to explore the therapeutic potential of targeting TLKs in cancer and understand how TLK2 deficiency contributes to NDDs. To this end, we have generated conditional mouse models where we can modulate TLK2 expression in both embryonic development and in developing breast cancer. We have also mimicked TLK2 mutations from MRD57 patients in vitro and addressed how they alter the normal kinase activity, localization and interactome of TLK2. We showed that depletion of TLK2 in already formed tumors stalls tumor growth and reduces lung metastases, and observed an early immune infiltration that could potentially sensitize these tumors to immune checkpoint blockade. Novel small molecule inhibitors towards TLKs were identified, indicating that they are inherently druggable targets. Consistent with what we observed in cancer, deletion of TLK2 in the telencephalon of mouse embryos caused elevated transcription of inflammatory genes and signatures of microglia and astrocytes. We also described 6 new cases of MRD57 and showed that patient-derived cell lines exhibited defects in chromatin compaction. Separately we identified two hyperactive MRD57 mutations, suggesting misregulation of TLK2 levels, rather than decreased activity, is likely the predisposing factor leading to NDD. Lastly, we showed in cells that TLK2 is in close proximity with a number of known autism-susceptibility proteins and proteins enriched in replication forks, and that these proximal interactions are altered by MRD57 mutations. Together, these results further suggest that TLKs may be a viable target for cancer therapy, as their loss leads to innate immune activation that may also influence neurodevelopment in MRD57 patients.

Les Tousled like kinases i and 2 (TLK1 i TLK2) són Ser-Thr quinases conservades evolutivament que són necessàries pel manteniment de l’estabilitat del genoma i pel desenvolupament normal de diversos organismes. Ambdues quinases contribueixen a la deposició d’histones mitjançant la regulació de la xaperona d’histones ASF1, i són regulades per les vies de resposta al dany de l’ADN. La seva expressió és ubiqua i sovint elevada en cèl·lules canceroses que presenten l’expressió de gens immunes suprimida. En cèl·lules cultivades, la depleció de les TLKs causa estrès replicatiu, dany en l’ADN i altera el manteniment de la cromatina, provocant una resposta immune innata depenent de la via d’allargament alternatiu dels telòmers. Això suggereix que les TLKs són una diana terapèutica potencial per al tractament del càncer. A més a més, les TLKs han estat vinculades a un trastorn del neurodesenvolupament (TND), anomenat Retard mental autosòmic dominant (MRD57). Com les TLKs contribueixen a aquestes patologies continua sent un misteri. Els objectius d’aquesta tesi són explorar el potencial terapèutic en càncer de les TLKs i entendre com el dèficit de TLK2 contribueix a TND. Per assolir aquests objectius, hem generat models condicionals de ratolí on podem modular l’expressió de TLK2 tant en desenvolupament embriònic com durant la progressió de tumors mamaris. També hem mimetitzat mutacions de pacients amb MRD57 in vitro i estudiat com alteren l’activitat quinasa, la localització i l’interactoma normal de TLK2. Hem demostrat que la depleció de TLK2 en tumors mamaris n’atura el creixement i redueix significativament les metàstasis als pulmons. També hem observat un augment en la infiltració de cèl·lules immunes als tumors que poden sensibilitzar-los a inhibidors dels punts de control immunitaris. Hem identificat nous inhibidors de molècules petites de les TLKs, reafirmant que són dianes drogables. Consistent amb el que hem vist en càncer, la supressió de TLK2 en el telencèfal d’embrions de ratolí causa un augment en la transcripció de gens inflamatoris i en signatures de micròglia i astròcits. Hem descrit 6 nous casos de MRD57 i demostrat que línies cel·lulars derivades d’aquests pacients presenten defectes en la compactació de la cromatina. Separadament hem identificat dues mutacions de MRD57 que són hiperactives, suggerint que la desregulació dels nivells de TLK2 predisposen al desenvolupament de TND. Per últim, hem demostrat en cèl·lules que TLK2 està a prop de diverses proteïnes que confereixen susceptibilitat a autisme, ai xí com de proteïnes que localitzen a les forquilles de replicació. Aquestes interaccions esveuen alterades per les mutacions de MRD57. Conjuntament, aquests resultats ens indiquen que les TLK2 són una diana viable pel tractament del càncer, ja que la seva pèrdua activa una resposta innata immunitària, i aquesta mateixa resposta sembla que també influeix en el neurodesenvolupament de pacients amb MRD57.