CDK12 and CDK13 function in transcription regulation

Mgr. Hana Paculová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cyklin-dependentní kinasa 12 (CDK12) je transkripční kinasa, která řídí expresi svých cílových genů tím, že fosforyluje RNA polymerasu II v průběhu elongační fáze transkripce. CDK12 je zapojena do několika buněčných precesů, což zahrnuje odpověď na poškození DNA, vývoj a buněčnou diferenciaci a sestřih mRNA. CDK12 byla popsána jako jeden z genů, které jsou často mutovány v high-grade serózním ovariálním karcinomu, nicméně vliv těchto mutací na funkci CDK12 a jejich role v karcinogenezi doposud nebyla stanovena. Zjistili jsme, že většina mutací CDK12, které byly nalezeny v nádorech, brání vytvoření komplexu CDK12 s Cyklinem K a inhibují kinasovou aktivitu CDK12. Pomocí analýzy exprese mRNA ze vzorků nádorů nesoucích CDK12 mutace se nám podařilo identifikovat sadu genů, jejichž exprese je závislá na CDK12. Dále ukazujeme, že CDK12 se přímo podílí na na transkripci těchto genů tak, že fosforyluje RNA polymerasu II na Serinu 2. Nakonec jsme ukázali, že mutace CDK12 snižují schopnost buněk opravovat dvouřetězcové zlomy v DNA pomocí homologní rekombinace. Z toho vyvozujeme, že mutace, které dektivují funkci CDK12, mohou vést ke snížené schopnosti buněk opravovat poškozenou DNA, což může vést ke genomové nestabilitě a přispívat k rozvoji nádoru. U velkého množství nádorů se vyvine resistence proti existujícím způsobům léčby, proto je potřeba hledat nové možnosti terapie nádorů. Inhibitory CHK1 zvyšují terapeutické účinky látek, které způsobují poškození DNA. Je známo, že deregulace BRCA1 i CDK12 způsobuje genomovou nestabilitu, rozhodli jsme se proto testovat hypotézu, že snížení BRCA1 a CDK12 povede k většímu cytostatickému efektu inhibitoru CHK1. Zjistili jsme, že snížení exprese BRCA1 i CDK12 zvyšuje účinek CHK1 inhibitoru in vitro. Snížení exprese BRCA1 zvýšilo senzitivitu buněk k CHK1 inhibitoru v myším xenograftovém modelu. Snížení BRCA1 v kombinaci s CHK1 inhibicí vedlo ke zvýšené hladině poškození DNA a k neschopnosti přejít S-fázi buněčného cyklu. Navrhujeme, že inhibice CHK1 by mohla být vhodnou strategií pro léčbu nádorů s deficientní BRCA1 nebo CDK12. V nádorové terapii by mohla být využita i kombinace inhibitorů CDK12 a CHK1.

Abstract:

Cyclin-dependent kinase 12 (CDK12) is a transcription-associated kinase which promotes expression of its target genes by phosphorylating RNA Polymerase II during the transcription elongation. CDK12 is involved in multiple biological processes, including DNA damage response, development, differentiation and mRNA splicing. CDK12 was identified as one of the recurrently mutated genes in high-grade serous ovarian cancer. Nevertheless, the impact of these mutations on CDK12 function and their role in carcingenesis have not been determined. We show that most of the CDK12 ovarian cancer-associated mutations prevent formation of the CDK12/Cyclin K complex and disrupt its kinase activity. Employing mRNA expression analysis of tumor samples bearing CDK12 mutations, we identified a set of CDK12-dependent DDR genes. We show that CDK12 directly participates in transcription of those genes by phosphorylating Serine 2 of RNA polymerase II. Finally, we show that CDK12 mutations disrupt the ability of cells to repair of double strand breaks by HR. Taken together, CDK12 loss-of-function mutations cause deficiency in DNA repair, which can lead to genomic instability and carcinogenesis. Our results support the hypothesis that CDK12 is a tumor suppressor in high-grade serous ovarian cancer. Since large number of tumors develop resistance to existing therapies, there is a need to develop new therapeutic options. CHK1 inhibitors potentiate the cytostatic effect of various DNA-damaging agents. Since loss of BRCA1 or CDK12 result in genomic instability, we tested a hypothesis that BRCA1 or CDK12 depletion will enhance the cytostatic effect of CHK1 inhibitors. The silencing of BRCA1 or CDK12 sensitized tumor cells to CHK1 inhibitors in vitro. BRCA1 depletion enhanced the CHK1 inhibitor sensitivity in a mouse xenograft model. Finally, BRCA1 downregulation combined with CHK1 inhibition induced excessive amounts of DNA damage, resulting in an inability to complete the S-phase. We suggest CHK1 inhibition as a strategy for targeting BRCA1- or CDK12-deficient tumors. Moreover, the combination of CHK1 and CDK12 inhibition may exhibit a therapeutic effect.

Keywords

Cyclin-dependent kinase, CDK12, transcription, RNA polymerase II, ovarian cancer, CHK1, cyklin-dependentní kinasa, RNA polymerasa II, rakovina vaječníků, transkripce

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 4. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2018
• Supervisor: Mgr. Jiří Kohoutek, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Vladimír Kryštof, Ph.D., Mgr. Petr Vodička, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biochemistry