digital.library.adelaide.edu.au · v abstract the hypoxia inducible factors (hifs) are widely...

371
i INVESTIGATING POTENTIAL POSTTRANSLATIONAL MODIFICATION OF FACTORINHIBITING HIF (FIH1)

Upload: nguyenthuy

Post on 13-Aug-2019

212 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 i 

 

INVESTIGATING POTENTIAL POST‐

TRANSLATIONAL MODIFICATION OF 

FACTOR‐INHIBITING HIF (FIH‐1) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 iii 

 

 

INVESTIGATING POTENTIAL POST‐

TRANSLATIONAL MODIFICATION OF 

FACTOR‐INHIBITING HIF (FIH‐1) 

 

Submitted for the degree of Doctor of Philosophy 

Karolina Lisy BSc (Hons) Biotechnology 

School of Molecular and Biomedical Science, University of Adelaide 

June, 2011 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 v 

ABSTRACT 

The Hypoxia  Inducible Factors  (HIFs) are widely expressed  transcription  factors critical 

for  altering  gene  expression  in  hypoxic  cells  and  enabling  cellular  adaptation  to 

conditions of  limited oxygen availability. The HIFs are  labile and  inactive when oxygen 

levels  are  sufficient  to  meet  cellular  oxygen  demand,  but  become  stabilised  and 

transcriptionally active when oxygen  levels decrease. Factor Inhibiting HIF‐1α (FIH‐1)  is 

an  asparaginyl  hydroxylase  that was  first  identified  via  its  interaction with  the HIF‐α 

subunit. The canonical role for the enzyme involves the oxygen‐dependent regulation of 

HIF  transcriptional  activity.  In  normoxia,  FIH‐1  hydroxylates  an  asparaginyl  residue  in 

the  C‐terminal  transactivation  domain  of  HIF‐α,  blocking  interaction  with  vital 

transcriptional coactivators and abrogating HIF transcriptional activity. As FIH‐1 requires 

oxygen  for  hydroxylation,  activity  of  the  enzyme  decreases  with  decreasing  oxygen 

levels,  allowing HIF‐α  to  escape hydroxylation  and  consequently  activate  target  gene 

expression during periods of insufficient oxygen tension. 

More  recently,  FIH‐1  has  been  found  to  bind  and  hydroxylate  a  number  of  proteins 

containing  ankyrin  repeat  domains  (ARDs).  However,  despite  the  prevalence  of  ARD 

hydroxylation,  there  is,  as  yet,  no  established  role  attributed  to  these modification 

events. Additionally, FIH‐1 knockout mice have revealed a surprising role for FIH‐1 as a 

neuronal regulator of metabolism, suggesting a novel, cell‐specific role for the enzyme.  

As FIH‐1  requires O2  for catalysis,  the availability of  intracellular oxygen  is  thought  to 

determine activity of the enzyme, branding FIH‐1 as a putative cellular oxygen sensor. 

Aside  from modulation of enzyme activity by oxygen  levels,  little  is known about  the 

regulation  of  FIH‐1.  Several  lines  of  evidence  have  suggested  that  FIH‐1  exhibits  cell 

type‐specific differences  in activity toward HIF‐α substrates that may act  in addition to 

or separately from the regulation of enzyme activity by levels of available oxygen.  

Page 4: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 vi 

The  primary  aim  of  this work was  to  investigate  the  post‐translational modification 

(PTM)  of  FIH‐1  in  order  to  uncover  any  additional  regulatory mechanisms  that may 

exist. Two‐dimensional electrophoresis (2‐DE) experiments from a number of cancer cell 

lines and mouse embryonic fibroblasts revealed heterogeneity in the isoelectric point of 

FIH‐1,  suggesting  the  existence of multiple post‐translationally‐modified  forms of  the 

enzyme.  Overexpressed  FIH‐1  was  affinity  purified  for  mass  spectrometric  (MS) 

identification of PTMs. MS analysis was able  to demonstrate asparaginyl deamidation 

and  methionine  oxidation.  It  is  unclear,  however,  whether  these  modifications 

represent  modifications  occurring  in  the  cellular  environment  or  during  sample 

processing. 

Due  to  inefficient  purification  of  FIH‐1  from  cells,  it  could  not  be  ascertained  if 

phosphorylation was present. However, phosphatase treatment of cell  lysate followed 

by 2‐DE consistently  showed a decrease  in  spot number and  shift of FIH‐1  spots  to a 

more basic position on a 2‐D  field, suggesting  that  the  isoelectric point differences of 

FIH‐1  could  be  attributed,  in  part,  to  phosphorylation.  Furthermore,  in  vitro 

phosphorylation  assays  indicated  that  recombinant  FIH‐1  was  able  to  be 

phosphorylated by kinases supplied by cell lysate.  

In  summary,  the work  presented  here  provides  evidence  for  the  existence  of  novel 

PTMs of FIH‐1, and suggests that FIH‐1 may be a kinase substrate.  

 

 

 

 

Page 5: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 vii 

CANDIDATES DECLARATION 

 

This work  contains no material which has been  accepted  for  the  award of  any other 

degree or diploma in any university or other tertiary institution to Karolina Lisy and, to 

the  best  of my  knowledge  and  belief,  contains  no material  previously  published  or 

written by another person, except where due reference has been made in the text. 

 

I give consent to this copy of my thesis, when deposited in the University Library, being 

made available  for  loan and photocopying,  subject  to  the provisions of  the Copyright 

Act 1968. 

 

I also give permission  for  the digital version of my  thesis  to be made available on  the 

web,  via  the  University’s  digital  research  repository,  the  Library  catalogue,  the 

Australasian  Digital  Theses  Program  (ADTP)  and  also  through  web  search  engines, 

unless permission has been granted by the University to restrict access for a period of 

time. 

 

 

Signature: ………………………………………………. 

 

Date: ……………….. 

 

 

 

 

Page 6: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 viii 

ACKNOWLEDGMENTS 

 First and foremost I’d like to thank my supervisor Dr. Daniel Peet for inviting me into the 

lab to do my PhD. The guidance and support I’ve received over the years have been 

invaluable and I sincerely appreciate the time and input invested into the project. 

 

Thank you also to Murray Whitelaw 

 

To all the members of the Peet lab, both past and present, thanks for making the lab as 

fun as it was! To darling Rachel, a wonderful person with a heart of gold and limitless 

patience, we started out together as two little Honours students who had no idea what 

we were doing, and it has been a privilege to work with you and thanks so much for 

your friendship over the years. To Sarah Linke, hands down the most brilliant person I 

know, I wish all the best for what’s coming next, and to the delightful Sarah Wilkins, all 

the best for the future and for Oxford. Anne Chapman‐Smith, thanks for all the talks and 

advice on both science and personal matters, and Colleen Bindloss I feel so fortunate to 

have had the opportunity to meet and work with such a wonderful group of people, so 

thanks Anne Raimondo, Briony Davenport, Sam Olechnowicz, Cameron Bracken, 

Anthony Fedele, Teresa Otto, Rebecca Bilton, Natalia Martin, Max Tollenaere and 

Lauren Watkins. 

 

Mum and Dad, your unwavering support and help have been so important to me and I 

would like to thank you for Thanks to my beautiful grandparents, who have always 

taken an interest in what I do, and in particular to Dĕdeček who will probably try to read 

this thesis even though he doesn’t speak English! And lastly to Patrick, who has been 

witness to all the horrors involved in finishing this PhD 

  

 

 

 

Page 7: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 ix 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xi 

ABBREVIATIONS 

 

2‐DE    Two‐Dimensional Electrophoresis 

2‐OG    2‐oxoglutarate 

3’UTR    3’ untranslated region 

6His    6x Histidine 

A280    Absorbance at 280 nm 

Ank    Ankyrin 

Amp    Ampicillin 

ARD    Ankyrin repeat domain 

Arnt    Aryl hydrocarbon nuclear translocator 

APS    Ammonium persulphate 

ATP    Adenosine triphosphate 

bHLH    Basic helix‐loop‐helix 

BME    Beta mercaptoethanol 

bp    base pairs 

BSA    Bovine serum albumin 

CAD    Carboxy‐terminal transactivation domain 

CA9    Carbonic Anhydrase 9 

CBP    CREB‐binding protein 

CCRCC    Clear cell renal cell carcinoma 

CD    Deamidation coefficient 

CDP    CCAAT‐displacement protein 

CHAPS  3‐[(3‐Cholamidopropyl)dimethylammonio]‐1‐ 

propanesulfonate 

CNBr    Cyanogen Bromide 

DAPI    4',6‐diamidino‐2‐phenylindole 

Page 9: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xii 

DBD    DNA binding domain 

DMEM   Dulbecco’s modified eagle medium 

DMSO    Dimethylsulphoxide 

DNA    Deoxyribonucleic acid 

DP    2,2’ dipyridyl 

DTT    Dithiothreitol 

ECL    Enhanced chemiluminescence 

EDTA    Ethylene diamide tetra‐acetic acid 

ELISA    Enzyme‐linked immunosorbent assay 

EPO    Erythropoetin 

EtBr    Ethidium bromide 

FCS    Fetal calf serum 

FIH‐1    Factor Inhibiting HIF 

GFP    Green fluorescent protein 

Glut    Glucose transporter 

GSV    Glut4 storage vesicle 

GTS    Glycine/trizma base/SDS 

HDAC    Histone deacetylase 

HEPES    4‐(2‐Hydroxyethyl)piperazine‐1‐ethanesulfonic acid 

HIF‐    Hypoxia inducible factor  subunit 

HIF‐β    Hypoxia inducible factor β subunit 

HIF    Hypoxia inducible factor (heterodimer) 

hnRNP B1  Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein B1 

HNSCC   Head and neck squamous cell carcinoma 

HRE    Hypoxic response element 

HRP    Horseradish peroxidise 

ICD    Intracellular domain 

IEF    Isoelectric focusing 

Page 10: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xiii 

IF    Immunofluorescence 

Ig    Immunoglobulin 

ILK‐1    Integrin‐linked kinase 1 

IMAC    Immobilised metal affinity chromatography 

IP    Immunoprecipitation 

IPG    Immobilised pH gradient 

IPTG    Isopropyl‐‐D‐thiogalactopyranoside 

IRAP    Insulin‐regulated aminopeptidase 

IRES    Internal ribosome entry site 

Kb    Kilobase 

KDa    Kilodalton 

Km    Michaelis constant 

Ko    knockout 

LB    Luria Broth 

LDHA    Lactate dehydrogenase A 

Luc    Luciferase 

MALDI   Matrix‐assisted laser desorption/ionisation 

MAPK    Mitogen‐activated protein kinase 

MBP    Maltose binding protein 

MEF    Mouse Embryonic Fibroblast 

miRNA   Micro RNA 

MQ    Milli‐Q 

mRNA    Messenger ribonucleic acid 

MS    Mass Spectrometry 

MT1‐MMP  Membrane type 1 matrix metalloprotease 

MW    Molecular weight 

NAD    N‐terminal transactivation domain 

Ni‐IDA    Nickel nitrilotriacetic acid 

Page 11: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xiv 

NO    Nitric oxide 

OD600    Optical density at 600 nm 

ODDD    Oxygen‐Dependent Degradation Domain 

O/N    Overnight 

PAGE    Polyacrylamide gel electrophoresis 

PAS    Per‐Arnt‐SIM homology domain 

PBS    Phosphate buffered saline 

PBT    Phosphate buffered saline with 0.1% Tween‐20 

PCR    Polymerase chain reaction 

PI3K    phosphatidylinositol 3 kinase 

Pen/Strep  Penicillin/streptomycin 

PGK1    Phosphoglycerate kinase 1 

PHD    Prolyl hydroxylase domain‐containing protein 

pI    Isoelectric point 

PKC    Protein kinase C zeta 

PM    Plasma membrane 

PMSF    Phenylmethyl sulfonyl fluoride 

PoAb    Polyclonal antibody 

PP1R12C  Protein phosphatase 1 regulatory subunit 12 C 

PPAse    Phosphatase 

PTM    Post‐translational modification 

pVHL    Von Hippel Lindau protein 

RCC    Renal cell carcinoma 

RNA    Ribonucleic acid 

ROS    Reactive oxygen species 

RT    Room temperature 

SB3‐10   N‐decyl‐N,N‐dimethyl‐3‐ammonio‐l‐propane‐sulfonate 

SDS    Sodium dodecyl sulfate 

Page 12: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xv 

SDS PAGE  Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis  

shRNA    short hairpin RNA 

siRNA    Small interfering RNA 

TAD    Transactivation domain 

TCA cycle  Tricarboxylic acid cycle 

TE    Tris/EDTA 

TEMED   N,N,N1,N1‐teramethyl‐ethylenediamide 

Tween‐20  polyoxyethylene‐sorbitan monolaurate 

Tris    Tris (hydroxymethyl) aminomethane 

Trx    Thioredoxin 

VEGF    Vascular endothelial growth factor 

VHr    Volt hour 

Vmax    Maximum rate 

WB    Western blot 

WCE    Whole cell extract 

WCEB    Whole cell extract buffer 

Wt    Wildtype 

Y2H    Yeast 2 hybrid 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xvii 

TABLE OF CONTENTS 

 

1  INTRODUCTION .................................................................................................................. 3 

1.1  REGULATION OF THE HYPOXIA INDUCIBLE FACTORS  3 

1.1.1 THE NECESSITY OF OXYGEN ........................................................................................................... 3 1.1.2 DEFINITIONS OF NORMOXIA AND HYPOXIA ...................................................................................... 4 1.1.3 PHYSIOLOGICAL AND PATHOPHYSIOLOGICAL CAUSES OF HYPOXIA ........................................................ 4 1.1.4 THE HYPOXIA INDUCIBLE FACTORS ................................................................................................. 5 1.1.5 HIF TARGET GENES ..................................................................................................................... 7 1.1.6 OXYGEN‐DEPENDENT REGULATION OF HIF‐Α ................................................................................. 11 1.1.7 OXYGEN‐DEPENDENT REGULATION OF HIF‐Α STABILITY ................................................................... 12 1.1.8 OXYGEN‐DEPENDENT REGULATION OF THE HIF‐Α‐CAD TRANSCRIPTIONAL ACTIVITY ............................. 15  

1.2  FACTOR‐INHIBITING HIF  19 

1.2.1 FIH‐1 EXPRESSION AND SUBCELLULAR LOCALISATION ...................................................................... 19 1.2.2 FIH‐1 STRUCTURE .................................................................................................................... 19 1.2.3 REGULATION OF FIH‐1 ACTIVITY BY OXYGEN LEVELS: IN VITRO DATA .................................................. 20 1.2.4 REGULATION OF FIH‐1 ACTIVITY BY OXYGEN LEVELS: DATA FROM CELL‐BASED EXPERIMENTS ................. 21  

1.3  ARD‐CONTAINING SUBSTRATES  29 

1.3.1 DOES FIH‐1 POST‐TRANSLATIONALLY MODIFY OTHER PROTEINS? ...................................................... 29 1.3.2 IDENTIFICATION OF NOVEL FIH‐1 SUBSTRATES ............................................................................... 29 1.3.3 NOTCH IS AN FIH‐1 SUBSTRATE .................................................................................................. 30 1.3.4 FUNCTION OF NOTCH HYDROXYLATION......................................................................................... 31 1.3.5 ANKYRIN REPEAT DOMAIN‐CONTAINING SUBSTRATES ..................................................................... 32 1.3.6 FUNCTION OF ARD HYDROXYLATION ............................................................................................ 33  

1.4  WHAT IS THE ROLE OF FIH‐1?  36 

1.4.1 FIH‐1 KNOCKOUT MOUSE PHENOTYPE .......................................................................................... 36 1.4.2 A CELL‐TYPE SPECIFIC ROLE FOR FIH‐1? ........................................................................................ 38  

1.5  REGULATION OF FIH‐1  39 

1.5.1 REGULATION AT THE FIH‐1 PROMOTER BY PROTEIN KINASE C  ....................................................... 39 1.5.2 REGULATION OF FIH‐1 TRANSLATION BY MICRORNA 31 ................................................................. 40 1.5.3 REGULATION OF HIF TRANSCRIPTIONAL ACTIVITY BY NITRIC OXIDE ..................................................... 41 1.5.4 FIH‐1 IS NOT REGULATED BY TRICARBOXYLIC ACID CYCLE INTERMEDIATES ........................................... 42 1.5.5 REGULATION OF FIH‐1 SUBCELLULAR DISTRIBUTION BY MT1‐MMP AND MINT3 ............................... 43 1.5.7 IS FIH‐1 PHOSPHORYLATED? ...................................................................................................... 44  

Page 14: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xviii 

1.6  FIH‐1 AND DISEASE  49 

1.6.1 HYPOXIA, THE HIF PATHWAY AND SOLID TUMOUR GROWTH ............................................................. 49  

1.7  THESIS OBJECTIVES  52 

2  MATERIALS AND METHODS ............................................................................................. 57 

2.1 CHEMICALS AND REAGENTS  57 

2.2 RADIOCHEMICALS  58 

2.2 COMMERCIAL KITS  58 

2.3 ENZYMES  58 

2.4 ANTIBODIES  59 

2.4.1 PRIMARY ANTIBODIES ................................................................................................................ 59 2.4.3 SECONDARY ANTIBODIES ............................................................................................................ 60  

2.5 BUFFERS AND SOLUTIONS  60 

2.7 BACTERIAL STRAINS AND GROWTH MEDIA  62 

2.8 PLASMIDS  63 

2.8.1 BACTERIAL EXPRESSION PLASMIDS ............................................................................................... 63 2.8.2 MAMMALIAN EXPRESSION PLASMIDS ........................................................................................... 64  

2.9 SIRNA‐MEDIATED KNOCKDOWN OF FIH‐1  65 

2.9.1 PLASMID‐BASED SYSTEM ............................................................................................................ 65 2.9.2 SIRNA OLIGONUCLEOTIDES ......................................................................................................... 66  

2.10 GENERAL DNA METHODS  66 

2.10.1 TRANSFORMATIONS ................................................................................................................. 66 2.10.2 DNA PREPARATION ................................................................................................................. 67 2.10.3 AGAROSE GEL ELECTROPHORESIS ............................................................................................... 67 2.10.4 GEL‐PURIFICATION OF DNA ...................................................................................................... 68 2.10.5 RESTRICTION DIGESTS .............................................................................................................. 68 2.10.6 LIGATIONS ............................................................................................................................. 68 2.10.7 SEQUENCING .......................................................................................................................... 68  

2.11 RECOMBINANT PROTEIN PURIFICATION METHODS  69 

2.11.1 NI2+‐AFFINITY PURIFICATION OF RECOMBINANT HIS‐TAGGED PROTEINS ............................................ 69 2.11.2 AMYLOSE‐AFFINITY PURIFICATION OF RECOMBINANT MBP‐TAGGED PROTEINS .................................. 70 

Page 15: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xix 

 

2.12 GENERAL PROTEIN METHODS  70 

2.12.1 PREPARATION OF CELL LYSATES ................................................................................................. 70 2.12.2 PREPARATION OF NUCLEAR AND CYTOSOLIC EXTRACTS .................................................................. 71 2.12.3 PROTEIN QUANTIFICATION ........................................................................................................ 71 2.12.4 SODIUM DODECYL SULFATE POLYACRYLAMIDE GEL ELECTROPHORESIS .............................................. 71 2.12.5 PROTEIN STAINING .................................................................................................................. 72 2.12.6 WESTERN BLOTTING ................................................................................................................ 72 2.12.7 STRIPPING AND RE‐PROBING WESTERN BLOTS .............................................................................. 72 2.12.8 IMMUNOFLUORESCENCE .......................................................................................................... 73  

2.13 IGM COLUMN PURIFICATION  73 

2.14 CYANOGEN BROMIDE‐ACTIVATED SEPHAROSE PURIFICATION OF IGM  74 

2.14.1 PREPARATION OF CYANOGEN BROMIDE‐ACTIVATED SEPHAROSE ...................................................... 74 2.12.2 9F6 DIALYSIS .......................................................................................................................... 74 2.12.3 COUPLING 9F6 TO CYANOGEN BROMIDE‐ACTIVATED SEPHAROSE .................................................... 74 2.12.4 CAPTURING THE 9F6 ANTIGEN FROM CELL LYSATE ........................................................................ 75 2.14.5 ELUTION OF CAPTURED ANTIGEN ............................................................................................... 75  

2.15 GENERAL MAMMALIAN CELL CULTURE METHODS  75 

2.15.1 MAMMALIAN CELL LINES AND MEDIA ......................................................................................... 75 2.15.2 TRANSFECTION ....................................................................................................................... 76 2.15.3 GENERATION OF STABLE CELL LINES ............................................................................................ 76  

2.16 TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS  76 

2.16.1 SAMPLE PREPARATION: METHOD 1 ............................................................................................ 76 2.16.2 SAMPLE PREPARATION: METHOD 2 ............................................................................................ 77 2.16.3 STRIP REHYDRATION AND ISOELECTRIC FOCUSING ......................................................................... 77 2.16.4 STRIP EQUILIBRATION .............................................................................................................. 78 2.16.5 SECOND DIMENSION SDS‐PAGE ............................................................................................... 78 2.16.6 VISUALISATION ....................................................................................................................... 79  

2.17 IMMUNOPRECIPITATION  79 

2.17.1 CELL LYSATE PREPARATION ....................................................................................................... 79 2.17.2 PRECLEARING ......................................................................................................................... 79 2.17.3 ANTIGEN‐ANTIBODY COMPLEX FORMATION ................................................................................. 80 2.17.4 BEAD REHYDRATION AND BLOCKING ........................................................................................... 80 2.17.5 IMMUNE COMPLEX BINDING TO RESIN ........................................................................................ 80 2.17.6 ELUTION ................................................................................................................................ 80  

2.18 NOTCH‐AFFINITY PULLDOWNS  81 

2.18.1 NOTCH CONSTRUCT EXPRESSION ............................................................................................... 81 

Page 16: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xx 

2.18.2 NOTCH CONSTRUCT PURIFICATION ............................................................................................. 81 2.18.3 NOTCH‐AFFINITY PURIFICATION ................................................................................................. 81  

2.19 NI2+‐AFFINITY PURIFICATION OF FIH‐1 FROM HELA CELLS  82 

2.20 PHOSPHATASE TREATMENTS  83 

2.20.1 CELL LYSIS .............................................................................................................................. 83 2.20.2 PHOSPHATASE TREATMENTS ..................................................................................................... 83 2.20.3 POSITIVE CONTROL .................................................................................................................. 83 2.20.4 2‐DE .................................................................................................................................... 84 2.20.5 INTERNAL REFERENCE PROTEIN .................................................................................................. 84  

2.21 IN VITRO PHOSPHORYLATION ASSAY  84 

2.21.1 PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION .................................................................................... 84 2.21.2 PREPARATION OF CELL LYSATE ................................................................................................... 85 2.21.3 PHOSPHORYLATION ASSAY ........................................................................................................ 85 2.21.4 PHOSPHATASE TREATMENT ....................................................................................................... 85 2.21.5 TEV CLEAVAGE ....................................................................................................................... 86 

3  CHARACTERISING FIH‐1 EXPRESSION ............................................................................... 89 

3. 1 INTRODUCTION  89 

3.1.1 EXPRESSION AND IMPORTANCE OF HIF‐1Α AND HIF‐2Α IN CANCER PROGRESSION ............................... 89 3.1.2 WHAT WAS KNOWN ABOUT FIH‐1 EXPRESSION? ............................................................................ 90  

3.2 HONOURS RESULTS  91 

3.2.1 GENERATION OF FIH‐1 MONOCLONAL ANTIBODY (UNDERGRADUATE RESEARCH YEAR, 2004) ............... 91 3.2.2 GENERATION OF AN ANTI‐FIH‐1 MONOCLONAL ANTIBODY ............................................................... 92 3.2.3 PRELIMINARY USE OF 9F6 ........................................................................................................... 92 3.2.4 CONCLUSIONS FROM UNDERGRADUATE RESEARCH .......................................................................... 95  

3.3 FURTHER CHARACTERISATION OF 9F6 ANTIGEN  99 

3.3.1 9F6 CAN DETECT PURIFIED AND OVEREXPRESSED FIH‐1 ................................................................... 99 3.3.2 SIRNA‐MEDIATED KNOCKDOWN OF FIH‐1 .................................................................................. 103 3.3.3 9F6 IS AN IGM MONOCLONAL ANTIBODY .................................................................................... 107 3.3.4 IMMUNOPRECIPITATION OF 9F6 ANTIGEN BY THIOPHILIC INTERACTION CHROMATOGRAPHY ................ 108 3.3.5 IMMUNOPRECIPITATION OF 9F6 ANTIGEN USING CNBR‐ACTIVATED SEPHAROSE ................................ 113 3.3.6 9F6 ANTIGEN IS NOT FIH‐1 ...................................................................................................... 118 3.3.7 USE OF POLYCLONAL ANTI‐FIH‐1 ANTIBODY TO INVESTIGATE FIH‐1 EXPRESSION ............................... 121  

3.4 SUMMARY AND DISCUSSION  121 

3.4.1 EXPRESSION OF FIH‐1 IN CANCER: PAPER PUBLISHED .................................................................... 125 

Page 17: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xxi 

3.4.2 EXPRESSION OF FIH‐1 IN BREAST CANCER: IS SUBCELLULAR LOCALISATION OF FIH‐1 IMPORTANT? ....... 126 3.4.3 OTHER STUDIES EXAMINING FIH‐1 EXPRESSION IN CANCER ............................................................ 127 

4  TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS ......................................................................... 131 

4.1 INTRODUCTION  131 

4.1.1 EVIDENCE OF CELL‐SPECIFIC DIFFERENCES IN FIH‐1 ACTIVITY .......................................................... 131 4.1.2 REGULATION OF FIH‐1 IN CANCER? ........................................................................................... 132 4.1.3 IS FIH‐1 POST‐TRANSLATIONALLY MODIFIED? .............................................................................. 133  

4.2 METHODS EMPLOYED FOR TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS  135 

4.2.1 OVERVIEW ............................................................................................................................. 135 4.2.2 2‐DE SAMPLE PREPARATION ..................................................................................................... 139 4.2.3 METHODS OF SAMPLE PREPARATION .......................................................................................... 140 4.2.4 PROTEIN QUANTIFICATION ........................................................................................................ 141 4.2.5 ISOELECTRIC FOCUSING ............................................................................................................ 145 4.2.6 EQUILIBRATION ...................................................................................................................... 146 4.2.7 SECOND DIMENSION SEPARATION .............................................................................................. 146 4.2.8 VISUALISATION ....................................................................................................................... 146  

4.3 OPTIMISATION OF TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS  147 

4.3.1 SAMPLE PREPARATION METHOD 1 ............................................................................................. 147 4.3.2 SAMPLE PREPARATION METHOD 2 AND PRECIPITATION ................................................................. 151 4.3.3 SAMPLE PREPARATION USING METHOD 2 AND OPTIMISED PRECIPITATION PROTOCOL ......................... 155 4.3.4 DIFFERENT SPOT PROFILES AN ARTEFACT OF SAMPLE PREPARATION ................................................. 161 4.3.4 SUMMARY OF PRELIMINARY HELA EXPERIMENTS .......................................................................... 162  

4.4 TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS RESULTS  163 

4.4.1 2‐DE OF MEF LYSATES ............................................................................................................ 164 4.4.2 2‐DE OF COS‐1, 293T AND HELA CELL LYSATES .......................................................................... 169 4.4.3 2‐DE OF 293T, COS‐1, CACO‐2 AND HEPG2 CELL LYSATES ........................................................... 175  

4.5 SUMMARY AND DISCUSSION  185 

5  PURIFICATION OF FIH‐1 .................................................................................................. 191 

5.1 OVERVIEW  191 

5.2 IMMUNOPRECIPITATION OF ENDOGENOUS FIH‐1  192 

5.3 AFFINITY PULLDOWNS OF FIH‐1 USING NOTCH1 ANKYRIN REPEATS 1‐4.5  198 

Page 18: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xxii 

5.3.1 STRATEGY OF NOTCH1 ANK1‐4.5‐AFFINITY PURIFICATION ............................................................. 198 5.3.2 RESULTS OF NOTCH1 ANK1‐4.5‐AFFINITY PURIFICATION ............................................................... 201 5.3.3 OPTIMISING ELUTION OF FIH‐1 ................................................................................................. 201 5.3.4 SUMMARY OF NOTCH ANK1‐4.5‐AFFINITY PURIFICATION OF FIH‐1 ................................................. 213  

5.4 GENERATION OF STABLE MYC‐6HIS‐HFIH‐1 HELA CELL LINE  213 

5.4.1 STRATEGY .............................................................................................................................. 213 5.4.2 GENERATION OF STABLE MYC‐6HIS‐HFIH‐1 HELA POLYCLONAL CELL LINE ........................................ 214 5.4.3 GENERATION OF MYC‐6HIS‐FIH‐1 MONOCLONAL HELA CELL LINES ................................................ 217  

5.5 NI2+‐AFFINITY CHROMATOGRAPHY  227 

5.5.1 SMALL SCALE NI2+‐AFFINITY PURIFICATIONS ................................................................................. 227 5.5.2 SCALE‐UP OF NI2+‐AFFINITY PURIFICATIONS ................................................................................. 231 5.5.3 OPTIMISATION OF NI2+‐AFFINITY CHROMATOGRAPHY .................................................................... 235 5.5.4 FURTHER OPTIMISATION OF NI2+‐AFFINITY PURIFICATION ............................................................... 240 5.5.5 MASS SPECTROMETRY RESULTS ................................................................................................. 243 5.5.6 CONTINUATION OF FIH‐1 PURIFICATION ..................................................................................... 249 5.5.7 SUMMARY OF NI2+‐AFFINITY CHROMATOGRAPHY ......................................................................... 249  

5.7 SUMMARY AND DISCUSSION  250 

5.7.1 METHIONINE OXIDATION .......................................................................................................... 251 5.7.2 ASPARAGINYL DEAMIDATION ..................................................................................................... 251 5.7.3 PHOSPHORYLATION ................................................................................................................. 258 5.7.4 FINAL SUMMARY OF FIH‐1 PURIFICATION AND MS RESULTS ........................................................... 261 

6  INVESTIGATING POTENTIAL PHOSPHORYLATION OF FIH‐1 ............................................. 265 

6.1 OVERVIEW  265 

6.2 PHOSPHATASE TREATMENTS  267 

6.2.1 PHOSPHATASE TREATMENTS ..................................................................................................... 267 6.2.2 PHOSPHATASE TREATMENT WITH INTERNAL REFERENCE PROTEIN .................................................... 271 6.2.3 SUMMARY OF PHOSPHATASE TREATMENTS .................................................................................. 283  

6.3 PHOSPHORYLATION ASSAY  283 

6.3.1 STRATEGY FOR IN VITRO PHOSPHORYLATION ASSAY ....................................................................... 283 6.3.2 IN VITRO PHOSPHORYLATION OF TRX‐6HIS‐FIH‐1 ........................................................................ 284 6.3.3 TEV CLEAVAGE OF TRX‐6HIS‐FIH‐1 ........................................................................................... 285 6.3.4 IN SILICO PREDICTION OF PHOSPHORYLATION SITES........................................................................ 295 6.3.5 IN VITRO PHOSPHORYLATION ASSAY WITH SER36 FIH‐1 MUTANTS .................................................. 296 6.4 SUMMARY AND DISCUSSION  299 

6.4.1 EVIDENCE IN SUPPORT OF FIH‐1 PHOSPHORYLATION ..................................................................... 299 6.4.2 POSSIBLE SITE OF PHOSPHORYLATION AND INVOLVEMENT OF AKT ................................................... 302 

Page 19: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 xxiii 

7  DISCUSSION AND CONCLUDING REMARKS ..................................................................... 309 

7. 1 EXPRESSION OF FIH‐1  309 

7.1.1 FIH‐1 EXPRESSION IS NOT DOWN REGULATED IN SOME CANCERS .................................................... 310 7.1.2 SUBCELLULAR LOCALISATION OF FIH‐1 IN BREAST AND NON‐SMALL CELL LUNG CANCER MAY BE IMPORTANT

..................................................................................................................................................... 310 7.1.3 POSSIBLE MECHANISMS LEADING TO ALTERED FIH‐1 LOCALISATION ................................................ 311 7.1.4 POTENTIAL REGULATORS OF FIH‐1 LEVELS IN CANCER ................................................................... 312 7.1.5 TUMOUR PROMOTING ROLE OF FIH‐1 IN RENAL CELL CARCINOMA .................................................. 313 7.1.6 SUMMARY ............................................................................................................................. 314  

7.2 REGULATION OF FIH‐1  315 

7.2.1 FIH‐1 REGULATION BY HYDROXYLATION STATUS OF THE ARD POOL?............................................... 315 7.2.2 IS FIH‐1 POST‐TRANSLATIONALLY MODIFIED? .............................................................................. 316 7.2.3 2‐DE RESULTS ........................................................................................................................ 317 7.2.4 PURIFICATION AND MS ANALYSIS .............................................................................................. 317 7.2.5 METHIONINE OXIDATION ......................................................................................................... 318 7.2.6 ASPARAGINYL DEAMIDATION .................................................................................................... 319 7.2.7 ACETYLATION ......................................................................................................................... 322 7.2.8 PHOSPHORYLATION ................................................................................................................. 323 7.2.9 EVIDENCE FROM THIS THESIS THAT FIH‐1 IS PHOSPHORYLATED ....................................................... 324 7.2.10 POTENTIAL PHOSPHORYLATION OF SER36 OF FIH‐1 ................................................................... 325 7.2.11 POSSIBLE MECHANISM OF FIH‐1 REGULATION BY SER36 PHOSPHORYLATION .................................. 326 7.2.12 TANKYRASE, INSULIN SENSITIVITY AND POTENTIAL PARSYLATION OF FIH‐1 .................................... 327  

7.3 FINAL CONCLUSION  330 

8  REFERENCES ................................................................................................................... 335 

 

 

 

 

 

 

Page 20: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 1 

 

CHAPTER 1 

 

INTRODUCTION 

 

Page 21: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 22: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 3 

 

1 INTRODUCTION 

 

1.1 Regulation of the Hypoxia Inducible Factors 

1.1.1 The necessity of oxygen 

Oxygen is critical for aerobic metabolism and as such is necessary for the survival of all 

mammals.  Energy  is  taken  from  metabolites  via  a  series  of  redox  reactions,  with 

dioxygen acting as the final electron acceptor  in oxidative phosphorylation, generating 

approximately eighteen times as much adenosine triphosphate (ATP) per unit of glucose 

as would be  generated by  anaerobic  glycolysis. The use of oxygen, however efficient 

and advantageous,  is also a risk. While the majority of electrons stripped from glucose 

are  finally  reacted with oxygen  to  form water,  a  subset of  these  electrons  leave  the 

chain prior to this event and form free radicals, or highly reactive oxygen species (ROS), 

such  as  hydrogen  peroxide.  ROS  can  be  detrimental  to  cells  as  they  oxidise 

macromolecules,  potentially  leading  to  DNA  damage  and  improper  cell  function. 

Deviations  from  the  optimal  oxygen  concentration  of  a  cell,  where  oxidative 

phosphorylation  occurs  efficiently  and  with  minimal  generation  of  ROS,  are  highly 

undesirable in either direction, as either an increase or a decrease in oxygen levels can 

increase ROS manufacture (Guzy and Schumacker, 2006). Cells must therefore maintain 

oxygen  concentrations  to  within  a  narrow  range  optimal  for  ATP  production  via 

oxidative  phosphorylation,  but  also within  a  range  that minimises  the  production  of 

harmful ROS. 

 

Page 23: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 4 

1.1.2 Definitions of normoxia and hypoxia 

Despite  the  absolute  requirement  for  oxygen  in  metabolic  processes,  mammalian 

tissues have no means of storing oxygen. Rather,  there must be a continual supply of 

oxygen  to  each  tissue  and  to  each  cell  that matches  the  requirement  of  that  cell  or 

tissue for oxygen. There is no oxygen level universal to all tissues in the body that can be 

defined as “normoxia”. Rather, different  tissues  types, and different  regions and cells 

within each  tissue, behave differently with  regards  to metabolic activity as  they carry 

out their particular functions, and therefore require a specific O2 concentration that will 

match their demand for oxygen. Thus, normoxia can be defined as occurring when the 

supply of oxygen to a cell or tissue is suited to that cells’ or tissues’ demand for oxygen, 

or when the oxygen  level  is within a range optimal  for each  individual tissue. Hypoxia 

can be defined as occurring when the demand and use of oxygen by a cell exceeds the 

oxygen  supply, or when  the  supply of oxygen  falls  short of  the demand. Without  an 

adequate  oxygen  supply,  cells  cannot  provide  the  energy  required  for  maintaining 

critical processes, and sustained hypoxia  leads to cell death  in the absence of adaptive 

measures that enable a hypoxic cell to alter its behaviour.  

 

1.1.3 Physiological and pathophysiological causes of hypoxia 

Inadequate oxygen levels, or hypoxia, can arise either as a result of normal physiological 

processes or as a  consequence of disease or  injury. Physiologically, hypoxia  can arise 

during periods of elevated respiration such as that encountered during exercise where 

the  consumption of oxygen by working muscle  cells outpaces  the  supply, and also at 

high  altitudes when  low  atmospheric oxygen  fails  to  satiate  the body’s  requirements 

(Reviewed  in  (Lundby  et  al.,  2009)). Hypoxia  is  also  an  important  occurrence  during 

development,  where  it  acts  to  signal  vital  processes  such  as  angiogenesis  and 

maintenance of pluripotency (Lee et al., 2001; Ceradini and Gurtner, 2005).  

Page 24: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 5 

 

There  are  numerous  pathological  situations  that  give  rise  to  localised  or  systemic 

hypoxia.  Situations that restrict blood flow, such as stroke, atherosclerotic plaques and 

myocardial  infarction prevent adequate delivery of oxygen. Neoplastic disease, where 

cell proliferation occurs at faster rate than vascular growth, results in regions of hypoxia 

within  solid  tumours.  Hypoxia  thus  becomes  a  limiting  factor  in  tumour  growth, 

resulting in necrotic lesions and necessitating adaptive changes to enable progression of 

growth. The role of hypoxia in the development of tumours is further discussed later in 

this chapter. 

 

1.1.4 The Hypoxia Inducible Factors 

Adaptive mechanisms have evolved at both the organismal and cellular levels to enable 

cell  survival during periods of  low oxygen. All nucleated  cells  in  the body are able  to 

sense decreases  in oxygen  levels and maintain homeostasis by mounting an adaptive 

response. Of  interest  to  this  thesis  is  the genomic  response  to hypoxia. This adaptive 

response  involves the regulation of numerous genes that mediate a variety of cellular 

processes  which  collectively  act  to  address  the  oxygen  deficit,  chiefly  by  both 

decreasing oxygen consumption and by  increasing oxygen delivery  to hypoxic regions. 

This  genomic  response  is mediated  predominantly  by  the  Hypoxia‐Inducible  Factors 

(HIFs),  transcription  factors  that  directly  activate  gene  expression  in  response  to 

decreased intracellular oxygen levels. 

 

The HIFs are assembled  from α and  β  subunits and are  transcriptionally active  in  this 

heterodimeric form (Wang et al., 1995). Both subunits are members of the basic helix–

loop–helix/Per‐Arnt‐Sim (bHLH/PAS) homology family of transcription factors which also 

includes  the aryl hydrocarbon  receptor, also known as  the dioxin  receptor  (AHR, DR), 

Single Minded 1  and 2  (SIM1  and 2;  for  review,  see  (Kewley  et al., 2004),  and more 

Page 25: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 6 

recently neuronal PAS domain protein 4 (NPAS4; (Ooe et al., 2009). Family members are 

characterised  by  the  presence  of  a  bHLH  domain  critical  for  binding  to  DNA  and 

dimerisation,  and  a  PAS  domain  also  required  for  dimerisation  with  other  family 

members.   

 

The HIF‐β‐subunit,  also  known  as  the  aryl hydrocarbon  receptor nuclear  translocator 

(Arnt1),  is a constitutively expressed nuclear protein. The α‐subunit however  is strictly 

regulated  in  an  oxygen‐dependent manner.  There  are  three  paralogues  of  the HIF‐α 

subunit, HIF‐1α, HIF‐2α and HIF‐3α, and three paralogues of HIF‐1 β (Arnt1, Arnt2 and 

Arnt3),  with  either  HIF‐1α  or  HIF‐2α  able  to  heterodimerise  with  HIF‐1β  to  form 

functional  transcription  factor  complexes  termed  HIF‐1  and  HIF‐2,  respectively. 

Whereas HIF‐1 and HIF‐2 are the transcription factors responsible for oxygen‐regulated 

change in gene expression, HIF‐3α lacks a transactivation domain and has no known role 

in  formation of an active  transcription  factor complex  (Gu et al., 1998; Makino et al., 

2001). Exhibiting significant structural and regulatory differences to  its HIF‐1α and HIF‐

2α  paralogues,  a  splice  variant  of  the HIF‐3α  locus  known  as  Inhibitory  PAS  domain 

protein (IPAS) it is instead postulated to behave as a negative regulator of HIF‐mediated 

transcription  via  binding  HIF‐1α  and  preventing  formation  of  an  active  transcription 

factor complex (Makino et al., 2001). 

 

When HIF‐mediated transcription  is required during a period of decreased  intracellular 

oxygen pressure, HIF‐α receives signals enabling it to become stabilised and active, and 

it subsequently translocates to the nucleus to dimerise with its cognate β‐subunit (Kallio 

et al., 1998). Once  formed,  the HIF‐1 and HIF‐2 heterodimers bind  to DNA at hypoxia 

response  elements  (HREs),  (A/G)CGTG  consensus  sequences  of  DNA,  located  in  the 

regulatory regions of target genes. Here, transcriptional coactivators must be recruited 

for  formation  of  an  intact  initiation  complex.  HIF‐1α  and  HIF‐2α  each  contain  two 

transactivation domains; an oxygen‐regulated C‐terminal transactivation domain (CAD, 

Page 26: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 7 

spanning  residues  727‐826  of  hHIF‐1α)  and  a more  centrally  located  transactivation 

domain designated N‐terminal transactivation domain (NAD, spanning residues 531‐575 

of hHIF‐1α  (Jiang et al., 1997; Pugh et al., 1997) Although  the obligate partner HIF‐1β 

has  its  own well  defined  C‐terminal  transactivation  domain,  this  TAD  appears  to  be 

dispensable for transcriptional activation in context of the HIF heterodimer (Jiang et al., 

1996). The HIF‐α‐CAD is thought to serve as the predominant transactivation domain, as 

it has been found to regulate the transcription of most HIF target genes (Dayan et al., 

2006). However,  there  is a small cohort of genes  that exclusively  require  the NAD  for 

expression, suggesting  that  there are distinct  roles  for each  transactivation domain  in 

HIF‐mediated transcription.  

 

1.1.5 HIF Target Genes 

HIF‐1 and HIF‐2 are required  to modify gene expression during periods of  low oxygen 

tension to enable cells to adapt to the altered conditions. This  is primarily achieved by 

increasing blood flow to the hypoxic region or by decreasing the use of oxygen by the 

hypoxic  cells.  Thus,  HIF  target  genes  have  roles  in  a  variety  of  cellular  processes 

including angiogenesis, vasodilation, erythropoiesis, metabolism, and apoptosis (Figure 

1.1). Over seventy genes have been determined to be directly upregulated by the HIFs 

(Reviewed in (Wenger et al., 2005), however microarray experiments indicate that more 

than two hundred transcripts are hypoxically regulated, though some of these may be 

indirect targets, or genes regulated in a HIF‐independent manner (Elvidge et al., 2006).  

 

The  gene  encoding  the  erythropoietin  (EPO)  hormone  was  the  first  hypoxically 

regulated gene  identified (Goldberg et al., 1988). EPO acts to counter systemic oxygen 

deficiency  by  enhancing  erythrocyte  production  and  thereby  increasing  the  oxygen‐

carrying  capacity of blood. Dissection of  the EPO enhancer provided  the  first glimpse 

into the structure of the HRE and precipitated the discovery of many additional genes  

Page 27: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 28: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Angiogenesis VascVEGF

Matrix Metabolism  MatrAuto

and Cell MotilityAuto

Erythropoesis Eryth

Glycolysis and Glucose Transport

AldoCarb

Glucose Transport GlucLactaPhos

Proliferation and Survival

TranInsu

Survival

Apoptosis Bcl‐2

FIGURE 1.1 Cellular Processes reguList includes HIF target genes referr

cular Endothelial Growth Factor (VEGF)F Receptor (VEGF‐R; FLT‐1)

rix Metalloprotease 2 (MMP‐2)ocrine motility factor (AMF)ocrine motility factor (AMF)

hropoetin (EPO)

olase Abonic Anhydrase 9 (CA9)cose Transporters 1  and 3 (Glut1 and Glut3)ate Dehydrogenase A (LDHA)sphoglycerate Kinase 1 (PGK1)

sforming Growth Factor‐β (TGF‐β)lin‐like Growth Factor‐2 (IGF‐2)

2/E1B 19 kDa interacting protein (BNip3)

ulated by the Hypoxia Inducible Factorsred to in this thesis

Page 29: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 30: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 11 

found  to  contain  HREs  and  to  be  regulated  by  the  HIFs.  Such  genes  include  pro‐

angiogenic factors, for example Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) (Forsythe et 

al.,  1996)    and  the  VEGF  receptor  FLT‐1  (Gerber  et  al.,  1997)  that  act  together  to 

increase  oxygen  transport  to  hypoxic  tissues  via  the  stimulation  of  blood  vessel 

branching  and  the  growth  of  new  vasculature.  To  reduce  the  demand  of  a  cell  for 

oxygen, the HIFs also influence cellular metabolism and have been found to upregulate 

the expression of glucose  transporters GLUT1 and GLUT3  to maximise  the amount of 

metabolic  substrate  present  in  cells  (Ebert  et  al.,  1995).  Target  genes  also  include  a 

number of glycolytic enzymes such as aldolase A, phosphoglycerate kinase 1 (PGK1) and 

lactate dehydrogenase A  (LDHA)  to  increase glycolysis and enhance  the generation of 

ATP by this anaerobic mechanism (Semenza et al., 1994). 

 

In  addition  to  the  HIF‐mediated  regulation  of  protein‐coding  genes,  a  group  of 

hypoxically  induced microRNAs  (miRNAs) have recently been discovered  (Kulshreshtha 

et al., 2007)(For a  review, see  (Kulshreshtha et al., 2008). Genes  that have previously 

been observed to be downregulated in hypoxia may actually be negatively regulated by 

hypoxically‐induced miRNAs. To date  there are over  thirty known hypoxically‐induced 

miRNAs, most notably miR‐210, which exhibits  the greatest  induction at hypoxia and 

has been  implicated  in  tumour progression  (Huang et al., 2009b). A  small number of 

these hypoxically‐regulated miRNAs, including miR‐210, have been found to be directly 

regulated at by HIF binding to HREs in promoter regions (Kulshreshtha et al., 2007). 

 

1.1.6 Oxygen‐dependent regulation of HIF‐α 

The HIFs are  responsible  for  the  regulation of  a  large number of genes  involved  in a 

wide  range  of  important  cellular  processes.  Aberrant  expression  of  these  genes  can 

have dramatic and detrimental effects, as shall be described later in this chapter. Due to 

the  undesirable  effects  of  inappropriate  HIF  target  gene  expression,  transcriptional 

Page 31: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 12 

activity must be  strictly  limited  to periods of  inadequate oxygen  tension.  It  therefore 

follows that the HIFs are subject to oxygen‐dependent regulation, both at the  level of 

protein stability and transcriptional activity, rendering them largely inactive at normoxia 

but potently  inducible  in hypoxia. This  regulation  is mediated by  four enzymes which 

are able to detect changes in intracellular oxygen levels and post‐translationally modify 

and regulate HIF‐α accordingly. 

 

1.1.7 Oxygen‐dependent regulation of HIF‐α stability  

While HIF‐α is constitutively transcribed and translated in cells, it is rapidly degraded in 

normoxia. The half  life of HIF‐1α  is extremely short  in normoxic cells, estimated to be 

five minutes  in cells grown at 21% oxygen. Degradation of HIF‐1α  is rapid enough that 

the protein, which  is constitutively  translated,  is  rarely detected  (Huang et al., 1998). 

When cells encounter a deficiency of oxygen however, stabilisation of HIF‐1α protein is 

detected  in  the nuclei of  cells  after  two minutes  incubation  in hypoxia  (Jewell et al., 

2001). The decrease  in HIF‐1α protein  levels upon reoxygenation occurs  just as rapidly 

as stabilisation of the protein at hypoxia (Huang et al., 1996; Yu et al., 1998).  

 

This  rapid normoxic  turnover  is  facilitated by hydroxylation of  specific prolyl  residues 

within a central oxygen‐dependent degradation domain (ODDD) by HIF‐α ‐specific prolyl 

hydroxylases (Figure 1.2) (Ivan et al., 2001; Jaakkola et al., 2001; Yu et al., 2001). There 

are three HIF prolyl hydroxylase domain‐containing enzymes, PHD1, 2 and 3, also called 

the HIF  prolyl  hydroxylases  (HPHs).  These  enzymes  hydroxylate  the  conserved  prolyl 

residues under normoxic conditions,  leading to the proteasomal degradation of HIF‐α.  

The  Von  Hippel  Lindau  protein  (pVHL),  which  is  the  recognition  component  of  an 

ubiquitin  ligase,  is  able  to  bind  the  hydroxyproline  residues,  facilitating 

polyubiquitination and thus marking HIF‐α for destruction. As the PHDs require oxygen 

for catalytic activity, decreases in oxygen levels reduce activity, enabling HIF‐α to evade 

Page 32: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

FIGURE 1.2 Oxygen‐dependent regulatAt normoxia the PHD enzymes use O aAt normoxia, the PHD enzymes use O2 athe ODDD of HIF‐. This hydroxylatioubiquitin ligase complex. HIF‐ is subsproteasome. During hypoxia, when oxyhydroxylate HIF‐. HIF‐a is therefore no

tion of HIF‐α stabilityand 2 OG to hydroxylate two prolyl residues withinand 2‐OG to hydroxylate two prolyl residues withinon event recruits pVHL, which is a subunit of asequently polyubiquitinated and degraded by theygen is limiting, the PHDs are unable to efficientlyot ubiquitinated and escapes degradation.

Page 33: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 34: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 15 

 modification  and  destruction,  translocate  to  the  nucleus,  and  bind  the  β‐subunit  to 

begin initiation of transcription. 

 

In addition  to  the oxygen‐dependent regulation of HIF stability and activity, ROS have 

also been described  to have a  role  in  the  regulation of HIF stability via ROS‐mediated 

alteration of PHD activity. Mitochondria are a major source of ROS, which are created 

when electrons leave the electron transport chain prematurely and react with oxygen to 

form  the  superoxide  anion. Particularly,  complex  III  is  known  to  generate  superoxide 

that  is  released  into  the  cytoplasm,  where  it  is  converted  to  hydrogen  peroxide 

(Turrens, 2003). Hydrogen peroxide then acts to reduce activity of the PHDs, possibly by 

oxidising the Fe(II) within the enzyme’s active site to Fe(III) (Gerald et al., 2004). Due to 

the  importance of  restricting HIF activity  to periods of necessity,  it  is not  improbable 

that activity of the HIF hydroxylases be subjected to a variety of regulatory  inputs and 

controls. The  input of ROS on  the stabilisation of HIF  is  likely  to occur  in combination 

with  intracellular  oxygen  levels,  supported  by  the  finding  that  disruption  of  ROS 

manufacture  in  anoxic  conditions  does  not  prevent HIF  stabilisation  (Schroedl  et  al., 

2002).  

 

1.1.8 Oxygen‐dependent regulation of the HIF‐α‐CAD transcriptional activity 

The HIF‐α‐CAD requires interaction with the transcriptional adaptor proteins CBP/p300 

in order to activate target gene expression. CBP and p300 are paralogous transcriptional 

coactivators  essential  for  linking  HIF  with  the  basal  transcriptional  machinery.  In 

addition,  CPB/p300  has  histone  acetyltransferase  activity  that  is  needed  for 

modification  of  chromatin  prior  to  transcription  and  is  thus  indispensable  for  robust 

transcriptional activation. At normoxia, the CAD  is repressed by a hydroxylation event 

that prevents its interaction with CBP/p300.  Of the two TADs present in HIF‐α, only the 

CAD is subjected to this oxygen‐dependent regulatory event. 

Page 35: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 16 

 

The  hydroxylation  and  repression  of  the  HIF‐α‐CAD  is mediated  by  the  asparaginyl 

hydroxylase, Factor  Inhibiting HIF‐1α  (FIH‐1)  (Lando et al., 2002b; Lando et al., 2002a; 

Mahon et al., 2001; Hewitson et al., 2002).  Asparaginyl hydroxylation was first found to 

occur within  the  CAD  of  HIF‐2α. Mass  spectrometry  (MS)  of  HIF‐2α  CAD  fragments 

purified from hypoxic and normoxic cells revealed an oxygen‐dependent hydroxylation 

event  on  Asn851  (corresponding  to  Asn803  in  hHIF‐1α)  (Lando  et  al.,  2002b).  This 

modification was found to  impede  interaction with the CH1 domain of p300, revealing 

the mode by which HIF‐mediated transcription was regulated in response to changes in 

oxygen  availability.  FIH‐1  was  first  identified  in  a  yeast  two  hybrid  (Y2H)  screen  as 

interacting with HIF‐1α (Mahon et al., 2001) and was later shown to be the asparaginyl 

hydroxylase responsible for this so called “hypoxic switch” in HIF transcriptional activity 

(Hewitson et al., 2002; Lando et al., 2002a).  

 

Like  the  PHDs,  FIH‐1  requires  oxygen  for  catalysis  of  hydroxylation.  At  normoxia 

therefore,  FIH‐1  is  able  to  hydroxylate  and  thus  repress HIF‐α  activity  by  preventing 

CBP/p300 binding. As intracellular oxygen levels decrease, FIH‐1 activity also decreases, 

allowing HIF‐α to escape modification, retain CBP/p300 binding and activate expression 

of  HIF  target  genes  that  are  required  to  address  the  oxygen  deficit  (Figure  1.3). 

Structural studies of the FIH‐1/HIF‐1α‐CAD interaction show that the target asparaginyl 

side  chain  is  deeply  buried  within  a  hydrophobic  pocket  of  the  hHIF‐1α‐CAD/p300 

interface  and  the  attachment  of  a  hydroxyl  group  at  this  position  is  energetically 

unfavourable, thereby preventing the interaction (Freedman et al., 2002).  Fluorescence 

polarisation  binding  assays  confirm  the  disruption  of  binding  by  hydroxylation, 

demonstrating  almost  complete  abrogation  of  HIF‐α‐CAD‐p300  interaction when  the 

CAD is hydroxylated (Cho et al., 2007). 

 

 

Page 36: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

FIGURE 1.3 FIH‐1‐mediated regulationAt normoxia, FIH uses the co‐substratesresidue within the HIF‐‐CAD, releasprecludes association with the esstranscriptional activity of the CAD. Durto efficiently catalyse the hydroxylationnon‐hydroxylated CAD and transactivat

of HIF (Taken from Lisy and Peet, 2008)s O2 and 2‐OG to hydroxylate the target asparagineing CO2 and succinate. This hydroxylation eventsential coactivators CBP/p300, repressing theing hypoxia, when oxygen is limiting, FIH is unablen of the CAD, enabling binding of CBPp300 to theion of target genes

a1172507
Text Box
NOTE: This figure is included in the print copy of the thesis held in the University of Adelaide Library.
Page 37: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 38: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 19 

 

1.2 Factor‐Inhibiting HIF 

1.2.1 FIH‐1 expression and subcellular localisation 

FIH‐1  seems  to be ubiquitously  expressed, with  FIH‐1 protein  expression detected  at 

similar  levels  in  all  tissue  culture  cell  lines  investigated  to  date  (Stolze  et  al.,  2004; 

Bracken et al., 2006).  In addition,  immunohistochemical  interrogation of an extensive 

range of human  tissues  revealed widespread FIH‐1 protein expression  (Soilleux et al., 

2005).  

 

During  normoxia,  FIH‐1  is  localised  predominantly  in  the  cytoplasm.  Treatment  of 

cultured  cells  with  hypoxia  or  hypoxia  mimetics  does  not  appear  to  alter  the 

cytoplasmic  localisation of FIH‐1 (Metzen et al., 2003a; Linke et al., 2004; Stolze et al., 

2004).  Subcellular  localisation  of  FIH‐1  in  tissues  follows  a  similar  trend, with  FIH‐1 

expression detected mainly in the cytoplasm of cells with lower levels detected in nuclei 

(Soilleux et al., 2005). 

 

1.2.2 FIH‐1 Structure 

X‐ray crystallography has revealed the structure of human FIH‐1 as being similar to that 

of other known 2‐oxoglutarate (2‐OG)‐dependent hydroxylases (Dann et al., 2002). FIH‐

1 is made up of a mixture of β‐strands and α‐helices and contains an eight‐stranded β‐

strand  “jellyroll”  core  typical of other 2‐OG‐dependent oxygenases. The active  site of 

the  enzyme  is  positioned within  this  core, with  the  Fe(II)  atom  required  for  binding 

dioxygen coordinated at the centre by His199, Asp201 and His279. At the periphery of 

the jellyroll lie eight α‐helices, with two α‐helices formed by the C‐terminus, creating an 

interface for homodimerisation. Formation of a FIH‐1 homodimer  is a requirement for 

efficient  substrate  recognition and  catalytic activity. Deletion of  these  two C‐terminal 

Page 39: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 20 

helices precludes dimer formation and impairs hydroxylation of the HIF‐α‐CAD (Dann et 

al.,  2002).  Likewise,  disruption  of  homodimer  formation  by  replacement  of  a 

hydrophobic leucine residue with a hydrophilic arginine residue within the hydrophobic 

FIH‐1 homodimer  interface also  impairs dimer  formation and markedly  reduces FIH‐1 

activity in vitro (Lancaster et al., 2004). 

 

1.2.3 Regulation of FIH‐1 activity by oxygen levels: In vitro data 

Though  critical  in  actioning  the  genomic  response  to  hypoxia,  the  HIF  transcription 

factors  themselves  are  not  capable  of  sensing  changes  in  intracellular  oxygen 

concentration.  Any  deviations  in  oxygen  levels  in  cells  are  detected  by  the  four 

hydroxylases that regulate the stability and activity of HIF‐α, collectively termed the HIF 

hydroxylases. The hydroxylases are all members of  the Fe(II), 2‐OG and O2‐dependent 

dioxygenase  family.  Their  catalytic  activity  involves  the  splitting  of  diatomic  oxygen, 

with one oxygen atom used  for hydroxylation of  the  target  residue and  the other  for 

oxidation of the cofactor 2‐OG, which  is further decarboxylated to succinate, releasing 

CO2.  The  direct  requirement  of  these  enzymes  for molecular  oxygen  to modify  their 

substrates supports the notion of their behaving as cellular oxygen sensors that exhibit 

a decline in catalytic activity concomitant with a decrease in oxygen availability. 

 

In vitro‐determined affinities of the HIF hydroxylases for oxygen have helped gain some 

insight  into the  level of hypoxia required for  loss of catalytic activity and subsequently 

for stabilisation and activation of HIF‐α.  However, these studies are confounded by the 

different  values  obtained  when  using  peptide  substrates  of  different  lengths  and 

variations in experimental conditions, making it difficult to relate these values to a real 

in vivo setting.  

Page 40: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 21 

In  brief,  the  earliest  studies  addressing  HIF  hydroxylase  O2‐affinity  in  vitro with  HIF 

peptides assigned FIH‐1 with an approximately 2.5‐fold greater affinity for oxygen than 

the PHDs, with values of approximately 90 μM for FIH‐1 (Koivunen et al., 2004) and 230‐

250  μM  for  PHD1‐3  (Hirsila  et  al.,  2003),  and  used  substrate  peptides  of  35  and  19 

amino acyl residues, respectively. These data suggested  that activity of  the PHDs may 

decrease prior to a decline of FIH‐1 activity when oxygen levels drop, and consequently 

that  HIF  stabilisation  precedes  CAD  activation  and  occurs  at  relatively  moderate 

hypoxia, with full activity achievable with inactivation of FIH‐1 at more severe hypoxia. 

However, more recent data generated using different length substrates and a different 

method argue against this model,  indicating that the  length of peptide substrate used 

influences the determined Km values (Ehrismann et al., 2007). In these studies, there is 

little difference in the O2 affinity of FIH‐1 and the PHDs in vitro, with values of 110‐237 

μM  and  76‐229  μM  for  FIH‐1  and  the  PHD2,  respectively,  using  HIF‐1α  substrate 

peptides  of  varying  lengths.  Similarly,  it  has  been  reported  that  use  of  longer HIF‐α 

peptides enhances the oxygen‐affinity of the PHDs (Koivunen et al., 2006). As enzyme‐

protein substrate binding  is  thought  to precede binding of oxygen, various changes  in 

PHD conformation that occur upon binding to substrates of different  lengths that may 

alter the enzyme’s affinity for oxygen. As such, the value of in vitro data generated using 

peptides in regards to predicting the behaviour of the HIF hydroxylases in vivo with full 

length  substrates  is  limited.  Collectively  however,  the  data  do  suggest  that  the 

hydroxylases are able to respond to changes in physiological oxygen levels and thus act 

as oxygen sensors.  

 

1.2.4 Regulation of FIH‐1 activity by oxygen levels: data from cell‐based experiments 

Cell‐based  experiments  have  both  supported  and  contradicted  the  in  vitro‐predicted 

order for loss of hydroxylase activity, and also highlighted the difficulty in extrapolating 

information  regarding  the  behaviour  of  full  length  folded  proteins  in  a  cellular 

Page 41: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 22 

environment from data derived from short purified peptides in vitro (Stolze et al., 2004), 

(Bracken et al., 2006). 

 

In cells, FIH‐1 has been observed  to  retain activity even at  severe hypoxia  (<0.2% O2) 

(Stolze et al., 2004). siRNA‐mediated knockdown of FIH‐1 in U2OS cells grown in hypoxic 

(1%  O2)  conditions  resulted  in  the  upregulation  of  HIF  targets  GLUT1  and  LDHA 

message,  and  to  a  lesser  extent  an  increase  in  VEGF  mRNA  (Stolze  et  al.,  2004). 

Correspondingly, overexpression of wt  FIH‐1  in U2OS  cells  at  slightly more moderate 

(2% O2) and severe hypoxia  (0.5% and 0.2% O2) resulted  in downregulation of GLUT1, 

LDHA and VEGF mRNA, indicating that FIH‐1 is able to exert a repressive effect on HIF‐

mediated transcription even at  low oxygen  levels.  In contrast, overexpression of PHD2 

had  no  effect  upon  HIF  target  gene  expression  at  the  same  oxygen  concentrations, 

indicating that FIH‐1  is  indeed able to retain activity even when oxygen  levels are  low 

enough  for  significant  loss  of  PHD2  activity.  This  is  in  agreement with  the  in  vitro‐

derived Kms of the HIF hydroxylases  for oxygen reported by Koivunen et al., 2004 and 

Hirsila et al., 2003.  

 

Use of an antibody raised against Asn803‐OH HIF‐1α, however, seems to  indicate that 

FIH‐1  is  not  hydroxylating HIF‐1α  substrates  in  cells  cultured  in  0.5% O2  (Shin  et  al., 

2009). This study investigated HIF‐α hydroxylation in HEK293 cell lysates after 16 hours 

culture  at  different  oxygen  levels. At  normoxia, HIF‐1α  protein  levels were  low,  thus 

hydroxylated protein was difficult to detect. At 1% O2 however, total HIF‐1α protein was 

observed and a band detected with the hydroxylation‐specific antibody.  In contrast to 

the findings in U2OS cells detailed above, at 0.5% O2, HIF‐1α protein was abundant, yet 

there was no hydroxylation detected in the western blots. These results suggested that 

while FIH‐1 remained active at 1% O2, it lost activity in more severe oxygen deprivation 

(0.5% O2), at least in this cell type under these culture conditions. 

 

Page 42: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 23 

Investigation into the regulation of FIH‐1 activity by oxygen levels in different cell types 

has suggested that FIH‐1 activity levels may depend on the cellular context (Bracken et 

al.,  2006). A  set  of  experiments  examining  the  activity  of  endogenous  FIH‐1  and  the 

PHDs involved the incubation of six different cell lines expressing GalDBD‐HIF‐α‐CAD in a 

range of atmospheric oxygen concentrations. FIH‐1 activity was  inferred by expression 

of  a  Gal‐Luciferase  reporter  (Figure  1.4),  and  PHD  activity  was  indicated  by 

immunoblotting for HIF‐α protein to determine stabilisation. In HepG2, Caco‐2 and PC12 

cells, HIF‐α became stable prior to detection of any reporter gene expression, indicating 

reduced PHD activity prior to reduced FIH‐1 activity in conditions of decreasing oxygen 

levels,  in keeping with the data that assigned a higher Km for molecular oxygen to the 

PHDs over  FIH‐1  (Figure  1.4  a, b  and  c).  In  these  cell  lines,  reporter  activity was not 

observed until cells were exposed  to oxygen concentrations of  less  than 1%.  In Cos‐1 

and 293T cells however, HIF‐α stabilisation and reporter activity were observed at the 

same  oxygen  level,  and  in  HeLa  cells  reporter  activity  was  observed  far  before 

endogenous  HIF‐α  became  stable  (Figure  1.4  d,  e  and  f).  FIH‐1  protein  levels were 

consistent  in  all  six  cell  lines,  consistent  with  changes  in  reporter  activity  being  a 

product of differences in FIH‐1 activity rather than amount. 

 

Importantly, while stabilisation of endogenous HIF‐1α was seen at 2% oxygen for all cell 

types,  the  oxygen  threshold  required  for  activation  of  the  Gal‐Luciferase  reporter 

varied, with  loss of activity of FIH‐1 observed to occur at <1% oxygen  in PC12, Caco‐2 

and HepG2 cells, 5% oxygen in 293T cells, and 10% oxygen in HeLa cells. In other words, 

these findings suggested that FIH‐1 is less sensitive to decreasing oxygen concentrations 

in some cell types (PC12, Caco‐2, HepG2) and more sensitive to decreases in oxygen in 

other cell types (HeLa, 293T and Cos‐1). These data suggest the existence of undefined, 

cell‐specific  mechanisms  that  contribute  to  regulation  of  FIH‐1  activity  levels.  For 

example,  the  decreased  activity  of  FIH‐1  observed  in  HeLa,  293T  and  Cos‐1  cells  at 

oxygen concentrations thought to be sufficient for efficient FIH‐1 catalysis could arise  

Page 43: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 44: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

0

20%

FIGURE 1.4 Transactivational activity in mammalian cells (Figure adapted fHeLa (a), 293T (b), Cos‐1 (c), PC12 (d), with 100 ng of GalDBD‐HIF‐CTAD expreof the RLTK internal control. Post‐transnormoxia or for 6 hours in normoxia foO2 to 0.5% O2 as indicated). Cells were(DP)

O2 Concentration

of the HIF‐α‐CAD in various oxygen concentrations rom Bracken et al 2006.)Caco‐2 (e) and He pG2 (f) cells were transfected pession vectors, 150 ng 5GalRE‐luciferase and 10 ng sfection, cells were incubated for 20 hours in ollowed by 14 hours at various oxygen levels (10% e also treated with the 1 mM iron chelator dipyridyl 

a1001984
Text Box
a1001984
Text Box
NOTE: This figure is included in the print copy of the thesis held in the University of Adelaide Library.
Page 45: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 46: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 29 

from other modes of regulation that act to alter FIH‐1 activity. These could act to either 

alter  the  affinity  of  FIH‐1  for  oxygen  or  other  cofactors  important  for  catalysis  of 

hydroxylation, or affinity or interaction with substrates.  

 

In  summary,  the  data  from  cell‐based  studies  suggest  that  there  may  be  other 

mechanisms  exerting  regulatory  control  over  FIH‐1  in  some  cell  types,  in  addition  to 

regulation by available oxygen.  

 

 

1.3 ARD‐containing substrates 

1.3.1 Does FIH‐1 post‐translationally modify other proteins? 

Since the elucidation of the hydroxylase‐mediated mode of HIF‐α regulation, there has 

existed the important question of whether the hydroxylases have any other substrates. 

At  the  commencement  of  this  project,  knowledge  of  the  role  of  FIH‐1  in  cells was 

limited to  its regulation of the HIF‐α proteins. There were, however, numerous efforts 

underway,  in  the  Peet  lab  and  others,  to  investigate  the  possibility  that  additional 

interacting proteins or substrates for FIH‐1 could exist, and there was some suggestion 

in the literature that the role of the HIF hydroxylases extended beyond modification of 

the  HIF‐α  substrates.  For  example,  microarray  data  identified  a  small  number  of 

transcripts affected by hydroxylase inhibition independently of HIF (Elvidge et al., 2006).  

 

1.3.2 Identification of novel FIH‐1 substrates 

The first such report of novel FIH‐1 substrates  identified IκB proteins p105 and IκBα as 

FIH‐1 substrates (Cockman et al., 2006). A Y2H screen enabled  isolation of these novel 

FIH‐1‐interacting  proteins,  which  were  subsequently  found  to  be  potential  FIH‐1 

Page 47: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 30 

substrates  in  vitro  by  CO2  capture  assays.  Hydroxylation  was  confirmed  by  MS  of 

proteins immunopurified from 293T cells.  

 

1.3.3 Notch is an FIH‐1 substrate 

Another good candidate for a non‐HIF substrate of FIH‐1 was the Notch receptor. Notch 

is  a  transmembrane  receptor  that  has  long  been  known  to  have  a  role  in  cell  fate 

decisions  in many different  tissues, usually  resulting  in  the blockage of differentiation 

and maintenance of an undifferentiated cell  fate  (For  review, see  (Bolos et al., 2007). 

Canonical  Notch  signalling  involves  the  activation  of  the  Notch  receptor  by 

transmembrane  ligands  Delta  and  Jagged  that  are  expressed  on  adjacent  cells.  This 

interaction  results  in  proteolytic  cleavage  events  that  release  the Notch  intracellular 

domain  (ICD)  from  the  membrane,  allowing  for  translocation  of  Notch  ICD  to  the 

nucleus and subsequent regulation of gene expression  in concert with partner protein 

CBF‐1/suppressor of hairless/Lag‐1 (CSL). The role of Notch signalling is to switch on the 

transcription  of  target  genes  such  Hes  and  Hey  in  order  to  facilitate  inhibition  of 

differentiation. Studies had previously linked hypoxia with regulation of differentiation, 

demonstrating that hypoxia  influenced proliferation and differentiation of neural crest 

stem cells  in culture  (Morrison et al., 2000) and promoted dedifferentiation of cells  in 

tumours (Jogi et al., 2002).  

 

Gustafsson et al (2005) found a direct interaction between HIF‐α and Notch (Gustafsson 

et al., 2005).  In Notch‐responsive  reporter assays, co‐transfection of HIF‐α and Notch 

into P19 cells was required activation of the reporter gene. Interestingly, overexpression 

of FIH‐1 led to a reduction in luciferase readout in these reporter assays, both when HIF‐

1α and Notch were coexpressed, but also  in  the absence of HIF‐1α at both normoxia 

and  hypoxia,  suggesting  a  HIF‐independent mode  of  Notch  regulation. While  it was 

possible that FIH‐1 was reducing activity of the reporter via repressive hydroxylation of 

Page 48: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 31 

endogenous HIF‐1α,  the  low  levels of HIF‐1α protein at normoxia argued against  this 

idea.  Furthermore,  an  interaction  between  FIH‐1  and  the  Notch  ICD  was  observed, 

suggesting a direct mode of regulation of Notch by FIH‐1 (Gustafsson et al., 2005). 

 

Following on from these findings, Sarah Linke investigated the possibility that Notch was 

a  substrate  for  FIH‐1.  FIH‐1‐mediated  hydroxylation  of Notch was  first  suggested  by 

activity of Notch 1 constructs Notch Ank1‐7 and  full  length Notch  ICD  in CO2 capture 

assays,  and  confirmed  by  MS  of  human  Notch  1  Ank1‐7  purified  from  FIH‐1 

overexpressing 293T cells (Zheng et al., 2008). MS revealed two sites of hydroxylation; 

Asn1945 and Asn2012, with Asn1945 hydroxylated to a greater extent than Asn2012. At 

this  time  an  independent  report  of  Notch  hydroxylation  appeared  confirming  the 

findings  of  S.  Linke  (Coleman  et  al.,  2007).  This  research  confirmed  FIH‐1‐mediated 

hydroxylation of the two Notch 1 asparaginyl residues  in cells, with Asn1945 being the 

major  site of hydroxylation. Mammals have  four Notch proteins, Notch 1, 2, 3 and 4, 

and though all are able to  interact with FIH‐1, only Notch 1, 2 and 3 are hydroxylated 

(Zheng et al., 2008) (Wilkins et al., 2009).  

 

1.3.4 Function of Notch hydroxylation 

Experiments aimed at delineating the effect of the Notch hydroxylation by FIH‐1 have 

thus  far  returned  ambiguous  results. Mutation  of  the  target  asparaginyl  residues  in 

Notch1 attenuates its activity in Notch‐responsive reporter assays and also reduces the 

ability of Notch1 to block neuronal and myogenic differentiation, suggesting that these 

residues are indeed important for Notch activity. However, overexpression of FIH‐1 also 

leads to a decrease in Notch activity and a corresponding increase in differentiation, and 

this effect occurs independent of the catalytic activity of FIH‐1 (Zheng et al., 2008). 

 

Page 49: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 32 

Overexpression of either wt FIH‐1 or a D201A catalytically  inactive FIH‐1 mutant both 

reduce activity of a Notch‐responsive  reporter  (Coleman et al., 2007), also  suggesting 

that  the  inhibitory  effect of  FIH‐1 overexpression on Notch‐responsive  reporter  gene 

expression occurs  independently of hydroxylation, as observed previously  (Gustafsson 

et al., 2005). An effect of endogenous FIH‐1 on Notch activity has also not been directly 

demonstrated,  with  FIH‐1  siRNA  failing  to  alter  Notch‐responsive  reporter  activity, 

endogenous  Notch  activity,  or  Notch1  interaction  with  known  binding  partners 

(Coleman et al., 2007). As yet, there is no defined role for the observed hydroxylation of 

Notch by FIH‐1.  

 

1.3.5 Ankyrin Repeat Domain‐containing substrates 

FIH‐1‐mediated hydroxylation of Notch, p105 and IκBα substrates occurs on asparaginyl 

residues  located within ankyrin repeat domains (ARDs). ARDs are composed of varying 

numbers of  individual ankyrin repeats, where one repeat  is made up of a  thirty  three 

residue motif  folded  into anti‐parallel  α‐helices  linked by a  short  loop, and  individual 

repeats are connected via a β‐hairpin loop. The fact that this motif was present in each 

of the newly identified substrates suggested that ARD hydroxylation may be a common 

event.  Indeed, sequence alignment of a number of ARD‐containing proteins,  including 

Tankyrase,  Gankyrin, Myosin  Phosphatase  targeting  subunit  1  (MYPT1), Myotrophin, 

Integrin‐linked  kinase‐1  (ILK‐1)  and  Fetal Globin  Inducing  Factor  (FGIF)  in  addition  to 

p105 and IκBα, indicated that a conserved asparaginyl residue located at an equivalent 

position within  the  ankyrin  fold was  common  to  each  of  the  proteins.  CO2  capture 

assays suggested that peptide fragments from each of these proteins were indeed able 

to elicit FIH‐1 activity in vitro (Cockman et al., 2006).  

 

To date, the  list of confirmed FIH‐1 substrates  includes,  in addition to HIF‐1α and HIF‐

2α:  Notch1, 2 and 3 (Coleman et al., 2007; Zheng et al., 2008), p105 and IκBα (Cockman 

Page 50: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 33 

et al., 2006), Ankyrin Repeat and SOCS Box Protein 4  (ASB4)  (Ferguson et al., 2007)  , 

Rabankyrin‐5, RNaseL, Tankyrase‐1 and 2 (Cockman et al., 2009) and MYPT1 (Webb et 

al., 2009). This  is  in addition  to a number of other ARD‐containing proteins  that have 

thus far only been suggested to be substrates by in vitro assays.  

 

Aside  from  the HIF‐α  substrates,  the  recently  identified  substrates  all  contain  ARDs. 

These  domains  are  common  among  the  human  proteome,  present  in  an  estimated 

three  hundred  proteins,  and  included  in  approximately  6%  of  all  eukaryotic  proteins 

(Barrick  et  al.,  2008).  Asparaginyl  hydroxylation  may  therefore  be  a  common  post 

translational modification and it is likely that more FIH‐1 substrates in addition to those 

listed above will be discovered in the near future. 

 

1.3.6 Function of ARD hydroxylation  

1.3.6.1 Roles of ARD substrates 

The  ARD  substrates  of  FIH‐1  are  involved  in  a  diverse  range  of  cellular  activities, 

including  immune  and  inflammatory  responses  (NFκB),  cell  fate  decisions  (Notch 

signalling),  ubiquitin‐mediated  proteolysis  (ASB4),  actin−myosin  contrac lity  (MYPT1), 

endocytosis  (Rabankyrin) and  telomere  regulation and vesicle  trafficking  (Tankyrase‐1 

and  ‐2). At  this  stage  however,  the  function  of  hydroxylation  and  the  impact  of  this 

modification  upon  these  cellular  processes  remains  unknown,  with  only  subtle 

downstream effects, if any, observed.  

 

Provided  that ARD  hydroxylation  is  found  to  have  a  significant  roles,  both  the  sheer 

number  of  confirmed  and  potential  substrates,  taken  together with  the  diversity  in 

function of these substrates, opposes the idea that FIH‐1 regulates these substrates in a 

binary on/off mode similar  to  its  regulation of HIF‐α.  It also seems unlikely  that all of 

these processes would be similarly regulated by oxygen levels, promoting the possibility 

Page 51: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 34 

of FIH‐1 either exerting an effect  independent of catalytic activity, or of FIH‐1 activity 

being regulated by multiple signals or stimuli.  Indeed, oxygen‐dependent regulation of 

FIH‐1  activity  may  not  play  a  significant  role  in  the  hydroxylation  of  non‐HIF‐α 

substrates.  It has been shown that the Km of FIH‐1 for oxygen changes depending on its 

substrate (Wilkins et al., 2009). With Notch1 as a substrate, the Km of FIH‐1 for oxygen is 

approximately an order of magnitude lower (12 μM +/‐ 3 μM) than of FIH‐1 with HIF‐1α 

as  a  substrate  (90  μM  +/‐  25  μM),  suggesting  that  FIH‐1‐mediated  hydroxylation  of 

Notch will persist at oxygen levels that preclude hydroxylation and repression of HIF‐1α 

(Wilkins et al., 2009). Whether such hydroxylation events are constitutive or regulated 

by other, as yet unidentified signals, is currently not known.   

 

1.3.6.2 Role of ARD hydroxylation for protein stability and structure 

One  suggested  role  for  FIH‐1‐mediated  hydroxylation  of  ARD  substrates  is  that 

hydroxylation  contributes  to  the  stability  of  ARDs.  Asparaginyl  hydroxylation  was 

postulated to strengthen the stability of the ARD fold via the formation of a hydrogen 

bond  between  the  hydroxyasparagine  and  the  residue  positioned  two  residues  N‐

terminal of the asparagine (Coleman et al., 2007). However, despite the formation of a 

hydrogen bond within the ankyrin  fold upon hydroxylation, structural analysis of have 

revealed that there  is no major change to the structure of the hydroxylated compared 

to unhydroxylated Notch1 ARD. Biophysical data supporting the hydroxylation‐induced 

increase  in  ARD  stability  includes  comparison  of  unfolding  temperatures  of 

hydroxylated  and  non‐hydroxylated  synthetic  peptides,  with  hydroxylated  peptides 

having  a  slightly  increased  thermal  stability. Mutation  of  the  ‐2  amino  acid  residue, 

usually an aspartic acid, to alanine prevented the formation of the hydrogen bond and 

also  reduced  this  increase  in  stability  (Hardy  et  al.,  2009).  Earlier  studies  of  IκBα 

suggested  that  subtle  changes  in  stability  of  its  ARD  affected  the  proteins  ability  to 

interact with  other  partners  (Truhlar  et  al.,  2008),  however more  recent  data  have 

Page 52: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 35 

contradicted  this  finding,  showing  no  alteration  in  IκBα  structure,  stability,  or 

interaction with NFκB (Devries et al., 2010). Thus, any role for hydroxylation of ARDs by 

FIH‐1 in protein stability remains controversial. 

 

1.3.6.3 Role of ARD hydroxylation in fine‐tuning the hypoxic response 

A  further  possibility  for  the  role  of  ARD  hydroxylation  in  cells  is  that  competition 

between FIH‐1 substrates for binding and hydroxylation may serve to contribute to the 

regulation  of  HIF‐1α  transcriptional  activity.  This  theory  is  supported  by  several 

independent studies reporting competition between HIF‐α and ARD substrates for FIH‐

1. Firstly, Notch and IκBα substrates bind FIH‐1 with a far greater affinity than HIF‐α, in 

the case of Notch a 50‐fold higher affinity than that determined for HIF‐α (Wilkins et al., 

2009). Crystal  structures have  shown  that Notch1  and HIF‐α peptides bind  to  largely 

overlapping sites on FIH‐1, sustaining the idea that competition occurs between the two 

substrates  (Coleman et al., 2007). Furthermore, co‐expression of  the Notch1  ICD with 

the  HIF‐1α‐CAD  in  cells  dramatically  reduces  hydroxylation  of  the  CAD,  and 

overexpression of Notch1 and Notch3 lead to an increase in Gal4DBD‐HIF‐CAD reporter 

activity (Coleman et al., 2007). In agreement with these data, wt Notch 1 ICD was shown 

in a separate study to enhance activity of a CAD reporter in a dose dependent manner, 

an effect  that was  rescued by overexpression of FIH‐1  (Zheng et al., 2008). Together, 

these  results  suggest  a  subtle mode  of HIF  regulation where Notch  sequesters  FIH‐1 

away from HIF‐1α, thus protecting it from repression by FIH‐1. This effect is not limited 

to Notch, as transfection of MYPT1 was also found to enhance transcriptional activity of 

the HIF‐α‐CAD (Webb et al., 2009), and modest increases in transcriptional activity were 

also  observed  with  IκBα  and  RNaseL  overexpression  (Webb  et  al.,  2009).  siRNA‐

knockdown of endogenous IκBα was also found to have the reciprocal effect of reducing 

HIF‐α activity (Shin et al., 2009).  

 

Page 53: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 36 

Taken  together,  these  data  suggest  interaction  with  ARD  containing  proteins  may 

reduce  availability  of  FIH‐1  for  HIF‐α  hydroxylation,  and  therefore  contribute  to  the 

regulation of HIF target gene expression.  

 

 

1.4 What is the Role of FIH‐1? 

Given  the  large  number  of  substrates  now  known  for  FIH‐1  and  the  wide  array  of 

cellular  processes  these  substrates  are  involved  in,  a  fundamental  question  remains: 

what is the preeminent role of FIH‐1? 

 

Knockout mouse models  of  each  of  the  three  PHDs  have  been  generated  and  have 

provided  insight  into  their contributions  in  regulation of HIF‐α  stability  (Takeda et al., 

2006),  (Aragones et al., 2008),  (Bishop et al., 2008). PHD2 null mice exhibit  the most 

severe phenotype, dying between 12.5 and 14.5 days post coitum with severe heart and 

placental defects, a phenotype consistent with impaired HIF‐α regulation and in keeping 

with  the dominant  role of PHD2 over PHD1 and PHD3  in hydroxylation and  therefore 

regulation of HIF‐1α protein levels.  

 

1.4.1 FIH‐1 knockout mouse phenotype 

In order  to discern a precise  role of FIH‐1  in cells, FIH‐1 null mice were generated by 

Zhang et al (Zhang et al., 2010a). Published mid 2010, this research delivered surprising 

results, as discussed below. FIH‐1‐/‐ mice did not present with a phenotype consistent 

with general elevated HIF activity. The mice survived  into adulthood and displayed no 

major  alteration  in  processes  known  to  be  regulated  by  the  HIF  pathway  such  as 

erythropoiesis  and  angiogenesis.  Furthermore,  FIH‐1‐/‐  mouse  embryonic  fibroblasts 

(MEFs) exhibited only small increases in expression of HIF target genes VEGF and PGK1 

Page 54: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 37 

at both normoxia and at 1% atmospheric oxygen compared to wildtype MEFs, and there 

was minimal  to no difference between expression GLUT1 between wildtype and FIH‐/‐ 

cells.  Curiously,  deletion  of  both  FIH‐1  and  VHL  from MEFs  resulted  in  the  dramatic 

(~200‐fold)  increase carbonic anhydrase 9  (CA9) mRNA, when only a modest  increase 

was observed with FIH‐1 deletion or VHL deletion alone,  suggesting  that FIH‐1 exerts 

significant  control  over  some  genes  in  the  absence  of  VHL.    Other  genes  also 

significantly upregulated by the dual deletion, including endothelin 2 (~100 fold).  

 

FIH  null  mice  exhibited  a  hypermetabolic  phenotype,  observable  by  differences 

between  wt  and  FIH‐1‐/‐  animals  across  a  range  of metabolic  parameters. Whereas 

activation of HIF  in animals has previously been  found to reduce oxygen consumption 

and  affect  metabolism  by  decreasing  oxidative  phosphorylation  and  upregulating 

glycolysis  (Aragones  et  al.,  2008),  loss  of  FIH‐1  here  was  found  to  increase  oxygen 

consumption but to have no effect of glycolysis at normoxia. This seems to suggest that 

any changes in metabolic rate were not simply due to upregulation of the HIF pathway, 

but rather due to as yet undefined processes  in which FIH‐1 has a part. The  increased 

respiration  in  FIH‐1‐/‐  mice  was  coupled  with  an  increased  heart  rate  and  heat 

production, and FIH‐1‐/‐ MEFs showed greater ATP levels and decreased levels of active 

AMP‐activated protein kinase (AMPK) compared to wt MEFs.  

 

Chronic hyperventilation was also observed  in FIH‐1‐/‐ mice. Null mice exhibited a tidal 

volume  at  normoxia  similar  to  the  increased  tidal  volume  of  wildtype  animals  at 

hypoxia,  suggesting  that  FIH‐1  has  a  role  in  regulating  tidal  volume  in  response  to 

changing atmospheric oxygen.  Interestingly, when  the mice were placed at hyperoxic 

conditions  (30% O2), their tidal volumes decreased to  levels  found  in wildtype mice  in 

normoxic conditions, suggesting an overall shift  in what the null mice perceived to be 

normoxic oxygen levels. How FIH‐1 contributes to ventilory control is not clear.  

 

Page 55: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 38 

Lastly, FIH‐1 null animals showed increased consumption of food and water, in keeping 

with  their  elevated  metabolic  rates.  However,  despite  this  hyperphagia  and  also  a 

decrease in physical activity, FIH‐1‐/‐ mice were smaller at birth and continued to have a 

smaller body  size  throughout adulthood compared  to wildtype mice. This  lower body 

weight was attributed  to  less adipose  tissue rather  than decreased size of other body 

structures  such  as  muscles  or  organs.  Loss  of  FIH‐1  also  conferred  a  dramatically 

increased sensitivity to insulin and subsequent protection against weight gain when the 

mice were  fed  a  high‐fat  diet.  Neuron‐specific  deletion  of  FIH‐1  phenocopied  these 

global  FIH‐1‐/‐ mice,  suggesting  that  FIH‐1‐mediated  regulation  of  global metabolism 

occurs through the activities of FIH‐1 in neurons.  

 

1.4.2 A cell‐type specific role for FIH‐1? 

A cell type specific role for FIH‐1 has not yet been defined but may exist. Expression of 

the  HIF  substrates  is  ubiquitous,  and  FIH‐1  itself  is  also  expressed  in  all  tissue 

investigated to date (Soilleux et al., 2005). In the absence of any cell‐specific regulatory 

pathways  that  regulate FIH‐1 activity,  it would be  logical  to expect  that FIH‐1 activity 

would  proceed  in  a  similar manner  across  all  cell  types.  However,  this  data  clearly 

suggests  a  novel,  neuronal  role  for  FIH‐1  in  the  regulation  of  metabolism.  As  the 

expression  of HIF  target  genes Vegf, Glut‐1,  Bnip3  and  Ca9  in  neuronal  FIH‐1‐/‐ mice 

were unchanged, it is probable that FIH‐1 here is not acting through alterations in HIF‐

mediated transcription.  

 

In summary,  typical phenotypes relating  to  the upregulation of  the HIF pathway were 

not  observed  in  FIH‐/‐ mice.  Rather,  these  data  suggest  that  FIH‐1  additionally,  and 

perhaps primarily, acts as a neuronal regulator of metabolism in mammals. In addition, 

FIH‐1 seems to be involved in respiratory regulation, specifically in the nomination of an 

oxygen  “set  point”  that  an  animal  considers  normoxia.  Particularly  interesting  is  the 

Page 56: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 39 

concept  that  FIH‐1  is  regulated  in  a  cell  specific  manner  by  as  yet  unidentified 

mechanisms,  and  exerts  control  over  important  cellular  and  global  processes  via 

mechanisms that may be HIF‐independent.  

 

In  addition,  these  findings  increase  the  therapeutic  potential  of manipulating  FIH‐1 

activity, with the implication being that inhibition of FIH‐1 may be a strategy employed 

for reversal of  insulin resistance, type  II diabetes and possibly aid  in reduction of diet‐

induced  obesity.  The  importance  of  FIH‐1  in  these  processes  and  the  ambiguity 

surrounding  the nature and mechanisms behind  its  involvement validate  the need  for 

further research into FIH‐1 function, activity and regulation.  

 

 

1.5 Regulation of FIH‐1 

At the commencement of this project, limited data was available regarding regulation of 

FIH‐1  beyond  regulation  of  enzyme  activity  by  oxygen  levels.  Recent  reports  have 

illuminated  novel mechanisms  that  regulate  FIH‐1  expression  and  activity,  discussed 

below.  

 

1.5.1 Regulation at the FIH‐1 promoter by Protein Kinase C  

Negative  regulation  of  FIH‐1  transcription  by  protein  kinase  C    (PKC)  has  been 

demonstrated  in renal cell carcinoma (RCC) (Datta et al., 2004). Here, qPCR revealed a 

dose‐dependent  increase  in  FIH‐1  message  in  786‐O  cells  with  introduction  of  a 

dominant  negative  form  of  PKC.  This was  followed  up  by  further  data  suggesting  a 

specific mechanism  for  decreased  FIH‐1 message  (Li  et  al.,  2007b).  Li  and  colleagues 

identified  a  cis  regulatory  element  in  the  FIH‐1  promoter  that  binds  phosphorylated 

CCAAT‐displacement protein (CDP), leading to repression of FIH‐1 transcription. PKC is 

Page 57: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 40 

the  kinase  responsible  for  CDP  phosphorylation,  and  this  phosphorylation  event was 

demonstrated to be  important for DNA binding by CDP and the subsequent repression 

of FIH‐1. As a side note, expression of the fly CDP homologue Cut has, through several 

independent  lines of evidence, been shown to be positively regulated by Notch  in flies 

and to co‐localise with Notch in mice (Nepveu, 2001). Given that FIH‐1 represses Notch 

activity and CDP/Cut represses FIH‐1 transcription, it is interesting to speculate whether 

upregulation of CDP/Cut by Notch could represent a positive  feedback  loop  for Notch 

activity.  

 

As  RCC  is  VHL  deficient,  the  transcriptional  repression  of  FIH‐1  via  the  PKC/CDP 

mechanism may represent a means to activate HIF‐target gene expression  in RCC, and 

this mechanism may be particularly important in RCC in light of the results of the FIH‐1‐/‐ 

knockout studies described above that found that FIH‐1 dramatically reduces certain HIF 

target genes in the absence of VHL. The existence of this mechanism in other cell types, 

or in normal tissues, is unknown.  

 

1.5.2 Regulation of FIH‐1 translation by microRNA 31 

miR‐31 has been  reported  to attenuate FIH‐1 expression  in head and neck  squamous 

cell carcinoma  (HNSCC), with a decrease  in FIH‐1 message and protein observed upon 

miR‐31 overexpression in HNSCC cell line SAS (Liu et al., 2010). In this study, miR‐31 was 

found  to  be  upregulated  in  HNSCC,  and  ectopic  expression  of  miR‐31  increased 

oncogenic traits such as proliferation, migration and anchorage‐independent growth of 

SAS  cells.  Importantly, miR‐31  expression  has  been  reported  to  be  elevated  in other 

cancer types,  including colorectal carcinoma (Slaby et al., 2007) and tongue carcinoma 

(Wong et al., 2008). Upregulation of miR‐31  in specific  tumour  types may represent a 

mechanism  for downregulation of FIH‐1  level and  thereby a mechanism  for  increased 

Page 58: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 41 

normoxic HIF‐target  gene  expression  that may  be  important  in  progression  of  some 

cancer types.  

 

Contrarily,  miR‐31  expression  is  decreased  in  metastatic  breast  cancer.  Here, 

overexpression  of  miR‐31  in  the  breast  cancer  cell  line  MDA‐MB‐231  resulted  in 

decreased  invasion  and motility  in  in  vitro  assays,  and  decreased metastasis  in  vivo 

(Valastyan et al., 2009). This was found to occur via the downregulation of expression of 

a number of pro‐metastatic mRNAs by miR‐31. The effect of miR‐31 on FIH‐1 expression 

was not examined in this study. Taken together, the two separate findings indicate that, 

firstly, miR‐31 is able to decrease FIH‐1 expression and secondly, that miR‐31 expression 

is specifically decreased  in aggressive breast cancers, may  represent a mechanism  for 

increased  levels  of  FIH‐1  in  those  tumours  where miR‐31  expression  is  attenuated, 

though this has yet to be suggested in the literature or investigated. As miR‐31 appears 

to act pleiotropically  in tumour progression, the role  for miR‐31  in regulation of FIH‐1 

expression in other tumour types is not clear.  

 

1.5.3 Regulation of HIF transcriptional activity by nitric oxide 

Nitric oxide  (NO) has also been  implicated  in both positive and negative  regulation of 

HIF‐α  stability  and  transcriptional  regulation  (Berchner‐Pfannschmidt  et  al.,  2010).  In 

normoxic cell culture conditions, nitric oxide donors are known to stabilise and activate 

HIF‐1α (Metzen et al., 2003a; Sandau et al., 2001). In hypoxia however, NO donors have 

been found to elicit a reduction in HIF‐1α accumulation and activity (Huang et al., 1999; 

Liu et al., 1998). HIF‐1α  is known to be directly regulated by S‐nitrosylation of cysteine 

residues  within  the  ODDD  and  the  CAD,  enhancing  protein  stability  and  increasing 

activity, respectively (Li et al., 2007a; Yasinska and Sumbayev, 2003). The  involvement 

of NO in modulation of HIF‐α is extends beyond the direct modification of HIF‐α, as NO 

has also been reported to affect the HIF hydroxylases (Metzen et al., 2003b; Park et al., 

Page 59: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 42 

2008). Use of NO donors have been observed  to enhance HIF‐1α‐CAD  transcriptional 

activity  in  normoxic  conditions  (Metzen  et  al.,  2003b),  in  contrast  to  earlier  data 

showing attenuation of activity under hypoxic conditions (Huang et al., 1999). The cause 

of these discordant effects of NO on transcriptional activity of HIF‐α between normoxia 

and hypoxia is not known, however FIH‐1 has been suggested to be directly inhibited by 

NO (Park et al., 2008). Addition of NO donors in vitro prevents FIH‐1 from hydroxylating 

HIF‐1α substrates, as seen by MS. The mechanism of inhibition is unknown, though may 

involve either competition between NO and oxygen for binding to the Fe(II) within the 

enzyme’s  active  site,  or  nitrosylation  of  FIH‐1  itself  as  a  regulatory  modification 

(Chowdhury et al., 2011). 

 

1.5.4 FIH‐1 is not regulated by tricarboxylic acid cycle intermediates 

FIH‐1 consumes the tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediate 2‐OG during catalysis of 

hydroxylation.  In the reaction, 2‐OG accepts one oxygen atom  from molecular oxygen 

and  is  decarboxylated,  giving  off  CO2  and  forming  succinate,  another  TCA  cycle 

intermediate.  Regulation  of  HIF  hydroxylases  by  TCA  cycle  intermediates  has  been 

demonstrated previously (Selak et al., 2005). Accumulation of succinate by inhibition of 

succinate dehydrogenase negatively regulates PHD2 activity, resulting in stabilisation of 

HIF‐α protein  levels  at normoxia.  This  inhibition  likely occurs  through  competition of 

succinate and 2‐OG for binding to the enzyme (Hewitson et al., 2007). The possibility of 

FIH‐1  being  inhibited  by  the  citric  acid  cycle  intermediates  fumarate,  succinate  and 

oxaloacetate was investigated (Hewitson et al., 2007). FIH‐1 however was not found to 

be inhibited by physiologically relevant levels of these molecules in an in vitro setting.   

 

Page 60: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 43 

1.5.5 Regulation of FIH‐1 subcellular distribution by MT1‐MMP and Mint3 

An  interaction between FIH‐1 and Mint3 has  recently been demonstrated  to occur  in 

macrophages (Sakamoto and Seiki, 2009). Mint3 (also known as APBA3),  is  involved  in 

intracellular  protein  transport, most  notably  transport  of  amyloid  precursor  protein. 

FIH‐1 binds Mint3 via the same C‐terminal α‐helices used for binding to HIF‐α and thus, 

as  has  been  previously  demonstrated  for  a  number  of  ARD  substrates,  directly 

competes  with  HIF‐α  for  binding  and  modulates  expression  of  HIF‐target  genes. 

Overexpression  of Mint3  in HEK293  cells  increased  activity  of  a Gal4  reporter  gene, 

presumably by binding FIH‐1 and thereby reducing hydroxylation of Gal4DBD‐HIF‐CAD. 

Also, shRNA‐mediated knockdown of Mint3 in macrophages, results in decreased GLUT1 

and PGK1 expression,  inferring greater availability of FIH‐1  in the absence of Mint3 for 

HIF‐α hydroxylation. 

 

As macrophages rely on glycolysis for ATP manufacture regardless of oxygen levels, the 

interaction of FIH‐1 with Mint3 provides an example of a physiologically  relevant  role 

for oxygen‐independent modulation of FIH‐1 regulation of HIF activity. Hydroxylation of 

Mint3 was not  reported,  indicating  that  this  regulatory mechanism  is  independent of 

FIH‐1 catalytic activity. 

 

A further study by the same authors expanded on this novel mode of FIH‐1 regulation in 

macrophages  (Sakamoto and Seiki, 2010). The authors proposed a model where FIH‐1 

first bound  to  the cytoplasmic  tail of membrane  type 1 matrix metalloprotease  (MT1‐

MMP; also known as MMP‐14), and this interaction recruited FIH‐1 to Mint3. When in a 

complex  with  Mint3,  FIH‐1  was  prevented  from  hydroxylating  HIF‐α,  enabling 

macrophages  to  upregulate  genes  necessary  for  glycolysis.  The  significance  of  this 

regulatory mechanism in other cell types is unclear.  

 

Page 61: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 44 

 

1.5.6 Regulation of FIH‐1 distribution by protein‐protein interactions 

FIH‐1  is  known  to  interact  with  a  number  of  proteins  in  addition  to  HIF‐α,  and 

interaction with some proteins may influence distribution of FIH‐1 in the cell. In addition 

to the interactions between FIH‐1 and MT1‐MMP and Mint3 that has been suggested to 

increase peri‐nuclear  localisation of FIH‐1 (Sakamoto and Seiki, 2009), co‐expression of 

yellow fluorescent protein‐ (YFP)‐FIH‐1 with the full length Notch1 intracellular ICD was 

found  to  increase  the  amount  of  YFP‐FIH‐1  in  the  nucleus.  This  Notch‐dependent 

alteration in FIH‐1 subcellular localisation was likely due to the high affinity interaction 

of FIH‐1 for Notch, as evidenced by the fact that a Notch1 asparagine mutant that binds 

FIH‐1 poorly was not able to replicate this  increased nuclear  localisation  (Zheng et al., 

2008). IκBα has been shown to bind to and sequester HDAC‐1 and ‐3 in the cytoplasm, 

impacting on gene  transcription  (Viatour et al., 2003). The  interaction between FIH‐1 

and  IκBα,  or  between  FIH‐1  and  other  interacting  proteins,  may  act  to  retain  or 

transport  FIH‐1  between  cellular  compartments,  affecting  colocalisation  with  HIF‐α 

substrates.  

 

 

1.5.7 Is FIH‐1 phosphorylated? 

1.5.7.1 Regulation of HIF‐α activity by kinase signalling pathways 

The HIF pathway  is subjected to regulation more complex than the oxygen‐dependent 

hydroxylation events described. Crosstalk between HIF and numerous other  signalling 

pathways has been described, and post translational modifications (PTMs) in addition to 

asparaginyl hydroxylation have been reported to occur on the HIF‐1α CAD and affect its 

transcriptional  activity,  often  by  targeting  the  interaction  between  the  CAD  and 

CBP/p300. For example, phosphorylation of hHIF‐1α at T796 by casein kinase II has been 

Page 62: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 45 

shown to increase CAD activity (Gradin et al., 2002). The proposed mechanism involves 

decreased  affinity  of  FIH‐1  for  the  phosphorylated  CAD  via  the  disruption  of  a 

hydrophobic  interaction  between  FIH‐1  and  L795  of HIF‐1α,  subsequently  decreasing 

hydroxylation (Lancaster et al., 2004), (Cho et al., 2007).  

 

The role of other kinases in regulation of HIF‐α CAD transcriptional activity is less clear, 

and  remains  a  somewhat  contentious  issue  in  the  literature.  In  general,  several 

independent  lines  of  data  suggest  a  trend  of  increased  CAD‐driven  transcription 

following  activation  of  phosphatidylinositol  3‐kinase(PI3K)/Akt  and mitogen‐activated 

protein kinase (MAPK) signalling pathways, though the precise mechanisms responsible 

for increased HIF‐α activity are, in many cases, unclear. Many studies regarding the role 

of kinase signalling pre‐date the identification and characterisation of FIH‐1, resulting in 

a  lack of query  into the role of FIH‐1 as an  intermediary between kinase signalling and 

HIF activity. 

 

1.5.7.2 MAPK pathway 

Evidence suggests that manipulation of MAPK pathways impacts on the activity of both 

HIF‐1‐ and HIF‐2‐ mediated  transcription  in  some cell  types, however only HIF‐1α has 

been found to be phosphorylated by the ERK1/2 MAPKs (Richard et al., 1999). A role for 

the MAPK phosphorylation of HIF‐1α has been described  (Mylonis  et al.,  2006).  Two 

phosphorylation  events  on  S641  and  S634  serve  to  block  CRM1‐dependent  nuclear 

export of HIF‐1α,  leading to nuclear accumulation and enabling transcriptional activity. 

Inhibition  of  MAPKs  therefore  leads  to  enhanced  nuclear  export  of  HIF‐1α  and  a 

reduction  in transcriptional activity, explaining,  in part, the observed decrease  in HRE‐

reporter genes upon MAPK inhibitor treatment.  

 

Page 63: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 46 

Investigation of the effects of the MAPK pathway on HIF‐2α mediated transcription  in 

PC12  cells  has  been  done  using  the  MAPK  inhibitor  PD98059,  which  binds  to  and 

prevents activation of the upstream MEK1  (Conrad et al., 1999). Activity of  full  length 

HIF‐2α  in a HRE‐Luciferase reporter assay was  impeded by PD98059  in both normoxia 

and hypoxia, without affecting HIF‐2α protein levels. Furthermore, inhibition of MAPKs 

by  PD98059  had  no  effect  on  the  levels  on  the  phosphorylation  status  of  HIF‐2α, 

suggesting an  indirect mechanism of  regulation of  transcriptional activity of HIF‐2α  in 

PC12  cells. This work was  corroborated by  similar  findings  for HIF‐2α activity  in PC12 

cells, and also HIF‐1α activity in HeLa and HepG2 cells (Alvarez‐Tejado et al., 2002). Use 

of  PD98059 was  found  to  produce  a  small  reduction  in  hypoxic  levels  of  HIF‐1α  in 

HepG2 cells, but had minimal effects on HIF‐1α or HIF‐2α protein  levels. Despite these 

minimal changes  in protein  levels,  there was a consistent and  significant  reduction  in 

hypoxic HRE‐driven luciferase expression in HepG2, HeLa and PC12 cells.  

 

The role of MAPKs  in regulating HIF‐2α transcriptional activity  is not clear, as HIF‐2α  is 

not known  to be a substrate of MAPKs.  In addition, a HIF‐1α‐CAD construct that does 

not  include the two  identified MAPK sites also responds to MAPK  inhibitor treatment, 

observed as a decrease in transcriptional activity (Sang et al., 2003), suggesting that the 

nuclear export mechanism may not be  solely  responsible  for  the upregulation of HIF 

activity by MAPKs.  Interestingly, when the effect of PD98059 on the NAD (HIF‐1α 530‐

658) and the CAD (HIF‐1α 786‐826) were investigated separately, PD98059 was found to 

downregulate both NAD‐ and CAD‐driven reporter gene expression, however, only the 

NAD was found to be phosphorylated by MAPK (Sang et al., 2003). Phosphorylation of 

FIH‐1 by MAPK has apparently been investigated and found not to occur, however this 

data  has  not  been  published  (Sang  et  al.,  2003).  Increased  HIF  activity, whether  by 

MAPK signalling or other pathways,  is  involved  in cancer progression, thus delineating 

the  exact  nature  of  regulatory  events  that  enhance HIF‐mediated  gene  expression  is 

particularly important. Information into transcriptional activity of the HIFs gleaned from 

Page 64: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 47 

studies  that  employ  various  kinase  inhibitors  needs  to  be  carefully  interpreted,  as 

CBP/p300 has also been found to be a MAPK substrate, and  its activity  is known to be 

affected by phosphorylation status (Sang et al., 2003). 

 

1.5.7.3 The PI3K/Akt signalling pathway 

Another  kinase  signalling  pathway  that  has  been  implicated  in  regulation  of  HIF‐

mediated gene expression is the PI3K/Akt pathway. Akt (also known as Protein Kinase B 

(PKB)), is a serine/threonine kinase that is activated by various extracellular signals such 

as  growth  factors,  hormones,  cytokines,  and  cellular  stresses,  including  hypoxia. 

Following activation, Akt has roles in the regulation of  various cellular processes such as 

proliferation,  survival, apoptosis, angiogenesis and glucose metabolism  (For a  review, 

see (Franke, 2008).  

 

There  has  been  a  significant  amount  of  research  published  into  the  link  between 

PI3K/Akt  signalling,  HIF‐1α  protein  levels  and  HIF‐1α  transcriptional  activity,  yet  the 

contribution  of  Akt  into  HIF  activation  remains  a  contentious  issue  in  the  literature 

(Alvarez‐Tejado  et  al.,  2002;  Arsham  et  al.,  2002).  As  with  the  studies  using MAPK 

inhibitors above, data generated using PI3K  inhibitors  is  complicated by  the  fact  that 

phosphorylation  of  p300  by  Akt  has  been  found  to  be  essential  for  transcriptional 

activity (Huang and Chen, 2005). Therefore, results obtained by use of these  inhibitors 

in reporter assays are reflective of the effects of kinase inhibition on both p300 and HIF‐

α.  Furthermore,  Akt  signalling  has  been  reported  to  stabilise  HIF‐α  protein  in 

glioblastoma cell line U373 (Zundel et al., 2000), although this finding was later directly 

contradicted  (Arsham et al., 2002). Akt has also been  implicated  in  the growth‐factor 

dependent increase in HIF‐1α levels in prostate cancer cell lines PC‐3 and DU145 (Jiang 

et al., 2001). Though controversial, the various effects of the PI3K/Akt pathway on HIF‐α 

Page 65: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 48 

stability make  it  difficult  attribute  any  results  showing  elevated  HIF‐mediated  gene 

transcription solely to enhanced levels of HIF activity. 

 

Where evident, the effect of the PI3K/Akt pathway on HIF target gene expression has 

been  cell‐specific  (Shafee  et  al.,  2009).  Activation  of  PI3K/Akt  activity was  found  to 

either  increase or decrease  levels of HIF  target gene CA9 mRNA  in a cell‐type specific 

manner,  with  osteosarcoma  Saos‐2  cells  and  breast  cancer  MCF‐7  cells  showing 

increased CA9 upon infection with an adenoviral vector expressing constitutively active 

PI3K, and a fibrosarcoma‐derived cell line MCH603 showing a decrease in CA9 message. 

The  PI3K  inhibitors  wortmannin  and  LY294002  do  not  have  equivalent  effects  on 

hypoxic HIF‐mediated  transcription  in HeLa, PC12 and HepG2  cells  (Alvarez‐Tejado  et 

al.,  2002).  Use  of  both  LY294002  and  wortmannin  in  HeLa  cells  showed  a  dose‐

dependent decrease  in HIF‐mediated  transcription at hypoxia.  In PC12 cells, however, 

use  of  the  same  concentrations  of  these  inhibitors  had  no  effect  on  HRE‐driven 

luciferase  expression,  and  in  HepG2  cells,  LY294002  but  not  wortmannin  reduced 

reporter activity, though this may have been due to off‐target effects the of LY294002 

inhibitor.  Furthermore, HRE‐reporter  assays have  found  that  constitutively  active Akt 

was  able  to  enhance  hypoxic  gene  transcription  in  human  glioblastoma  U373  cells 

without increasing HIF‐1α protein level, but not in mouse hepatoma IcIc7 cells (Arsham 

et  al.,  2002).  Though  it  appears  that  PI3K/Akt  signalling  is  not  sufficient  for  HIF‐

dependent  transcription,  and  hypoxia  is  primarily  responsible  for  induction  of  HIF‐

activity  in these cell  lines, evidence suggests that HIF transcriptional activity  is altered, 

in  a  cell  type‐specific  manner,  in  response  to  inhibition  or  overexpression  of  the 

PI3K/Akt pathway. Whether this occurs via cell‐specific regulation of FIH‐1, resulting  in 

an altered capacity for hydroxylation of HIF‐α substrates and changes  in HIF‐mediated 

gene  transcription,  remains  unknown  but  presents  an  interesting  path  for  future 

investigation.  

 

Page 66: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 49 

1.5.7.4 Summary 

Investigation of an involvement of FIH‐1 in these pathways has not been published, yet 

FIH‐1 has a known role in regulating HIF transcriptional activity. A possible pathway for 

kinase  signalling  to  increase HIF‐transcriptional activity could be  through modification 

and  inhibition of FIH‐1 activity  in specific cell types, and this would be consistent with 

other observations of cell‐specific differences in FIH‐1 activity (section 1.2.4) 

 

 

1.6 FIH‐1 and Disease 

1.6.1 Hypoxia, the HIF pathway and solid tumour growth 

It  is  commonly  accepted  that  solid  tumours  arise  from  an  accumulation  of  genetic 

changes that act to confer upon cells a proliferative and survival advantage,  leading to 

rapid expansion of tumour cell populations. This rapid growth often occurs discordantly 

with growth of a functional vascular network; as such, regions of hypoxia are common 

in solid tumours. Neovascularisation has been found to be a  limiting factor for tumour 

growth. Solid  tumours have been  found  to not progress beyond 1‐2 mm  in diameter 

without the growth of a new blood supply, as beyond this size diffusion of oxygen is not 

sufficient (Folkman et al., 1966; Folkman, 1990).  

 

Assessment of tumour tissue oxygenation with oxygen‐sensitive electrodes has shown 

that overall, regions of hypoxia arise in approximately 50‐60% of solid tumours (Vaupel 

and Mayer, 2007). Tumour‐associated hypoxia is significant as it is associated with more 

aggressive cancer phenotypes that have increased resistance to both radiation therapy 

and  chemotherapy  through  various  mechanisms,  including  a  requirement  by  some 

chemotherapeutic agents for oxygen to become maximally cytotoxic, difficulties in drug 

Page 67: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 50 

delivery  and  also  an  increased  rate  of  development  of  drug  resistance  via  enhanced 

genetic instability (For a review, see (Teicher, 1994).   

 

HIF‐1α  is  also  involved  in  treatment  resistance,  as  HIF‐1α  null  MEFs  are  more 

susceptible  to  ionising  radiation and  chemotherapeutic agents  than wildtype  cells  via 

increased apoptosis (Unruh et al., 2003). Indeed, HIF‐α expression has been found to be 

an  important  prognostic  marker  for  a  number  of  cancers  and  has  been  found  to 

contribute to a more aggressive cancer phenotype. Increased levels of HIF‐α protein has 

been reported  in a variety of cancer types,  including breast,  lung, skin, bladder, colon, 

pancreas, brain, gastric, ovarian, and renal cell carcinomas (Zhong et al., 1999), (Talks et 

al., 2000).   Overexpression of HIF often correlates with a poor prognosis  in a many of 

human  cancers  types,  including  breast  (Schindl  et  al.,  2002),  ovarian  (Birner  et  al., 

2001),  cervical  (Burri  et  al.,  2003),  brain  (Zagzag  et  al.,  2000)  and  stomach  cancers 

(Takahashi et al., 2003). Conversely, loss of HIF‐1α impedes growth of tumours (Ryan et 

al., 1998).  

 

The  HIF  pathway  is  central  in  enabling  tumour  cells  to  adapt  to  the  challenging 

intratumoural microenvironment, and also in activating transcription of genes required 

for  carcinogenesis.  Important  phenotypic  hallmarks  of  cancer  include  unlimited 

proliferative  potential,  self‐generation  of  growth  signals,  insensitivity  to  anti‐

proliferative signals, evasion of apoptosis, upregulation of glycolysis, angiogenesis and 

metastasis (Hanahan and Weinberg, 2000). Stabilisation and activation of HIF, either by 

hypoxia  or  other  means,  enables  tumour  cells  to  express  genes  regulating  these 

advantageous  processes.  Specific well  known  examples  include  transforming  growth 

factor‐β (TGF‐β) (Schaffer et al., 2003) and insulin‐like growth factor 2 (IGF2) (Feldser et 

al.,  1999)  for  cell  proliferation  and  survival,  VEGF  (Levy  et  al.,  1995;  Forsythe  et  al., 

1996) and its receptor FLT‐1 (Gerber et al., 1997) for stimulation of angiogenesis, matrix 

metalloprotease  MMP‐2  for  extracellular  matrix  metabolism  and  autocrine  motility 

Page 68: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 51 

factor  (AMF)  for  cell  motility  (Krishnamachary  et  al.,  2003),  as  well  as  glucose 

transporters  GLUT1  and  GLUT3  (Ebert  et  al.,  1995)  and  various  glycolytic  enzymes 

(Semenza et al., 1994) to  increase anaerobic ATP production. HIF‐1α has a well‐known 

paradoxical  role  in  both  promoting  and  preventing  apoptosis  via  the  activation  of 

transcription  of  both  pro‐  and  anti‐apoptotic  genes,  such  as  BNip3  and  TGF‐α, 

respectively (Sowter et al., 2001; Krishnamachary et al., 2003), adding to the complexity 

of the role of HIF‐1 in tumour progression. Importantly, FIH‐1 appears to be capable of 

altering HIF‐mediated  expression  under  hypoxic  conditions  (Stolze  et  al.,  2004).  This 

suggests that FIH‐1 may act to modulate HIF‐mediated transcription even when oxygen 

is limiting, and also highlights the importance of further investigating FIH‐1 expression, 

both in cancer and in normal cells. 

 

The  relative  contributions  of  HIF‐1α  and  HIF‐2α  to  cancer  progression  are  not 

completely  understood.  For  example,  studies  in  RCC,  a  disease  typified  by  loss  or 

defects  in  both  VHL  alleles,  have  shown  that  tumour  progression  is  favoured  by  a 

specific upregulation of the HIF‐2α isoform, as HIF‐2α was found to promote growth of 

RCC  xenografts,  whereas  HIF‐1α  expression  slow  impaired  RCC  tumour  progression 

(Raval et al., 2005).  In specific cases, activity of HIF‐1α has been suggested to  impede 

tumour progression by promoting apoptosis of tumour cells (Khan et al., 2011).  

 

In sum, cancer cells exploit the HIF pathway to adapt to the hypoxic microenvironment 

by  activating HIF‐target  genes,  thus  enabling  angiogenesis,  increasing  glucose  uptake 

and metabolism, and enhancing other processes advantageous  to cancer cells such as 

cell  proliferation,  survival  and metastasis.  This  activation  can  occur  through  tumour‐

associated hypoxia, or via oncogenic activation through a variety of signalling pathways. 

Manipulating  the  HIF  pathway  to  enable  a  reduction  in  these  processes  therefore 

provides an  important therapeutic avenue for the treatment of neoplastic disease.   At 

the beginning of this project, there was a deficit in knowledge regarding the expression 

Page 69: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 52 

of  FIH‐1  in  tumour  tissues.  Given  the  importance  of  HIF  target  gene  expression  in 

cellular  processes  critical  for  cancer  progression,  it  was  considered  vital  that  an 

investigation into FIH‐1 expression in a range of normal and tumour tissues was carried 

out.  

 

 

1.7 Thesis Objectives 

At  the  commencement of  this project, FIH‐1 expression had not been  investigated  in 

any tumour tissues, nor had investigations been made into the contribution of FIH‐1 to 

cancer  progression.  Given  the  extensive  and  important  involvement  of  HIF 

transcriptional activity  in  tumour progression, a  role  for FIH‐1  in  the regulation of HIF 

activity  in  cancer  was  thought  possible  and  warranted  investigation.  Specifically,  to 

enable HIF to escape from FIH‐1 mediated repression, it could logically be expected that 

FIH‐1 expression or activity would be downregulated.  

 

It  was  therefore  original  intent  of  this  thesis  to  directly  address  this  question  and 

investigate  the expression of  FIH‐1 protein  in a  range of normal  tissues  compared  to 

tissues  derived  from  solid  tumours.  However,  following  publication  of  data  that 

comprehensively  addressed  this  same  goal  (Soilleux  et  al.,  2005),  the  aims  of  this 

project  were  redefined  to  investigate  instead  the  existence  of  potential  regulatory 

mechanisms  influencing the activity of FIH‐1  independently or  in addition to the effect 

of oxygen concentration.  

 

Thus, the aims of this thesis can be summarised as follows: 

Aim 1: To  investigate  the expression of FIH‐1 protein  in a  range of cancer cell  lines, 

normal and cancer tissues 

Page 70: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 53 

Aim2: To  investigate the existence of post‐translational modification of FIH‐1, with a 

particular  focus on  regulatory mechanisms  that may  influence  the activity of  FIH‐1, 

independently, or in addition to, the effect of oxygen concentration. 

 

This thesis will first discuss work carried out in the fulfilment of the Aim1, followed by a 

discussion  relevant data  that was published  following  this work.  This  thesis will  then 

describe work carried out to address Aim 2.  

 

 

 

Page 71: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 72: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 55 

 

CHAPTER 2 

 

MATERIALS AND 

METHODS 

 

 

 

 

 

 

 

Page 73: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 74: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 57 

2 MATERIALS AND METHODS 

2.1 Chemicals and Reagents 

1kb DNA plus ladder          Invitrogen 

40% Bis‐Acrylamide Solution        Bio‐Rad 

Amylose agarose          Scientifix 

BigDye             Invitrogen 

Bio‐Lyte Buffer          Bio‐Rad 

Bradford Assay Dye Reagent        Bio‐Rad 

Bromophenol Blue          Sigma 

Brilliant Blue R Concentrate        Sigma 

CHAPS             Bio‐Rad 

CNBr‐activated Sepharose 4B       Amersham Biosciences 

DAPI Stain            Calbiochem 

DMEM             Gibco‐BRL 

Fetal calf serum          JRH Biosciences 

FuGENE 6 Transfection Reagent      Roche 

HiTrap chelating HP 5ml columns      GE Healthcare  

HiTrap IgM HP Purification columns      GE Healthcare 

Immobiline DryStrip IPG Strips, 7cm,  

pH 3‐11 and pH 4‐7          GE Healthcare  

IPG Buffer 4‐7            GE Healthcare 

Lipofectamine 2000          Invitrogen 

Nickel‐IDA agarose          Scientifix 

Oligofectamine          Invitrogen 

PD‐10 Desalting Columns         GE‐Healthcare 

Ponceau Red            Sigma 

Page 75: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 58 

Precision Plus Protein Dual Colour Standards    Bio‐Rad 

Protein A Sepharose          GE‐Healthcare 

Puromycin            Sigma 

ReadyStrip IPG Strips, 7cm, pH 4‐7      Bio‐Rad 

SyproRuby Protein Gel Stain        Invitrogen 

Tween 20             Sigma 

 

2.2 Radiochemicals 

[γ‐32P] ATP; 3000 Ci/mM, 10 mCi/ml, 1 mCi   Perkin Elmer 

 

2.2 Commercial Kits 

2‐D Clean Up Kit           Amersham Biosciences 

DNA midiprep kit          Qiagen 

Gel Extraction Kit          Qiagen 

ImmobilonTM Western Chemiluminescent 

HRP Substrate           Millipore 

Mouse Typer Sub‐Isotyping Kit      Bio‐Rad 

SilverQuest            Invitrogen 

SupersignalTM West Pico Chemiluminescent  

HRP  Substrate          Pierce 

 

2.3 Enzymes 

AcTEVTM Protease          Invitrogen 

Lambda Protein Phosphatase       New England Biolabs 

Page 76: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 59 

Lysozyme            Sigma 

PFU turbo polymerase        Stratagene 

Restriction Enzymes          New England Biolabs 

T4 DNA ligase            New England Biolabs 

Taq Polymerase          New England Biolabs 

Thrombin            Sigma 

 

2.4 Antibodies 

2.4.1 Primary Antibodies 

9F6:  Mouse monoclonal  antibody  generated  by  immunising mice 

with  full  length human maltose‐binding protein  (MBP)‐FIH‐1. 

Binds unknown antigen of   ~37 kDa. 

Anti‐FIH‐1:  Rabbit  polyclonal  antisera  No.8  and  No.9  made  in  our 

laboratory against MBP‐FIH‐1. Blots incubated in the indicated 

dilutions overnight.   

Commercial  affinity‐purified  rabbit  polyclonal  antibody  NB 

100‐428  (Novus  Biologicals).  Incubated  at  1:1000  dilution  in 

PBT overnight.  

Anti‐tubulin:   Rat  monoclonal  (Abcam  ab6160).  Used  1:4000  in  PBT, 

incubated for 1‐2 hours. 

Anti‐Myc:  Hybridoma supernatant 9E10. Due to batch to batch variation, 

dilutions and blotting conditions vary.  

Anti‐p‐Ser5 RNA PolII:  Antibody  raised  against  phosphorylated  RNA  Polymerase  II 

CTP repeat YSPTSPS (phosphor S5) (Abcam, ab5131).  

Page 77: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 60 

Anti‐paxillin:  Purified mouse monoclonal antibody raised against full length 

human  paxillin  with  GST  tag.  (Millipore  (formerly  Upstate) 

catalogue number 05‐417) 

Anti‐nucleoporin:  Mouse monoclonal  antibody  generated  against  amino  acids 

401‐522  of  human  nucleoporin  p62.  (Santa  Cruz,  catalogue 

number sc‐48373).  

 

2.4.3 Secondary Antibodies 

Anti‐mouse‐HRP:  Goat anti‐mouse antibody (Pierce). Used 1:20 000 in PBT. 

Anti‐rabbit‐HRP:  Goat anti‐rabbit antibody (Pierce). Used 1:20 000 in PBT. 

Anti‐rat‐HRP:  Goat anti‐rat antibody (Abcam ab6845). Used 1:5000 in PBT. 

Anti‐mouse‐TRITC:  anti‐mouse  tetramethylrhodamine  B  isothiocyanate  (TRITC) 

(DAKO).  Used at 1:1000 in 3% BSA in PBT.  

 

2.5 Buffers and Solutions 

2‐D Lysis Buffer 1:  1% SDS, 25 mM Tris pH 8.5, 20 mM DTT.

2‐D Lysis Buffer 2:  13% CHAPS, 0.65% Triton‐X‐100 and 43 mM DTT 

2x SDS Sample Buffer:  100 mM Tris pH 6.8, 20% glycerol, 4% SDS, 200 mM DTT, 

coomassie blue 

4x SDS Sample Buffer:  240 mM Tris pH 6.8, 40% glycerol, 8% SDS, 400 mM DTT, 

coomassie blue 

10X Thrombin 

cleavage buffer: 

                                                                                                                 

200 mM Tris pH 8, 1.5 mM NaCl, 25 mM CaCl2. 

Page 78: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 61 

Amylose Lysis Buffer:  150 mM NaCl, 20 mM Tris, pH 8

Binding Buffer: 10 mM Tris pH 7.5, 0.4 % Triton‐X‐100, 150 mM KCL, 2 mM EDTA, 

1 mM PMSF 

Acetate Buffer: 0.1 M AcOH (acetic acid), 0.5 M NaCl, pH 4.0  

Coupling Buffer:  0.5 M NaCl, 0.1 M NaHCO3, pH 8.3

Coomassie stain:   0.03% coomassie brilliant blue, 8.75% acetic acid, 50% methanol

Desalting Buffer:   20 mM Tris pH 8, 150 mM NaCl

Destain 1:   8.75% acetic acid, 50% methanol

Destain 2:   7% acetic acid, 5% methanol

Elution Buffer: 0.5 % SDS, 50 mM beta mercaptoethanol (BME), 10 mM Tris pH 8

Equilibration       

Solution 1:  

6 M urea, 0.375 M Tris pH 8.5, 2 % SDS, 20 % glycerol, 10 mM 

DTT. 

Equilibration     

Solution 2:  

6 M urea, 0.375 M Tris pH 8.5, 2 % SDS, 20 % glycerol, 2.5 % 

iodoacetamide. 

Guanidine Extract 

Buffer:  

6 M guanidine, 100 mM phosphate buffer pH 7, 150 mM NaCl, 

0.1% NP‐40, 20 mM imidazole, 20 mM DTT; vacuum filtered 

through a 0.45 μm filter 

Guanidine Wash 

Buffer:   

6 M guanidine, 100 mM phosphate buffer pH 7, 150 mM NaCl, 50 

mM imidazole; vacuum filtered through a 0.45 μm filter 

Hypotonic Buffer:   10 mM HEPES pH 7.9, 1.5 mM MgCl2, 10 mM KCl, 0.4% NP‐40, 

10% Ficoll‐400, with 1 mM DTT, 1 mM PMSF and 1 x protease 

inhibitor cocktail added fresh 

IEF Buffer:   8 M Urea, 2% CHAPS, 40 mM DTT, 1 mM NaF (added fresh)

Native Lysis Buffer:   150 mM NaCl, 1% NP‐40, 50 mM Tris, 10 mM MgCl2, 10 mM 

MnCl2, supplemented with fresh 1 mM PMSF, 1x protease 

inhibitor cocktail, 1 mM NaF, 1 mM Na3VO4, 20 mM β‐

glycerophosphate 

Nickel Lysis Buffer:   500 mM NaCl, 20 mM Tris, pH 8, 5 mM imidazole 

Page 79: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 62 

Nuclear Extract Buffer:  20 mM HEPES pH7.9, 1.5 mM MgCl2, 0.5 mM EDTA, 20% glycerol, 

0.42 M KCl, with 1 mM DTT, 1 mM PMSF and 1 x protease 

inhibitor cocktail added fresh 

PBT:   PBS, 0.1% Tween 20

Ponceau Stain:   0.5% (wt/vol) Ponceau Red, 1% (vol/vol) acetic acid 

Protease Inhibitor 

Cocktail (100x) 

200μg/ml Aprotinin, 500μg/ml Leupeptin, 100 μg/ml Pepstatin, 

400 μ/ml Bestsatin, 150 μM EDTA 

Rehydration Solution:   8 M Urea, 4% CHAPS, 0.4% Triton‐X‐100 and 10 mM DTT 

SB3‐10 Wash buffer:  1% SB3‐10, 100 mM phosphate buffer pH 7, 5 mM imidazole, 

vacuum filtered through a 0.45 μm filter 

SDS Wash buffer:  1% SDS, 100 mM phosphate buffer pH 7, 5 mM imidazole, 

vacuum filtered through a 0.45 μm filter 

SDS elution buffer:  1% SDS, 100 mM phosphate buffer pH 7, 250 mM imidazole, 

vacuum filtered through a 0.45 μm filter 

Tris/Glycine 

separating gel: 

10 or 12.5% polyacrylamide, 187 mM Tris pH 8.8, 0.1% SDS 

Tris/Glycine stacking 

gel: 

5 % polyacrylamide, 62.5 mM Tris pH 6.8, 0.1 % SDS 

Wash buffer:   10 mM Tris pH 8, 150 mM NaCl, 1 mM PMSF.

Western Transfer 

Buffer: 

50 mM Tris, 2.85% glycine

Whole cell extract 

buffer: 

20 mM HEPES, 0.42 M NaCl, 0.5 % NP‐40, 25 % glycerol, 1.7 mM 

EDTA, 1.5 mM MgCl2.  

 

2.7 Bacterial strains and growth media 

Escherichia coli (E.coli) DH5α: Used to propagate plasmid DNA 

E.coli BL21 (DE3): Used to express protein 

Luria Broth (LB): 1% tryptone, 0.5% yeast extract, 1% NaCl, sterilised by autoclaving.  

Page 80: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 63 

 

2.8 Plasmids 

2.8.1 Bacterial Expression Plasmids 

pET‐32a (Novagen): Encodes an N‐terminal Trx‐6His tag and also a C‐terminal 6His tag 

unless a stop codon is present in the insert.  

pMBP: Encodes an N‐terminal maltose‐binding protein (MBP) tag.  

 

pMBP‐FIH‐1: Encodes MBP‐full length human FIH‐1. Constructed and kindly provided by 

Dr. Richard Bruick. Described in (Lando et al., 2002a). 

 

pET32a‐hHIF‐1α‐ID‐CAD(737‐826):  Encodes  6His‐human  HIF‐1α  residues  737‐826. 

Constructed and kindly provided by Dr. Daniel Peet. Described in (Linke et al., 2004). 

 

pET32a(+)‐TEV‐FIH‐1: Encodes full length human FIH‐1 with an N‐terminal Trx‐6His tag. 

This  tag  can  be  liberated  using  TEV  protease.  The  TEV  protease  recognition  site was 

inserted  into  the  vector by Dr.  Fiona Whelan,  and  full  length human  FIH‐1 was  then 

cloned into the vector by Sarah Wilkins.  

 

pET32a‐mNotch1‐ANK1‐4.5:  Encodes  Trx‐6His mNotch1 Ankyrin Repeats  1‐4.5  (1847‐

2027). Generated and kindly provided by Sarah Linke.  

 

pET32a‐Myc‐mNotch1‐RAM:  Encodes  Trx‐6His‐Myc‐mNotch1  RAM  domain  (1753‐

1847)‐6His.  Generated and kindly provided by Sarah Linke. 

 

pET32a(+)‐TEV‐FIH‐1 S36A and S36D mutants 

Page 81: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 64 

S36A and S36D mutations were introduced by overlap extension PCR using the following 

primers. The S‐tag primer was used for pET‐32 sequencing. 

 

Oligonucleotides: 

FIH S36A Forwards: 5’ CCCAGTTGCGCAGTTATGCCTTCCCGACTAGGCCC 3’  

FIH S36A Reverse: 5’ GGGCCTAGTCGGGAAGGCATAACTGCGCAACTGGG 3’  

FIH‐1 S36D Forwards: 5’ CCCAGTTGCGCAGTTATGACTTCCCGACTAGGCCC 3’  

FIH‐1 S36D Reverse: 5’ GGGCCTAGTCGGGAAGTCATAACTGCGCAACTGGG 3’  

S‐tag: 5’ GGTTCTGGTTCTGGCCATT 3’  

T7 terminator: 5’ GCTAGTTATTGCTCAGCGG 3’  

 

2.8.2 Mammalian Expression Plasmids 

pcDNA 3.1‐FIH‐1: Kindly provided by Dr. Richard Bruick and described  in (Lando et al., 

2002a). 

 

pEGFP‐C2 (BD Biosciences): Enables expression of enhanced green fluorescence protein 

(GFP) in mammalian cells.  

 

pEF‐IRES‐Puro 5‐FIH‐1: Enables expression  in mammalian cells of a bicistronic message 

incorporating  both  the  puromycin  resistance  and  FIH‐1  mRNA,  with  an  internal 

ribosome entry site (IRES) to ensure efficient translation of both messages. Generated 

and kindly provided by Dr. Daniel Peet.  

 

pEF‐IRES‐Puro 5‐Myc‐6His‐FIH‐1 

FIH‐1 was digested out of pPC86‐FIH‐1 using Nco1 and Not1, and ligated into Nco1 and 

Not1‐digested pEF‐IRES‐puro  5. pEF‐IRES‐puro5‐FIH‐1 was prepped  and digested with 

Page 82: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 65 

Nco1.  Oligonucleotides  coding  for  the  desired  Myc‐6His  tag  and  containing  ends 

complementary  to  the  Nco1  digested  vector  were  annealed  by  first  heating  for  5 

minutes  at 100°C  in  the presence of 100 mM NaCl  and  then  incubation overnight  at 

room temperature. Singly annealed oligonucleotides were gel‐purified and ligated serial 

dilutions  of  the  “insert”  (1/10  to  1/100  000)  into  the  digested  vector,  and  ligations 

transformed  into E.coli. DNA was made from six resulting colonies and correct  ligation 

of the tag was assessed by diagnostic digest, revealing three clones containing the Myc‐

6His  sequence  in  the  correct  orientation.  Following  successful  sequencing,  pEF‐IRES‐

puro5‐Myc‐6His‐FIH‐1 DNA was prepared and used  for generation of  stable HeLa  cell 

lines.  

 

Oligonucleotides:   

Forwards: 5’ CATGGGTGAACAAAAGCTTATTTCTGAAGAAGATTTGAACCATCATCATCATCAT 

CATGC 3’  

Reverse: 5’CATGGCATGATGATGATGATGATGGTTCAAATCTTCTTCAGAAATAAGCTTTTGTT 

CACC 3’  

 

pSUPER‐FIH‐1‐85, 336, 960 and 1020: Original vector obtained  from Oligoengine, and 

siRNA  sequences  cloned  into  vector  by  Anthony  Fedele.  siRNA  constructs  targeted 

towards bases 85‐107, 336‐358, 960‐982 and 1020‐1042 of the FIH‐1 coding sequence 

(GenBank accession number NM_017902).  

 

2.9 siRNA‐mediated knockdown of FIH‐1 

2.9.1 Plasmid‐based system 

Self‐complementary  oligonucleotides  complementary  to  FIH‐1  mRNA  beginning  at 

nucleotides  85,  336,  960  and  1020,  and  22  bp  in  length  were  cloned  into  pSUPER 

Page 83: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 66 

(Oligoengine) for intracellular expression of dsRNAs by Sarah Linke and Anthony Fedele. 

In addition, a  scrambled  self‐complementary dsRNA  containing a  random 22mer with 

no complementary sequences was cloned into pSUPER for use as a transfection control. 

293T cells were grown in 6 well trays until the desired confluency was reached. Various 

amounts (2 μg – 4 μg) of each pSUPER construct was transfected into cells using either 

Lipofectamine  of  FuGENE  according  to  manufacturer’s  instructions,  and  the  media 

replaced 4, 6 or 8 hours post  transfection. Cotransfection of 1  μg GFP was used as a 

transfection control. Cells were then grown for a further 24, 48 or 72 hours. The highest 

transfection  efficiency  obtained was  70%  transfection  efficiency  (as  evidence  by GFP 

positive cells) with no discernable decrease in FIH‐1 in siRNA transfected cells.  

 

2.9.2 siRNA oligonucleotides 

Two  siRNA  oligonucleotides  were  designed  based  on  published  sequences 

complementary to nucleotides 91‐111 and 160‐180 relative to the start codon (GenBank 

accession number NM_017902)  (Stolze et al., 2004). Lyophilised  siRNA duplexes were 

resuspended  by  addition  of  the  provided  resuspension  buffer  (100  mM  Potassium 

Acetate, 30 mM HEPES‐KOH, 2 mM Magnesium Acetate, pH 7.4) to a concentration of 

20 μM. siRNA oligonucleotides were transfected into cell by addition to cell culture at a 

final  concentration  of  20  nM  at  0  and  24  hour  time  points,  using  Oligofectamine 

according to manufacturer’s instructions. Cells were harvested at 48 hours.  

 

2.10 General DNA methods 

2.10.1 Transformations 

Competent E.coli DH5α or BL21 (DE3) cells were thawed on ice and between 10‐100 ng 

of plasmid DNA was mixed with 50 μl of the competent cells. After 20 minute incubation 

Page 84: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 67 

on ice, the cells were heat shocked for 1 minute at 42°C.  Cells were incubated on ice for 

a  further  10 minutes  and  plated  onto  LB/agar  plates with  the  appropriate  selection 

antibiotic. Ligation transformants were mixed with 500 μl of SOC media and  incubated 

at 37°C  for 1 hour. Cells were gently pelleted at RT and plated onto selection LB/agar 

plates. Plates were incubated at 37°C overnight.  

 

2.10.2 DNA preparation 

Single colonies from transformation plates were used to inoculate 5 ml LB (mini‐prep) or 

50 ml LB (midi‐prep) overnight cultures, with 0.1 % ampicillin or carbenicillin.  

 

Mini‐Prep: Overnight  cultures were  centrifuged  at  14  000  rpm  at RT.  150  μl  of  each 

resuspension buffer  (100  μg RNase A, 50 mM Tris  (pH 8.0), 10 mM EDTA  (pH 8)  lysis 

buffer (200 mM NaOH, 1% SDS) and neutralisation buffer (600 mM KAc (pH 5.5) were 

added sequentially and samples  incubated on  ice  for 15 minutes. After centrifugation 

for 10 minutes at 14 000 rpm at 4°C, supernatants were combined with 1 ml cold EtOH 

and incubated at ‐20°C for 30 minutes. Samples were centrifuged once more the pellets 

washed with 1 ml cold 70% EtOH, was dried at 42°C and resuspended in 15‐20 μl of TE.  

 

Midi‐Prep: Midipreps were performed using the QIAGEN midiprep kit according to the 

provided protocol.  

 

2.10.3 Agarose gel electrophoresis  

DNA was separated on 1‐2% agarose gels.  

 

Page 85: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 68 

2.10.4 Gel‐purification of DNA 

DNA was purified from agarose gels using the QIAquick Gel Extraction Kit (QIAGEN).  

 

2.10.5 Restriction digests 

Restriction digests were  carried out using NEB enzymes and buffers according  to  the 

manufacturer’s protocols.  

 

2.10.6 Ligations 

Ligations  were  performed  using  standard  procedures;  Approximately  100‐200ng  of 

insert DNA was  incubated with  cut vector DNA at a 1:4 vector:insert  ratio, with ATP, 

ligation  buffer  and  5  units  T4 DNA  ligase  in  a  total  volume  of  20  μl.  Ligations were 

performed either at 37°C for 4 hours or overnight at 16°C.  To prevent the re‐ligation of 

vector plasmid, digests were  incubated with SAP for 1 hour at 37°C prior to  ligation to 

remove 5’ phosphate groups. SAP was inactivated by incubation at 65°C for 10 minutes. 

 

2.10.7 Sequencing 

DNA  sequencing was performed using 100 ng of primer and 400 ng of  template DNA 

with 2 μl BigDye Version 3 and the commercial buffer in a total reaction volume of 20 μl. 

The PCR program involved a denaturing step of 3.5 minutes at 96°C, and then 25 cycles 

of 30 seconds at 96°C, annealing for 15 seconds at 50°C and extension for 4 minutes at 

60°C.  DNA  products  were  precipitated  by  addition  of  80  μl  75  %  isopropanol, 

centrifuged  for 30 minutes at 14 000  rpm using a bench  top  centrifuge, and washed 

with 250 μl of 75% isopropanol. The isopropanol wash was removed and the pellet air‐

dried.  Sequence  analysis was  carried  out  by  the  Institute  of Medical  and  Veterinary 

Science (IMVS) Adelaide.  

Page 86: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 69 

 

 

2.11 Recombinant Protein Purification Methods 

2.11.1 Ni2+‐affinity purification of recombinant His‐tagged proteins 

Single colonies of  transformed E.coli BL21 were used  to  inoculate 50 ml LB overnight 

cultures. 15 mls of overnight culture was then used to inoculate 500 ml LB cultures that 

were grown in a shaking platform at 37°C for approximately 1‐2 hours, or until the cell 

density reached an optical density at wavelength 600 nm (OD600) of approximately 0.6. 

Protein  expression  was  induced  by  the  addition  of  1  mM  Isopropyl  β‐D‐

thiogalactopyranoside (IPTG) and growth on a shaking plate at 37°C for 4 hours. For FIH‐

1  expression,  cultures  were  induced  and  grown  at  30°C  for  4  hours  to  reduce 

degradation of the protein. Cultures were then centrifuged at 3000 rpm for 5 minutes, 

the supernatant decanted and the cell pellet frozen at –20°C until required. Frozen cell 

pellets were then thawed on ice, resuspended in 30 mls of lysis buffer (20 mM Tris pH 8, 

500 mM NaCl, 5 mM imidazole). Cells were lysed by three passes through a pre‐chilled 

cell disruptor (Microfluidics), and the  lysates centrifuged for 30 minutes at 14 000 rpm 

(JA 25.50 rotor, Beckman Coulter centrifuge) at 4°C. 1 ml of Nickel‐IDA resin was added 

to  the  clarified  lysate  and  shaken  at  4°C  for  1‐2 hours before  loading  into  an  empty 

column. Resin was washed with 50 ml of lysis buffer with freshly added 1 mM PMSF, 0.5 

mM DTT,  then 50 ml of  lysis buffer with 10 mM  imidazole. Bound protein was eluted 

with 250 mM  imidazole and desalted using SephadexTM G‐25 Medium PD‐10 desalting 

columns equilibrated with 25 ml desalting buffer.  

 

Page 87: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 70 

2.11.2 Amylose‐affinity purification of recombinant MBP‐tagged proteins  

Overnight  cultures  were  grown  and  used  to  inoculate  500  ml  cultures  for  protein 

expression as described above, except 500 ml cultures were induced using 0.2 mM IPTG 

and grown at 30°C for 5 hours. Frozen pellets of the  induced cultures were thawed on 

ice when  required and resuspended  in 30 ml of amylase  lysis buffer with  fresh 1 mM 

PMSF  added.  Cells  were  lysed  by  passing  three  times  through  a  cell  disruptor 

(Microfluidics)  that was  chilled on  ice.  Lysates were  centrifuged  for 30 minutes at 14 

000  rpm  (JA  25.50  rotor,  Beckman  Coulter  centrifuge)  at  4°C  and  1 ml  of  amylose 

agarose (Scientifix) resin added to the clarified supernatant. After 1‐2 hours incubation 

on  a  rocking  platform  at  4°C,  the  resin was  placed  in  an  empty  PD‐10  column  and 

washed with 50 ml amylose  lysis buffer with 1 mM PMSF, then 50 ml of amylose  lysis 

buffer before eluting with 10 mM maltose.  

 

 

2.12 General Protein methods 

2.12.1 Preparation of cell lysates 

Cells were washed in three times in PBS and harvested into microfuge tubes. Cells were 

spun at 1400 rpm at RT for 5 min and the pellet resuspended in WCEB (with 1 mM DTT, 

1 mM PMSF and 1x protease  inhibitor cocktail added  fresh) and  incubated on rocking 

platform  at 4°C  for 30 minutes.  Lysates were  then  centrifuged  at 14 000  rpm  for 30 

minutes at 4°C and the supernatant transferred to a new microfuge tube. The protein 

extract was  assayed  for  protein  concentration  by  the  Bradford  assay.  Extracts were 

stored at –80°C.  

 

Page 88: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 71 

2.12.2 Preparation of nuclear and cytosolic extracts 

Cells were washed three times with  ice cold PBS and harvested  into a microfuge tube. 

Adherent cells were treated with TEN, harvested  into a microfuge tube and washed a 

further time with PBS. Cells were gently pelleted at 1400 rpm for 5 minutes at 4°C, and 

resuspended in approximately 2.5 pellet volumes of hypotonic buffer and incubated on 

ice  for  5 minutes  before  centrifugation  at  14  000  rpm  for  30 minutes  at  4°C.  The 

supernatant containing the cytosolic fraction was removed and the pellet resuspended 

in  approximately  1.5  pellet  volumes  of  nuclear  extract  buffer. Nuclear  lysis  occurred 

during  a  45 minutes  incubation  on  a  rocking  platform  at  4°C,  and  lysates were  then 

centrifuged  at  14  000  rpm  for  30  minutes  at  4°C.  The  supernatant  containing  the 

nuclear  fraction  was  retained.  Quality  of  subfractionation  was  assessed  by 

immunoblotting using antibodies against cytosolic‐ (paxillin) and nuclear‐ (nucleoporin) 

specific proteins.   

 

2.12.3 Protein quantification 

For  quantification  of  total  protein  in  lysates  and  2‐D  samples,  Bradford  Assays were 

employed, using bovine serum albumin (BSA) as the standard and using Bradford Assay 

Dye Reagent.  

 

2.12.4 Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis 

Protein samples were heated at 95°C for 10 minutes in the presence of the appropriate 

amount of either 2x or 4x SDS sample buffer. Proteins were then  loaded onto 1.5 mm 

thick 10% or 12.5% Tris/Glycine gels and  run  in SDS‐PAGE  running buffer at between 

120‐190 V.  

 

Page 89: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 72 

2.12.5 Protein staining 

Coomassie:  Total  protein  was  visualised  by  staining  with  Coomassie  stain,  then 

destaining  with  destain  1  for  1  hour  followed  by  further  destaining  with  destain  2 

overnight.  

 

2.12.6 Western blotting 

Nitrocellulose blotting membrane was soaked in Milli‐Q (MQ) H2O until saturated, then 

equilibrated in wet transfer buffer. Following SDS‐PAGE, proteins were transferred onto 

the nitrocellulose membrane by assembly of the wet transfer apparatus and application 

of 250 mA current at 4°C for 60 minutes. Transfer and loading was routinely assessed by 

staining protein with ponceau stain. Blots were blocked with 10 % skim milk for 1 hour 

before addition of the desired primary antibody. Following primary antibody incubation, 

blots were washed with  varying  stringencies depending on  the  requirements of each 

antibody, then incubated with the appropriate secondary antibody. Following washing, 

ECL  reagents  (Pierce  SuperSignalTM  West  Pico  Chemiluminescent  HRP  Substrate  or 

Millipore  Immobilon  TM  Western  Chemiluminescent  HRP  Substrate)  were  applied 

according to each manufacturer’s instructions and blots exposed to X‐ray film.  

 

2.12.7 Stripping and re‐probing western blots 

Blots were washed for 10 minutes in PBS/0.1% Tween, and then 5 minutes in PBS. Blots 

were  then  incubated  in stripping solution  (2% SDS, 50 mM Tris pH 7, 50 mM DTT), at 

70°C for 15‐30 minutes, and stripping solution removed by 3 washes in PBS of 5 minutes 

each. Blots were then re‐blocked and re‐probed.   

Page 90: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 73 

 

2.12.8 Immunofluorescence  

Cells were grown on glass coverslips in 6 well trays for at least two days prior to fixation. 

Cells were fixed with 4% paraformaldehyde for 30 minutes, washed with 1x PBS, then 

permeabilised with permeabilisation solution (0.1% triton‐X‐100, 0.1% Na citrate in PBS) 

and incubated for 5 minutes on ice. Coverslips were washed and blocked by incubation 

for  1  hour  in  5%  skim milk.  9F6  antibody  was  added  at  1:100  dilution  in  PBS  and 

coverslips  incubated  for 3 hours at RT. After washing  twice  in PBS, anti‐mouse TRITC 

conjugated secondary antibody (DAKO) was added at 1:1000 dilution and  incubated  in 

darkness  for 1 hour. Coverslips were washed twice before  incubation  in Hoechst stain 

for  4 minutes.  Coverslips  were  washed  once,  dried,  and mounted  onto microscope 

slides using 90% glycerol, 20 mM Tris pH 8.5.  

 

2.13 IgM Column Purification 

HiTrap  IgM Purification HP columns were used  to  immobilise  the 9F6 antibody  to  the 

column  for use  in purification of the unknown antigen. Binding of the antibody to the 

column  was  achieved  according  the  manufacturer’s  instructions.  The 

immunoprecipitation  (IP) carried out by preparing whole cell extract (WCE)  from 293T 

cells  using  standard  protocols,  and  then  diluting  the WCE  50‐fold  into  the  required  

thiophilic  binding  buffer  (20  mM  sodium  phosphate,  0.8  M  ammonium  sulfate 

((NH4)2SO4), pH 7.5). Lysate was filtered using a 0.45 μm filer and applied to the column 

at a  flow  rate of 1 ml / minute. The column was  then washed with 3 bed volumes of 

binding buffer and elution was achieved by passing 10 ml of the recommended elution 

buffer  (20  mM  sodium  phosphate)  through  the  column  to  elute  antibody/antigen 

complexes in 1 ml fractions. Each fraction was then separated by SDS‐PAGE and blotting 

with the 9F6 antibody used to identify fractions containing the desired antigen.  

Page 91: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 74 

 

2.14 Cyanogen Bromide‐Activated Sepharose Purification of IgM 

2.14.1 Preparation of cyanogen bromide‐activated sepharose 

0.3 g of cyanogen bromide‐ (CNBr)‐activated sepharose 4B (Amersham Biosciences) was 

prepared  and  used  according  to manufacturer’s  instructions.  The  lyophilised  powder 

was hydrated in 1 mM HCL and washed with 150 ml of 1 mM HCL using a sintered glass 

filter. 0.3 g of lyophilised powder gave approximately 1 ml of prepared slurry.  

2.12.2 9F6 dialysis 

A Pierce Slide‐A‐Lyzer Mini Dialysis unit was used to buffer exchange the 9F6 antibody 

into coupling buffer. 1 ml of antibody solution was dialysed against 500 ml of coupling 

buffer  at  4°C  on  a magnetic  stirrer. Dialysis  occurred  over  24  hours, with  the  buffer 

replaced  with  500  ml  fresh  coupling  buffer  approximately  halfway  through  the 

procedure.  

2.12.3 Coupling 9F6 to cyanogen bromide‐activated sepharose 

 The prepared sepharose was then added to the antibody in coupling buffer and binding 

allowed  to occur overnight on a  rotating platform at 4°C. The antisera was quantified 

before  and  after  binding,  and  an  8x  reduction  in  protein  concentration was  evident 

following  incubation with  CNBr‐Sepharose,  indicating  that  9F6  had  bound  the  resin. 

Following coupling, unbound 9F6 was washed away with 5 ml of coupling buffer and the 

resin was  incubated  in 1 M ethanolamine pH 8.0  for 2 hours  to block any  remaining 

active  groups.  The  resin  was  then  washed  5  times  with  buffers  of  alternating  pH 

(acetate buffer pH 4, coupling buffer pH 8.3) Antibody‐conjugated resin was stored at 

4°C in 10 mM Tris pH 8.0, 140 mM NaCl, with 0.02% sodium azide (NaN3).  

Page 92: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 75 

2.12.4 Capturing the 9F6 antigen from cell lysate 

100 μl of 9F6‐CNBr‐sepharose prepared above was  incubated with 200 μl of 293T cell 

lysate  prepared  using  whole  cell  extract  buffer  (WCEB)  for  2‐4  hours  at  4°C,  and 

unbound protein removed by 3 washes in wash buffer. 

2.14.5 Elution of captured antigen 

And protein that bound to the 9F6 resin was eluted by heating for 5 minutes at 55°C in 

Elution Buffer.  The  resin was  then  centrifuged  at  14  000  rpm  for  3 minutes  and  the 

supernatant  removed  and  heated  at  95°C  with  SDS  sample  buffer  for  loading  onto 

protein gels.  

 

2.15 General Mammalian Cell Culture methods 

2.15.1 Mammalian cell lines and media 

293T: human embryonic kidney. DMEM + 10% FCS 

Caco‐2: human colon adenocarcinoma. DMEM + 20% FCS 

Cos‐1: monkey kidney. DMEM + 10% FCS 

HeLa: human cervical carcinoma. DMEM + 10% FCS 

Hep3B: human liver carcinoma. DMEM + 10% FCS 

HepG2: human liver carcinoma. DMEM + 10% FCS 

PC12: rat adrenal pheochromocytoma. DMEM + 10% FCS + 5% Horse Serum  

MEFs: mouse embryonic fibroblasts. ES cell media + 10 mM FCS, 2 mM Glutamine. 

 

Cells were maintained in at 37°C and 5 % CO2.  

  

Page 93: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 76 

2.15.2 Transfection 

Transfections were performed using either Oligofectamine, Lipofectamine or FuGENE 6 

transfection reagents according to manufacturer’s instructions.  

2.15.3 Generation of stable cell lines 

HeLa cells were grown to 30% confluency in a 6 cm dish and transfected with 2 μg of the 

Myc‐6His‐pEF‐IRES‐puro5  mammalian  expression  plasmid.  Cells  were  grown  for  a 

further  48  hours  and  then  media  was  replaced  with  media  containing  1  μg/ml 

puromycin. Media  was  then  changed  daily  with  fresh media  containing  1  μg/ml  of 

puromycin  to  remove  dead  cells,  for  7  days.  Cells were  then  trypsinised  and  either 

frozen as a polyclonal pool, maintained as a polyclonal pool, or diluted and plated out at 

a density of 0.8 cells/well in 96 well trays for generation of monoclonal stable cell lines. 

Expression of  FIH‐1  in  the polyclonal pool was  assessed by western blot  and  2‐D  gel 

western  blot.  For  generation  of monoclonal  stable  cell  lines, wells were  continually 

assessed  for colony growth and after 2 weeks  incubation, eleven wells were  found  to 

each contain a single colony. These colonies were expanded,  frozen down and  tested 

for expression by western blot and 2‐D gel western blot.  

 

 

2.16 Two‐Dimensional Electrophoresis 

2.16.1 Sample preparation: method 1 

Cells were washed  four times with  ice‐cold PBS and  lysed by the addition of 2‐D Lysis 

Buffer 1 (typically, cells from 75 cm2 flask lysed in 250 μl volume). After addition of 2‐D 

Lysis Buffer 1, cell dishes were  incubated at 4°C on a rocking platform for 30 minutes, 

and  the  lysate  harvested.  The  lysate  was  then  diluted  by  the  addition  of  an  equal 

volume  of  2‐D  Lysis  Buffer  2,  and  urea  added  to  give  a  final  concentration  of  8 M. 

Page 94: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 77 

Lysates were then centrifuged for 15 minutes at 14 000 rpm and quantified by Bradford 

Assay. To achieve a desired concentration of 100 μg / 125 μl, lysates were diluted with 

rehydration  solution,  to  which  0.625%  Bio‐Lyte  Buffer  (Bio‐Rad)  and  a  trace  of 

Coomassie Blue was added.  

2.16.2 Sample preparation: method 2 

Cells  were  washed  four  times  with  ice‐cold  PBS.  Cells  were  lysed  in  flasks  by  the 

addition  of  300‐400  μl  of  IEF  buffer  to which  phosphatase  inhibitor NaF was  added 

fresh, and a rubber policeman used to scrape cells off the flask and harvest cells into 1.5 

ml microfuge tubes. Lysates were centrifuged at 14 000 rpm at 4°C for 30 minutes, and 

supernatants  were  retained.  Lysates  were  precipitated  using  the  2‐D  Clean  Up  Kit 

(Amersham  Biosciences)  according  to manufacturer’s  instructions, with  the  following 

adjustments: all centrifugation steps were performed at half speed  to  facilitate easier 

resuspension  of  precipitated  protein.  (Centrifugation  at  the  recommended  speeds 

resulted  in  protein  pellets  that  were  difficult  to  re‐suspend  even  after  extensive 

sonication using a sonicating bath). The acetone/wash buffer wash was performed by 

sonicating samples  in a sonication bath  instead of vortexing to ensure better dispersal 

of  the protein pellet. A second wash was performed  in wash buffer with vortexing as 

recommended. The final protein pellets were resuspended  in a minimum volume (125 

μl) of  IEF buffer  and quantified.  Samples were diluted  to 100  μg per 125  μl with  IEF 

buffer.   

2.16.3 Strip rehydration and isoelectric focusing 

0.625  μl  of  ampholytes  was  added  to  each  sample,  along  with  a  trace  of  either 

coomassie or bromophenol blue as a tracking dye. The strips used in these experiments 

were 7 cm strips with either a pH 3‐11 or pH 4‐7 gradient, as  indicated. Samples were 

pipetted along  the entire  length of  the 7  cm  IPGphor  strip holders and  strips applied 

over  the samples, ensuring  there  the entire strip was saturated with  the sample, that 

Page 95: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 78 

there were no air bubbles and that the gel was in direct contact with both electrodes in 

the strip holder. Strips were overlaid with mineral oil to minimise evaporation and the 

strip holder cover put in place. Active rehydration of the strip occurred for 12 hours at 

50 V and 20°C.  Isoelectric  focusing  (IEF) parameters  for  focusing proteins on the 7 cm 

strips used were as follows:  250 V for 1 hour, 1000 V for 1 hour, then a maximum 8000 

V  in rapid ramping mode  for a total of 20 000 VHrs, and a holding step of 500 V. The 

current was limited to 50 mA. 

2.16.4 Strip equilibration 

Following IEF, strips were placed in 10 ml polypropylene tubes and 5 ml of equilibration 

solution 1 added and  strips placed on a  rocker  for 15 minutes at  room  temperature. 

Equilibration solution 1 was then decanted and Equilibration solution 2 was added and 

strips incubated on a rocker for another 15 minutes. Following this second equilibration 

steps,  strips  were  briefly  rinsed  with  water  to  remove  the  equilibration  solution 

(containing  iodoacetamide)  and  strips  embedded  atop  the  pre‐prepared  second 

dimension gels.  

2.16.5 Second dimension SDS‐PAGE 

1.5 mm 12.5% Tris/Glycine  gels were poured and  allowed  to polymerise  at 4°C  for  a 

minimum of 1 hour. The 70% ethanol at the top of the gel was decanted and 1x running 

buffer was poured over the top of the gel. The plastic tab overhand on the basic end of 

the strip was cut off and the strip applied to the top of the gel such that the strip was 

lying flush with the gel and the basic end was aligned with the right edge of the gel. A 

comb with a single lane was inserted on the left of the gel and 1% agarose made with 1x 

running buffer was poured over the strip and marker lane and allowed to set. Gels were 

transferred  into  the  electrophoresis  tanks  and  run  at  90  V  for  approximately  15 

minutes, or until the proteins could be seen to have  left the strip and entered the gel, 

Page 96: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 79 

and then run at 120 V, typically until the 25 kDa marker reached the bottom of the gel, 

to enable better separation of FIH‐1 and Myc‐6His‐FIH‐1.  

2.16.6 Visualisation 

Following  second  dimension  separation,  proteins  were  typically  transferred  to 

nitrocellulose  and  results  visualised  by  immunoblotting  using  the  various  anti‐FIH‐1 

antibodies, or the anti‐Myc antibody. Coomassie stain and SyproRuby stain were used 

to visualise total protein.  

 

2.17 Immunoprecipitation 

2.17.1 Cell lysate preparation 

Cells were washed three times with ice‐cold PBS. Weakly adherent cells were harvested 

into 1.5 ml tubes by pipetting with PBS, and samples were centrifuged for 2 minutes at 

1500 rpm to pellet the cells prior to resuspension of the pellet in WCEB, supplemented 

with  fresh 1 mM PMSF and 1 mM DTT. Typically, 3 ml of PBS was used  for harvesting 

cells into 3x 1.5 ml tubes. Each pellet was resuspended in 200‐500 μl WCEB, depending 

on the desired concentration of the  lysate. Cells were pipetted up and down  in WCEB 

and  incubated  on  a  rotating  platform  at  4°C  for  45  minutes.  Lysates  were  then 

centrifuged for 30 minutes at 14 000 rpm, and the supernatant retained. 

2.17.2 Preclearing 

Preclearing of cell  lysates was performed prior to  IP to remove proteins that bound to 

Protein A Sepharose beads. This was done by addition of 50 μl of protein A slurry per 1 

ml of lysate and incubation on a rotating shaker at 4°C for 2 hours.  

Page 97: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 80 

2.17.3 Antigen‐antibody complex formation 

The required amount of total protein (varied between experiments, see figure legends) 

was  diluted  in  binding  buffer  and  the  antibody  added  at  the  desired  concentration 

(varied  between  experiments,  final  dilutions  indicated  in  figure  legends).  Immune 

complexes were allowed to form over 2 hours or overnight by incubation on a rotating 

platform at 4°C.  

2.17.4 Bead rehydration and blocking 

Protein A  sepharose beads were  rehydrated  in MQ H2O  according  to manufacturer’s 

recommended protocol. 100 mg of beads was rehydrated by addition of 1 ml of MQ H20 

for  1  hour.  The  beads were  allowed  to  settle,  at which  point  the  supernatant was 

discarded  and  fresh  MQ  H2O  added.  This  was  repeated  three  times.  Protein‐A‐

Sepharose was blocked by addition of 0.5% BSA and shaking  for 1 hour at 4°C. Beads 

were  then washed  three  times with MQ H2O  following  final  resuspension  in  binding 

buffer. If beads were to be stored, 0.02% sodium azide was added.  

2.17.5 Immune complex binding to resin 

50‐100 μl of prepared, blocked slurry was added to the immune complex mixture for 1 

or 2 hours, or overnight, rotation at 4°C.  

2.17.6 Elution 

IPs were pelleted by gentle centrifugation (3000 rpm for 2 minutes at 4°C) and pellets 

washed  three  times with binding buffer. Elution of bound protein was achieved by a 

variety of methods. Commonly, pelleted  resin was  resuspended  in SDS  sample buffer 

and boiled  for 5 minutes, prior  to  centrifugation  and  removal of  the  supernatant  for 

SDS‐PAGE.  

 

 

Page 98: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 81 

2.18 Notch‐Affinity Pulldowns 

2.18.1 Notch construct expression 

50 ml cultures containing 0.1% carbenicillin and 2% glucose were grown overnight. The 

next  day,  30 ml  of  overnight  culture was  gently  pelleted  to  remove  the  glucose  and 

resuspended  in 15 ml of LB, which was then used to  inoculate 500 ml of LB with 0.1% 

carbenicillin. Cultures were grown at 37°C  for 1.5‐2 hours, or until  the OD600  reached 

0.4‐0.5,  at  which  point  protein  expression  was  induced  by  addition  of  a  final 

concentration of 1 mM  IPTG. Protein expression continued  for 2 hours at 37°C before 

cultures were pelleted and pellets frozen prior to next day purification.  

2.18.2 Notch construct purification 

Each pellet was resuspended in lysis buffer with added 1 mM PMSF and 0.5 mM DTT to 

give 30 ml of suspension/L culture. Cells were  lysed by passing  three  times  through a 

cell  disruptor  (Microfluidics)  that  was  chilled  on  ice,  and  lysates  centrifuged  for  45 

minutes at 14 000 rpm. The supernatant was retained and incubated with 1 ml of nickel‐

resin slurry for 1 hour at 4°C to allow binding. The resin was washed three times with 

lysis buffer with 10 ml  imidazole and stored  in  lysis buffer with 10 mM  imidazole and 

0.2% sodium azide. 50 μl of resin was boiled  in SDS sample buffer and eluted protein 

separated by SDS‐PAGE and stained with coomassie to ensure purified 6His‐Trx‐Notch1‐

Ank1‐4.5‐6His.  

2.18.3 Notch‐affinity purification 

Lysates were  prepared  from  either HeLa  cells  or  the  number  9 HeLa  cell  line  stably 

overexpressing Myc‐6His‐FIH‐1, by washing cells three times with PBS and then lysing in 

WCEB with phosphatase inhibitors and PMSF. The indicated amount of lysate (200 μl to 

2 ml) was incubated with the indicated amount of Notch‐loaded resin (50 μl to 200 μl) 

made up as a slurry in lysis buffer with 10 mM imidazole and 0.2% sodium azide added.  

Page 99: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 82 

Binding  occurred  over  a  2  hour  incubation  on  a  rotating  platform  at  4°C.  Unbound 

protein was removed by 4x washing in lysis buffer, and bound protein was eluted using 

either 250 mM Imidazole in lysis buffer, heating in SDS sample buffer, or digestion with 

Thrombin.  Thrombin  digestions  were  carried  out  assuming  the  nickel  resin  was 

saturated with 6His‐Trx‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His. 1 ml of prepared resin can hold 10 mg of 

protein and 1 unit of thrombin can theoretically cleave 500 μg of protein. A 10x excess 

of  thrombin was used  for  the  cleavage of 6His‐Trx‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His, as 10 units 

was added  for every 50 μl of resin  in the pulldown. Thrombin digestions were carried 

out for 16 hours at room temperature in thrombin cleavage buffer.  

 

2.19 Ni2+‐Affinity Purification of FIH‐1 from HeLa cells 

Each 175 cm2 flask of cells was washed with 1x PBS and lysed by the addition of 10 ml 

Guanidine Extract Buffer with freshly added DTT. Flasks were  incubated for 2 hours at 

4°C  on  a  rocking  platform  to  allow  for  reduction  of  proteins.  Lysates  were  then 

combined  in  a  Schott bottle  covered  in  foil  and  alkylated  by  the  addition  of  0.925  g 

iodoacetamide  to 100 ml of  lysate,  and  stirring  for 2 hours  at RT.  Lysates were  then 

clarified by ultracentrifugation  for 4 hours at 60 000  rpm and  filtered  through a 0.45 

micron  filter  and  stored  overnight  at  4C.  A  5 ml  HiTrap  Chelating  HP  column  (GE 

Healthcare) was charged with Nickel and equilibrated with 25 ml Guanidine Wash buffer 

before  lysate was  applied  to  the  column  at  a  flow  rate  of  1ml/minute.  Consecutive 

washes of 50 ml guanidine wash buffer, 50 ml SB3‐10 wash buffer and 50 ml SDS wash 

buffer preceded elution with 10 ml of SDS elution buffer, collected in 1 ml fractions.  

 

Page 100: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 83 

2.20 Phosphatase Treatments 

2.20.1 Cell lysis 

Cell lysates were prepared by first washing cells 3x with ice‐cold PBS and then pipetting 

the  loosely adherent cells  into microfuge  tubes  in PBS. Cells were gently pelleted and 

PBS removed, and two separate lysates were prepared by addition of either Lysis Buffer 

II  (150 mM NaCl, 1 % SDS, 50 mM Tris pH 7.5, 1 % NP‐40, supplemented with  fresh 1 

mM PMSF and protease inhibitor cocktail) or Lysis Buffer II with phosphatase inhibitors 

added. Samples were rotated at 4°C for 1‐2 hours. Lysates were then centrifuged at 14 

000 rpm for 30 minutes at 4°C, and total protein quantified by Bradford Assay.  

2.20.2 Phosphatase treatments 

200 μg of lysate was diluted to a total volume of 77.5 μl, to which 10 μl of 20 mM MnCl2 

and 10 μl of 10x Lambda phosphatase buffer was added, giving a total volume of 97.5 

μl.  2.5  μl  (1000  units)  of  lambda  phosphatase  was  added  to  the  “+”  phosphatase 

reaction  tube,  and  2.5  μl  of  buffer  only  was  added  to  the  negative  reaction  tube 

containing the lysate prepared with phosphatase inhibitors.  Both the reaction tube and 

negative control tube were incubated at 30°C for 1 hour.  

2.20.3 Positive control 

Following  the 16 hour  incubation with or without  lambda phosphatase, 20  μl of each 

sample (40 μg total protein) was taken, boiled with SDS sample buffer and separated by 

10% Tris/glycine  SDS‐PAGE. Western blotting with  the RNA polymerase  II CTD  repeat 

YSPTSPS (phospho S5) antibody (ab70158) a 1:2500 dilution was performed to visualise 

success of the phosphatase treatments (217 kDa, detects at 260 kDa). Where required 

by  lack of non‐specific bands, a  rat  β‐tubulin antibody  (1: 2 000)  served as a  loading 

control.  

Page 101: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 84 

2.20.4 2‐DE 

The  remaining 80 μl  (160 μg  total protein) of each sample was precipitated using  the 

Amersham 2‐D Clean UP kit, and final pellets resuspended  in  IEF buffer and quantified 

by  Bradford  Assay.  100  μg  of  each  sample  was  separated  by  2‐DE  as  described 

previously. Western  blotting with  anti‐Myc  antibody  9E10 was  used  to  visualise  the 

results.  

2.20.5 Internal reference protein 

A  Myc‐tagged  protein  of  different  size  to  Myc‐6His  FIH‐1  was  used  as  an  internal 

standard to enable more accurate comparison of the relative positions of phosphatase‐

treated FIH‐1 compared to untreated FIH‐1. The 31 kDa Myc‐6His‐mNotch1RAM(1753‐

1859)‐6His,  encompassing  the RAM  domain  of Notch, was  expressed  in  bacteria  and 

purified  by  Nickel  affinity  chromatography  for  this  purpose.  Purified  Myc‐6His‐

mNotch1RAM‐6HIs  was  precipitated  using  the  2‐D  clean  up  kit,  resuspended  in  IEF 

buffer  and  quantified  by  Bradford  assay.  Immediately  prior  to  IEF  of  phosphatase‐

treated samples, 0.1 μg of the internal standard protein was added to each sample.  

 

 

2.21 In vitro Phosphorylation Assay 

The  protocol  for  in  vitro  phosphorylation  of  FIH‐1  by  cell  lysate  was  based  on  a 

published example of a similar experiment (Rybina et al., 1997).  

2.21.1 Protein expression and purification 

Trx‐6His‐FIH‐1 and 6His‐HIF1α‐CAD were bacterially expressed and purified as described 

above, with  the  following difference:  following  the  final wash with 10 mM  imidazole, 

Page 102: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 85 

resin was washed with 35 mM  imidazole  and  then proteins were  stored  attached  to 

nickel resin at 4°C in the presence of 0.2% sodium azide. 

2.21.2 Preparation of cell lysate 

Lysate was prepared by washing cells 3x with ice‐cold PBS and adding native lysis buffer 

directly  to  cell  dishes.  Lysis  buffer  was  supplemented  with  fresh  1  mM  PMSF,  1x 

protease  inhibitor  cocktail,  1 mM  NaF,  1 mM  Na3VO4,  20 mM  β‐glycerophosphate, 

except in samples to be treated with lambda phosphatase where phosphatase inhibitors 

were omitted. Following a 30 minute  incubation on  ice,  lysates were centrifuged at 14 

000 rpm for 30 minutes at 4°C and the supernatant retained.  

2.21.3 Phosphorylation Assay 

30  μl of  the  FIH‐1 or HIF‐CAD‐bound nickel  resin  slurry was pipette  into  a microfuge 

tube. A concentrated ATP solution was made by adding gamma  [ϒ‐32P]‐ATP to 10 mM 

ATP, and this solution was added to either cell  lysate or buffer only such that the final 

concentration  in the  lysate would be 150 μM ATP and 50 μCi. 600 μl of the ATP/lysate 

mixture was added to the tubes containing the resin to initiate the reaction. Tubes were 

incubated on a 37°C heating block for 3 minutes and then pelleted using centrifugation. 

The  lysate was removed and the resin washed 3x with Native Lysis Buffer. The bound 

protein was then eluted by boiling  in the presence of 40 μl of SDS sample buffer. The 

resin was then pelleted and the sample buffer containing eluted protein separated by 

SDS‐PAGE. 

2.21.4 Phosphatase treatment 

As  a  negative  control,  phosphatase  treated  samples  were  included.  Lysates  were 

prepared  as described  above, except phosphatase  inhibitors were excluded  from  the 

Native Lysis Buffer. Reactions occurred as described above. After the final wash, 1000 U 

(2.5 μl) of lambda phosphatase was added to each sample in the presence of 100 μl of 

Page 103: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 86 

lambda  phosphatase  reaction  buffer  (2 mM MnCl2,  1x  lambda  phosphatase  buffer). 

Reactions were  incubated at 30°C  for 1 hour,  then  the resin was washed 3x  in Native 

Lysis Buffer, and then protein eluted by boiling the resin in 40 μl of SDS sample buffer.  

2.21.5 TEV cleavage 

For samples where resin‐bound FIH‐1 was to be eluted by TEV cleavage, the reactions 

proceeded  as  described  above.  Following  the  final  wash  of  the  resin,  30  μl  of  TEV 

reaction  buffer  (made  using  supplied  20x  TEV  buffer  and  0.1 mM DTT),  including  10 

units (1 μl) of TEV protease, was added to the resin and  incubated for 1 hour at 30°C. 

The resin was then pelleted and the supernatant retained for SDS‐PAGE. The resin was 

retained and any remaining protein was eluted by boiling in 40 μl of SDS sample buffer.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 104: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 87 

 

CHAPTER 3 

 

CHARACTERISING 

FIH‐1 EXPRESSION 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 105: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 106: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 89 

3 CHARACTERISING FIH‐1 EXPRESSION 

 

3. 1 Introduction 

At  the commencement of  this PhD project,  there was a scarcity of data regarding  the 

expression of FIH‐1 in tissues. A primary aim of this work was to characterise the spatial 

and temporal expression of FIH‐1  in a variety of normal mouse tissues. Given the role 

that FIH‐1 plays in regulating the HIF pathway, and the ensuing impact of this pathway 

on  human  health  and  disease,  a  further  aim  of  this  work  was  to  investigate  the 

expression  of  FIH‐1  in  a  variety  of  tumour  tissues.  As  HIF  activity  has  been 

demonstrated to be important in the progression and malignancy of solid tumours, the 

levels  of  the  enzyme  responsible  for  decreasing  HIF  activity  could  logically  be 

hypothesised to be decreased in instances of elevated HIF‐target gene expression. 

 

3.1.1 Expression and importance of HIF‐1α and HIF‐2α in cancer progression 

HIF‐1α and HIF‐2α expression have been widely investigated in both normal and tumour 

tissues  and  found  to be widely expressed.   HIF‐1α message has been  found  in every 

human, mouse and  rat  tissue analysed  to date  (Wiener et al., 1996), whereas HIF‐2α 

exhibits a much more restricted expression pattern and  is expressed predominantly  in 

endothelial cells, and in the kidney and lung (Ema et al., 1997).   

 

HIF‐α  is also present  in many different cancer  types,  including bladder, breast, colon, 

glial,  hepatocellular,  ovarian,  pancreatic,  prostate,  and  renal  carcinomas,  and  its 

overexpression  or  normoxic  stabilisation  is  associated  with  more  aggressive  cancer 

phenotypes (Talks et al., 2000). The presence of HIF‐α protein in neoplastic tissues has 

been  suggested  to  be  a  result  of  both  the  hypoxic  tumour  microenvironment,  as 

Page 107: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 90 

evidenced  by  the  perinecrotic  expression  pattern  observed,  and  also  as  a  result  of 

genetic alterations, as expression  is often observed  in oxygenated tumour regions well 

situated near blood vessels.  Intratumoral regions of hypoxia can stabilise and activate 

the transcription factors via the traditional oxygen‐dependent pathway. HIF can also be 

upregulated  by  growth  factors  independently  of  oxygen  concentration  or  by  loss  or 

inactivation of VHL. As described in more detail in Chapter 1 of this thesis, the activation 

of HIF‐mediated transcription is favourable for tumour growth and cancer progression, 

thus elucidating the expression of the regulator of HIF transcriptional activity in cancer 

was also of interest to determine whether FIH‐1 regulation is also a contributing factor 

to cancer progression. As such, one of the original aims of this project was to compare 

expression  of  FIH‐1  between  normal  and  diseased  (i.e.  neoplastic)  human  tissue 

samples. 

 

3.1.2 What was known about FIH‐1 expression? 

At the time that these aims were defined, knowledge of FIH‐1 expression was limited to 

the  following pieces of  research. When FIH‐1 was  first discovered as a HIF‐interacting 

protein, expressed sequence tag (EST) data suggested that FIH‐1 was expressed in cells 

derived  from  a  wide  range  of  tissues  including  bladder,  brain  breast,  colon,  heart, 

kidney,  lung,  lymph, bone marrow, muscle, nerve, ovary, prostate,  skin,  testis,  tonsil, 

and  uterus, mirroring  the  ubiquitous  expression  of  its HIF‐α  substrates  (Mahon  et  al 

2001).  Some years later, FIH‐1 protein expression was investigated in a number of cell 

lines and  levels were found to be similar  in all cell  lines examined (Stolze et al., 2004). 

Expression was found to be predominantly cytoplasmic, however small amounts of FIH‐

1 were detected in the nucleus, and the subcellular distribution of FIH‐1 did not alter in 

hypoxia, or with treatment of cells with hypoxia mimetics (Metzen et al., 2003a; Linke et 

al., 2004; Stolze et al., 2004).  

 

Page 108: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 91 

3.2 Honours Results 

3.2.1 Generation of FIH‐1 monoclonal antibody (undergraduate research year, 2004) 

The  first approach undertaken  to address  the aim of  investigating FIH‐1 expression  in 

tissues was to conduct immunoblot and immunohistochemical investigations into FIH‐1 

expression  in a range of normal mouse tissues.   As such, anti‐FIH‐1 antibodies suitable 

for each application were required.  

 

At  the  commencement  of  this  work,  there  were  no  commercially  available  FIH‐1 

antibodies.  Two  polyclonal  rabbit  antisera,  designated  No.8  and  No.9,  had  been 

generated  in our  laboratory against MBP‐FIH‐1 and were  initially used for the western 

analysis of FIH‐1 expression in a range of mouse tissues (Lisy, 2004). The No.9 antibody 

had been used previously by our lab for immunofluorescence of 293T cells (Linke et al., 

2004).  Though  the  antibodies  were  suitable  for  use  in  blotting  human  cell  culture 

lysates, initial experiments utilising either of these antibodies in detection of FIH‐1 from 

mouse tissue  lysate generated poor results (Lisy, 2004). Western blots of mouse tissue 

homogenates  displayed  high  levels  of  background  staining,  with  strong,  dark 

background bands present in lanes containing mouse tissue lysates compared with 293T 

cell lysates. Despite attempts at optimising blotting conditions to improve the specificity 

of  the  antibody  for mouse  FIH‐1  detection,  a  high  level  of  non‐specific  staining was 

persistently observed.  It was  thus deemed unlikely  that  these antibodies would  to be 

suitable for use for the proposed investigations into FIH‐1 expression in mouse tissues.  

 

This early work necessitated generation of an antibody suitable for detection of mouse 

FIH‐1 from whole tissue  lysates and for  immunohistochemistry. Generation of an anti‐

FIH‐1 monoclonal antibody formed part of my Honours project (undergraduate research 

project), which was completed  in 2004. The work described  in sections 3.2.2 and 3.2.3 

Page 109: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 92 

below was carried out during Honours  (2004) and was submitted as part of the thesis 

entitled “Characterisation of FIH‐1 Expression” (Lisy, 2004).  

 

3.2.2 Generation of an anti‐FIH‐1 monoclonal antibody 

Three mice were  immunised with purified  full‐length human maltose‐binding protein 

(MBP)‐FIH‐1  and  their  serum  assessed  by western  blotting  of  293T  cell  lysates with 

transiently  transfected  FIH‐1  (FIH‐1‐293T)  to  confirm  an  immune  response  to  the 

antigen (Figure 3.1). Antisera from all three mice  indicated the presence of antibodies 

against  FIH‐1,  evidenced  by  the  detection  of  an  intense  band  corresponding  to  an 

approximately 40 kDa protein on blots probed using the sera (Figure 3.1). Interestingly, 

immune  serum  from  each  of  the  three mice  showed  detection  of  a  doublet  at  this 

position.  Approximately  1200  hybridoma  clones  were  subsequently  generated,  and 

hybridoma  supernatants were  screened by both enzyme‐linked  immunosorbent assay 

(ELISA) and western blotting for FIH‐1 detection.  One hybridoma, designated 9F6, gave 

the strongest response (OD450 of 0.615)  in the ELISA and also returned a strong, clean 

band at the correct size of FIH‐1  in the western blot screen as well as a second, more 

intense band at approximately 35 kDa (data not shown).  Hybridoma 9F6 was therefore 

maintained in culture for further use and characterisation. 

 

3.2.3 Preliminary use of 9F6 

This antibody was then used  in preliminary western blots to determine FIH‐1  levels  in 

both cancer cell  lines and  in a range of normal mouse tissues (data not shown). These 

blots revealed some differences in detection between the 9F6 supernatant and the No. 

8  and  No.  9  antibodies  such  that  any  further  use  of  9F6  required  more  rigorous 

validation regarding its ability to detect FIH‐1. Specifically, western blots confirmed that 

9F6 was consistently able to detect two proteins of similar molecular weight at the  

Page 110: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

293T pc

WB fWB:

kDa

Antisera from m

1 2

50

3737

Figure 3.1. Immunoblots probed usinfrom three immunised miceFIH‐1‐overexpressing 293T lysate wascut into five strips for immunodetecantibodies (No.8 and No.9) or antisera f( )FIH. (This work was performed as partthe Honours thesis entitled “CharacterLisy).

DNA3.1 FIH‐1 lysate

banti‐FIH PoAbs

No. 8 No.9

mouse #

3

ng anti‐FIH‐1 polyclonal antibodies and antisera

separated by SDS‐PAGE and the subsequent blotsction by either one of two anti‐FIH polyclonalfrom each of the three mice immunised with MBP‐of the Honours project 2004, and was included inisation of FIH‐1 Expression” submitted by Karolina

Page 111: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 112: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 95 

expected  position  of  FIH‐1.  Similarly,  The  No.8  and  No.9  antibodies  had  also  been 

routinely observed to detect a doublet. Comparison of the two bands detected by 9F6 

with  the  bands  detected  by  the  other  FIH‐1  antibodies  revealed  that  the  larger 

(approximately 40 kDa) protein bound by 9F6 corresponded in size to the band detected 

by the polyclonal anti‐FIH‐1 antibodies No.8 and No.9. This “upper” band  increased  in 

intensity with transient FIH‐1 overexpression (Figure 3.2). Each antibody also detected a 

slightly  smaller  protein  (approximately  37  kDa)  that  was  not  enhanced  with  FIH‐1 

overexpression. 9F6 displayed an apparent preference for binding to the smaller protein 

(Figure 3.2) and in some experiments, including the representative blot shown in Figure 

3.2, could only detect FIH‐1 with overexpression.  Increasing the stringency of western 

blotting conditions by decreasing the amount of 9F6 antibody or adding skim milk was 

able  to  remove detection of  the “upper” band, by 9F6  (data not shown). The “lower” 

band that was preferentially detected by 9F6 was, on the other hand, not detected by 

the No.8 or No.9 antibodies.  

 

3.2.4 Conclusions from undergraduate research 

At  the  conclusion of  the undergraduate  research project, a monoclonal antibody had 

been  generated  and  had  been  demonstrated  to  bind  FIH‐1  upon  transient  FIH‐1 

overexpression in 293T cells. However, this antibody appeared to preferentially detect a 

protein  in mammalian cell extracts with a  slightly  lower molecular weight  than FIH‐1. 

Given  that  this  smaller  protein  may  have  been  an  alternative  form  of  FIH‐1,  this 

preferential detection by the 9F6 monoclonal had significant potential in characterising 

this alternative  form. The  fact  that a “lower” band was also detected with numerous 

other FIH‐1‐specific antibodies supported the notion that  it was an alternative form of 

FIH‐1.  

 

 

Page 113: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 114: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

sfected

80

113

FIH‐1

Untrans

kDa

37

49

64

26

20

WB: N

Figure 3.2 Immunoblots of cell lysateusing either the No.8 PoAb or 9F6.L f 293T ll i h i hLysates from 293T cells with or withoseparated by SDS‐PAGE and proteinantibody No.8 or monoclonal antibody

sfected

80113

FIH‐1

Untrans

kDa

37

4964

26

20

o.8 WB: 9F6

from 293T cells ‐/+ FIH‐1‐ overexpression probed

i l f d DNA3 1 FIH 1out transiently transfected pcDNA3.1 FIH‐1 werewas detected by blotting with either polyclonal9F6, as indicated.

Page 115: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 116: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 99 

Thus,  it was necessary  to verify  that 9F6 bound FIH‐1 and was also of key  interest  to 

ascertain  whether  or  not  both  bands  detected  by  9F6  represented  differentially 

modified forms FIH‐1. Evidence that suggested that these two bands may  indeed have 

both represented FIH‐1 included the observation that immune sera from all three of the 

mice immunised with MBP‐hFIH‐1 were able to detect two bands in western blots, and 

detection  of  two  bands  using  the No.8  rabbit  polyclonal  antisera was  also  routinely 

seen.  This  suggested  that  each  of  the  immunised  animals had  individually  generated 

antibodies either against two different antigens, or against two different forms of FIH‐1. 

Given  that only  the  higher  band was  increased  upon  overexpression  of  FIH‐1,  it was 

thought likely that the lower band was either a modified form of FIH‐1 not favoured by 

overexpression, or corresponded to a different protein with a common epitope.  

 

 

3.3 Further characterisation of 9F6 antigen 

3.3.1 9F6 can detect purified and overexpressed FIH‐1 

To  further  confirm  that 9F6 was able  to detect overexpressed  FIH‐1, 293T  cells were 

transiently transfected with MBP‐FIH‐1 and lysates were separated by SDS‐PAGE before 

transfer onto nitrocellulose. Blots were  cut  into  two parts  for  separate  incubation  in 

either 9F6 supernatant or No.8 serum. Alignment of the resulting blots showed that 9F6 

was able to bind the same sized protein as the No.8 antibody, supporting the ability of 

9F6  to bind  to MBP‐FIH‐1  (Figure 3.3 a). MBP‐FIH‐1 has a calculated size of 83.4 kDa, 

and the band detected by both antibodies corresponded to a molecular weight slightly 

larger  than  this  predicted  size.  9F6  was  also  found  to  be  capable  of  detecting 

recombinant MBP‐FIH‐1 (Figure 3.3 b).  

 

 

Page 117: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 118: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

1l

5l

10l

5l

293T lysate

kDa

a. 

64

81

114

182

MBFIH‐

WB: No.8WB: 9F6

64

DAPFIH‐1

c.

DApcDNA 3.1‐FIH‐1p

Figure 3.3 9F6 is able to bind recombin(a) The indicated volumes of lysate froseparated by SDS‐PAGE and the subsewas blotted using either No.8 or 9F6. (and purified MBP‐FIH‐1 and lysate frseparated by SDS‐PAGE and probed wcoverslips for 3 days. pcDNA 3.1‐FIH‐1 wto coverslips at 72 hours. 5% skim milkwith 9F6 diluted 1:100 in PBS Boundwith 9F6, diluted 1:100 in PBS. Boundconjugate and nuclei visualised using DA

293T lysate

1l 10l

5l20l

0.1l

Purified MBP‐FIH

b. 

P‐‐1

64

81

114

182

MBP‐FIH‐1

kDa

64

50

379F6 band

WB 9F6WB: 9F6

PI

PI

nant and overexpressed FIH‐1om 293T cells stably overexpressing MBP‐FIH werequent blot was cut in half as indicated. Each half(b) The indicated volumes of bacterially expressedrom cells stably overexpressing MBP‐FIH‐1 werewith 9F6 antibody. (c) 293T cells were grown onwas transfected in at 48 hours and cells were fixedk was used for blocking prior to detection of FIH‐1d antibody was detected using anti mouse TRITCd antibody was detected using anti‐mouse TRITCAPI stain.

Page 119: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 120: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 103 

Immunofluorescence of 293T cells  transiently  transfected with pcDNA3.1‐hFIH‐1 using 

9F6 also suggested that 9F6 was able to bind overexpressed FIH‐1 (Figure 3.3 c). Control 

transfected  cells  showed mainly  cytoplasmic  staining,  in  keeping with  the  previously 

determined  subcellular  localisation  of  FIH‐1  (Linke  et  al.,  2004).  Transfection  of 

pcDNA3.1‐hFIH‐1  resulted  in  markedly  greater  intensity  of  cytoplasmic  staining  of 

transfected cells when compared to adjacent non‐transfected cells, where cytoplasmic 

staining was moderate.  

 

3.3.2 siRNA‐mediated knockdown of FIH‐1  

To  ascertain whether  9F6  detected  endogenous  FIH‐1  and,  importantly, whether  the 

lower band was  likely  to be a modified  form of FIH‐1,  siRNA‐mediated knockdown of 

FIH‐1 was attempted. The expected outcomes of FIH‐1 knockdown were to either see a 

reduction  in  both  bands  detected  by  9F6,  indicating  that  both  bands were  FIH‐1,  a 

reduction in one band only, signifying which band was FIH‐1, or no effect at all on either 

band, which would indicate that neither band was FIH‐1.  

 

3.3.2.1 Plasmid‐based siRNA 

Initially,  the pSUPER plasmid‐based  siRNA  system was used, where  the desired  siRNA 

sequence  is  transcribed  in  cells  following  transfection.  Four  siRNA  sequences  that 

corresponded to 22 nucleotides stretches of FIH‐1 beginning at nucleotides 85, 336, 960 

and  1020  relative  to  the  start  codon  (GenBank  accession number NM_017902) were 

cloned  into  pSUPER  by  Anthony  Fedele.  A  random  22  nucleotide  sequence  that 

displayed no  significant homology  to  any human or mouse  sequences was used  as  a 

scrambled  negative  control.  Results  achieved  using  this  method  were  variable. 

Parameters such as cell confluency, the amount of pSUPER constructs used, the amount 

of Lipofectamine or FuGENE transfection reagent used, transfection times, and growth 

Page 121: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 104 

times of cells post‐transfection were altered with the aim to  improve the outcome.  In 

summary, 293T cells were  transfected at 30% or 50% confluency with 2‐4  μg of each 

pSUPER construct using either Lipofectamine or FuGENE, with cotransfection of a GFP 

construct  to  provide  an  estimate  of  transfection  efficiency.  Cell media was  replaced 

after  4  hours  and  cells  grown  for  either  24,  48  or  72  hours.  Despite  these  various 

measures  to  improve  transfection  efficiency  and  knockdown  of  FIH‐1,  the  best 

transfection efficiency observed by assessing the number of GFP‐positive cells was 70%, 

and  this  was  not  associated  with  a  decrease  in  FIH‐1  in  siRNA‐transfected  cells,  as 

indicated by blotting with the No.8 and No.9 antibodies and there was no decrease was 

observed in the bands detected by 9F6 (data not shown).  

 

3.3.2.2 siRNA oligonucleotides 

The  second  method  employed  was  the  direct  transfection  of  anti‐FIH‐1  siRNA 

oligonucleotides. Two siRNA oligonucleotides were designed and synthesised according 

to previously published sequences and targeted nucleotides 91–111 (F1) and 160–180 ( 

F2)  relative  to  the  start  codon  (GenBankTM  accession  number NM_017902),  as was  a 

scrambled negative control  (Stolze et al., 2004). 293T cells were  transfected at a  final 

siRNA concentration of 20 nM at 0 hours and again at 24 hours prior to harvesting cells 

at  48  hours  and  analysing  FIH‐1  protein  levels  by western  blot  using  both  the No.8 

antibody and 9F6.  

 

Relative to untransfected and scramble transfected control, transfection of either of the 

two  siRNA  oligonucleotides  targeting  different mRNA  sequences  of  FIH‐1  decreased 

levels of the 40 kDa protein detected by the No.8 polyclonal antibody, confirming that 

this indeed did correspond to endogenous FIH‐1 (Figure 3.4). The “lower” band was not 

detected  by  the  No.8  antibody  here.  FIH‐1  knockdown with  these  siRNA  constructs 

failed to decrease the intensity of the lower molecular weight protein detected by 9F6.  

Page 122: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

ed

a. 

Untransfecte

Scrambled

F1 siRNA

F2 siRNA

81

kDa

37

50

64

81

* F

*

WB: No.8

26

Figure 3.4 Protein detected by 9F6 not293T cells were transfected with a totnegative control or the two siRNA oliseparated by SDS‐PAGE and blottingantibody No.8 (a) or 9F6 (b). * denotes

ed

b. 

81

Untransfecte

Scrambled

F1 siRNA

F2 siRNA

kDa

FIH‐1 37

50

64

81

“Lower” band

26

WB: 9F6

reduced by FIH‐1 specific siRNAtal concentration of 20 nM of either a scrambledigonucleotides F1 and F2. 20 μg of lysates wereperformed using either the anti‐FIH polyclonalnon‐specific band.

Page 123: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 124: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 107 

This protein was detected at a similar level in cells transfected with scrambled siRNA or 

siRNA targeting FIH‐1, indicating that this lower band was is unlikely to represent FIH‐1. 

There remained  the possibility  that this smaller protein resulted  from a splicing event 

where the spliced mRNA no longer contains the sequences targeted by the siRNAs. The 

sequences  targeted  encompass  nucleotides  86–106  (F1)  and  172–192  (F2)  of  FIH‐1 

mRNA, both at the beginning of the sequence where a splicing event would make only a 

small  reduction  in molecular  weight  of  the  resulting  protein.  However,  there  is  no 

evidence supporting or suggesting that splice variants of FIH‐1 exist.  

 

3.3.3 9F6 is an IgM monoclonal antibody 

A more  definitive  strategy  for  determining  whether  9F6  binds  FIH‐1  was  IP  of  the 

antigenic protein(s) from cell lysate followed by identification using mass spectrometry 

(MS).  Preliminary  attempts  to  immunoprecipitate  the  9F6  antigen  began  during  the 

Honours undergraduate year.  In these experiments, 9F6 was first  incubated with 293T 

cell  lysate  to  enable  antibody‐antigen  complex  formation  prior  to  incubation  with 

protein  A‐linked  sepharose  beads  to  bind  any  formed  immunocomplexes.  Unbound 

proteins were removed by washing and any bound complexes eluted and analysed by 

western  blotting.  9F6  failed  to  immunoprecipitate  any  antigen  from  cell  lysate,  even 

from  FIH‐1‐overexpressing  cells,  whereas  the  No.8  polyclonal  antibody  was  able  to 

immunoprecipitate the upper band only  (i.e. the band that  increased  in  intensity with 

FIH‐1  overexpression),  but  not  the  smaller  protein  commonly  detected  by  No.8  in 

western blots (data not shown).  

 

The  failure of  the protocol using 9F6 and protein‐A‐sepharose may have been due  to 

poor affinity of the 9F6 heavy chain for protein A. Different classes of antibodies possess 

varying properties depending of the composition of their heavy chain. For example, IgG 

immunoglobulins  exist  as  monomers  and  are  able  to  bind  protein  A  whereas  IgM 

Page 125: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 108 

antibodies interact to form multimers and do not bind to protein A or protein G. It was 

therefore  important  to  classify  the 9F6  constant  region  to determine  the appropriate 

matrix  to  use  in  immunoprecipitation  experiments.  A Mouse  Typer  Sub‐Isotyping  Kit 

was used to ascertain the isotype of 9F6. This method determined antibody class by an 

ELISA  where  FIH‐1  was  first  adsorbed  onto  a microplate  to  enable  binding  of  9F6, 

followed  by  incubation  with  rabbit  anti‐mouse  antibodies  specific  for  each 

immunoglobulin class. Goat anti‐rabbit antibodies conjugated to HRP revealed that 9F6 

is  an  IgM  antibody  and  provided  a  likely  explanation  for  the  inability  to  IP  the  9F6 

antigen  using  protein  A.  To  circumvent  this  limitation,  two  alternative methods  for 

immobilising 9F6 were attempted, as described below.  

 

3.3.4 Immunoprecipitation of 9F6 antigen by thiophilic interaction chromatography 

The  first  method  for  purifying  the  9F6  antigen  was  to  utilise  HiTrapTM  IgM  HP 

Purification  columns  which  contain  a  thiophilic  adsorption  medium  coupled  to  the 

sepharose  and  are  used  for  purification  of  IgM  antibodies  from  hybridoma 

supernatants. The aim was to apply 9F6 supernatant to the column to bind the antibody 

and  then  pass  cell  lysate  over  the  immobilised  antibody  to  enable  capture  of  the 

antigenic protein(s).  Elution of  the  antibody‐antigen  complex  and  separation on  SDS‐

PAGE  would  be  followed  by  band  excision  and  mass  spectrometry  for  protein 

identification.  

 

Thiophilic  adsorption  is  based  on  the  non‐covalent  affinity  of  proteins  for  thioether‐

containing  ligands  coupled  to  sepharose  in  the  presence  of  an  antichaotropic  (water 

structuring)  salt.  The  columns  are  packed  with  2‐mercaptopyridine  attached  to 

sepharose as  the  immobilised  ligand and  the  salt used was ammonium  sulphate. The 

column  first  had  to  be  equilibrated with  thiophilic  binding  buffer  containing  20 mM 

Page 126: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 109 

sodium  phosphate  and  0.8 M  ammonium  sulphate,  and  the  same  concentration  of 

ammonium sulphate had to be present in the antibody solution 

 

PD‐10 desalting columns were used to buffer exchange the antibody  into the required 

binding buffer, followed by filtration through a 0.45 μm filter. Following equilibration of 

the  column according  to manufacturer’s  instructions, 90 ml of  the 9F6  solution  (0.08 

mg/ml),  or  a  total  amount  of  approximately  7 mg  of  IgM, was  passed  through  the 

column. The maximum capacity of the column is 5 mg of IgM, and an excess amount of 

antibody was  applied  in  an  attempt  to  saturate  the  column.  Following washing with 

binding  buffer  to  remove  unbound  contaminants,  the  cell  lysate  was  added  to  the 

column.  In order to maintain the high concentration of salt necessary  for retention of 

the  IgM  immunoglobulin on  the  column, 293T  cells were  lysed  in WCEB, and 1 ml of 

lysate was then diluted 50‐fold into the thiophilic binding buffer. The column was then 

washed with 3 bed  volumes of binding buffer  to  remove unbound proteins,  and  any 

antibody/antigen complexes were eluted by passing 10 ml of 20 mM sodium phosphate 

without any ammonium sulphate over the column in 1 ml fractions. The presence of the 

9F6 antigen was revealed by western blotting using 9F6, and showed that the antigen 

had  indeed been  retained on  the  column and eluted  in  fraction 3  (Figure 3.5). Here, 

293T  lysate equivalent  to 1% and 0.1% of  the  total  input  lysate was  loaded and  flow 

through  lysate  from  the  column  was  concentrated,  and  the  equivalent  of  1%  flow 

through was  loaded,  indicating  a  decrease  in  the  amount  of  the  9F6  antigen.  Each 

elution  fraction  was  run,  and  elution  fraction  3  was  found  to  contain  the  desired 

protein.    However,  subsequent  SDS‐PAGE  and  coomassie  or  silver  staining  failed  to 

produce a visible band  for excision and  further analysis  (data not shown). Subsequent 

purifications were performed with increased amounts of input lysate (5 ml and 10 ml), 

however silver stained gels  failed  to  resolve a clear band at  the expected size  for  the 

9F6 antigen.  

 

Page 127: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 128: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

ut

nput

dlysate

64

81114182

50

1% Inpu

0.1% In

Dep

leted

kDa

37

26

Figure 3.5. Thiophilic Interaction Chrom90 ml (0.08 mg/ml) of 9F6 supernatanbinding buffer prior to application to a

b d t i b f 293remove unbound proteins before 293column was then washed and antibodInput and depleted lysate and 20 μl oPAGE and protein detected by 9immunoprecipitations.

d lysate

Dep

leted

1 2 3

Elution Fractions

matographynt was filtered and buffered in the appropriateHiTrap IgM column. The column was washed to

3T l t d th h th l Th

WB: 9F6

3T lysate was passed through the column. Thedy‐antigen complexes eluted in 1 ml fractions.of each elution fraction were separated by SDS‐9F6 WB. Representative of 3 independent

Page 129: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 130: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 113 

 

3.3.5 Immunoprecipitation of 9F6 antigen using CNBr‐activated sepharose  

The  second  method  attempted  for  purification  of  the  protein  of  interest  was  to 

covalently  crosslink  purified  9F6  to  the  stationary  phase  to  enable  capture  of  the 

antigen. CNBr‐activated sepharose was used, which allows for the covalent attachment 

of proteins  via  the proteins’ amino groups. The aim of  this was  to  try and prepare a 

more stable resin with a higher capacity to bind the 9F6 antigen. 

 

CNBr‐activated‐sepharose was prepared according  to manufacturer’s  instructions. The 

9F6  antibody was  purified  using  a  HiTrap  IgM  column  as  described  above  and  then 

dialysed  into  the  required  coupling  buffer  of  0.1 M  sodium  bicarbonate  and  0.5 M 

sodium chloride. The antibody was then bound to prepared CNBr‐activated sepharose 

and  the success of binding was crudely assessed by measuring  the absorbance at 280 

nm of the antibody solution before and after incubation with the CNBr‐sepharose. The 

A280  of  the  solution  after  binding  decreased  four‐fold,  indicating  that much  of  the 

antibody had indeed bound to the resin. Any unbound 9F6 was washed off the resin and 

the  resin  was  then  blocked  with  1  M  ethanolamine  prior  to  further  washing  and 

incubation with 293T  lysate. 9F6‐CNBr‐sepharose was then used to  immunoprecipitate 

the  antigenic  protein  from  lysate.  Elution  of  the  antigen  was  achieved  through 

disruption of the immunocomplex by incubation with a buffer containing reducing agent 

BME or by elution of both antigen and antibody by boiling the resin.  

 

Figure 3.6 is representative of the best result achieved from six purifications. Here, the 

9F6  antibody was  treated  in  three  different ways  prior  to  attachment  to  the  CNBr‐

activated  sepharose.  9F6  antisera was  either directly diluted  1:2  into  coupling buffer 

(Lanes marked 9F6); 9F6 antisera was dialysed against coupling buffer (Lanes marked  

Page 131: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 132: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

lysed 9F6

1% input

0.1% input

Purified

 &Dia

150250kDa

37

25

15010075

50

25

20

W

Figure 3.6. CNBr‐Sepharose Immunopre9F6 antibody prepared as indicated bef9F6 antibody prepared as indicated befconjugated resin was then incubated witelution and SDS‐PAGE. Each sample waslanes, in order to enable comparison betRepresentative of > 5 independent purifsamples.

lysed 9F6

Dialysed 9F6

9F6

Dialysed 9F6

Purified

 &Dia

0.1% input

9F6 antigen

WB: 9F6 Coomassie

ecipitationfore binding to CNBr linked sepharose beads 9F6fore binding to CNBr‐linked sepharose beads. 9F6‐th 293T cell lysate for four hours prior to washing,s run in duplicate in addition to 1% and 0.1% inputtween WB and coomassie stained gels.fications. See text (Section 3.3.5) for details on 9F6

Page 133: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 134: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 117 

dialysed  9F6);  or  the  antibody was  purified  using  the HiTrap  IgM  columns  and  then 

buffer  exchanged  by  dialysis  against  coupling  buffer  (Lanes  marked  purified  and 

dialysed 9F6). Dialysis was performed by dialysing 1 ml of 9F6 supernatant against 500 

ml coupling buffer at 4°C for 24 hours, with one buffer exchange. Binding of 9F6 to the 

resin was determined by measuring the A280 of the antibody solution before and after 

binding. Lysate prepared from 293T cells was then  incubated with each preparation of 

IgM‐linked  sepharose  for  4  hours,  prior  to  washing,  elution  and  SDS‐PAGE.  Eluted 

protein  from  each  of  the  conditions  is  shown  in  Figure  3.6, where  each  sample was 

separated  and  run  in  duplicate  for  both  immunoblotting  and  coomassie  stain.  The 

approximately 37 kDa band detected by the 9F6 antibody is clearly evident in the 0.1% 

input lane, and a weak band corresponding in size to this bad is also seen in each IP in 

both the immunoblot and the coomassie stained gel.  

 

This  band was  excised  and  identified  by MS  as  Heterogeneous Nuclear  Riobonucleo 

Protein  B1  (hnRNP  B1).  hnRNP  B1  is  a  37  kDa  protein with  no  significant  sequence 

homology  with  FIH‐1,  as  seen  in  a  Clustal W  alignment  of  the  two  human  protein 

sequences (data not shown). Whether hnRNP is the legitimate antigen of 9F6 or simply 

a highly abundant contaminating protein is unknown, as further verification of hnRNP as 

the 9F6 antigen was not carried out. It is however unlikely to represent a true antigen of 

9F6  as  hnRNP  has  been  previously  reported  to  be  a  common  contaminant  in  the 

purification of lowly abundant proteins of similar molecular weight, and has been found 

to  migrate  with  the  desired  protein  in  SDS‐PAGE  (Jiang  et  al.,  2008).  Despite 

immunoblotting showing the presence of desired proteins, the relative high abundance 

of hnRNP has been  found previously  to occlude  identification of other proteins  in  the 

sample. As 9F6 has been observed  to bind  to FIH‐1 when FIH‐1  is overexpressed,  it  is 

possible that FIH‐1 was present in the immunoprecipitated sample yet its presence was 

masked by this highly abundant contaminating protein.  It  is also a possibility  that 9F6 

Page 135: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 118 

binds more  strongly  to another unknown protein with a similar epitope  to FIH‐1, and 

that identification of this protein was also occluded by the highly abundant hnRNP.  

 

3.3.6 9F6 antigen is not FIH‐1 

A  conclusive method  for  further demonstrating  that  the band detected by 9F6  is not 

FIH‐1 presented itself with the generation of MEF cells lacking FIH‐1 (Zhang et al 2009). 

Zhang  and  colleagues  created  FIH‐1  knockout  mice,  and  the  MEFs  were  originally 

cultured  from homozygous  floxed mouse embryos  infected with an adenoviral vector 

expressing  Cre‐recombinase  to  generate  the  FIH‐1  null  line.  Untreated  cells  that 

retained FIH‐1 and served as a control MEF cell line. Western blot analysis of these cell 

lines would definitively demonstrate whether the lower band was an isoform of FIH‐1 or 

not.  

 

Lysates were  prepared  from wildtype  (wt) MEFs  and  FIH‐1  deficient  (ko) MEFs  and 

separated by SDS‐PAGE.   Subsequent western blots of these extracts revealed that the 

antigen detected by 9F6 was present  at equal  levels  in wt  and  ko MEFs  (Figure 3.7). 

Probing  the  same  samples  using  the  anti‐FIH  antibody  No.8  and  a  newly  available 

commercial anti‐FIH‐1 antibody NB 100‐428 confirmed the absence of the 40 kDa upper 

band  in  the  ko MEFs  compared  to  the  wt MEFs.  The  NB  100‐428  anti‐FIH‐1  rabbit 

polyclonal  antibody was  not  able  to  detect  any  protein  corresponding  in  size  to  the 

lower  band  detected  by  9F6  and  commonly  observed with  other  anti‐FIH‐1  specific 

antibodies. The No.8 blot reveals a high degree of background staining at the conditions 

used,  including  a  significant  band  that  corresponds  in  size  to  the  9F6  band,  which 

remained unaltered between wt and FIH‐1 ko MEFs.  

 

This definitively demonstrated that whilst 9F6 was capable of detecting overexpressed  

Page 136: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

EFs

EFs

EFs

NB100 428 #8WB:

150

100

75

Wt M

Wt M

KO M

E

kDa

37

75

50

37

Figure 3.7 Detection of FIH‐1 in MEFs20 μg of lysates from either wt MEFprotein detected by blotting usng eithe

EFs

EFs

EFs

9F6

Wt M

KO M

E

KO M

EFIH‐1

“Lower” band

Fs or KO MEFs were separated by SDS‐PAGE andr NB 100‐428, No.8 or 9F6, as indicated.

Page 137: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 138: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 121 

FIH‐1 under certain conditions, FIH‐1 was not the predominant antigen bound by 9F6. 

Given the original intention of this work was to generate an FIH‐1 specific antibody for 

use  in  techniques  such  as  immunohistochemistry,  further  work  leading  to  the 

identification of the protein or use of this antibody for analysis of FIH‐1 expression was 

subsequently abandoned.  

 

3.3.7 Use of polyclonal anti‐FIH‐1 antibody to investigate FIH‐1 expression 

Due  to  the  failure  to  create  a monoclonal  antibody  useful  in  the  detection  of  FIH‐1, 

polyclonal antisera was used instead in a study investigating the levels of FIH‐1 protein 

in  six  different  cell  lines  where  differences  in  the  level  of  FIH‐1  activity  had  been 

suggested  from  reporter assays, as described above and published  in  (Bracken et al., 

2006). Despite the differences observed in CAD reporter activity, inferring differences in 

the  activity  of  FIH‐1  in  its  hydroxylation  and  subsequent  silencing  of  the  CAD,  FIH‐1 

protein  levels  remained consistent  in all  six cell  lines  investigated  (Figure 3.8). Where 

there were subtle differences observed in protein levels relative to the α‐tubulin loading 

control,  these were not consistent with  the activity  levels of FIH‐1. For example, both 

HeLa  and  PC12  cells  have  slightly  less  FIH‐1,  and  293T  cells  and HepG2  cells  have  a 

greater signal. However, FIH‐1 activity in both 293T cells and HeLa cells was observed to 

be lower than in both PC12 and HepG2 cells, so any subtle differences in FIH‐1 protein 

levels cannot attribute for the differences in CAD reporter activity observed (Bracken et 

al., 2006). 

 

3.4 Summary and Discussion 

Characterisation  of  FIH‐1  expression  in mouse  tissues  required  the  generation  of  an 

antibody for use in immunoblotting of mouse tissue lysates and immunohistochemistry  

Page 139: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 140: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Figure 3.8 FIH‐1 expression in cancer ce20 μg of total lysate from each celtransferred to nitrocellulose. Blottinglevels of FIH‐1 protein in each cell lysaFigure published in Bracken et al 2006.

ell lines (Bracken et al 2006)ll line was separated by 12.5% SDS‐PAGE andwith the anti‐FIH‐1 No.8 antibody showed theate, and α‐tubulin was used as a loading control.

a1001984
Text Box
a1001984
Text Box
NOTE: This figure is included in the print copy of the thesis held in the University of Adelaide Library.
Page 141: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 142: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 125 

of mouse  tissues  sections. One hybridoma  supernatant, 9F6, was  found  to  secrete an 

antibody able to detect a protein of similar size to endogenous FIH‐1 and able to detect 

overexpressed  FIH‐1  in  immunoblotting  and  immunohistochemical  applications. 

However,  further  characterisation  of  the  antibody  showed  that  the  chief  protein 

detected  by  9F6  was  not  FIH‐1,  as  this  protein  was  present  in  FIH‐1  ko  MEFs  at 

equivalent  levels  to  wt MEFs. MS  analysis  of  a  protein  immunoprecipitated  by  9F6 

identified  hnRNP  B1  as  the  potential  antigen,  however,  as  this  protein  is  a  common 

contaminant  in  immunoprecipitation, the definitive nature of the 9F6 antigen remains 

unknown.  

 

3.4.1 Expression of FIH‐1 in cancer: paper published 

During  the  course  of  this work,  a  research  paper  entitled  “Use  of  novel monoclonal 

antibodies  to  determine  the  expression  and  distribution  of  the  hypoxia  regulatory 

factors  PHD1,  PHD2,  PHD3  and  FIH‐1  in  normal  and  neoplastic  human  tissues” was 

published  (Soilleux  et  al.,  2005).  This  paper  described  the  immunohistochemical 

interrogation of an extensive array of healthy human tissues and cells including but not 

limited to lung, oesophagus, stomach, liver, gallbladder, pancreas, kidney, cervix, ovary, 

tonsil, lymph node, thymus, testis, breast, placenta and umbilical cord for expression of 

not  only  FIH‐1  but  also  of  PHD1,  PHD2  and  PHD3.    Additionally,  a  small  panel  of 

neoplastic  tissues was  investigated  to provide an  indication of  the  relative expression 

levels  of  the  HIF  hydroxylases  between  normal  and  cancerous  tissue.  While 

unfortunately negating the first aim of this thesis, this research offered some interesting 

findings  regarding FIH‐1 and PHD1‐3 expression  in healthy  tissue and  in  solid  tumour 

tissue.  

 

In brief, the data showed that expression of PHD1 and PHD3 was markedly reduced  in 

renal  carcinoma  compared with  normal  kidney  tissue,  and  that  PHD2  protein  levels 

Page 143: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 126 

were  also  lower  in  the  carcinoma  section  versus  the  corresponding  normal  tissue. 

However,  expression  of  FIH‐1  was  generally  consistent  between  the  diseased  and 

normal  tissue  samples,  although  the  authors  concluded  that  FIH‐1  expression  was 

increased in renal carcinoma compared to normal kidney tissue. As the authors did not 

assess expression of HIF target genes in this study it is impossible to know whether FIH‐

1  is exerting any repressive effects upon the HIF CAD. In the absence of reduced FIH‐1 

protein  levels,  it  is  interesting  to speculate  that  in  these neoplastic  tissues where  it  is 

advantageous for the cells to activate HIF target gene expression (and indeed there is a 

reported selective pressure on cells to do so), that FIH‐1 may be present but that  the 

enzyme may not retain full activity in hydroxylating HIF‐α substrates. It is possible, due 

to the haphazard nature of intratumoral vasculature resulting in regions of hypoxia, that 

FIH‐1  activity may  be  decreased  in  hypoxic  regions  due  to  the  limited  availability  of 

oxygen.  However,  coupled  with  data  that  described  physiologically  significant  FIH‐1 

activity even at 0.2% oxygen  (Stolze et al., 2004),  it  is also  interesting  to contemplate 

the  existence  of  any mechanism(s)  other  than  oxygen  levels  that may  be  acting  to 

reduce the activity of FIH‐1 and therefore favour HIF activity, such as PTM of FIH‐1 that 

may modulate behaviour of the enzyme. 

 

3.4.2 Expression of FIH‐1 in breast cancer: Is subcellular localisation of FIH‐1 

important? 

One  possible mode  of  regulating  FIH  activity may  be  via modulating  its  subcellular 

distribution and affecting colocalisation with substrates. Tan et al investigated both HIF‐

1α and FIH‐1 expression  in breast cancer, as well as expression of HIF target gene CA9 

(Tan et al., 2007). HIF has been previously implicated in breast cancer progression, and 

cancers  that  exhibit  elevated  HIF‐1α  expression  tend  to  have  a  more  aggressive 

phenotype. This comprehensive study examined expression of FIH‐1, HIF and HIF target 

gene CA9 in 295 breast carcinoma tissue cores. The data revealed that the vast majority 

Page 144: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 127 

of breast cancer tissue sections (81%) were positive for FIH‐1, and that of those, 48.5% 

showed  immunoreactivity  in both  the  cytoplasm and  the nucleus. However, 18% and 

14%  of  tissues  showed  FIH  exclusively  in  the  cytoplasm  or  nucleus,  respectively, 

suggesting that movement of FIH‐1 between the cytoplasm and the nucleus may be a 

regulated  process.  Furthermore,  these  differences  seemed  to  impact  upon  the 

expression  of HIF  target  gene  CA9  such  that  any  nuclear  FIH‐1  correlated  negatively 

with  HIF  target  gene  expression,  and  exclusive  cytoplasmic  FIH‐1  expression  was 

associated with increased CA9 expression. In tumours displaying any nuclear FIH (either 

exclusively nuclear or  in conjunction with cytoplasmic expression), CA9 expression was 

decreased,  and  tumour  grade  was  lower.  This  also  correlated  with  an  increased 

probability of long‐term disease‐free survival. However, tumours that exhibited nuclear 

exclusion of FIH‐1 were of a higher grade, had elevated CA9 expression and a higher 

incidence of disease recurrence. These data suggest  that when FIH‐1  is present  in  the 

nucleus,  it  is  able  to  reduce  the  severity  of  tumours,  possible  via  decreasing  HIF‐

mediated transcription of target genes. These data also suggest the possibility that FIH 

may  be  actively  excluded  from  the  nucleus  in  aggressive  cancer,  or  conversely  that 

cancer cells which contain mutations  leading to nuclear exclusion of FIH‐1 give rise to 

more  aggressive  tumours  due  to  the  increased  expression  of  HIF‐target  genes,  and 

suggests the existence of an active process that regulates FIH‐1 distribution.  

 

3.4.3 Other studies examining FIH‐1 expression in cancer 

Another  study published during  the  course of  this work described  investigations  into 

expression of the HIF hydroxylases in non‐small cell lung cancer (Giatromanolaki et al., 

2008).  FIH‐1  staining  was  observed  in  most  cases  and  was  found  to  be  mostly 

cytoplasmic, however a small number of tumours showed predominant, strong, nuclear 

staining.  As  above,  these  data  suggest  that  localisation  of  FIH‐1 may  be  a  regulated 

process  in  tumours.  A  separate  study  examined  the  expression  of  FIH‐1  was  also 

Page 145: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 128 

assessed  in  pancreatic  endocrine  tumours  where  strong  cytoplasmic  FIH‐1  levels 

correlated with malignant and metastatic pancreatic tumours (Couvelard et al., 2008).  

 

Overall,  four  studies  describing  FIH‐1  expression  in  various  cancer  types  failed  to 

observe a statistically significant decrease in FIH‐1 levels, or a correlation with reduced 

FIH‐1 levels and enhanced HIF target gene transcription. The obvious question of FIH‐1 

inactivation in tumour tissues remains.  

 

 

 

Page 146: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 129 

 

CHAPTER 4 

 

TWO‐DIMENSIONAL 

ELECTROPHORESIS

Page 147: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 148: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 131 

4 TWO‐DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS 

4.1 Introduction 

4.1.1 Evidence of cell‐specific differences in FIH‐1 activity 

FIH‐1  directly  utilises  and  consumes  oxygen  for  catalysis  of  hydroxylation  and  its 

catalytic activity  is known to be regulated by oxygen concentration. Additionally, there 

are several lines of evidence that suggest that FIH‐1 may be regulated by additional or 

complementary mechanisms.  

 

Firstly,  experiments  performed  by  our  lab  showed  that  FIH‐1  activity,  but  not  PHD 

activity,  varied  in  a  cell  type‐specific manner  (Bracken  et  al.,  2006).  In  brief,  PC12, 

HepG2 and Caco‐2 cells exhibited essentially no HIF‐α‐CAD transcriptional activity until 

oxygen  concentrations  dropped  below  1%  O2,  inferring  efficient  hydroxylation  and 

repression by FIH‐1. HIF‐α‐CAD activity was, however, observed in HeLa, 293T and Cos‐1 

cells  at much more moderate  hypoxia  (10%  O2),  and  activity  increased  gradually  as 

oxygen  levels  decreased  to  <1%  O2.  Variations  in  FIH‐1  protein  levels  were  not 

responsible for these differences in CAD‐driven reporter expression as western blotting 

revealed that FIH‐1 levels did not vary significantly between the cell lines. These results 

suggest  that  FIH‐1  exhibits  different  levels  of  activity  at  the  same  oxygen  level 

depending  on  the  cellular  context,  and  perhaps  suggests  additional  regulatory 

mechanisms  at  work  in  certain  cells  where  more  strict  control  over  HIF  activity  is 

required.  

 

These  cell‐specific  differences  may  represent  subtleties  in  regulation  of  FIH‐1  and 

therefore HIF activity that enable tissue‐specific responses to changes in oxygen levels, 

as  each  tissue,  or  cell  type  has  a  normoxic  oxygen  value  appropriate  for  its 

Page 149: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 132 

requirements.   For example, the brain  is an organ which cannot be without oxygen for 

more than a few minutes without acquiring irreparable damage, whereas the kidney is 

reported to exist  in a constant state of  low oxygen tension. As such, when animals are 

exposed  to  varying  oxygen  levels  for  1  hour,  HIF  is  induced  in  the  brain  at  more 

moderate levels of hypoxia (18%) whereas it takes more severe oxygen deprivation (6%) 

before HIF  is stabilised  in  the kidney  (Stroka et al., 2001). Cells may  therefore require 

additional mechanisms  of  HIF  regulation  at  both  the  stability  and  activity  levels  to 

facilitate body‐wide fine‐tuning of the hypoxic response.  

 

4.1.2 Regulation of FIH‐1 in cancer? 

As  described  above,  FIH‐1  has  been  found  to  be  upregulated  in  some  pancreatic 

(Couvelard  et  al.,  2008),  renal  (Soilleux  et  al.,  2005)  and  breast  (Tan  et  al.,  2007) 

cancers. Regulation of FIH‐1 subcellular localisation may occur in cells and affect the co‐

localisation  of  FIH‐1  with  various  substrates.  FIH‐1  is  predominantly  a  cytoplasmic 

protein, though significant levels are present in the nucleus (Stolze et al., 2004; Linke et 

al., 2004). There  is no change  in  localisation of FIH‐1 between hypoxia and normoxia; 

however research by Tan et al (Tan et al., 2007) has found that subcellular distribution 

of  FIH‐1  is  altered  in  breast  cancer  cells.  Subcellular  localisation  of  FIH‐1  was 

significantly associated with the severity of the tumours, with cytoplasmic and nuclear 

FIH‐1  correlating  with  high  and  low  tumour  grades,  respectively,  and  exclusively 

cytoplasmic  FIH‐1 was  found  to be  a poor prognostic  indicator  for  long  term disease 

free  survival.  In  terms  of  FIH‐1  regulation,  these  data  are  important  as  they  suggest 

active  exclusion  of  FIH‐1  from  the  nucleus  in  tumours  with  a  more  aggressive 

phenotype.  

 

Collectively, FIH‐1 has also been found to be consistently expressed in a range of human 

cancers, though its role there in regulating expression of HIF target genes in not clear. It 

Page 150: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 133 

is possible  that FIH‐1 activity  is reduced  in regions of hypoxia within  the solid  tumour 

microenvironment,  although  studies  have  shown  that  FIH‐1  activity  persists  at  low 

oxygen  levels with HIF‐α substrates  in cells (Stolze et al., 2004). Oxygen concentration 

within  tumours  is  highly  heterogeneous,  therefore  it  is  worth  investigating  the 

possibility  that  FIH‐1  is  regulated  by  an  oxygen‐independent  mechanism  in  some 

tumour cells and tissues. Furthermore, there is evidence that subcellular localisation of 

FIH‐1  may  be  regulated  in  breast  cancer.  Recent  reports  have  described  some 

alterations  in FIH‐1 distribution via  interactions with other proteins, most notably  the 

interactions with MT1‐MMP  and Mint3  in macrophages  (Sakamoto  and  Seiki,  2009; 

Sakamoto and Seiki, 2010). When experiments  for  this  chapter began,  there were no 

reports of any mechanism of regulation of sub‐cellular FIH‐1 distribution.  

 

4.1.3 Is FIH‐1 post‐translationally modified? 

The  capacity  of  FIH‐1  to  inhibit  HIF‐mediated  transcription  under  conditions  of 

decreasing oxygen  levels has been found to be cell type specific (Bracken et al., 2006). 

Also, FIH‐1 has been observed to retain activity with HIF‐α substrates  in cells at severe 

hypoxia  (Stolze  et  al.,  2004).  These  two  observations  suggest  that,  while  oxygen  is 

required  for FIH‐1  catalytic activity, oxygen  levels may not be  the exclusive means of 

FIH‐1 regulation in all cell types. FIH‐1 may be subjected to cell type‐specific regulatory 

mechanisms that act independently of oxygen levels. 

 

Cell‐type  specific differences  in HIF‐α  transcriptional activity have also been observed 

following  treatment  of  cells  with  kinase  inhibitors  or  constitutively  active  kinases, 

suggesting that these pathways impart a level of regulation on HIF‐α activity. A role for 

direct  regulation  of  HIF‐1α  by  MAPKs  has  been  described  (Mylonis  et  al.,  2006), 

however HIF‐2α‐mediated transcription is also affected by this pathway without being a 

substrate. Also, a  role  for  the PI3K/Akt pathway  in modulating HIF‐α activity  in a cell‐

Page 151: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 134 

specific manner has not been elucidated. As hydroxylation of  the HIF‐α‐CAD by FIH‐1 

regulates  transcriptional  activity,  phosphorylation  of  FIH‐1  by  these  kinase  pathways 

needs to be investigated.  

 

Together, these lines of evidence suggest that FIH‐1 may be subjected to more complex 

regulatory systems  than are presently known, and  that  these may significantly  impact 

HIF  activity  both  in  physiological  and  pathophysiological  situations.    The  recent 

discovery  of  numerous  ARD  substrates  of  FIH‐1  may  exert  additional  regulatory 

mechanisms upon FIH‐1 by sequestering the enzyme away from HIF substrates. The fact 

that  FIH‐1  is  able  to modify  additional  substrates  in  addition  to  the  canonical HIF‐α 

subunits may  have  necessitated  the  evolution  of more  stringent  control  over  FIH‐1 

activity  that  operates  in  addition  to  regulation  of  activity  by  oxygen  levels.  

Understanding the regulatory mechanisms acting upon FIH‐1 are therefore important to 

gain further insight into the role of FIH‐1 in cells and its interactions with substrates, but 

also possibly to assist in the treatment of neoplastic disease. 

 

PTM of FIH‐1 may represent a mode of regulation of the enzyme that acts in addition to 

regulation  of  catalytic  activity  by  oxygen  levels.  PTMs  are widely  known  to  regulate 

many  characteristics  of  a  protein,  including  activity  state,  stability,  subcellular 

localisation,  and  interactions with other proteins  and molecules.  Thus,  the possibility 

that FIH‐1 was subjected to post translational modification was investigated.  

 

Two‐dimensional electrophoresis  (2‐DE) was employed  to enable  investigation of post 

translational modifications occurring upon FIH‐1  in  cells. The aim of  this work was  to 

separate proteins  from  lysates prepared  from a number of different cell  lines by 2‐DE 

and  then  specifically  detect  FIH‐1  using  anti‐FIH‐1  antibodies  in  order  to  determine 

whether multiple forms of FIH‐1 exist in cells.  

 

Page 152: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 135 

4.2 Methods Employed for Two‐Dimensional Electrophoresis 

4.2.1 Overview 

2‐DE enables proteins  to be  separated according  to  two parameters;  isoelectric point 

(pI) and molecular weight (O'Farrell, 1975). During first dimension separation, or IEF, a 

protein mixture is placed onto a gel strip containing an immobilised pH gradient and an 

electric  field  is applied, causing each protein  to migrate  to the pH where  their overall 

net  charge  is  zero,  or  their  pI.  The  presence  of many  different  PTMs  can  be  readily 

observed by this method as the addition of chemical groups to proteins can alter the pI 

and therefore final position of the protein within the pH range. For example, addition of 

a  PO4‐  group  introduces  a  negative  charge  and  therefore  decreases  a  proteins  pI, 

resulting in a phosphorylated protein focusing in a more acidic position in a pH gradient 

compared with proteins in an unphosphorylated state. 2‐DE, however, is limited to the 

detection  of  modifications  that  confer  a  change  in  charge  of  the  protein.  Neutral 

modifications, such as hydroxylation, do not affect  the  isoelectric point or  focusing of 

proteins  and  are  therefore  not  able  to  be  inferred  by  this method.    Following  the 

separation of proteins according to pI in the first dimension, proteins are separated for 

a  second  time  according  to molecular weight perpendicular  to  separation  in  the  first 

dimension, yielding a 2‐D distribution pattern of the proteins in the sample.  

 

The basic work flow of 2‐D PAGE used in this study is described in Figure 4.1. The main 

steps  included  in  this  figure  and  in  the  following  discussion  are  sample  preparation, 

protein  quantification,  IEF,  strip  equilibration,  SDS‐PAGE  and  finally  protein 

visualisation.  Extensive  optimisation  of  sample  preparation  and  IEF was  required  to 

achieve high quality, reproducible results, with the specific methods used  in this work 

outlined in Figure 4.1. To follow will firstly be a description of each of these steps and a  

Page 153: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 154: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Sample 

BASIC 2‐DE PROTOCOL

Preparation

Protein Quantification

First Dimension IEF

Strip Equilibration

Second Dimension 

SDS‐PAGE

Visualisation

Figure 4.1 Work flow of 2‐DE

Visualisation

Figure 4.1 Work flow of 2 DE

The six major steps of 2‐DE are sample equilibration, SDS‐PAGE and visualisatio

• Method 1: Lysis into SDS‐containing buffer (2‐D Lysis Buffer 1), dilution into CHAPS and Urea buffer (2‐D Lysis Buffer 2)

Specific methods used in this thesis

and Urea buffer (2 D Lysis Buffer 2) 

• Method 2: Direct Lysis into IEF buffer• Precipitation and resuspension in IEF buffer

• Bradford Assay

• Bio‐Rad Protean IEF Cell (Bio‐Rad)• Ettan IPGphor II Isoelectric Focusing System (GE Lifesciences). 

• Reduction and alkylation

• Immunoblotting using anti‐FIH‐1 antibodies

• 10 or12.5 % Tris/Glycine SDS‐PAGE

antibodies• Sypro Ruby Stain, Coomassie Stain

preparation, protein quantification, IEF, strip on.  

Page 155: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 156: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 139 

discussion of the reasoning behind each of the methods used, and secondly the results 

generated using each method will be presented.  

 

4.2.2 2‐DE sample preparation 

Development of a  rigorous  sample preparation protocol  is critical  for  successful 2‐DE. 

Proteins  to  be  separated  by  2‐DE must  be  fully  denatured,  soluble,  and  reduced  to 

ensure  that  all  intra‐  and  intermolecular  interactions  are  disrupted.  Complete 

denaturation of the proteins in the sample is critical for exposure of all ionisable amino 

acid side chains.  

 

Cell  lysis and protein denaturation are often achieved using high concentrations of the 

chaotropic agent urea. Disruption of cell membranes and protein denaturation can also 

be facilitated by using SDS, however the presence of  large amounts of SDS  in final 2‐D 

samples  is undesirable due  to  the effect of  the anionic detergent binding  to proteins 

and  interfering with the  isoelectric focusing  in the first dimension. For this reason, 2‐D 

samples  containing  SDS must  be  diluted  by  addition  of  excess  amounts  of  non‐ionic 

detergent or zwitterionic detergent to compete SDS off   proteins  in the sample (Weiss 

and  Gorg,  2008).  Commonly  used  detergents  that  are  compatible  with  IEF  are  the 

zwitterionic detergent CHAPS, and non‐ionic Triton‐X‐100 and NP‐40. In addition to urea 

and detergent, standard 2‐D buffers also include a reducing agent, such as DTT, and an 

ampholyte  mixture  consisting  of  small  amphoteric  molecules  which  assist  in  the 

maintenance of protein  solubility during  IEF  in  the absence of  salt. As 2‐DE here was 

concerned with detection of PTMs, possible phosphorylation events were preserved by 

the  addition  of  20  mM  sodium  fluoride,  an  inhibitor  of  phosphoseryl  and 

phosphothreonyl  phosphatases,  and  2  mM  sodium  orthovanadate,  an  inhibitor  of 

phosphotyrosyl phosphatases, to the sample buffer immediately before use.  

 

Page 157: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 140 

 

4.2.3 Methods of sample preparation 

Two different methods for cell lysis and protein solubilisation were employed during the 

course of this work, as detailed below.  

 

4.2.3.1 Sample preparation method 1 

The method  for  2‐D  sample  preparation  initially  employed was  based  on  a method 

routinely used by colleagues and involved detergent lysis of cells in a buffer containing 

SDS.    In application of  this method, cells were  lysed  in buffer containing 1% SDS  (2‐D 

Lysis Buffer 1), following dilution of the lysate into a buffer containing 13% CHAPS (2‐D 

Lysis Buffer 2) and addition of 8 M urea. Though successful 2D‐PAGE was achieved using 

this method,  instances  of  high  sample  conductivity  and  poor  IEF  often  resulted.  The 

current was  limited to 50 mA  in these experiments, and presence of  ionic compounds 

prevented high voltages from being reached, leading to extensive focusing times.  

 

4.2.3.2 Sample preparation method 2 

An  alternative  sample  preparation method was  researched  and  devised.  Subsequent 

experiments were performed by  lysing cells directly  into a buffer containing 8 M urea, 

2% CHAPS and 40 mM DTT and  supplemented with  fresh phosphatase  inhibitors  (IEF 

buffer) This was done to avoid the use of SDS in the cell lysis procedure as this may have 

been  a  potential  source  of  ionic  strength  in  the  samples,  despite  the  subsequent 

dilution of samples in CHAPS buffer.  Protein precipitation was also used to reduce any 

other  remaining  contaminating  substances,  and  precipitated  proteins  were 

resuspended  in  IEF  Buffer,  quantified  and  diluted  to  produce  samples  of  100  μg  of 

protein in a total volume of 125 μl.  

Page 158: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 141 

 

4.2.4 Protein quantification 

Samples were quantified using a Bradford Protein Assay, which is based on a change in 

absorbance from 465 to 595 nm of the dye Coomassie Brilliant Blue G‐250 when bound 

to  proteins  (Bradford,  1976). As  some  detergents  have  been  found  to  interfere with 

accuracy of the Bradford assay (Bradford, 1976; Compton and Jones, 1985), and as the 

effect of other buffer  components urea  and DTT upon  the  assay were unknown,  the 

propriety of using  this method  for quantifying protein  concentrations  in 2‐D  samples 

was investigated. Briefly, BSA was diluted to 1‐5 mg/ml in either water or IEF buffer, and 

5 μl of  the  standard was combined with 195  μl of  the Bio‐Rad Protein Assay Reagent 

and  the  absorbance  at  595  nm measured  and  plotted  to  a  standard  curve  for  each 

condition (Figure 4.2). The results showed that there was  little difference  in measured 

absorbance  using  either  water  or  buffer  up  to  BSA  concentrations  of  3 mg/ml.  At 

concentrations  beyond  this  however,  there  was  a  difference  in  the  measured 

absorbance and the assay did not appear to be  linear at higher protein concentrations 

when  proteins were  dissolved  in  IEF  buffer.   However,  since  2‐D  samples  quantified 

were  often  between  0.8‐2  μg/μl,  samples  within  this  range  were  predicted  to  be 

accurately  quantified  by  Bradford  Assay.  In  using  the  assay  for  quantification  of  2‐D 

samples,  the  BSA  standards  were  made  up  in  IEF  buffer  to  reduce  any  variations 

between the samples and standards due to interference by buffer components.  

 

The  conclusion  that  the  Bradford  assay  was  a  suitable method  for  quantifying  2‐D 

samples was consistent with published data comparing standard curves of BSA in water, 

8  M  urea,  CHAPS,  DTT  or  IPG  buffer  alone,  or  combinations  of  each  of  these 

components  in  Bradford,  Lowry  and  BCA  assays  (Kao  et  al.,  2008).  These  data  also 

supported  the  use  of  Bradford  assays  over  Lowry  and  BCA  assays  for  protein 

quantification in 2‐DE sample buffers, concluding that the Bradford Assay was the most 

Page 159: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 160: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

1.4

Standard Curve of

0.8

1

1.2

95 nm

0

0.2

0.4

0.6A 5

0 1 2

BSA Concen

Figure 4.2 Standard Curve of BSA in eitStandard amounts of BSA were dilutedcurves using Bradford Assay Reagent.

f BSA in water or IEF buffer

water

IEF buffer

3 4 5

ntration (mg/ml)

ther water or IEF bufferin either water or IEF buffer to make two standard

Page 161: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 162: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 145 

accurate  of  the  three  colorimetric  assays.  Thus,  the  Bradford  assay  was  employed 

throughout this work with confidence for quantification of 2‐D samples.    

 

4.2.5 Isoelectric focusing 

The strips used in these experiments were 7 cm strips with an immobilised pH gradient 

(IPG) of either 3‐11 or 4‐7, as  indicated, with recommended sample  loads of 100 μg of 

protein.  Prior to application to the strips, either Coomassie Blue or Bromophenol Blue 

was added to the samples as a tracking dye. Though Coomassie  is a charged molecule, 

its use as a dye in IEF has been reported not to interfere with IEF, and in fact to result in 

better resolution, particularly for proteins with basic pIs, than when using Bromophenol 

Blue (Vilain et al., 2001). Coomassie Blue and Bromophenol Blue dyes were both used 

interchangeably  throughout  this  work  with  no  discernable  difference  in  quality  of 

focusing or spot resolution.  

 

Samples were  applied  to  IPG  strips  by  active  rehydration  at  50  V  for  12  hours.  The 

voltage was  then  increased  to 250 V  for  an hour  to  allow  for  the migration of  small 

charged  contaminants  to  the  electrodes  prior  to  focusing.  The  voltage  was  then 

increased  to  1000  V  for  an  hour  and  then  set  at  a maximum  of  8000  V  for  a  total 

focusing  period  of  20  000 VHrs.  The  current was  limited  at  50 mA,  and  as  such  the 

maximum set voltage was not usually reached and focusing was achieved over a longer 

period of time at lower voltages. IEF was performed using first the Bio‐Rad Protean IEF 

Cell  (Bio‐Rad)  and  later  the  Ettan  IPGphor  II  Isoelectric  Focusing  System  (GE 

Lifesciences). 

 

Page 163: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 146 

4.2.6 Equilibration 

Following IEF, it is necessary to prepare the proteins for SDS‐PAGE, which is achieved by 

incubating  the  strips  in  two  sequential  buffers.  Equilibration  is  required  before 

separation  in the second dimension to allow proteins to bind to SDS for separation by 

SDS‐PAGE,  and  also  to  ensure  that  proteins  are  reduced  and  alkylated  to  prevent 

reoxidation during the run. Equilibration was achieved through a 20 minute incubation 

in sequential equilibration buffers containing 6 M urea, 2% SDS, 0.375 M Tris and 20% 

glycerol with the first containing 10 mM DTT to ensure proteins remain soluble and do 

not aggregate when leaving the strip, and the second containing 2.5% iodoacetamide to 

alkylate cysteine  thiol groups of proteins.  Iodoacetamide also alkylates any  remaining 

DTT,  as  the  presence  of  excess  DTT  in  the  second  dimension  is  known  to  cause 

horizontal  streaking  in  2‐D  gels.  This  step  was  performed  without  modification 

throughout all experiments.  

 

4.2.7 Second dimension separation  

Following equilibration, strips were  loaded onto vertical 10 or 12.5% Tris/Glycine gels 

and overlaid with a 1% molten agarose solution. A  lane allowing  for molecular weight 

markers was included and gels were run at 90 V until all proteins were seen to enter the 

gel, at which point the voltage was increased to 120 V and proteins separated according 

to molecular weight. This step also remained consistent  throughout  the course of  the 

experiments.  

 

4.2.8 Visualisation 

As these experiments aimed to investigate the modification of only one, lowly abundant 

protein, visualisation was achieved through western blotting using three different FIH‐1‐

specific polyclonal  antibodies.  Sypro Ruby  staining  and Coomassie Blue  staining were 

Page 164: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 147 

used  for visualisation of  total protein  in a  limited number of 2‐D gels  to ensure good 

resolution across the entire gel area.  

 

4.3 Optimisation of Two‐Dimensional Electrophoresis 

2‐DE was undertaken to investigate the possibility of FIH‐1 modification, and determine 

whether any such modification may contribute  to  regulation of FIH‐1  in a cell‐specific 

manner. The data leading to this notion was generated from experiments performed in 

HeLa, 293T, Cos‐1, Caco‐2, HepG2  and PC12  cells,  and while  it was of  interest  to do 

experiments  using  lysates  from multiple  cell  lines,  initial  experiments were  aimed  at 

simply  generating  a  successful  protocol  that  gave  reproducible  results  before more 

comprehensive  analysis would be undertaken. Thus,  all early 2‐D  gels utilised  lysates 

from HeLa cells only, as this cell line was convenient to grow, had been shown to have 

similar  levels  of  FIH‐1  to  other  cell  lines,  and  sufficient  quantities  of  lysate  could  be 

generated without difficulty.  

 

4.3.1 Sample preparation method 1 

Concentrated  lysate was  prepared  from HeLa  cells  grown  under  standard  conditions 

and harvested at approximately 90% confluency. Cells were lysed in 2‐D Lysis Buffer 1 as 

described  above  prior  to  dilution  in  2‐D  Lysis  Buffer  2  containing  13%  CHAPS  (2‐D 

sample preparation method 1, see section 2.16.1 of Materials and Methods Chapter), 

and proteins separated by isoelectric focusing across a pH 4‐7 pH gradient using the and 

SDS‐PAGE.  

 

Proteins were  visualised by blotting with  the  anti‐FIH‐1 No.8  antibody. Blots  showed 

that the proteins were effectively separated and resolved, with four spots observed to 

Page 165: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 148 

migrate  to  the  expected  molecular  weight  for  FIH‐1  (Figure  4.3).  The  detection  of 

several  spots  of  different  pI  and  molecular  weight  using  the  anti‐FIH‐1  antibody 

supported the idea that modifications of FIH‐1 occurred. FIH‐1 has a predicted pI of 5.57 

and  an  estimated molecular  weight  of  40.38  kDa  (calculated  by  the  Scripps  online 

protein  calculator  at  www.scripps.edu/~cdputnam/protcalc.html).    These  spots, 

however, did appear to be in a more acidic position than expected. The strip contains an 

immobilised, linear pH range of 4‐7, thus a protein with a pI of 5.57 would be expected 

to  focus  in  the more basic  side of  the gel,  just  to  the  right of  the middle of  the blot. 

Detecting FIH‐1 with this antibody however did not show any proteins in that position, 

rather  the  spots detected were  focused at a position corresponding approximately  to 

5.1 along the  linear pH range. Resolution  in a more acidic position can be  indicative of 

modification, such as phosphorylation or deamidation, both modifications which confer 

a negative charge upon a protein and thus decrease the isoelectric point. 

 

Despite  some  successful 2‐DE using  this method, where  clear  resolution of  individual 

spots was achieved, IEF of samples prepared using method 1 was often problematic and 

gave inconsistent results (data not shown). Difficulties during IEF, such as low maximum 

voltages, long times taken to reach the desired total volt hours, and generation of heat 

along  the  strip during  the  IEF  run,  suggested  the presence of  ionic  contaminants. An 

obvious source of ionic strength in the sample was the SDS used during cell lysis. In an 

attempt  to  improve  the  resolution  and  consistency  of  the  method,  proteins  were 

precipitated to remove the SDS and any other contaminating substances that may have 

been present  in  the  samples. Precipitation of  samples prepared by method 1 did not 

seem  to  improve  results  (data  not  shown.)  Thus,  an  alternative  sample  preparation 

method was devised. 

 

Page 166: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

75

4                              

kDa

50

37

Figure 4.3  2‐DE of HeLa cell lysates usi

HeLa lysate was made by sample prepaon pH 4 7 immobiline strips (Bio Rad)on pH 4‐7 immobiline strips (Bio‐Rad).Cell, followed by 12.5% Tris/Glycine SDantibody was used for detection of FIHFIH‐1. Representative of > 3 independe

      pH          7

FIH‐1

WB: No.8

ing Method 1

aration Method 1. 100 μg of protein was separatedIEF was performed using the Bio Rad Protean IEFIEF was performed using the Bio‐Rad Protean IEF

DS PAGE. Immunoblotting with the No.8 anti‐FIH‐1H‐1. Arrow indicates predicted molecular weight ofnt experiments.

Page 167: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 168: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 151 

  

4.3.2 Sample preparation method 2 and precipitation  

The sample preparation protocol was altered to  involve direct  lysis of HeLa cells  into a 

buffer containing 8 M urea, 2% CHAPS buffer and 40 mM DTT (2‐D sample preparation 

method 2, see section 2.16.2 of Materials and Methods Chapter). To improve the purity 

of  the  samples,  an  additional  step  of  precipitation  using  a  2‐D  Clean  Up  Kit  was 

included.  

 

2‐DE  samples  were  prepared  using  method  2,  and  proteins  were  precipitated  and 

dissolved  in  IEF  buffer  by  sonication.  This method  consistently  yielded well  resolved 

spots  on  small  format  gels,  as  visualised  by  immunoblotting with  the No.8  antibody 

(Figure 4.4). The results showed a similar spot profile to that observed with the previous 

method, again indicating that FIH‐1 may be modified in HeLa cells. Method 2 was both 

simpler and also reduced the problems encountered during previous  IEF runs, such as 

low voltage and extensive times required to complete IEF. Sample preparation method 

2  was  thus  exclusively  employed  in  addition  to  precipitation  for  preparation  of  all 

subsequent 2‐D samples.  

 

It is important here to note that the manufacturer’s protocol for use of the kit had to be 

altered.   Recommended centrifugation speeds were 12 000 x g, however use of these 

speeds was found to cause precipitated protein to form pellets so compact that proper 

washing and resuspension of the pellet  in  IEF buffer could not be achieved, even with 

extensive  sonication  of  samples  in  a  sonicating  bath. Due  to  the  undesirable  effects 

associated with  heating  samples  in  urea,  care was  care  taken  to  keep  samples  cool 

during sonication. Samples were placed on  ice between short sonication steps, and  ice 

was  also  added  to  the  sonication  bath.    Ultimately,  to  circumvent  the  difficulties 

encountered with resuspending and dissolving precipitated proteins, subsequent use of  

Page 169: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 170: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

4                                kDa

50

37

75

kDa

37

WB: N

Figure 4.4 2‐DE of HeLa lysates using M

HeLa lysate was prepared using MethodUp Kit followed by resuspension in IEF b7 immobiline strips (Bio‐Rad) and IEFfollowed by 12.5% Tris/Glycine SDS PA

l lArrow indicates predicted molecular windependent experiments.

    pH          7

FIH‐1

No.8 anti‐FIH‐1 polyclonal Ab

Method 2

d 2. Samples were precipitated using the 2‐D Cleanbuffer. 100 μg of protein was separated by on pH 4‐F performed using the Bio‐Rad Protean IEF cell,AGE and immunoblotting with the No.9 antibody.

h f l fweight of FIH‐1. Results are representative of > 3

Page 171: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 172: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 155 

the  2‐D  Clean  Up  Kit  involved  centrifugation  steps  of  approximately  half  the 

recommended speed. This was found to pellet precipitated protein effectively and also 

enabled easy resuspension and dissolution of pellets without the need for sonication. 

 

4.3.3 Sample preparation using method 2 and optimised precipitation protocol  

At this time, a different IEF apparatus became available. The Ettan IPGphor II Isoelectric 

Focusing System (GE Lifesciences) offered the advantages of monitoring of voltage and 

current over the entire focusing protocol and also provided a graphical readout of each 

of  these parameters. All  subsequent 2‐D gels described  in  this  thesis were generated 

using the Ettan IPGphor II Isoelectric Focusing System for IEF.  

 

To  assess  protein  resolution  across  the  entire  gel  area  using  the  optimised  sample 

preparation protocol and the new IEF system, small‐format 2‐D gels of HeLa lysate were 

generated and stained with Coomassie or Sypro Ruby. A representative 2‐D gel is shown 

in Figure 4.5, where 100 μg of HeLa lysate was separated using a 7 cm IPG strip of pH 3‐

11,  followed  by  12.5%  Tris/Glycine  SDS‐PAGE  and  staining  with  Sypro  Ruby.  This 

confirmed that good resolution was achieved across the middle of the pH range, with 

some  loss at the extreme acidic end which was to be expected, and which should not 

interfere with FIH‐1  resolution. This gel was not  run  far  in  the  second dimension and 

reveals  excellent  spot  resolution  between  20  kDa  to  approximately  90  kDa,  easily 

encompassing FIH‐1.  

 

Samples prepared by method 2 and precipitated were subjected to IEF using the Ettan 

IPGphor II IEF System across 7 cm pH 4‐7 IPG strips and the second dimension gels were 

run further to enable better separation of the spots of  interest. Blotting with the No.9 

anti‐FIH‐1  antibody  however  revealed  a  distinct  spot  profile  (Figure  4.6)  to  that 

observed previously (Figures 4.3 and 4.4). Firstly, the spots detected on the HeLa blot  

Page 173: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 174: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

100

200

250

3                                                     kDa

75

50

100

37

25

20

Figure 4.5 Sypro Ruby stain of HeLa lys

HeLa lysate was made by Sample Prepaof protein was separated by on pH 3‐using the Ettan IPGphor II Isoelectricusing the Ettan IPGphor II Isoelectric12.5% Tris/Glycine SDS PAGE. TotalPredicted weight of FIH‐1 is indicated.

   pH                                                    11  

(FIH‐1)

Sypro Ruby Stain

sate 2‐D gel

aration method 2 followed by precipitation. 100 μg‐11 IPG strip (GE Lifesciences) and IEF performedc Focusing System (GE Lifesciences) followed byc Focusing System (GE Lifesciences), followed byprotein was detected using Sypro Ruby stain.Representative of two independent experiments.

Page 175: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 176: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

75

50

4                                  

kDa

37

Figure 4.6 2‐DE of HeLa cell lysate

Cell lysates were prepared using Methwere precipitated and resuspended inpH 4‐7 IPG strips and IEF performedSystem, followed by 10% Tris/Glycimmunoblotting with the No.9 antibodFIH‐1. Representative of > 3 independe

     pH                                   7

WB: No.9 anti‐FIH‐1

FIH‐1

od 2, lysing cells directly into IEF buffer. SamplesIEF buffer. 100 μg of protein was separated by onusing the Ettan IPGphor II Isoelectric Focusing

cine SDS PAGE. Results were visualised bydy. Arrow indicates predicted molecular weight ofent experiments.

Page 177: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 178: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 161 

with the No.9 antibody are clearly positioned in a more basic part of the blot than those 

observed  previously.  Here,  a  string  of  four  spots  of  different  pIs,  and  possibly  two 

different molecular weights, were detected in a more basic region of the 2‐D blot. What 

is also evident in this blot is that the four spots previously observed in the more acidic 

region of the blot using the No.8 antibody are not seen here. The position of the spots 

on  the more  basic  half  (extending  between  approximately  pH  5.3‐5.6)  of  the  blots 

however  is  quite  different  to  the  position  of  spots  observed  in  earlier  experiments, 

which focused in the more acidic part of the blot, around pH 5.0. The isoelectric point of 

FIH‐1 as observed  in the  later experiments using an optimised protocol  is closer to the 

predicted isoelectric point of 5.57. This more basic spot profile was repeatedly observed 

with both No.8 and No.9 antibodies in all subsequent 2‐D blots.  

 

4.3.4 Different spot profiles an artefact of sample preparation 

The discrepancy between the two different pIs observed could be an artefact of sample 

preparation. The early experiments were confounded by ionic contamination leading to 

extended  focusing  times  and  elevated  temperatures  during  IEF.  Removal  of 

contaminating  substances  by  precipitation  also  required  optimisation,  and  initial 

experiments  including a precipitation  step  involved  sonication of  samples  to  facilitate 

dissolution  in  IEF  buffer.  This  increased  both  handling  times  and  also  an  elevated 

temperature of the sample  in the presence of urea before the protocol was altered to 

avoid the sonication step.  

 

Thus one possible  reason  for  the  increased acidity of  the pI of FIH‐1  in early 2‐D gels 

could  be  carbamylation  of  the  protein.  Urea  decomposes  in  solution  to  ammonium 

cyanate, and cyanate is able to react with available amino groups on lysine, arginine and 

cysteine residues, or the N‐terminus, of a protein.  This reaction involves the removal of 

the positively charge amino group and attachment of a carbamoyl group, conferring a 

Page 179: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 162 

more acidic  isoelectric point on  the carbamylated protein. The decomposition of urea 

into  ammonium  cyanate  is  known  to be enhanced with  increasing  temperatures  and 

over time. Implementation of each of the early protocols caused elevated temperatures 

and  increased handling times when proteins were  in the presence of 8 M urea (either 

during  the  IEF  run  in  method  1,  or  during  sonication  of  samples  to  facilitate 

resuspension following precipitation in both method 1 and method 2), and would likely 

also have led to increased generation of ammonium cyanate and thus carbamylation of 

the proteins. Indeed, carbamylation has been found to induce dramatic shifts of protein 

spots  in  2D  maps  (McCarthy  et  al.,  2003).  Later  experiments  limited  sample 

temperatures and handling times by avoiding  long IEF times and sonication steps, thus 

minimising the likelihood of protein modification by urea decomposition. Carbamylation 

is therefore a possible contributor to the observed difference in spot position between 

early 2‐D gels and later 2‐D gels generated using the optimised protocol. 

 

4.3.4 Summary of preliminary HeLa experiments 

Sample  preparation  protocols  and  IEF  parameters  required  extensive  optimisation  in 

order  to  achieve  reproducible  results.  Two  sample  preparation  methods  were 

employed. Though  a  spot profile  for  FIH‐1 was observed  in 2‐D  gels  generated using 

method  1,  this  method  was  associated  with  extensive  times  taken  to  reach  the 

prescribed number of VHrs. Method 2 was used  in conjunction with precipitation and 

overall  avoided  the  problems  associated  with  method  1,  enabling  successful  IEF. 

However, using the 2D Clean Up Kit according to the recommended protocol resulted in 

difficulties dissolving precipitated protein pellets  in  IEF buffer, and required additional 

steps of  sonication  to achieve  solubility.   The  final optimised protocol  for 2‐D  sample 

preparation devised for lysis and solubilisation of HeLa cells involved direct cell lysis into 

IEF  buffer  with  added  phosphatase  inhibitors,  precipitation  of  samples  and  slow 

centrifugation steps to facilitate easy resuspension into IEF buffer.  

Page 180: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 163 

 

The results obtained during optimisation of a robust 2‐DE protocol are  interesting, not 

only in the indication that FIH‐1 is indeed present in various forms in HeLa cells, but also 

as a comparison of the effects of sample preparation on resolution of proteins in 2‐DE. 

The  clearly  different  spot  profiles  obtained when  using  different  sample  preparation 

methods highlighted the  importance of a rigorous and carefully performed protocol  in 

achieving reliable results and reducing the likelihood of sample preparation artefacts.   

 

Overall, these preliminary results indicate that there are several different forms of FIH‐1 

present  in  HeLa  cells.  2‐D  immunoblots  generated  using  the  optimised  sample 

preparation protocol consistently  showed up  to  four  spots with different pIs and  two 

molecular weights, supportive of the PTM of FIH‐1 in HeLa cells. The work performed so 

far had enabled optimisation of a successful,  reproducible 2‐DE protocol, which could 

now be applied to investigate the spot profile of FIH‐1 in other cell lines. 

 

 

4.4 Two‐Dimensional Electrophoresis Results 

Once a reliable 2‐DE protocol had been devised,  it was  important to next validate the 

spot profile observed in HeLa cells and investigate the modification of FIH‐1 in other cell 

lines, with particular  interest  in discerning any differences  in spot profile between cell 

lines that may relate to differences in FIH‐1 regulation. 

 

Subsequent 2‐DE experiments performed using HeLa lysates according to the optimised 

protocol  involving  sample  preparation  method  2  and  precipitation  with  reduced 

centrifugation speeds corroborated the results seen in Figure 4.6. Here, NB 100‐428 was 

Page 181: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 164 

used to detect FIH‐1 in blots of HeLa lysate separated by 2‐DE (Figure 4.7). This antibody 

also detected spots in the basic side of the blot, similar to the spots detected in 293T  

and Cos‐1  lysates using both No.8 and No.9 antibodies. FIH‐1 was observed to resolve 

into  at  least  three  spots  of  different  pI,  and  two  different molecular weights. Again, 

these results are consistent with the modification of FIH‐1 in HeLa cells.  

 

The other cell lines to be investigated included Cos‐1, 293T, HepG2 and Caco‐2 cell lines, 

due to the previously discussed data suggesting differences in FIH‐1 activity (see Section 

1.2.4). Additionally,  it was of  interest to  investigate the spot profile of FIH‐1  in the wt 

and FIH‐1‐/‐ MEFs, as comparison of the spot profiles of these two samples would more 

definitively demonstrate which spots were  likely to be FIH‐1. Also, while the other cell 

lines  are  derived  from  various  cancer  tissues  and  thus  can  be  presumed  to  contain 

genetic  alterations which may  or may  not  affect  FIH‐1 modification,  the MEFs  are  a 

primary cell line as such may provide a more accurate representation of “normal” FIH‐1 

modification.   

 

4.4.1 2‐DE of MEF lysates 

In  order  to  definitively  show  that  the  more  basic  spot  pattern  observed  in  later 

experiments was  indeed FIH‐1, 2‐D  separation of wt and FIH‐1‐/‐ MEF cell  lysates was 

performed and FIH‐1 detected using anti‐FIH‐1 antibody NB 100‐428  (Figure 4.8). The 

wt MEF 2‐D blot shows a trail of spots that appear above the 37 kDa marker and at a pH 

of approximately 5.3‐5.6 (Figure 4.8 a). These spots are absent  in the FIH‐1‐/‐ MEF blot 

(Figure 4.8 b),  suggesting  that  these  spots  represent FIH‐1. This position  is  consistent 

with  the predicted molecular weight  and pI of  FIH‐1,  and  is  consistent with  the  spot 

profile  observed  for  FIH‐1  on  2‐DE  blots  of  HeLa  cell  lysates  generated  using  the 

Page 182: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

4                            kDa

37

50

75100

kDa

Figure 4.7 2‐DE of HeLa lysateFigure 4.7 2 DE of HeLa lysate

HeLa cell lysates were prepared usingprotein as separated by on pH 4‐7 IPGIsoelectric Focusing System, followedvisualised by immunoblotting with theof FIH‐1 is indicated. Representative of

   pH                              7

FIH‐1

WB: anti‐FIH NB 100‐428

g Method 2 followed by precipitation. 100 μg ofstrips and IEF performed using the Ettan IPGphor IId by 10% Tris/Glycine SDS PAGE. Results wereNB 100‐428 antibody. Predicted molecular weightf >3 independent experiments.

Page 183: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 184: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

kDaa. 

4                                

75

100200

50

37

4                               

b. 

100200

kDa

75

50

37

Figure 4.8 2‐DE of wt and FIH‐/‐MEF lysa

Wt (a) and FIH‐1‐/‐ (b) MEF lysates wereby precipitation. 125 μg of each lysaperformed using the Ettan IPGphor IITris/Glycine SDS PAGE. FIH‐1 was detectof 2 independent experiments.

      pH                                    7

wt MEFs

FIH‐1

WB: anti‐FIH NB 100‐428

       pH                                    7

FIH‐1 ‐/‐ MEFs

WB: anti‐FIH NB 100‐428

ates

made using Method 2 and contaminants removedte was loaded onto pH 4‐7 IPG strips and IEFIsoelectric Focusing System, followed by 12.5%

ted using the NB 100‐428 antibody. Representative

Page 185: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 186: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 169 

optimised  2‐DE  sample  preparation  protocol  (Figures  4.6  and  4.7).  Significant 

background staining was observed in each blot, and the background spot patterns were 

consistent between both wt and ko MEF  blots. 

 

This experiment definitively demonstrated  that  the more basic  spot  train observed  in 

multiple  experiments  is  FIH‐1,  validating  the  results  achieved  using  the  optimised 

sample  preparation method.  Importantly,  it  demonstrated  the  presence  of multiple 

forms of FIH‐1 in a primary cell line, supporting the existence of multiple modifications 

of FIH‐1.  

 

4.4.2 2‐DE of Cos‐1, 293T and HeLa cell lysates 

Lysates  from  293T  and  Cos‐1  cells were  separated  by  2‐D  PAGE  using  the  optimised 

sample preparation protocol  (method 2 and precipitation) and  IEF protocol described 

above.  Immunoblotting  was  performed  using  the  No.8  polyclonal  antibody  which 

detected  background  protein  spots  in  2‐D  blots  and  also  appeared  to  bind  non‐

specifically  to membranes, confounding visualisation of FIH‐1.   The best example of a 

blot achieved using the No.8 antibody is a 2‐DE blot of Cos‐1 lysate shown in Figure 4.9. 

Here,  a  string of possibly  four  spots was detected  at  the predicted  size of  FIH‐1  and 

consistent with the pI observed for FIH‐1 from HeLa cell lysates (Figures 4.6 and 4.7) and 

MEF  lysates (Figure 4.8). These results suggested that FIH‐1 exists  in multiple states  in 

Cos‐1 cells, consistent with multiple PTMs.  

 

2‐DE blots of 293T  lysates were visualised by  immunoblotting with the No.9 anti‐FIH‐1 

antibody (Figure 4.10). A spot train consisting of three or possibly four spots of different 

pI,  and  also  a  series  of  spots  of  two  different  molecular  weights,  was  detected, 

supportive of several modified forms of FIH‐1 from 293T cell lysates.  

Page 187: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 188: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

75

100

4                               kDa

37

50

Figure 4.9 2‐DE of Cos‐1 cell lysate

Cos‐1 cell lysates were prepared usinfollowed by precipitation. 100 μg of prperformed using the Ettan IPGphor ITris/Glycine SDS PAGE. Results were visArrow indicates predicted molecular wexperiments.

       pH                                   7

WB: No 8 anti‐FIH‐1

FIH‐1

WB: No.8 anti FIH 1

ng Method 2, lysing cells directly into IEF buffer,rotein was separated on pH 4‐7 IPG strips and IEFI Isoelectric Focusing System, followed by 10 %ualised by immunoblotting with the No.8 antibody.weight of FIH‐1. Representative of 3 independent

Page 189: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 190: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

100

4                                    kDa

50

75

37

Figure 4.10 2‐DE of 293T cell lysate

Cell lysates were prepared by lysingprecipitation. 100 μg of protein was susing the Ettan IPGphor II Isoelectric FPAGE. Results were visualised by immArrow indicates predicted molecular weArrow indicates predicted molecular weexperiments .

   pH                                   7

FIH‐1

WB: No.9 anti‐FIH‐1

g cells directly into IEF buffer (Method 2) andeparated on pH 4‐7 IPG strips and IEF performedocusing System, followed by 10% Tris/Glycine SDSmunoblotting with the No.9 anti‐FIH‐1 antibody.eight of FIH 1 Representative of > 3 independenteight of FIH‐1. Representative of > 3 independent

Page 191: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 192: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 175 

 

Due  to  the  reported differences  in  subcellular  localisation of FIH‐1  reported  in breast 

cancer,  it was of  interest  to  investigate any potential differences  in FIH‐1  spot profile 

between  cytoplasmic  and  nuclear  fractions.  HeLa  lysates  were  subjected  to 

subfractionation  into cytosolic and nuclear extracts. Each extract was precipitated and 

resuspended in IEF buffer for IEF prior to SDS‐PAGE, and FIH‐1 detected using the No.9 

antibody.  Specific nuclear and  cytosolic markers were used  to ascertain purity of  the 

fractions  (Figure  4.11  a).  The  results  showed  that  there  was  no  difference  in  spot 

pattern between cytoplasmic or nuclear FIH‐1 from HeLa cells (Figure 4.11 b, c).  

 

In  summary,  the  results  achieved  in  implementation  of  the  optimised  sample 

preparation protocol Cos‐1, 293T and HeLa cell lysates all exhibited a similar spot profile 

for  FIH‐1  as  detected  by  three  different  anti‐FIH‐1  antibodies.  The  pattern  of  spots 

observed  indicates that there are up to  four  forms of FIH‐1 with different pI, and two 

forms  of  FIH‐1  with  different  molecular  weights.  These  results  suggest  that  FIH‐1 

protein is modified in these cell lines.   

 

4.4.3 2‐DE of 293T, Cos‐1, Caco‐2 and HepG2 cell lysates 

The other cell lines to be investigated by 2‐DE were those that were found by reporter 

assay to exhibit varying levels of oxygen‐dependent regulation of FIH‐1. As HeLa, Cos‐1 

and 293T cell lines belonged to the group that demonstrated HIF‐α‐CAD activity at more 

moderate hypoxia (10% and 5% oxygen), it was of interest to compare the spot profile 

of FIH‐1 in these cells to FIH‐1 from Caco‐2 and HepG2 cells where HIF‐α‐CAD was only 

active at <1% oxygen. To this end, 293T, Cos‐1, Caco‐2 and HepG2 cells were all grown 

at normal oxygen levels and lysates prepared for 2‐DE by addition of IEF buffer to cells, 

followed  by  precipitation  and  resuspension  in  IEF  buffer.  Following  2‐DE,  FIH‐1 was 

detected using the NB 100‐428 anti‐FIH‐1 antibody, and results of 293T (a), Cos‐1 (b),  

Page 193: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 194: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Subcellular Fraction

a. 

4

b. 

Anti‐paxillin

C      N  75

75 50

75

100

kDa

Anti‐nucleoporin37

c. 

50

75

100

4

kDa

37

50

Figure 4.11 Subcellular fractionation of

Cytoplasmic and nuclear HeLa cell lysafollowed by nuclear lysis in nuclear e(anti‐paxillin) and nuclear‐ (anti‐nucleoto proteins in each fraction being precprotein was separated by on pH 4‐7 IPGII Isoelectric Focusing System, followcytoplasmic (a) and nuclear (b) proteinsantibody. Predicted molecular weighindependent experimentsindependent experiments.

4                             pH                              7

FIH‐1

4                             pH                              7

WB: No.9 anti‐FIH‐1

FIH‐1

f HeLa cell lysates and 2‐DE

tes were prepared by cell lysis in hypotonic bufferextract buffer. Immunoblotting using cytoplasmic‐oporin) specific antibodies was performed (a) priorcipitated and resuspended in IEF buffer. 100 μg ofG strips and IEF performed using the Ettan IPGphorwed by 10% Tris/Glycine SDS PAGE. Results fors were visualised by immunoblotting with the No.9ht of FIH‐1 is indicated. Representative of 2

Page 195: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 196: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 179 

Caco‐2 (c) and HepG2 (d) cell  lysates are shown  in Figure 4.12. All four blots show the 

detection of a series of spots with a molecular weight of approximately 40 kDa  in the 

basic  half  of  the  blot  corresponding  to  a  pI  of  between  approximately  5.5  and  5.9.  

These  results  are  in  agreement  with  the  predicted  size  and  pI  of  FIH‐1  and  also 

consistent with the results achieved previously using this optimised protocol. Three to 

four forms of FIH‐1 with different pI are evident  in 293T, Cos‐1 and HepG2 blots, with 

five different pI forms of FIH‐1 seen in Caco‐2 blots. Additionally, as a consequence of a 

clean antibody signal or superior spot resolution, two different molecular weight spots 

can clearly be seen in Cos‐1, HepG2 and Caco‐2 cells. These results indicate that FIH‐1 is 

subjected to modifications affecting pI in these cell lines.  

 

The excellent resolution achieved enabled a comparison of FIH‐1 spot patterns between 

the cell lines. Spot intensity in 2‐DE can roughly be equated to the relative abundance of 

protein amount and therefore provide an indication of the relative amounts of each of 

the modified forms of a protein. Regarding the different activity levels of the CAD, and 

by inference, FIH‐1,  observed by reporter assays, 293T and Cos‐1 cells belonged to the 

group where more moderate hypoxia (10% ‐ 5% oxygen) was sufficient to see a decline 

in  FIH‐1  activity,  and  Caco‐2  and  HepG2  cell  lines  belonged  to  the  group  that  only 

displayed CAD activity at <1% oxygen. It is therefore interesting to note the similarities 

between FIH‐1 spot patterns  in 293T and Cos‐1 cells, and Caco‐2 and HepG2 cells, and 

the marked differences between each pair.  

 

Strikingly, the pattern of spot  intensity  is altered between each pair. 2‐D blots of 293T 

and Cos‐1  cell  lysates each  show  three or  four  spots of different pI, where  the most 

basic spot is the most intense, and trend of decreasing spot intensity is observed along 

the series as the spots as the pI becomes more acidic. In Caco‐2 and HepG2 lysates, four 

or more different pI forms of FIH‐1 are seen, and while  in Caco‐2 and HepG2 cells the 

most intense spots are represented by the most basic spots, the consistent decline in  

Page 197: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 198: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a. 293T cells

100

kDa

4                          p

75

4                         

37

50

b. Cos‐1 cells

75

100

kDa  4                         

37

50

H                          7

          pH                                  7

FIH‐1

WB: anti‐FIH NB 100‐428

             pH                                  7

FIH‐1

WB: anti‐FIH NB 100‐428

Page 199: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 200: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

c. Caco‐2 cells

4

75

100

4                            kDa  

37

50

d. HepG2 cells

75

100

kDa  4                           

37

50

Figure 4.12 2‐DE of 293T, Cos‐1, Caco‐2Figure 4.12 2 DE of 293T, Cos 1, Caco 2

293T (a), Cos‐1 (b), Caco2 (c) and Hepinto IEF buffer. The samples were preciμg of each lysate was loaded onto pHIPGphor II Isoelectric Focusing System,detected using the commercial NB 100‐is indicated. Representative of >3 indep

pH 7          pH                                  7

FIH‐1

WB: anti‐FIH NB 100‐428

          pH                                  7

FIH‐1

2 and HepG2 cell lysates

WB: anti‐FIH NB 100‐428

2 and HepG2 cell lysates

pG2 (d) cell lysates were made direct lysis of cellsipitated and pellets resuspended in IEF buffer. 1004‐7 IPG strips and IEF performed using the Ettanfollowed by 10% Tris/Glycine SDS PAGE. FIH‐1 was‐428 antibody. Predicted molecular weight of FIH‐1endent experiments.

Page 201: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 202: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 185 

intensity of increasingly acidic spots observed on 293T and Cos‐1 cells is not seen here. 

Rather,  in Caco‐2 2‐D blots,  the  spot directly  left of  the most basic and most  intense 

spot  is very faint, with the second most  intense spot occupying a more acidic position. 

Similarly,  the  intensity  of  the  spots  observed  on  HepG2  2‐D  blots  occurs  “out‐of‐

sequence”, where the most basic spot is as intense as the second most acidic spot, and 

the  intermittent spots are more  faint. These differences  imply  that  in 293T and Cos‐1 

cells,  the  form of  FIH‐1  represented by  the most basic  spot  in  the  series  is  the most 

abundant  form  in  these cells, and  that  the more acidic  forms of FIH‐1 occur with  less 

frequency. In Caco‐2 and HepG2 cells however, the most basic form of FIH‐1 is also the 

most highly abundant, however, more acidic  forms of FIH‐1 are present  in  these cells 

with greater abundance than in 293T or Cos‐1 cells. What modifications are represented 

by  these  differentially  charged  forms  of  FIH‐1  and  what  consequences  these 

modifications may have for the regulation of both FIH‐1 and HIF‐α activity in specific cell 

types are of considerable interest and worthy of further investigation.   

 

4.5 Summary and Discussion 

In  summary,  2‐D  experiments  investigating  the modification  of  FIH‐1  in  different  cell 

lines are consistent with the existence of different modified  forms of FIH‐1. FIH‐1 was 

seen  to  resolve  as  up  to  five  distinct  forms  with  different  pIs  and  two  different 

molecular weights. Though  there was  some ambiguity  regarding  the position of FIH‐1 

using  different  sample  preparation  protocols  during  early  experiments  where  the 

protocol was  being  optimised,  the  comparison  of wt  and  FIH‐1‐/‐ MEF  lysates  gave  a 

clear  indication of where on a 2‐D gel FIH‐1  is expected  to migrate and validated  the 

results seen  in all five of the other cell  lines examined. Furthermore, this position  is  in 

agreement with the predicted size and pI for FIH‐1. Overall, these results showed that in 

Page 203: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 186 

six different cell lines and using three different antibodies, multiple forms of FIH‐1 with 

different pI and molecular weight were detected in 2‐D blots.  

 

Significantly, comparison of the spot patterns between cells seems to suggest that these 

modifications  may  occur  differentially  in  a  cell‐type  specific  manner.  While  this  is 

somewhat  speculative,  it  is  interesting  that  the  cell  lines  that exhibited  similarities  in 

FIH‐1 activity also exhibit similarities  in spot patterns. Returning  to  the reporter assay 

data from Bracken et al (2006),  if each  individual spot detected does  indeed represent 

unique modification of FIH‐1, these results suggest that the dominant form of FIH‐1  in 

Cos‐1 and 293T cells is the most basic form and that this corresponds to a lower level of 

hydroxylation of HIF‐α in these cells.  In Caco‐2 and HepG2 cells, other modifications are 

aloes abundant, evidenced by high intensity of some of the more acidic spots, and this 

corresponds to a greater  level of hydroxylation and repression of HIF‐α transcriptional 

activity by FIH‐1.   

 

There  are many  PTMs  known  to  alter  a  proteins’  charge.  A  decrease  in  pI,  or  the 

presence of an acidic  spot  train,  can either be  indicative of a PTM  that  increases  the 

negative charge, or conversely decreases  the positive charge, of a protein.   The most 

well known example is phosphorylation, which involves addition of a negatively charged 

phosphate  (PO4‐)  group. Additionally, deamidation, where  a positively  charged  amide 

group is removed from either asparagine or glutamine residues to give aspartic acid and 

glutamic acid, respectively, also causes a shift of proteins in the acidic direction through 

loss of the positive charge. Acetylation of lysine residues also removes a positive charge 

by  removing  the  terminal amide group of  the  lysine  side chain  for attachment of  the 

acetyl  group.  Lesser  known modifications  that  confer  a  negative  charge  to  a  protein 

include  the  covalent  attachment  of  negatively  charged  ADP‐ribose  to  a  protein,  a 

process  termed PARsylation, or poly ADP‐ribosylation. Conversely, other PTMs do not 

alter  the  overall  charge  of  a  protein.  While  the  existence  of  neutral  PTMs  is  not 

Page 204: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 187 

precluded  by  these  data,  such modifications would  not  contribute  to  pI  changes  or 

distinct  spots  on  a  2‐D  gel.  Though  nitrosylation was mentioned  in  the  Introduction 

Chapter  (See Section 1.5.3),  this modification does not alter pI at neutral pH and was 

therefore not considered to be a contributor to the FIH‐1 spot profile observed. 

 

FIH‐1 appears  to be modified  in  the  cell  lines  investigated here. Clearly however,  the 

nature of the modification(s) that give rise to the different pIs of each form of FIH‐1 are 

unknown. A number of modifications exist  that can alter  the charge of a protein and 

affect  its migration  in 2‐DE.  In order  to  identify  the nature of FIH‐1 modification,  the 

next chapter investigates the nature of the possible PTMs by purification of FIH‐1 from 

cells and analysis by MS.  

 

Page 205: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 206: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 189 

 

CHAPTER 5 

 

PURIFICATION OF 

FIH‐1

Page 207: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 208: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 191 

5 PURIFICATION OF FIH‐1 

 

5.1 Overview 

The  results of  the 2‐DE experiments described  in  the previous chapter suggested  that 

there  are multiple  forms  of  FIH‐1  in  cells.  It was  therefore  of  immediate  interest  to 

formally  demonstrate  FIH‐1  modification  and  to  identify  the  nature  of  the 

modification(s)  that gave rise  to  the multiple protein spots observed  in 2‐D blots. The 

aim of  this  section of work was  therefore  to purify FIH‐1  from mammalian cell  lysate 

with  sufficient purity  and  yield  to MS  for  characterisation of  any modifications.  Such 

detailed analysis of PTMs would require μg quantities of purified protein as a minimum. 

This was to be done collaboratively, with the MS analysis to be performed by Professor 

Jeffrey Gorman  and  Johana Chicher  at  the Queensland  Institute of Medical Research 

(QIMR).  

 

Several methods  for  FIH‐1  purification  from HeLa  cells were  undertaken.  Briefly,  the 

first strategy  for enrichment of FIH‐1 was the  IP of endogenous FIH‐1 with three anti‐

FIH‐1 antibodies. Secondly, a novel method was created  that utilised  the high‐affinity 

interaction of  FIH‐1 with an ankyrin  repeat domain by using a Notch polypeptide  for 

purification of  endogenous  FIH‐1  from  lysate.  Following optimisation of  this method, 

HeLa cells stably overexpressing a Myc‐6His‐tagged FIH‐1 were created to increase yield 

and  purity  of  purified  FIH‐1,  and  the  Notch‐affinity  method  was  applied  in  the 

purification  of  overexpressed  FIH‐1.  Concurrently,  denaturing  nickel  affinity 

chromatography was performed to purify Myc‐6His‐FIH‐1 from stable cell lysate. Details 

of each method,  including steps taken to optimise each protocol and results achieved, 

are described below.  

 

Page 209: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 192 

 

5.2 Immunoprecipitation of Endogenous FIH‐1 

The  first method employed  to purify FIH‐1  from cell  lysate was  IP of FIH‐1  from HeLa 

cells. This method was chosen  to enable purification of endogenous FIH‐1. HeLa cells 

were  selected  because  they were  used  in much  of  the  2‐DE  experiments  that  gave 

clean,  reproducible  results,  and  also  because  they  are  a  fast  growing  cell  line  that 

enabled more rapid generation of large amounts of lysate. Initially, small scale IPs were 

carried out using three different anti‐FIH‐1 antibodies to assess the ability and efficiency 

of  each  antibody  to  immunoprecipitate  endogenous  FIH‐1.  Contingent  upon  good 

results  being  achieved  from  these  preliminary  experiments,  the  overall  aim  was  to 

substantially  scale  up  the  successful  protocol  to  provide  enough  material  for  MS 

analysis.  

 

The antibodies used  for FIH‐1  IP  included  two  rabbit polyclonal antisera generated  in 

house  against MBP‐FIH‐1,  No.8  and  No.9,  and  the  commercially  available  polyclonal 

antibody NB 100‐428. The No.8 and No.9 antibodies had not been previously tested for 

IP. Protein A sepharose was used to bind the immune complexes and unbound proteins 

were removed by washing the resin several times prior to elution by heating the resin to 

95°C  in SDS sample buffer. Preliminary small‐scale  IPs using 200 μg of HeLa  lysate and 

either the No.8 or No.9 PoAbs demonstrated  inefficient binding of FIH‐1, as there was 

no  enrichment  of  FIH‐1  in  the  eluted  fraction  compared  to  input  protein,  and  there 

were high amounts of non‐specific binding of proteins observed (data not shown).  

 

Extensive optimisation was undertaken to improve both yields and specificity. To reduce 

the non‐specific binding of proteins to protein A, the lysate was precleared with protein 

A  sepharose.  The preclearing  step was  first  included  alone,  and  then  in  combination 

with blocking the resin with 0.5 μg/μl BSA for further reduction of non‐specific binding. 

Page 210: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 193 

Total input protein was increased from 200 μg to 500 μg or 1 mg per IP, and the length 

of  time  for  both  antibody‐antigen  complex  formation  and  antibody‐antigen  complex 

binding  to  resin  was  also  increased  from  2  hours  to  6  hours  or  overnight.  Varying 

dilutions  of  each  of  the  three  anti‐FIH‐1  antibodies  were  used  to  seek  a  balance 

between obtaining a good yield and minimising non‐specific binding of proteins to the 

antibodies.  The  amount of  antibody used  in  the  IP was decreased  from  a dilution of 

1:200  to  dilutions  of  1:500,  1:750  and  1:1000  to  try  to  reduce  the  high  levels  of 

background proteins binding in the IPs. 

 

A  representative  experiment  using  No.9  and  NB  100‐428  antibodies  is  presented  in 

Figure  5.1.    In  this  IP, 900  μl of HeLa  lysate  (4  μg/μl) was precleared with Protein A 

sepharose. Seven  IPs containing 125  μl of  the precleared  lysate each, or 500  μg  total 

protein, were then initiated by addition of the antibodies at dilutions of 1:200, 1:500, 1: 

750 and 1:1000 for No.9, and 1:200 and 1:400 for NB 100‐428. Immune complexes were 

allowed  to  form during a 2 hour  incubation at 4°C.   Protein A sepharose was blocked 

with BSA and was then added to each IP to bind the antibody‐antigen complexes. Bound 

protein was eluted by heating resin in SDS sample buffer, a method which also liberated 

the antibody from the resin and resulted in detection of the light (~25 kDa) and strong 

detection of the heavy (~50 kDa) chains of the antibody in western blots. The first lane 

in Figure 5.1 contains 10% input lysate, and the following six lanes contain the results of 

the  six different  IPs performed.   To help discern which bands are due  to elution and 

reduction of the antibody, an antibody only “IP” was included in this experiment (lane 8 

of Figure 5.1). It is evident from this western blot that much of the “background” seen 

in  the  IP  lanes  is derived  from  the  reduction of  the  antibodies  into  their  constituent 

subunits. A  lysate‐only negative  lane was  also  included  to  ascertain  if,  following pre‐

clearing  and  blocking,  proteins  in  the  lysate were  still  binding  non‐specifically  to  the 

resin (lane 9). That there are no significant bands around the size of FIH‐1 present in this 

lane suggested that non‐specific binding of proteins to the resin did not contribute to  

Page 211: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 212: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

No.9 IP

75100

kDa

50

37

Figure 5.1 Immunoprecipitation of FIH

25

1         2       3        

Figure 5.1 Immunoprecipitation of FIHHeLa cell lysates were incubated with pprotein‐A. 500 μg of lysate was incubavolume of 1 ml in binding buffer, andhours. Protein‐A sepharose beads wcontaining 0.5% BSA at 4°C for 1 houovernight incubation at 4°C. Resin wasPAGE d l d b i bl iPAGE and analysed by immunoblottingRepresentative of 6 independent exper

PNB 100‐428 IP

h

FIH‐1

Heavy chain

Light chain

‐1

 4        5        6        7        8      9WB: Anti‐FIH‐1 No.9

1protein‐A sepharose to reduce proteins that bind toated with the indicated antibody dilution in a totalantibody‐antigen complexes were formed over 2

were blocked by incubation in blocking bufferur prior to addition of 70 μl of slurry per IP andwashed and protein eluted and separated by SDS‐P di d l l i h f FIH 1 i i di dg. Predicted molecular weight of FIH‐1 is indicated.

iments.

Page 213: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 214: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 197 

the background bands observed  in  the blots. Comparing  the  results of each  IP  to  the 

10%  input  lane,  it  is clear that despite attempts made at  improving the yield of FIH‐1, 

the  amount  of  FIH‐1  following  IP  using  either  antibody  were  poor.  Decreasing  the 

amount of antibody in the IP has a dramatic and deleterious effect on FIH‐1 yield, even 

when increasing the dilution from 1:200 to 1:500 (compare lanes 2 and 3).  It is difficult 

to estimate  the amount of  immunoprecipitated FIH‐1 compared  to  input as  the  input 

lane contains  two  intense bands very close  in  size, whereas  the  IP  lanes contain only 

one. What is clear, however, is that the amount of FIH‐1 precipitated from the lysate is 

far less than that contained in 10% of the input material, indicating that the efficiency of 

this method  in  purifying  FIH‐1  from  cells  is  inadequate  for  subsequent  analysis.  This 

figure  is  representative  of  six  experiments.  Altering  other  parameters,  such  as 

increasing the amount of input protein, did not achieve significant improvements in the 

amount of FIH‐1 enriched in the samples following IP without also increasing amount of 

non‐specific proteins also precipitated (data not shown). This suggested that the three 

polyclonal  antibodies  employed  for  these  experiments  exhibited  poor  specificity  in 

precipitating FIH‐1.  

 

Western  blots  revealing  immunodepletion  of  lysates  following  the  IP  reiterated  the 

inefficiency  of  the  antibody  binding,  showing  a  scant  reduction  in  FIH‐1  in  lysate 

following  IP  (data  not  shown).  Thus,  despite  numerous  attempts  at 

immunoprecipitating FIH‐1 and altering a number of parameters  in  the  IP protocol,  it 

was  not  possible  to  immunoprecipitate  endogenous  FIH‐1  from  lysate  in  sufficient 

enough  quantities  to  enable  a  scale‐up  of  the  method  and  subsequent  mass 

spectrometric  analysis.  As  this  was  thought  to  be  due  to  both  the  inefficiency  of 

antibody‐FIH‐1  interaction and the  low  level of FIH‐1 present  in the  lysate, alternative 

strategies were devised. 

Page 215: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 198 

5.3 Affinity pulldowns of FIH‐1 using Notch1 Ankyrin Repeats 1‐4.5  

5.3.1 Strategy of Notch1 Ank1‐4.5‐affinity purification 

Due to the inefficiency of the anti‐FIH‐1 antibodies at immunoprecipitating endogenous 

FIH‐1,  an  alternative method  for  binding  and  thus  purifying  FIH  from  the  lysate was 

devised.  During the course of this work, it was discovered by our laboratory and others 

that the Notch receptor was also an interacting protein and substrate of FIH‐1 (Zheng et 

al., 2008) (Coleman et al., 2007). Of significance here, mouse Notch1 polypeptides were 

found to bind FIH‐1 with up to 50‐fold greater affinity than HIF‐α (Wilkins et al., 2009), 

and pulldown experiments assessing the binding of FIH‐1 for the HIF‐CAD and FIH‐1 for 

the  ankyrin  repeats of Notch  also  showed  a high  affinity  FIH‐1‐Notch  interaction,  far 

greater than the affinity of FIH‐1 for the CAD (S. Linke, unpublished data). In particular, 

a truncated polypeptide containing ankyrin repeats 1‐4.5 of Notch1 (Notch1 Ank1‐4.5), 

which encompasses both known hydroxylation sites, was shown to  interact with FIH‐1 

with an even greater affinity  than  the  full  length ankyrin  repeat  region  ( Figure 5.2 a; 

(Linke, 2009).  

 

Given this relatively high affinity and the ability to make mg quantities of recombinant 

Notch1  Ank1‐4.5  protein,  a  Notch1  Ank1‐4.5‐affinity  pulldown  was  employed  for 

purification of endogenous FIH‐1  from cell  lysate. The methodology  involved bacterial 

expression of a Trx‐6His‐tagged Notch1 Ank1‐4.5  construct  (represented  in Figure 5.2 

b), nickel‐affinity purification, and incubation of Notch1 Ank1‐4.5‐bound resin with HeLa 

lysate. Notch1 Ank1‐4.5 would act as bait to bind FIH‐1 from the cell  lysate, exploiting 

the previously demonstrated stable, high‐affinity  interaction of  this Notch peptide  for 

FIH‐1 (Wilkins et al., 2009).  

 

Page 216: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a. 

Thrcleav

b.  Schematic representation of Notch 

cleav

TrxN 6His

18 kDa

Figure 5.2 Notch Ank 1‐4.5‐pulldown ofTrx‐6His‐tagged Notch proteins containTrx 6His tagged Notch proteins containbacterially expressed and purified. Equresin and incubated with purified MBPFIH‐1 visualised by an anti‐MBP westeSchematic representation of the Notchpurification of FIH‐1 (b).

rombin vage site

construct

Notch Ank 1‐4.5

vage site

6His C

20 kDa

f FIH‐1.ning the RAM domain, Ank1‐4.5 or Ank1‐7 werening the RAM domain, Ank1 4.5 or Ank1 7 wereal amounts of each protein were bound to nickelP‐FIH‐1. Proteins were eluted with imidazole andern blot (a); from Sarah Linke, unpublished data).h Ank 1‐4.5 construct used for the Notch‐affinity

Page 217: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 218: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 201 

 

5.3.2 Results of Notch1 Ank1‐4.5‐affinity purification  

Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His was bacterially expressed and applied to nickel resin as 

per the standard laboratory protocol for purification of His‐tagged proteins. A sample of 

resin  was  taken  and  protein  eluted  by  imidazole  and  run  on  a  gel  to  visualise  the 

purified product (Figure 5.3 a). Coomassie staining demonstrated successful expression 

and purification of the protein. For the pulldown, 50 μl of the Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐

6His‐loaded resin was  incubated with 200 μl of HeLa cell  lysate (1 mg of total protein) 

for 2 hours prior to washing and elution of both Notch and FIH‐1 off the resin with 250 

mM  imidazole. Depletion of FIH‐1 from the  lysate was used to assess efficiency of this 

method  (Figure  5.3  b).  Equivalent  amounts  of  input  lysate  and  depleted  lysate were 

separated by SDS‐PAGE and blotted for FIH‐1.   Depletion of FIH‐1 from the  lysate was 

evident when  comparing  levels  of  FIH‐1  in  the  input  to  FIH‐1  present  in  lysate  after 

binding  (compare  lane 1 with  lane 5 and  lane 2 with  lane 6,  Figure 5.3 b) and when 

compared to the non‐specific background band at approximately 55 kDa which remains 

unaltered before and after the pulldown. Lane 9 contains eluted FIH‐1, which is several 

fold more intense than 5% input and consistent with an overall yield of FIH‐1 of greater 

than  25%.  These  results  indicate  that  this method was  approximately  10‐fold more 

efficient at purifying endogenous FIH‐1 from the lysate than IP.  

 

5.3.3 Optimising elution of FIH‐1 

Elution of both Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His and FIH‐1 proteins simultaneously using 

imidazole  presented  a  difficulty  as  the  Notch1  Ank1‐4.5  construct  was  38  kDa  and 

present  in  great  excess,  making  separation  from  FIH‐1,  which  is  40  kDa,  and 

visualisation  of  any  eluted  FIH‐1  on  a  coomassie  stained  gel  problematic.  Several 

alternative elution methods were employed with the aim of disrupting the Notch‐FIH‐1 

interaction, thus liberating FIH‐1 from the resin whilst leaving Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐ 

Page 219: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 220: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a. Purified Trx‐6His‐Notch1         Ank 1 ‐4.5‐6His 

b. FIH‐1 

75100

50

5%

50

75

kDa

kDa

37

Coomassie Stain

1

37

Figure 5.3 Depletion of FIH‐1 from lysaTrx‐6His‐Notch1 Ank 1 ‐4.5‐6His was expchromatography. 20 μl of eluted proteinvisualised by Coomassie stain (a). (b) shNotch‐affinity purification. 50 μl of Notcμl (1 mg) of HeLa lysate and bound for 9binding to enable assessment of FIH‐1 dwith 250 mM imidazole for 15 minutes, Predicted molecular weight of FIH‐1  is iexperimentsexperiments. 

Depletion following Notch‐pulldown

I L D l t d L t H‐1

*

% 2.5% 1% 0.5% 5% 2.5% 1% 0.5%

Input Lysate Depleted Lysate

Eluted FIH

n.s.

WB: anti‐FIH‐1 NB 100‐428

1      2      3      4       5      6      7      8       9

FIH‐1

te by Notch Ank1‐4.5 pulldownpressed in bacteria and purified by Nickel affinity n was separated by 10 % SDS‐PAGE and proteins ows depletion of FIH‐1 from HeLa lysate following ch Ank 1‐4.5‐ bound nickel resin was added to 200 90 minutes at 4°C. The lysate was retained after depletion. Bound FIH‐1 was eluted by incubation and results visualised by anti‐FIH‐1 immunoblot. indicated. Representative of >3 independent 

Page 221: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 222: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 205 

4.5‐6His attached. First, 8 M urea was used to denature the proteins and thus destroy 

FIH‐1  and  Notch  binding  whilst  retaining  the  electrostatic  interaction  between  the 

histidine tags and the nickel. Secondly, 1% SDS was used as an alternative denaturant to 

attempt  to disturb  the protein‐protein  interaction without disturbing Notch  from  the 

nickel resin. Thirdly, the Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His construct contained a thrombin 

cleavage  site  between  the  N‐terminal  Trx‐6His  tag  and  the  beginning  of  the  Notch 

ankyrin  repeat  sequence  (see Figure 5.2 b)  for  liberation of  the Notch  fragment  from 

the affinity  tag. Cleavage with  thrombin would  thus  separate  the  tagged protein  into 

two smaller fragments of 18 and 20 kDa each, sufficiently different in size from 40 kDa 

FIH‐1. This method, however, would presumably only  liberate  a proportion of bound 

FIH‐1, as the Notch construct contained both N‐ and C‐terminal 6His tags. Removal of 

the  remaining Notch  (and  thus  any  remaining  FIH‐1) would  require  a  second  elution 

step of imidazole that would remove the C‐terminally‐bound Notch from the resin.   

 

Results  achieved  when  employing  these  various  elution  methods  are  presented  in 

Figure  5.4.  Included  in  the  figure  is  a  ponceau  stain  of  the  membrane  to  crudely 

demonstrate  the abundance of Notch1 Ank1‐4.5  in each sample  following  the various 

elution methods.  The  sensitivity  of  ponceau  stain  enabled  visualisation  of  the Notch 

polypeptide, which would be the most abundant protein in each sample, but not FIH‐1 

which would be present at much lower levels (Figure 5.4 a).  In Figure 5.4, lane 1 shows 

5%  input and  the  following  lanes  contain  the  results of Notch pulldowns eluted with 

imidazole (lane 2), 1% SDS (lane 3), 8 M urea (lane 4) and thrombin digestion (lane 5). 

The ponceau  stain  revealed  that a  significant amount of Notch1 Ank1‐4.5 was eluted 

with  imidazole, as expected, but also to a  lesser extent with the SDS and Urea elution 

methods. The  thrombin‐digestion elution method was  the only strategy  that  liberated 

FIH‐1 from the resin without coelution of a 38 kDa Notch protein. Though it is not clear 

how  complete  the  cleavage of Notch1 Ank1‐4.5 by  thrombin was, no  full  length Trx‐

6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His was detected by ponceau staining, which suggested that this  

Page 223: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 224: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Elution method

a. 5% input

75

50

kDa

25

50

37

20

NA

20

Ponceau Stain

1          2          3          4          5

Figure 5.4 Optimisation of elution of N50 μl of Notch1 Ank1‐4.5‐ bound nickeand bound for 90 minutes at 4°C. Foleither: 250 mM imidazole, 1% SDS, 8 Mwas separated by SDS‐PAGE, transferPonceau (a). FIH‐1 was detected using N( ) g

Elution method

b. 

5% input

75

50FIH 1

kDa

25

50

37

20

FIH‐1

Notch Ank 1‐4.5

20

WB: anti‐FIH‐1 NB 100‐428

1          2          3          4          5

Notch1 Ank1‐4.5 pulldownel resin was added to 200 μl (1 mg) of HeLa lysatelowing washing, bound protein was eluted usingM Urea, or thrombin, as indicated. Eluted proteinrred to nitrocellulose and the blot stained withNB 100‐428 (b).( )

Page 225: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 226: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 209 

method  liberated  only  cleaved  Notch  fragments.  Imidazole  elution  achieved  the 

greatest FIH‐1 yield (Figure 5.4 b), however  it also resulted  in the greatest level of Trx‐

6His‐Notch1  Ank1‐4.5‐6His  elution  and  was  therefore  deemed  to  be  an  unsuitable 

method for FIH‐1 elution.  

 

The amount of FIH‐1 eluted by the various methods seems to be a result of how much 

Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐6His was also eluted off  the Nickel  resin, as where 1% SDS 

and 8 M urea yielded less FIH‐1, they also co‐eluted with less Trx‐6His‐Notch1 Ank1‐4.5‐

6His.  This  suggests  that  the methods  employed did not disrupt only  the  FIH‐1‐Notch 

interaction, but that the elution is a result of a disruption in Notch binding to the nickel 

resin.  In  Lane  5  (Figure  5.4  b),  the  amount  of  FIH‐1  eluted  by  thrombin  digestion  is 

significantly  less  than  the  amount  of  FIH‐1  recovered  using  the  other  methods. 

However, as  this was  the only method able  to achieve elution of FIH‐1 without  large 

amounts of the Notch fragment, this method was used for subsequent pulldowns.  

 

Figure 5.5 shows a separate pulldown where, following elution of FIH‐1 with thrombin 

(lane 2), a second elution step performed using 250 mM  imidazole (lane 3)  liberated a 

similar amount of FIH‐1 to the thrombin method, showing that only approximately half 

of  the  total  bound  FIH‐1  was  freed  by  thrombin  cleavage  of  the  N‐terminal  tag  of 

Notch1 Ank1‐4.5 containing both N‐ and C‐terminal 6His  tags. The  thrombin cleavage 

appeared to be complete, as there was no 38 kDa Notch protein evident on a ponceau 

stain of the blot  in the  lane of protein eluted by  imidazole following  incubation of the 

resin with  thrombin  (lane 3 and  lane 5). This  complete cleavage of  the  interfering 38 

kDa protein engendered a two‐step elution protocol that first used thrombin to cleave 

Trx‐6His‐Notch1  Ank1‐4.5‐6His  into  20  kDa  and  18  kDa  fragments,  followed  by  an 

imidazole elution that enabled liberation of FIH‐1 bound to Notch that was attached to 

nickel resin via its C‐terminal 6His tag. In this manner, all the FIH‐1 captured by Notch  

Page 227: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 228: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

ut after 

after 

+ Lysate ‐ Lysatea. 

75100

50

10% inpu

Thrombin

Imidazole 

Thrombin

Thrombin

Imidazole 

Thrombin

1        2      3     4         5 

50

37

25

20

Ponceau

Figure 5.5 Elution of FIH‐1 by thrombin50 μl of Notch1 Ank1‐4.5‐ bound nickel50 μl of Notch1 Ank1 4.5 bound nickel200 μl of buffer only, and bound for 90was eluted by incubation of the resintemperature. Following thrombin cleavincubated with 250 mM imidazole to eseparated by SDS‐PAGE, transferred to(a). FIH‐1 was detected using NB 100‐42

t after 

after 

+ Lysate ‐ Lysateb. 

10% inpu

kDa

75100

50

Thrombin

Imidazole 

Thrombin

Thrombin

Imidazole 

Thrombin

Thrombin

1        2      3     4         5 

50

37

25

20

WB: anti‐FIH‐1 NB 100‐428u 

n cleavage of Notch1 Ank1‐4.5resin was added to 200 μl (1 mg) of HeLa lysate orresin was added to 200 μl (1 mg) of HeLa lysate or

0 minutes at 4°C. Following washing, bound proteinn with 10 units thrombin for 16 hours at roomvage, the supernatant was removed and the resinelute the remaining protein. Eluted protein wasnitrocellulose and the blot stained with Ponceau

28 (b).

Page 229: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 230: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 213 

affinity  could  be  eluted without  interference  from  an  excessive  amount  of  similarly 

sized purified Notch1 Ank1‐4.5 protein.  

 

5.3.4 Summary of Notch Ank1‐4.5‐affinity purification of FIH‐1 

In summary, a method for the efficient purification of FIH‐1 from HeLa cells using Notch 

Ank1‐4.5‐affinity was created and optimised. This method was scaled up to purification 

of endogenous FIH‐1 from up to 2 ml of HeLa lysate (~5 mg/ml) prepared from two 175 

cm2  flasks.  Yields  from  these purifications, however, did not deliver  enough  FIH‐1  to 

enable  detection  by  SDS‐PAGE  using  coomassie  stain  and  Sypro  Ruby  stain,  and  not 

surprisingly  the  yields  did  not  return  enough  FIH‐1  for  a  detailed  characterisation  of 

PTMs by MS (data not shown). The next step therefore was to create a cell  line stably 

overexpressing FIH‐1 to  increase the amount of FIH‐1  in the  lysate to facilitate greater 

yields.  

 

 

5.4 Generation of Stable Myc‐6His‐hFIH‐1 HeLa Cell Line 

5.4.1 Strategy 

Purifying a sufficient amount endogenous FIH‐1 by either IP or Notch‐affinity pulldown 

for MS analysis was made difficult by  the  low abundance of FIH‐1  in  cells.  Increasing 

inputs of  lysate  into each method (up to 1.5 mg/Notch‐affinity pulldown and 1 mg per 

IP)  did  increase  yields  of  FIH‐1,  but  at  the  sacrifice  of  specificity,  resulting  in  both 

increased  FIH‐1  and  increased  background  binding,  despite measures  undertaken  to 

increase  stringency.  Thus,  stable  cell  lines  overexpressing  Myc‐6xHistidine  (6His)‐ 

tagged FIH‐1 were generated to enhance the proportion of FIH‐1 in the lysate. The Myc‐

tag was  included to enable reliable, clean detection of the tagged protein by anti‐Myc 

Page 231: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 214 

antibodies and the 6His tag would enable purification of Myc‐6His‐FIH‐1 by Ni2+‐affinity 

chromatography.  

 

The vector chosen  for creation of the stable cell  lines was pEF‐IRES‐puro5. This vector 

expresses  a  bicistronic message  incorporating  both  the  puromycin  resistance mRNA 

required for selection and the mRNA of the protein to be overexpressed. Expression  is 

driven  by  a  strong  human  elongation  factor‐1α  (EF‐1α)  promoter  and  an  internal 

ribosome entry site (IRES) ensures that both messages are translated efficiently.  

 

5.4.2 Generation of stable Myc‐6His‐hFIH‐1 HeLa polyclonal cell line 

Full length human FIH‐1 was excised from pPC86‐FIH‐1 by Nco1 and Not1 digestion and 

ligated  into  pEF‐IRES‐puro5  upstream  of  the  IRES.  Oligonucleotides  containing  a 

sequence  coding  for  the  Myc‐6His  tag  and  for  ligation  at  the  N‐terminus  of  FIH‐1 

sequence were designed. The oligonucleotides were annealed and gel purified prior to 

ligation  into  the  vector.  Test  digests  and  sequencing  both  confirmed  the  correct 

integration  of  the  tag  N‐terminal  to  FIH‐1,  and  the  construct  was  subsequently 

transfected  into HeLa  cells. Cells expressing  FIH‐1  and puromycin N‐acetyltransferase 

(PAC) were selected for by addition of 1 μg/ml puromycin in the cell culture media, and 

expression of FIH‐1 by the polyclonal stable cell pool confirmed by anti‐Myc and anti‐

FIH‐1 western blots. Figure 5.6 shows that compared to endogenous FIH‐1 in HeLa cells, 

the polyclonal cells expressed the transgene at high levels, at least 10‐fold higher when 

compared  to endogenous  FIH‐1.  It was of  interest  to observe  that endogenous  FIH‐1 

migrated  as  two  bands,  as  seen  previously,  and  that  overexpressed Myc‐6His‐FIH‐1, 

visible  above  endogenous  FIH‐1  and  detected  using  both  anti‐FIH‐1  and  anti‐Myc 

antibodies, also migrated as a doublet. 

 

Page 232: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

50

kDa

37

WB: anti‐Myc

Figure 5.6 Stable overexpression of MyThe polyclonal pool of cells stablyexpression by anti‐Myc (9E10) and antcompared to lysates of untransfected H

Myc‐6His‐FIH‐1y

WB: NB 100‐428

Endogenous FIH‐1

yc‐6His‐FIH‐1 in polyclonal HeLa cell lineexpressing Myc‐6His‐FIH‐1 was examined for

ti‐FIH‐1 (NB 100‐428) western bots of lysates, andeLa cells.

Page 233: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 234: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 217 

2‐DE of stable cell  lysate was performed to confirm that the spot profile for Myc‐6His‐

FIH‐1 was consistent to that observed for endogenous FIH‐1 (Figure 5.7). 50 μg of lysate 

from the Myc‐6His‐FIH‐1 stably‐overexpressing polyclonal pool was separated by 2D‐E. 

Figure 5.7 a shows an anti‐Myc immunoblot of one such 2‐D gel, where a spot “train” of 

9  individual  spots at approximately  the  correct  size  for Myc‐6His‐FIH‐1, which  is 42.2 

kDa, was observed.  The  anti‐Myc  antibody  again  revealed detection of  two different 

molecular weight forms of Myc‐tagged FIH‐1, suggesting that the modification of FIH‐1 

responsible  for  the  discrete  migration  of  two  bands  observed  previously  is  also 

occurring on overexpressed protein. A separate experiment where FIH‐1 was visualised 

by  anti‐FIH‐1  immunoblot  enabled  comparison  of  the  overexpressed  FIH‐1  with 

endogenous FIH‐1 (Figure 5.7 b). Myc‐6His‐FIH‐1 is positioned in a more basic region of 

the 2‐D gel compared with endogenous FIH‐1, as expected given the tag  increases the 

predicted pI  to ~5.98  (compared with 5.57  for FIH‐1; Scripps Protein Calculator). Only 

two  spots  are  visible  for  endogenous  FIH‐1  due  to  the  short  exposure  time  of  the 

membrane to film to enable a clearer image of overexpressed FIH‐1, and also due to the 

relatively low level of endogenous FIH‐1 compared to the tagged FIH‐1. Together, these 

data  indicate  that  the Myc‐6His‐tagged  overexpressed  FIH‐1  displays  a  similar  spot 

profile  to endogenous FIH‐1  in 2‐D gels,  taking  into account differences  in size and pI 

due to the introduction of the tag. 

 

5.4.3 Generation of Myc‐6His‐FIH‐1 monoclonal HeLa cell lines 

From the above 2‐DE westerns, it was clear that Myc‐6His‐FIH‐1 was being expressed at 

much  greater  levels  than  endogenous  FIH‐1.  Too  great  an  overexpression  was 

undesirable as it was important not to saturate any modifying mechanisms acting upon 

FIH‐1 in the cell. Monoclonal cell lines were thus created, with the objective of assessing 

each  individual  line for expression of Myc‐6His‐FIH‐1 relative to endogenous FIH‐1 and 

the identification of a lower expressing line than the polyclonal pool. Use of a  

Page 235: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 236: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a

75

a. 

kDa

4                                               p

50

37

b. 4                                               pH

75

kDa

50

37

Figure 5.7 2‐DE of lysate from stable MLysates were prepared from the Mycsample preparation Method 2 and precquantification, 50 μg of each lysate wastrips were applied to 12.5% Tris/Gldetected using the anti‐Myc antibodydetected using the NB100‐428 antibody

H                                              7

Myc‐6His‐FIH‐1

WB: anti‐Myc 9E10

H                                              7

WB: anti‐FIH‐1 No. 8

Myc‐6His‐FIH‐1

Endogenous FIH‐1

Myc‐6His‐FIH‐1 polyclonal poolc6His‐FIH‐1 polyclonal HeLa cell line using 2‐DEcipitation. Following resuspension in IEF buffer andas loaded onto pH 4‐7 IPG strips for IEF and thenycine gels for SDS PAGE. Transgenic FIH‐1 was(a) and both endogenous and tagged FIH‐1 werey (b). Representative of 3 individual experiments.

Page 237: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 238: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 221 

monoclonal  cell  line  was  advantageous  as  it  allowed  for  consistent  expression  and 

therefore  modification  of  FIH‐1  in  the  entire  population  of  cells,  and  therefore 

consistent modification of FIH‐1 in a sample.  

 

Stable monoclonal  cells  lines were generated by performing  limiting dilutions of  cells 

from  the polyclonal pool and plating out a  calculated 0.8  cells/well  in a 96 well  tray. 

Wells  that  grew  colonies  derived  from  single  cells were  expanded  and  assessed  for 

expression of Myc‐6His‐FIH‐1 by anti‐Myc western blot  (Figure 5.8). The expression of 

tagged  FIH‐1  was  seen  to  vary,  as  seen  when  comparing  expression  between 

monoclonal lines 3, 10 and 11, which express a low level of Myc‐6His‐FIH‐1, versus the 

higher expression  levels of monoclonal cell  line 6. Cell  line 8 was discarded due to the 

presence of an additional band at approximately 40 kDa, and  lines 5 and 7 discarded 

due to morphological differences compared to parent HeLa cells.  

 

Lysates  from monoclonal  lines 2,   6 and 9 were  interrogated by 2‐DE  to determine  if 

their spot profile was similar to endogenous FIH‐1 and to that observed for FIH‐1 in the 

polyclonal  lysate,  and  also  to  assess  relative  levels  of  expression  compared  to 

endogenous FIH‐1.   The results of 2‐D analysis of monoclonal stable cell  lines 2 and 9 

and the polyclonal stable line are presented in Figure 5.9 a, b and c, respectively.  Here, 

100  μg  of  lysate  from  each  cell  line  was  separated  by  2‐D  PAGE,  and  the  results 

visualised  using  the  NB  100‐428  anti‐FIH‐1  antibody  to  enable  detection  of  both 

overexpressed  Myc‐6His‐FIH‐1  and  endogenous  FIH‐1.  What  is  evident  is  that 

comparatively, expression of transgenic FIH‐1 is greater than endogenous FIH‐1 in both 

the stable cell  lines, but  lower  than  the dramatic overexpression of Myc‐6His‐FIH‐1  in 

the polyclonal line. To achieve less intense detection of overexpressed FIH‐1, blots were 

washed  and  exposed  for  shorter  times.  While  this  enabled  clear  visualisation  of 

individual  protein  spots  of Myc‐6His‐FIH‐1,  detection  of  endogenous  FIH‐1  was  lost 

(Figure 5.9, right hand panels). The spot profile of stable cell line number 9 was most  

Page 239: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 240: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Monoc

1      2      3     4

75

100

kDa

37

50

Figure 5.8 Comparison of Myc‐6His‐FIHLysates were prepared from untransfectexpressing Myc‐6His‐FIH‐1. 20 μg total using anti‐Myc antibody 9E10. The non‐non‐specific

clonal lines:

4   5     6    7      8      9    10     11      

* n.s.

Myc‐6His‐FIH‐1

H‐1 expression in stable monoclonal cell lines

WB: anti‐Myc

ted HeLa cells and 12 monoclonal cell lines stably protein was loaded per lane and blots probed ‐specific band served as a loading control. *n.s. = 

Page 241: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 242: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a 4 pH

50

75

100

kDaa. 4                                         pH         

37

25

b. 4                                      pH         

50

75

100

kDa

37

25

4                                      pH            c.kDa

50

75

100

37

25

WB: anti‐F

Figure 5.9 2‐DE of lysates from monocloLysates were prepared from Myc‐6His‐Fpool (c) using 2‐DE sample preparation Mbuffer to 100 μg in 125 μl for separatwestern blot using the commercialextensively and ECL reagents re‐applied

th i ht)on the right).

7

STABLE CELL LINE NUMBER 2

                               7

                              7

STABLE CELL LINE NUMBER 9

                           7

POLYCLONAL STABLEPOLYCLONAL STABLE CELL LINE

FIH‐1 NB 100‐428

onal and polyclonal Myc‐6His‐FIH‐1 stable cell linesIH‐1 stable cell lines 2 (a), 9 (b) and the polyclonalMethod 2, then precipitated and resuspended in IEFion by 2D‐E. Results were visualised by anti‐FIH‐1NB 100‐428 antibody. Blots were then washedto generate a less intense signals (blown up panels

Page 243: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 244: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 227 

similar to the spot patterns observed in other cell lines previously. In addition, this cell 

line  expressed  Myc‐6His‐FIH‐1  significantly  above  endogenous  FIH‐1,  but  modestly 

enough that saturating any cellular mechanism or enzymes that act  in a cell to modify 

FIH‐1 was less likely to be a problem compared with the high overexpression observed 

in  the polyclonal pool. Thus, stable cell  line number 9 was selected  for purification of 

Myc‐6His‐FIH‐1  using  Ni2+‐affinity  chromatography.  Although  not  discussed  in  this 

chapter,  the Notch‐affinity method was  also  used  for  purification  of Myc‐6His‐FIH‐1, 

and though this method did appear to be more efficient at binding FIH‐1 from the lysate 

than  Ni2+‐affinity,  it was  ultimately  not  feasible  due  to  the  co‐elution  of  the  Notch 

protein. 

 

5.5 Ni2+‐Affinity Chromatography 

5.5.1 Small scale Ni2+‐affinity purifications 

Denaturing  Ni2+‐affinity  purifications were  carried  out  on  lysate  from  the  number  9 

stable  cell  line.  Briefly,  this  procedure  involved  the  lysis  of  cells  in  a  denaturing 

guanidine buffer containing DTT, followed by alkylation using  iodoacetamide. Reduced 

and  alkylated  lysates  were  clarified  by  ultracentrifugation  and  filtered  prior  to 

application over a Ni2+‐charged 5 ml HiTrap column. Bound protein was eluted off the 

column by 250 mM imidazole and elution fractions were assessed for purified Myc‐6His‐

FIH‐1  by  anti‐Myc  or  anti‐FIH‐1 western  blot  and  coomassie  gels.  Fractions  found  to 

include Myc‐6His‐FIH‐1 were pooled, frozen and sent to collaborators at QIMR for MS.  

 

Initially, purifications were performed from lysate prepared from four 175 cm2 flasks of 

confluent Myc‐6His‐FIH‐1  stable cell  line number 9  (#9) cells  (Figure 5.10 a). 15 ml of 

guanidine  lysis buffer was added  to each  flask  to give a  total of 60 ml of  lysate  from 

which to purify Myc‐6His‐FIH‐1. Western blots showed that elution fractions 2, 3 and 4  

Page 245: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 246: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Elution Fractions (10 l)a. 

1   2    3    4     5     6   7     8 

75

100

150

kDa

37

50

Ant

Elution Fractions (10 l)

b.

75

100

150

kDa1   2      3  4        5         

( )

37

50

Anti‐Myc WB

Figure 5.10 Ni2+‐Affinity purification of MFour flasks (a) or twelve flasks (b) of stabconfluency and then lysed in guanidine lyconfluency and then lysed in guanidine lyby ultracentrifugation and filtered. Myc‐6affinity chromatography, and eluted in 1 protein was visualised by anti‐Myc immu

Elution Fractions (45 l)

9     10 2   3   4

75

100150

250

kDa

37

50Myc‐6His‐FIH

ti‐Myc WB Coomassie stain

Elution Fractions (45 l)

2         3      4

75

100

150250

kDa 

37

50

75

Myc‐6His‐FIH

Coomassie stain

Myc‐6His‐FIH‐1ble cell line number 9 were grown to ~90% ysis buffer Lysates were reduced alkylated clarifiedysis buffer. Lysates were reduced, alkylated, clarified 6His‐FIH‐1 was purified from the lysate by nickel ml fractions using 250 mM imidazole. Eluted unoblot and coomassie stained gels. 

Page 247: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 248: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 231 

all contained significant amounts of Myc‐6His‐FIH‐1, and that no FIH‐1 was detected in 

later  elution  fractions.  Coomassie‐stained  SDS‐PAGE  gels  of  these  three  fractions 

showed the presence of a distinct yet faint band at the predicted molecular weight for 

Myc‐6His‐FIH‐1.  Non‐specific  binding  of  proteins  to  the  column  also  occurred,  as 

evidenced by numerous background bands present in each elution fractions.  

 

5.5.2 Scale‐up of Ni2+‐affinity purifications 

Purifications were scaled up, and the results of one such purification are presented  in 

Figure 5.10 b. Here, 180 ml of lysate was made from twelve 175 cm2 flasks of #9 stable 

HeLa cells and Myc‐6His‐FIH‐1 purification was carried out as described above.   Bound 

protein was eluted with 10 ml of elution buffer collected in 1 ml fractions. Blotting with 

the anti‐Myc antibody showed purified FIH‐1 eluting in fractions 2, 3, and 4, with most 

protein  eluting off  the  column  in  fraction  3,  and no  FIH‐1 present  in  fractions  5  and 

beyond (Figure 5.10 b). Coomassie stained gels of each of the fractions showed that a 

band was present at  the expected size  for Myc‐6His‐FIH‐1; however  this band  is  faint 

relative  to other bands present on  the gel, and  it  is not  the most  intense band  in  the 

lane. Also, increasing the amount of input lysate three‐fold here, from lysate made from 

four flasks (Figure 5.10 a) to lysate prepared from twelve flasks (Figure 5.10 b), did not 

appear to significantly increase the amount of FIH‐1 obtained following the purification. 

 

Further purifications were performed and the purified fractions assessed for Myc‐6His‐

FIH‐1  by  immunoblot  and  coomassie‐stained  gel  as  above.  Results  from  purifications 

consistently showed elution of Myc‐6His‐FIH‐1 in fractions 2‐4 by immunoblot, and the 

presence of  a  clear,  yet not  intense, band  at  the  expected  size  in  coomassie‐stained 

gels. Purification of Myc‐6His‐FIH‐1 from lysate prepared from twelve 175 cm2 flasks of 

again  showed  the presence of  faint bands on  coomassie‐stained gels at  the expected 

size (Figure 5.11 b). Despite the presence of more intense background bands, the band  

Page 249: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 250: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

a. 

1 32 54 6

Elution Fractions (10l)

50

kDa

50

37

anti‐Myc WB

Figure 5.11 Ni2+‐Affinity purification ofTwelve flasks of stable cell line numberin guanidine lysis buffer Lysates werein guanidine lysis buffer. Lysates wereand filtered. Myc‐6His‐FIH‐1 waschromatography, and eluted in 1 mimmunoblot was used to assess whichindicated volumes of fraction 3 were seeither stained using coomassie or tranElution fractions 3 and 4 were pooled, fp

b.

2 l

10 l

45 l

150250

Volume of elutionfraction 3

kDa kDa

150250

Myc‐50

75

100

150

50

75

100

150

Myc6His‐FIH

37

25i M C i

37

25

f Myc‐6His‐FIH‐1r 9 were grown to ~90% confluency and then lysedreduced alkylated clarified by ultracentrifugation

anti‐Myc WB

Coomassie 

reduced, alkylated, clarified by ultracentrifugationpurified from the lysate by nickel affinity

ml fractions using 250 mM imidazole. Anti‐Mych fractions contained Myc‐6His‐FIH‐1 (a), and theeparated by SDS‐PAGE and the gels cut in half andnsferred to nitrocellulose for anti‐Myc blotting (b).frozen, and sent to QIMR for MS.

Page 251: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 252: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 235 

thought to be Myc‐6His‐FIH‐1 was separated enough from other visible protein bands to 

enable excision of a  single band and MS analysis. Elution  fractions 3 and 4  from  this 

purification were pooled and  sent  for MS analysis. The yields of FIH‐1  in  these bands 

were  low  and  difficult  to  detect  and  significantly  lower  than  required  for  detailed 

proteomic analysis.  

 

5.5.3 Optimisation of Ni2+‐affinity chromatography 

Several strategies were employed with the aim of improving both the yield and purity of 

FIH‐1 purified by  this method.  Further work performed  to  improve  results  from Ni2+‐

affinity chromatography included further increases in input lysate. Lysate was prepared 

from thirty 175 cm2 flasks of #9 Myc‐6His‐FIH‐1 stable cells lysed in 10 ml of lysis buffer 

per  flask,  however  this method  failed  to  deliver  any  improvements  in  yield  of  FIH‐1 

(data not shown). To increase purity of eluted protein, imidazole gradient washes were 

employed  rather  than  a  single  concentration  of  250  mM  imidazole  for  elution.  A 

technique  used  to  increase  efficiency  of  purification  of  FIH‐1  from  the  lysate was  to 

switch  to  a  batch  purification  format  rather  than  the  previously  used  column 

purification method. This can be advantageous as it allows for a longer time for binding 

of  the  target  protein  to  the  resin.  Additionally, while  the  concentration  of  lysate  is 

limited  in  column  purification,  lysates  used  in  batch  purification  can  be much more 

concentrated and  thus more  lysate can be used  for  the purifications. Where 10 ml of 

guanidine extract buffer was used for lysis of one 175 cm2 flask, here, 1 ml of whole cell 

extract buffer was used for lysis of the same amount of cells. Lysis in WCEB also enables 

gels of lysate before and after the purification to be run for assessment of depletion of 

FIH‐1.  

 

A number of batch purifications were performed. The most successful batch purification 

result is presented in Figure 5.12. Here, three separate purifications were carried out,  

Page 253: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 254: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

% Input

Dep

leted Lysate

μl (10%) eluate

10 μl (20%) eluate

1%

D 5 

75

100

150

kDa

Lane: 1 2 3 4

50

37

Figure 5.12 Batch Purification of Myc‐6Three purifications were performedincubated with 100 μl of prepared Ni‐4°C. The resin was washed three times

Lane:   1       2       3         4 

Anti‐Myc WB

4 C. The resin was washed three timesIn sample 1, protein was eluted using 5eluted by heating resin for 10 minutes awas washed with increasing imidazolemM prior to elution by heating resin fbuffer. All samples were alkylated prindicated amounts of each sample we

i i f i ll lstaining or transfer to nitrocellulose an6His‐FIH‐1 were excised and sent to Qbands that were excised.* Due to a batch of Glycine Tris SDS pthis period exhibited convoluted fronts,

ample 1

ample 2

ample 3

Sa Sa Sa

Myc‐6His‐FIH‐1

5 6 7 8 9*

6His‐FIH‐1where 1.5 ml (~5.5 mg of total protein) was‐IDA resin for two hours on a rotating platform ats, with the final wash containing 10 mM imidazole.

      5       6       7      8       9Coomassie

s, with the final wash containing 10 mM imidazole.0 μl of 250 μM imidazole. In sample 2, protein wasat 70°C in 50 μl SDS‐PAGE sample buffer. Sample 3concentration of 20 mM, 30 mM, 40 mM and 50for 10 minutes at 70°C in 50 μl SDS‐PAGE samplerior to SDS‐PAGE. SDS‐PAGE gels containing theere run and gels cut in half for either Coomassied i bl i d dind anti‐Myc blotting. Bands corresponding to Myc‐QIMR for MS analysis. Dotted red boxes indicate

prepared with the incorrect pH, all gels run during, as seen here.

Page 255: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 256: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 239 

each consisting of 1.5 ml of  lysate, containing 5.5 mg of  total protein,  incubated with 

100  μl  of  prepared Ni‐IDA  resin.  Protein was  bound  to  the  resin  during  a  two  hour 

incubation  on  a  rotating  platform  at  4°C,  and  then  the  resin was  subjected  to  two 

washes in wash buffer 1 (150 mM NaCl, 20 mM Tris, 10% glycerol, 1% NP‐40) followed 

by  one wash  in wash  buffer  2, which  has  10 mM  imidazole  added.  Following  these 

common washing steps, each sample was treated differently. Protein  in sample 1 was 

eluted using 50 μl of 250 μM imidazole (Lane 5), and protein in sample 2 was eluted by 

heating resin for 10 minutes at 70°C in 50 μl SDS‐PAGE sample buffer (Lane 7). The third 

sample was washed with wash buffers of  increasing  imidazole concentration  (20 mM, 

30 mM,  40 mM  and  50 mM  imidazole;  Lane  9).  Previous work  had  established  that 

washes of up  to 50 mM  imidazole  could be applied  to  significantly  improve purity of 

eluted protein without major losses of the desired protein (data not shown). Following 

the  imidazole  gradient  washes,  bound  protein  was  eluted  by  heating  resin  for  10 

minutes at 70°C  in 50  μl SDS‐PAGE  sample buffer,  seen  in  the  lane marked Sample 3 

(Lane 9). Eluted material was compared on western blots and coomassie‐stained gels, 

and results  indicated that there was a clear band present at the expected position for 

FIH‐1  in all  three  samples, and while  there was  still a  lot of background evident,  the 

amount  of  Myc‐6His‐FIH‐1  purified  relative  to  background  proteins  was  improved. 

Looking at the depletion of FIH‐1 from the input lysate in the anti‐Myc immunoblot, this 

method also appeared to be capturing most of the FIH‐1  from the  lysate  (Figure 5.12, 

compare lane 1 and 2).  

 

The bands corresponding to the position of FIH‐1  in Figure 5.12 were excised and sent 

for  MS.  The  gel  slices  were  subjected  to  in‐gel  tryptic  digestion,  eluted  and  were 

analysed  by matrix‐assisted  laser  desorption  ionisation‐(MALDI)‐MS  to  determine  the 

identities of  the major proteins present. The MS analysis however  showed  that FIH‐1 

was not  the main protein present  in any of  these bands. The bands  in Lanes 5 and 7 

were  found  to  contain  FIH‐1,  however  FIH‐1 was  not  the most  abundant  protein  in 

Page 257: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 240 

either sample, and Mascot searches based on peptide mass fingerprints assigned FIH‐1 

with  relatively  low  scores of 62 and 94  for FIH‐1  in  samples 1 and 2  (lanes 5 and 7), 

respectively. No FIH‐1 peptides were detected  in  the band  in  lane 9. A score of 67 or 

greater  is deemed  to be  significant by  the Mascot  search  algorithm,  and  there were 

numerous other proteins with much higher scores and hence  likely greater abundance 

in  each  of  the  samples.  FIH‐1 was  therefore  being  purified  by  this method  and was 

present in the bands, but it was not the major component of the bands. 

 

As such,  there was not sufficient amounts of FIH‐1 present  in  the purified samples  to 

enable  detailed  characterisation  and  subsequent  identification  of  any modifications. 

Despite excellent depletion of Myc‐6His‐FIH‐1 observed  in using the batch purification 

method,  yields  of  FIH‐1  were  still  too  low  and  FIH‐1  not  pure  enough  to  facilitate 

detailed  characterisation  by  MS  analysis.  The  batch  purification  method  also 

compromised the purity of the eluted protein. This could perhaps be improved in future 

work by applying  lysate  to  the nickel  resin  in batch  format, and  then  transferring  the 

resin to a column for washing with low imidazole buffers prior to elution. 

 

5.5.4 Further optimisation of Ni2+‐affinity purification 

A further purification was performed with research assistant Colleen Bindloss, who had 

extensive  experience with  purifying  the  dioxin  receptor  using  large‐scale  denaturing 

Ni2+‐affinity chromatography. Lysate was prepared from ten 175 cm2 flasks as described 

above, with the modification of no imidazole in the guanidine lysis buffer. Purifications 

proceeded  as  per  the  usual  protocol,  with  the  exception  that  the  concentration  of 

imidazole in the guanidine wash buffer was reduced 10‐fold from 50 mM to 5 mM in an 

attempt at improving Myc‐6His‐FIH‐1 yields. Bound protein was eluted in 2 ml fractions, 

with samples from each fraction run on SDS‐PAGE gels for coomassie stain and anti‐Myc 

immunoblot assessment of Myc‐6His‐FIH‐1 content (Figure 5.13). The results of this  

Page 258: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

F ti 2 3 4

10μ L Elution

75

100

150

Fraction:      2         3          4          kDa

37

50

Anti‐Myc WB

Figure 5.13 Ni2+‐Affinity purification ofTen 175cm2 flasks of stable cell line nulysed in guanidine lysis buffer with no imby ultracentrifugation and filtered. Mycaffinity chromatography, and washes py g p y, pof 5 mM. Bound protein was eluted inimmunoblot was used to assess whiindicated volumes of fraction 3 were seeither stained using coomassie or traElution fractions 2 and 3 were pooled, f

2 3 4

40μ L 

75

100

150

     2          3          4      kDa

37

50

Coomassie

Myc‐6His‐FIH‐1

f Myc‐6His‐FIH‐1umber 9 were grown to ~90% confluency and thenmidazole. Lysates were reduced, alkylated, clarifiedc‐6His‐FIH‐1 was purified from the lysate by nickelperformed with a reduced imidazole concentrationp2 ml fractions using 250 mM imidazole. Anti‐Mycich fractions contained Myc‐6His‐FIH‐1, and theeparated by SDS‐PAGE and the gels cut in half andansferred to nitrocellulose for anti‐Myc blotting.frozen, and sent to QIMR for MS.

Page 259: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 260: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 243 

purification  revealed  that,  despite  eliminating  imidazole  from  the  lysis  buffer  and 

reducing  the amount of  imidazole  in  the wash buffer,  the purity of each  fraction was 

improved, with  less non‐specific background bands observed  in the coomassie‐stained 

gel. Western  blots  showed  that  only  fractions  2  and  3  contained  FIH‐1  protein, with 

fraction  3  containing  the most  FIH‐1.  Fraction  3  also  contains  a  distinct  band  at  the 

expected size for Myc‐6His‐FIH‐1.  

 

5.5.5 Mass spectrometry Results 

Fractions 2 and 3 were  sent  to  the QIMR and  fraction 3 was analysed by both  liquid 

chromatography (LC)‐MALDI‐ MS and also LC‐electrospray ionisation (ESI)‐LTQ‐Orbitrap 

MS. Using  each  technique,  50%  and  71%  of  FIH‐1 was  covered,  respectively, with  a 

combined total of 73% sequence coverage. Tryptic peptides covered are represented in 

Table  5.1  and  Figure  5.14.  There  was  evidence  of  PTMs,  with  four  asparaginyl 

deamidation  events  identified  on  Asn58,  Asn87,  Asn110  and  Asn151  and  four 

occurrences  of methionine  oxidation  at Met108, Met160, Met325  and Met  343  of 

human FIH‐1  (Figure 5.14).   These modifications can occur  in vivo but also  in samples 

during handling.  

 

No  phosphorylation was  detected,  however  this  does  not  preclude  the  existence  of 

phosphorylation events on FIH‐1.   Complete  sequence coverage was not achieved,  so 

modified  residues  may  have  occurred  in  regions  of  the  protein  not  covered. 

Modifications may have additionally been difficult to detect due to a low abundance of 

modified  versus  unmodified  FIH‐1  in  the  sample.  The  low  amounts  of  FIH‐1  in  the 

samples may have  interfered with the detection of modifications that occurred with a 

low  stoichiometry,  as weak  signals  would  have  been  difficult  to  discern  in  samples 

where there was a low signal‐to‐noise ratio.  

 

Page 261: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 262: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Tryptic SequenceTryptic Peptide

Sequence

P1 mgeqk

P2 liseedlnhhhhhhamaat

P3 eeagalgpawdesqlr

P4 sysfptrpipr

P5 l dP5 lsqsdpr

P6 aeelieneepvvltdtnlv

P7 wdleylqenigngdfsvys

P8 flyydek

P9 k

P10 manfqnfkpr

P11 snr

P12 eemk

P13 fhefvek

P14 lqdiqqr

P15 ggeer

P16 l l tl dtP16 lylqqtlndtvgr

P17 k

P18 ivmdflgfnwnwink

P19 qqgk

P20 r

P21 gwgqltsnllligmegnvt

P22 gyk

P23 r

P24 cilfppdqfeclypypvhh

P25 qsqvdfdnpdyer

P26 fpnfqnvvgyetvvgpgdv

P27 t kP27 gaptpk

P28 r

P29 ieyplk

P30 ahqk

P31 vaimr

P32 niek

P33 mlgealgnpqevgpllntm

P34 gr

P35 yn

Table 5.1 Tryptic peptides of Myc‐6His‐Shaded boxes indicate sequences cover

CoveredCovered by MS

-

taaeavasgsgepr +

+

+

-

vypalk +

asthk -

+

-

+

-

-

+

+

-

++

-

-

-

-

tpahydeqqnffaqik +

-

-

hpcdr +

+

vlyipmywwhhiesllnggititvnfwyk -

-

-

+

-

-

-

mik -

-

-

‐FIH‐1 covered by MSred by MS

Page 263: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 264: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Figure 5.14 Schematic representation oof MS coverage of FIH‐1 and PTMs identified

Page 265: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 266: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 249 

 

5.5.6 Continuation of FIH‐1 purification 

Due  to  the  significant  amount of  time dedicated  to  the purification of  FIH‐1  and  the 

limited  time  available  towards  the  end  of  the  body  of work  described  in  this  thesis, 

purification of FIH‐1 was continued by Michael Nastasie as part of an Honours (4th year 

undergraduate)  project.  This  work  involved  continuation  of  the  Ni2+‐affinity 

chromatography method of purifying  tagged FIH‐1  from  the #9  stable Myc‐6His‐FIH‐1 

overexpressing  cell  line  previously  generated,  and  optimisation  included  altering  the 

both  the  amount  and  concentration  of  input  lysate  in  an  attempt  to  increase  the 

efficiency of  the purification.  Interestingly,  in keeping with  the  results obtained here, 

Michael Nastasie found that increasing total input lysate did not deliver greater yields of 

purified  Myc‐6His‐FIH‐1  (Nastasie,  2009).  Comparison  of  eluted  protein  from 

purifications performed from twelve 175 cm2 flasks and thirty six 175 cm2 flasks did not 

reveal any  increase  in  recovered FIH‐1. The  concentration of  the  lysate however was 

shown  to  be  significant  in  determining  final  yields  of  FIH‐1,  as  lysing  cells  in  smaller 

volumes of  lysis buffer  (7.5 ml compared with 15 ml per 175 cm2  flask) was shown to 

increase the amount of purified Myc‐6His‐FIH‐1, even when using lysate prepared from 

only twelve 175 cm2 flasks. Despite these adjustments to the purification protocol, the 

yields of FIH‐1 were not able to be significantly improved, and no further MS data was 

able to be obtained.  

 

5.5.7 Summary of Ni2+‐affinity chromatography 

The work performed  thus  far  included  two methods used  to purify endogenous FIH‐1 

from  HeLa  Lysate,  generation  of  stable  cell  lines  overexpressing  tagged  FIH‐1  and 

optimisation  of  large  scale  Ni2+‐purifications  of  the  tagged  FIH‐1.  Using  the  latter 

methods, bands of  the expected size  for Myc‐6His‐FIH‐1 were able  to be detected on 

coomassie‐stained gels. Optimisation of column purification led to MS data from tryptic 

Page 267: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 250 

peptides covering a total of 73% of the protein, and showing events of deamidation and 

oxidation.  In order to try to  increase the amount of FIH‐1 available  for analysis, batch 

purification was performed. Despite the observation of clear bands at the correct size 

on  a  gel,  subsequent MS  analysis  revealed  that  this  technique  reduced  the  purity  of 

purified FIH‐1, as FIH‐1 protein was present in these bands, but at a low level compared 

to other more highly abundant proteins.  

 

5.7 Summary and Discussion 

The aim of the work presented in this chapter was to purify a sufficient amount of FIH‐1 

from cells for identification of the any FIH‐1 modifications by MS. To this end, a variety 

of methods were attempted at purifying endogenous FIH‐1 from HeLa cells.  

 

Immunoprecipitation of endogenous FIH‐1 did not yield  sufficient amounts of protein 

due  to  poor  efficiency  of  FIH‐1  binding  by  the  three  polyclonal  antibodies  used.  

Difficulties were encountered when the IPs were modestly scaled up, as  increasing the 

amount of  input  lysate correspondingly  increased the amount of background staining. 

Further  attempts  at  immunoprecipitating  FIH‐1  from  cells  could  include  use  of  an 

alternative  anti‐FIH‐1  monoclonal  antibody  that  has  since  become  commercially 

available (Santa Cruz sc‐271780).  Alternatively, the anti‐Myc monoclonal antibody 9E10 

could  be  used  for  IP  of  Myc‐6His‐FIH‐1  from  stably  overexpressing  cells.  Use  of 

monoclonal  antibodies  rather  than  the polyclonal  antibodies used here may  improve 

the specificity of binding and may increase the yield of FIH‐1 obtained. In addition to IPs, 

a  novel  method  exploiting  the  high  affinity  FIH‐1  Notch1  Ank1‐4.5  interaction  was 

devised  for  the purification of FIH‐1  from  cells. The efficiency of  the Notch Ank1‐4.5‐

affinity method was excellent, however the difficulties encountered with elution of FIH‐

1 precluded successful use and continuation of this method.  

  

Page 268: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 251 

Monoclonal cell lines overexpressing a tagged fusion protein were generated for larger 

scale  Ni2+‐affinity  purifications.  Overall,  almost  twenty  large‐scale  FIH‐1  purifications 

were  performed  using  Myc‐6His‐FIH‐1‐overexpressing  cell  lines  by  large  scale 

denaturing Ni2+‐affinity  chromatography.  Significant  amounts  of Myc‐6His‐FIH‐1 were 

difficult to purify using this method. Optimisation steps included increasing the amount 

of  input  lysate,  lysing  in a smaller volume of  lysis buffer  to  reduce  the volume of  the 

lysate, altering the stringency of washes, altering the elution conditions, and switching 

to  batch  purification  instead  of  column  purification.  Purified  Myc‐6His‐FIH‐1  was 

analysed by MS/MS, with the best results achieving 73% FIH‐1 sequence coverage FIH‐1.  

PTMs identified included methionine oxidation and asparaginyl deamidation.  

 

5.7.1 Methionine oxidation 

Four  events  of methionine  oxidation  on  FIH‐1 were  identified,  occurring  on Met108, 

Met160,  Met325  and  Met343.  Methionine  oxidation  involves  the  ROS‐mediated 

oxidation of the sulphur atom in the methionine side chain to methionine sulfoxide. As 

oxidation  of methionine  residues  does  not  result  in  a  change  in  a  proteins  overall 

charge,  this  modification  would  not  have  contributed  to  the  pI  variation  of  FIH‐1 

observed  in 2‐D gels. Furthermore, methionine oxidation  is a widely known artefact of 

sample  handling  and  is  often  encountered  during  the  processing  of MALDI‐TOF MS 

samples  (Potgieter  et  al.,  1997).  Based  on  the  work  described  in  this  thesis,  it  is 

unknown  if this modification occurred  in cells or during Myc‐6His‐FIH‐1 purification or 

subsequent MS analysis.  

 

5.7.2 Asparaginyl deamidation 

Four  deamidated  asparaginyl  residues, Asn58, Asn87, Asn110  and Asn151, were  also 

identified by MS analyses of purified Myc‐6His‐hFIH‐1. Deamidation of proteins results 

Page 269: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 252 

in a series of spots with increasingly acidic pIs concurrent with an increasing number of 

deamidated asparaginyl  residues. Each spot may  represent a mixture of proteins with 

deamidated  residues  at  different  positions,  but  with  the  same  overall  number  of 

deamidated  asparagines,  conferring  the  same  overall  charge  to  the  protein.  Thus, 

deamidation could be responsible for some of the isoelectric heterogeneity observed in 

2‐DE experiments, as  the addition of negative charges  is  in keeping with  the series of 

increasingly  acidic  spots  seen  for  FIH‐1  in  2‐DE  blots.  However,  like  methionine 

oxidation,  asparagine  deamidation  can  occur  both  in  cells  and  during  sample 

preparation. Because deamidation  is a known,  common occurrence  in both 2‐DE and 

MS (Krokhin et al., 2006), it is unclear whether these events are physiologically relevant 

for FIH‐1 or are merely artefacts of sample processing.  

 

Deamidation  can  occur  both  enzymatically  and  non‐enzymatically,  though  the 

commonly held view  is that most deamidation events occur nonenzymatically, both  in 

vivo and in vitro. Only a small number of mammalian deamidases have been discovered 

and  these  have  a  limited  substrate  range.  Examples  include  nicotinamide  deamidase 

(Petrack et al., 1965) and Protein NH2‐terminal Asparagine Deamidase (PNAD) (Stewart 

et al., 1994). PNAD only  catalyses deamidation of N‐terminal asparagines and has no 

observed activity with  interior asparaginyl residues, while nicotinamide deamidase has 

no demonstrated protein substrates at all.  

 

Nonenzymatic deamidation is thought to occur when the nitrogen atom that forms the 

peptide  bond  between  an  asparaginyl  residue  and  the  following  residue,  attacks  the 

carbonyl carbon atom of the asparagine, forming an intermediate succinimide ring with 

the  loss of the amide group. This  intermediate ring structure  is then cleaved at one of 

two positions, giving either aspartic acid or  isoaspartic acid  (Capasso et al., 1989). As 

such,  for  deamidation  to  proceed,  the  asparaginyl  residue must  be  located within  a 

flexible region of a protein to enable initial attack and the subsequent formation of the 

Page 270: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 253 

intermediate  succinimide  ring.  Protein  structure  is  a  significant  contributor  to 

deamidation  rate,  with  flexible  regions  in  proteins  being  more  amenable  to 

deamidation.  Asparaginyl  residues  that  reside  within  highly  structured  regions  of 

proteins are not as readily deamidated (Rivers et al., 2008). 

 

The positions of the identified deamidated asparaginyl residues in FIH‐1 were examined 

to assist in speculation about the likelihood of each deamidation event occurring in cells 

versus  in  denatured  protein  samples.  As  Asn87,  Asn110  and  Asn151  occur  in 

unstructured  loops on  the  surface of  FIH‐1  (Figure  5.15),  it  is  conceivable  that  these 

residues may be subjected to deamidation in the context of intact, native FIH‐1. Asn58, 

on the other hand, is located within an α‐helix. α‐helical structure has been reported to 

inhibit deamidation of asparaginyl residues that reside within a helix, therefore Asn58 is 

less  likely  to  undergo  deamidation  within  native  FIH‐1.  As  the  Myc‐6His‐FIH‐1 

purifications were carried out  in denaturing conditions,  it may be that deamidation of 

Asn58 occurred  in the sample following protein denaturation. In support of this,  it has 

been reported that while the half‐life for deamidation  is relatively  long for asparaginyl 

residues within structured parts of proteins, both denaturation and tryptic digestion of 

proteins prior  to MS dramatically accelerates  the  rate of deamidation  through  loss of 

structure  that  may  have  provided  steric  hindrance  to  deamidation,  enabling  the 

reaction  to proceed  (Rivers  et al., 2008).  The  loss of  FIH‐1  structure by denaturation 

during  cell  lysis  and  then  tryptic  digestion  prior  to MS may  have  contributed  to  the 

deamidation events identified by MS, particularly in the case of Asn58 that lies within a 

structured part of the protein.  

 

The amino acid sequence flanking the asparaginyl residue also impacts on deamidation 

rates. It has been reported that side of the amino acid residue  immediately C‐terminal 

to the asparaginyl residue has a greater effect on deamidation rate that the N‐terminal 

residue  side  chain  (Robinson  and  Robinson,  2001a).  The  presence  of  small  residues

Page 271: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 272: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Figure 5.15Structure of human FIH‐1 retrieved from(MMDB ID 33168) and displayed using Chttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure

m the Molecular Modelling Database (MMDB) Cn3D 4.1 program accessed on . Deamidated Asn residues are indicated. 

a1172507
Text Box
NOTE: This figure is included in the print copy of the thesis held in the University of Adelaide Library.
Page 273: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 274: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 257 

immediately C‐terminal  to  an  asparagine  increase  the  rate of  in  vitro deamidation of 

that  asparagine  in  peptides, with  asparaginyl  residues within  Asn‐Gly  sequences  the 

most readily deamidated, particularly when they reside  in an unstructured region of a 

protein. Asparaginyl residues that  lie adjacent to bulky, hydrophobic residues are  least 

likely to be deamidated, probably due to steric interference of the adjacent side chain in 

the access of the backbone nitrogen to the carbonyl carbon.  

 

The  effect  of  neighbouring  amino  acid  residues  on  rates  of  asparaginyl  residues  in 

peptides  has  experimentally  determined  (Robinson  and  Robinson,  2001a).  Based  on 

these  studies,  predictions  can  be  made  regarding  the  rates  of  deamidation  of 

asparagine residues in FIH‐1. Asn87 is flanked by two glycine residues, and is thus likely 

to  be  readily  deamidated  due  to  the  lack  of  steric  interference  of  the  small  flanking 

residues on  the deamidation  reaction. Aspartic  acid, which  follows Asn151, has been 

determined to have moderate effects on asparaginyl deamidation, and the presence of 

a glutamic acid residue following Asn58 predicted to have greater inhibitory effects. The 

phenylalanine residue C‐terminal to Asn110  is  likely to cause the greatest  interference 

to  asparaginyl  deamidation.  Taken  together,  both  the  location  of Asn87  in  a  flexible 

region on  the  surface of FIH‐1 and  the presence of  two glycine  residues  immediately 

adjacent to Asn87, suggest that this residue may be deamidated in cells.  

 

Estimations of non‐enzymatic deamidation half‐lives of all asparaginyl residues in FIH‐1 

were calculated using an algorithm developed by N. Robinson (Robinson, 2002), freely 

available  at  http://deamidation.entrewave.com,  and  a  published  crystal  structure  of 

FIH‐1 (Dann et al., 2002)(Protein Data Bank ID code 1MZE; Figure 5.15).  This algorithm 

is  based  on  the  extensive  studies  investigating  the  deamidation  rates  of  asparaginyl 

residues  in  pentapeptides  with  different  combinations  of  neighbouring  amino  acids 

(Robinson and Robinson, 2001a), and also of the rates of deamidation as they occur  in 

proteins with  known  structure  (Robinson  and Robinson,  2001b).  The  estimated  rates 

Page 275: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 258 

apply for proteins in a pH 7.4, 37°C, 0.15 M Tris buffer and deamidation half‐life is given 

by (100) x deamidation coefficient (CD), in days. There is precedent in the literature for 

the  accurate  prediction  of  this  algorithm  for  biologically  relevant  deamidated 

asparaginyl residues  (Deverman et al., 2002). Using this algorithm, Asn87 of FIH‐1 has 

the  shortest predicted half‐life of all asparaginyl  residues  (Table 5.2) and  is  therefore 

predicted to be most readily deamidated. 

 

Taken together, the identification of deamidation events on Asn87 by MS, the position 

of this residue  in a flexible, unstructured region on the surface of FIH‐1, and the short 

estimated  half‐life  given  by  the  deamidation  prediction  algorithm,  suggest  that  it  is 

possible  that  this  deamidation  event  occurs  in  cells  and  is  not  simply  an  artefact  of 

sample  processing  procedures.  From  the  data  presented  in  this  thesis  however,  it 

cannot be determined whether these deamidation events occurred in vivo prior to 2‐DE, 

or prior to MS, or in vitro as a result of sample processing. 

 

5.7.3 Phosphorylation 

In addition to deamidation, the different pIs of proteins observed in a spot “train” could 

be  due  to  an  increasing  number  of  phosphorylation  events, which  also  introduce  a 

negative charge to a protein. The addition of phosphate groups onto a protein causes 

an  acidic  shift  in  pI, with  each  subsequent  phosphate  group  adding  further  negative 

charges, resulting in a “train” of spots. The fact that phosphorylation was not detected 

in  by MS  does  not  preclude  the  possibility  of  this modification  contributing  to  the 

differences  in pI of FIH‐1, as the complete FIH‐1 sequence was not covered and there 

was not a  sufficient amount of  the protein  to enable detection of modifications  that 

may have occurred at low frequency. Modifications occurring at low levels can also be  

difficult  to  detect  by  MS,  where  detection  of  modified  protein  peaks  may  be 

confounded by highly abundant peaks attributed to unmodified protein. To address this  

Page 276: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Position Sequence

58 Glu‐Asn‐Glu 8

68 Thr‐Asn‐Leu 2

84 Glu‐Asn‐Ile 4

87 Gly‐Asn‐Gly 0

110 Ala‐Asn‐Phe 1

113 Gln‐Asn‐Phe 2

119 S A A 2119 Ser‐Asn‐Arg 2

151 Leu‐Asn‐Asp 3

166 Phe‐Asn‐Trp 1

168 Trp‐Asn‐Trp 5

171 Ile‐Asn‐Lys 2y

185 Ser‐Asn‐Leu 1

194 Gly‐Asn‐Val 1

205 Gln‐Asn‐Phe 4

246 Asp‐Asn‐Pro 1

254 Pro‐Asn‐Phe 1

257 Gln‐Asn‐Val 1

286 Leu‐Asn‐Gly 1

294 Val‐Asn‐Phe 2

321 A A Il 9321 Arg‐Asn‐Ile 9

332 Gly‐Asn‐Pro 4

341 Leu‐Asn‐Thr 1

349 Tyr‐Asn 5

Table 5.2 Prediction of Asn half life for Prediction of deamidation half life baseavailable at http://deamidation.entrew. 

CD MS Coverage? Deamidation?

2.778 YES YES

98.303 YES

01.032 YES

.337 YES YES

01.849 YES YES

8.261 YES

0 618 NO0.618 NO

.086 YES YES

19.750 YES

6.042 YES

02.339 YES

65.556 YES

77.058 YES

3.397 YES

94.618 YES

89.426 NO

55.994 NO

1.118 NO

7.647 NO

77 133 NO77.133 NO

06.278 YES

14.842 YES

.635 NO

FIH‐1ed on an algorithm developed by Robinson (2002) and ave.com. See Section 5.7.2 for further discussion. 

Page 277: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 278: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 261 

possibility  in  terms  of  phosphorylation,  enrichment  of  phospho‐peptides  could  be 

carried out prior to MS to increase the ratio of any phosphorylation FIH‐1 in the samples 

to improve the likelihood of detecting phosphorylation. 

 

5.7.4 Final summary of FIH‐1 purification and MS results 

MS data indicated deamidation of asparaginyl residues and methionine oxidation as two 

modifications that occurred on FIH‐1. Both deamidation and oxidation of proteins can 

occur in cells or in samples during sample preparation procedures and it is not known if 

these modifications  occurred  on  FIH‐1  in  cells  or  occurred  during  processing  of  the 

samples.  

 

Ultimately, the numerous strategies employed for the purification of both endogenous 

FIH‐1 and Myc‐6His‐FIH‐1 did not deliver adequate amounts of protein for in‐depth MS 

analysis  that  would  have  enabled  comprehensive mapping  of  PTMs. More  detailed 

characterisation  of  PTMs would  require  greater  amounts  of  purified  FIH‐1  and may 

require further optimisation of the Ni2+‐affinity purification method, such as scaling up 

the  input whilst simultaneously  lysing  in a smaller volume of  lysis buffer. Continuation 

of  this work could also  include using an alternative, more highly overexpressing Myc‐

6His‐FIH‐1  stable  cell  line  from  which  to  purify  FIH‐1.  In  assessing  the  different 

expression levels of FIH‐1 in the various stable monoclonal cell lines created, there was 

a significant difference in expression levels between some of the cell lines. The #9 stable 

cell  line  was  chosen  as  it  overexpressed  FIH‐1  at  levels  moderately  higher  than 

endogenous  FIH‐1.  There  were,  however,  other  monoclonal  cell  lines,  for  example 

clonal line number 6, which expressed higher levels of Myc‐6His‐FIH‐1 (see Figure 5.8). 

Purifying  FIH‐1  from  a  cell  line  that was  shown  to overexpress  FIH‐1  at higher  levels 

would  increase  the  amount  of  FIH‐1  available  for  purification  and  could  perhaps 

increase  the  final  yield  of  FIH‐1  purified  by  Ni2+‐affinity  chromatography. While  this 

Page 279: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 262 

strategy  may  enable  higher  yields  of  FIH‐1  to  be  obtained,  it  may  not  facilitate 

identification of PTMs, as the proportion of modified FIH‐1 to unmodified FIH‐1 may be 

decreased by saturating out cellular modification machinery. 

 

Methionine  oxidation  does  not  affect  any  ionisable  groups  and  is  therefore  not 

expected to alter the pI of a protein, thus this modification would not have contributed 

to  the  pI  heterogeneity  observed.  Deamidation,  on  the  other  hand,  introduces  a 

negative  charge  due  to  loss  of  an  amide  group  and  gain  of  a  carboxyl  group,  and 

deamidated proteins  thus have a more acidic  isoelectric point and can appear on 2‐D 

maps as a spot train where each protein spot in the acidic direction is due to increasing 

numbers of deamidated residues. As such, deamidation of FIH‐1 may contribute to the 

spot  profile  observed  in  2‐DE  blots.  Phosphorylation  of  proteins  also  involves  the 

addition of negative  charges and a  concurrent decrease  in pI. Due  to  the  incomplete 

results  obtained  by  purification  and MS  of  FIH‐1,  and  due  to  the  possibility  that  the 

spots observed  in 2‐D gels  could be due  to either deamidation or phosphorylation, a 

more  directed  approach  was  undertaken  to  determine  whether  FIH‐1  could  be 

phosphorylated. Given the importance of phosphorylation in regulating protein activity 

and  its  involvement  in numerous signalling pathways,  it was of  interest  to  investigate 

FIH‐1 was subjected to this important modification.  

Page 280: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 263 

 

CHAPTER 6 

 

INVESTIGATING 

POTENTIAL 

PHOSPHORYLATION 

OF FIH‐1 

 

 

 

 

Page 281: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 282: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 265 

6 INVESTIGATING POTENTIAL 

PHOSPHORYLATION OF FIH‐1 

 

6.1 Overview 

The  2‐DE  experiments  presented  in  Chapter  4  demonstrated  that  there  are multiple 

forms  of  FIH‐1  in  all  samples  analysed.  Purification  and  MS  analyses  identified 

asparaginyl  deamidation  and methionyl  oxidation  of  FIH‐1.  As  complete  coverage  of 

FIH‐1 was not achieved by these analyses, the possibility of PTMs occurring elsewhere 

on FIH‐1 remained.  

 

The spot profile  for FIH‐1 was suggestive of step‐wise decreases  in pI. Such pI effects 

can  be mediated  by  PTMs  that  affect  the  charge  of  a  protein  by  either  introducing 

negative charges or removing positive charges. Accordingly, deamidation of FIH‐1  is  in 

keeping with  the  spot pattern observed. However, as deamidation  is a widely known 

artefact of both 2‐DE and MS, it is not known if this PTM is physiologically relevant for 

FIH‐1. Phosphorylation of proteins also results in decreased pI and could therefore also 

be contributing to the differences in FIH‐1 pI.   

 

Covalent attachment and removal of phosphate groups on proteins represents the best‐

characterised  and  most  widely  recognised  PTM  that  regulates  protein  behaviour. 

Phosphorylation of proteins is a highly regulated process that has known effects on the 

activities of many cellular proteins. There are over 500 known mammalian kinases, and 

over 150 known phosphatases  (Cohen, 2002). These enzymes together act to regulate 

what  is  termed  the  “phosphoproteome”,  the  entire  cellular  complement  of 

Page 283: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 266 

phosphoproteins,  including  the phosphorylation  status of each protein at each  site  in 

response to various stimuli and signalling events.  

 

Anecdotal evidence links FIH‐1 to proteins involved in kinase signalling. Firstly, Integrin‐

linked  kinase‐1  (ILK‐1)  has  been  suggested  to  be  a  substrate  of  FIH‐1.  Sequence 

alignment of the ARs of genuine FIH‐1 substrates and putative substrates suggested that 

ILK‐1 could be hydroxylated by FIH‐1. Assessment of hydroxylation in vitro showed that 

ILK‐1 was  a weak  substrate  (Cockman  et  al.,  2006).  This  does  not  preclude  a  direct 

interaction  between  FIH‐1  and  ILK‐1  however,  as Notch4  has  been  found  to  interact 

strongly with FIH‐1 and not be hydroxylated (Wilkins et al., 2009). No further data has 

been published showing whether FIH‐1 and  ILK‐1 directly  interact, but given that  ILK‐1 

contains an ARD it would be interesting to see if they co‐IP. Secondly, unpublished data 

suggests  that  FIH‐1  interacts  with  Protein  Phosphatase  1  Regulatory  subunit  12C 

(PP1R12C). Rachel Hampton‐Smith conducted a Y2H assay using FIH‐1 as bait to isolate 

FIH‐1  interacting proteins. A number of proteins were  identified  as  FIH‐1  interactors, 

many  containing  ARDs.  Some,  such  as  IκBα,  have  since  been  corroborated  in  the 

literature (Cockman et al., 2006). PP1R12C contains four ankyrin repeats and was one of 

the  proteins  pulled  out  by  the  Y2H  assay,  and  subsequent  work  showed  that 

overexpression  of  PP1R12C  in  293T  cells  increased  expression  of  a Gal‐HRE  reporter 

gene,  indirectly  inferring  an  interaction  with  FIH‐1  reduces  FIH‐1‐mediated  HIF‐CAD 

repression (R. Hampton‐Smith, unpublished data).  

Also, in addition to the regulation of HIF transcriptional activity by oxygen levels via FIH‐

1,  there  is  evidence  that  MAPK  and  PI3K/Akt  kinase  pathways  can  influence  the 

transcriptional activity of HIF, as discussed in Section 1.5.7 of this thesis. In many cases, 

the direct mode of regulation of these signalling pathways has not been elucidated. 

 

 

Page 284: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 267 

Two  different  experimental  approaches were  undertaken  to  investigate  the  possible 

phosphorylation of FIH‐1. First, phosphatase treatment of cell lysate was performed to 

enable a comparison of  spot profile between phosphatase  treated and untreated cell 

lysates by 2‐DE. Second,  in vitro phosphorylation assays were performed,  involving the 

incubation of bacterially expressed and purified FIH‐1 with lysate in the presence of [ϒ‐

32P]‐ATP.  

 

6.2 Phosphatase Treatments 

6.2.1 Phosphatase treatments 

To  ascertain whether  phosphorylation might  be  responsible  for  one  or more  of  the 

different  spots  observed  for  FIH‐1,  lysates  were  made  from  the  Myc‐6His‐FIH‐1 

overexpressing  stable  cell  line  #9  for  treatment  with  lambda  phosphatase. 

Overexpressed  FIH‐1 was  investigated  simply  due  to  the  superior  detection  of Myc‐

tagged proteins with the 9E10 over detection of endogenous FIH‐1 with any of the FIH‐

1‐specific  antibodies.  The  broad  spectrum  protein  phosphatase  lambda  used  to 

dephosphorylate  proteins  in  the  lysate,  and  phosphatase  inhibitors  included  in  the 

control samples to preserve any phosphorylation on FIH‐1.  

 

To  control  for  successful phosphatase  treatment,  small  aliquots of both phosphatase 

treated and untreated lysates were taken and run on a gel for western blotting with an 

antibody targeted to phosphorylated Ser5 of RNA polymerase II. Phosphatase treatment 

resulted  in  loss of the approximately 250 kDa band detected by this antibody, and this 

positive control was performed for all experiments  

 

Treated and untreated lysates were separated by 2‐DE and results visualised by blotting 

with anti‐Myc antibodies (Figure 6.1 b). The results of a representative experiment are  

Page 285: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 286: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

b.a.

‐ +S

PPase

kDa

100

75

150

250 pSer‐RNA Pol II

50

100

75

50

WB: pSer‐RNA Pol II

50

37

100

75

50

37

75

37

Figure 6 1 Lambda Phosphatase TreatmFigure 6. 1 Lambda Phosphatase TreatmCell lysates were prepared from stable Min the presence or absence of phosphator 2.5 μl of buffer was added to +  PPa200 μg total protein in a volume of 60 μμg removed for the Phospho‐Ser RNA Pand resuspended in IEF buffer, and 100 p ,Results were visualised by anti‐Myc WBexperiments. 

4 7pI

PPa

0

0

5

‐ PPase

0

7

0

5

+  PPase

0

7

5

7

Anti‐Myc WB

mentment Myc‐6His‐FIH‐1 overexpressing cell line #9 either tase inhibitors. 1000 units of lambda phosphatase ase and  PPase samples, respectively, containing μl. Reactions occurred over an hour at 30°C, and 20 Pol II WB (a). Remaining samples were precipitated μg separated by 2‐DE using 7 cm pH 4‐7 IPG strips. μg p y g p p

B (b).  Representative of > 3 independent 

Page 287: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 288: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 271 

presented in Figure 6.1. Figure 6.1 a shows successful loss by phosphatase treatment of 

the band detected by the phospho‐specific antibody, and Figure 6.1 b shows the spot 

pattern  of  phosphatase  treated  and  untreated  lysates  as  detected  by  the  anti‐Myc 

antibody.  Some  obvious  differences were  observed  in  the  spot  profile  between  the 

untreated and treated lysates. In the blot of untreated lysates (top panel), a train of four 

spots  of  the  same molecular  weight  but  different  pIs  was  apparent,  however  with 

phosphatase treatment (lower panel), only two spots with different pIs were observed, 

and there was also a change  in the molecular weight of the most basic spot, with this 

most basic spot possibly being two spots close  in size. The reduction  in the number of 

spots  resolved  on  the  2‐D  gels  from  four  spots  to  two with  phosphatase  treatment 

suggests  that  phosphatase  treatment  caused  a  loss  of  two modifications  that  led  to 

changes in the pI of Myc‐6His‐FIH‐1.  

 

Loss  of  phosphate  groups  and  the  corresponding  negative  charges  from  a  protein 

results  in a more basic pI. Such a change would be evident on a 2‐D gel as a  shift of 

protein  spots  to  a more  basic  position.  Indeed,  from  these  data  it  does  appear  as 

though  the  two most  acidic  spots  in  the untreated  2‐D blot  are  the ones  lost  in  the 

phosphatase‐treated blot (Figure 6.1 b). However, despite great care being taken during 

application of IPG strips to the second dimension gels to ensure that the pH gradients of 

the two gels would align,  it  is difficult to conclude with certainty from this experiment 

whether the two spots observed  following phosphatase treatment have migrated to a 

more basic position than the spots present on the untreated blot, as there are no other 

spots present on the gel to serve as a reference.  

 

6.2.2 Phosphatase treatment with internal reference protein 

To  determine  the  nature  of  the  shift  in  pI  of  Myc‐6His‐FIH  following  phosphatase 

treatment,  it  was  necessary  to  include  an  internal  standard  to  provide  a  point  of 

Page 289: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 272 

comparison.  A  Myc‐tagged  Notch  construct  encompassing  the  RAM  domain  was 

selected as it would be able to be detected by the same anti‐Myc antibody.  Myc‐6His‐

Notch 1753‐1859 is approximately 30.8 kDa and has a predicted isoelectric point of 5.21 

(Protein Calculator v3.3, http://www.scripps.edu/~cdputnam/protcalc.html). As such  it 

was sufficiently different  in size and pI from tagged FIH‐1 to enable distinct detection, 

yet had a predicted pI within the pH 4‐7 range of the IPG strips that were used for these 

experiments. The protein was expressed in and purified from bacteria. Purified protein 

was assessed on Coomassie‐stained SDS‐PAGE gels (Figure 6.2 a) prior to precipitation 

of  the  protein  using  the  2‐D  Clean Up  Kit  and  resuspension  of  protein  pellets  in  IEF 

buffer. Different amounts of  the  internal standard protein were added  to 20 μg of #9 

stable cell lysate and run on a gel and blotted with the anti‐Myc 9E10 antibody in order 

to gauge the relative strength of bands detected for purified Myc‐Notch‐Ram and Myc‐

6His‐FIH‐1 from lysate (Figure 6.2 b). From this experiment, it was decided that less than 

0.5 μg of purified RAM domain would be sufficient to serve as an internal standard.   

 

Phosphatase‐treated and untreated lysates were prepared for 2‐DE as described above, 

and  0.25  μg  of  the  purified  Notch‐RAM  construct  was  added  to  the  samples 

immediately prior to IEF. The anti‐Myc blots of the resulting 2‐D gels presented in Figure 

6.3 b show an excess of  internal standard protein. Despite this, excellent resolution of 

spots was achieved for the standard protein and also for Myc‐tagged FIH‐1, enabling a 

direct  comparison  of  the  position  of  FIH‐1  spots  between  phosphatase‐treated  and 

untreated blots relative to the well‐resolved spots of the standard.  

 

The spots marked on Figure 6.3 b as  ‘1’,  ‘2’ and  ‘3’ resolved well  in both 2‐D gels and 

were  thus used  as  the  internal  reference  for  this  experiment. Aligning  the  two  blots 

according  to  these spots clearly shows a shift  in  the position of  the Myc  tagged‐FIH‐1 

spots to a more basic position. The dashed line superimposed over the blots shows that, 

in the upper, untreated panel, there are three clearly resolved spots on the left of the  

Page 290: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

MWkDa

Purified Myc‐6His‐Notch

1l   2l    5l  10

a.

50

37

25

Purified Myc

Coomassie St

25

b.

50

0.1    0.5      1     2    MWkDa 

Purified Myc

37

Figure 6.2 Purification and anti‐Myc imreference protein

Myc‐6His‐Notch‐RAM was bacteriallchromatography. Purity of the proteing p y y pVarying amounts (between 0.1 μg anadded to 20 μg of lysate from the Mywere separated by SDS‐PAGE and result

h‐RAM

0l

Myc‐6His‐Notch‐RAM

‐6His‐Notch‐RAM

tain

Myc‐6His‐FIH‐1

2.5  0.5    1      2       2.5      g purified RAM

+ 20 g Stable #9 lysate

‐6His‐Notch‐RAM

WB: anti‐Myc

Myc‐6His‐Notch‐RAM

mmunoblot of the Myc‐6His‐Notch‐RAM 

ly expressed and purified by nickel‐affinityn was assessed by SDS‐PAGE and coomassie (a).y ( )nd 2.5 μg) of purified Myc‐6His‐Notch‐RAM wasyc‐6His‐FIH‐1 overexpressing cell line #9. Proteinsts visualised by anti‐Myc WB (b).

Page 291: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 292: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

+

PPase

a.

100

150

250

‐ +

50

100

75

37

WB pSer RNA PWB: pSer‐RNA P

pSer‐RNA Pol II

ol IIol II

Page 293: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 294: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

4

50

b.

kDa

37

50

37

Figure 6. 3 Phosphatase treatment andCell lysates were prepared from stable Mthe presence or absence of phosphatasthe presence or absence of phosphatas2.5 μl of buffer was added to + PPaseμg total protein in a volume of 100 μl. Rremoved for the Phospho‐Ser RNA Poand resuspended in IEF buffer, and 0.5μg separated by 2‐DE using 7cm pH4‐7(b) . Representative of 3 independent ex

7pI

‐ PPase

Myc‐6His‐FIH‐1

Myc‐6His‐FIH‐1

12 3

d 2‐DE of HeLa cell lysatesMyc‐6His‐FIH‐1 overexpressing cell line #9 either inse inhibitors 1000 units of lambda phosphatase or

+  PPase12 3

se inhibitors. 1000 units of lambda phosphatase ore and PPase samples, respectively, containing 200Reactions occurred over an hour at 30°C, and 40 μgl II WB (a). Remaining samples were precipitatedμg of Myc‐6His Notch‐RAM added prior to IEF. 100IPG strips. Results were visualised by anti‐Myc WBxperiments.

Page 295: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 296: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 279 

line, with  the most  basic  spot  being  the weakest  and  the  central  spot  showing  the 

greatest  intensity.  In  the  lower panel,  showing  the phosphatase‐treated  samples,  the 

position of the spots has shifted such that there is now one more basic spot to the right 

of  the dashed  line,  indicating  loss of a phosphate group. Additionally,  the  intensity of 

the spots has changed such that the spot  immediately to the  left of the dashed  line  is 

the  most  intense  in  the  phosphatase‐treated  blot,  indicating  an  increase  in  the 

abundance of the form of FIH‐1 at this pI. Overall, phosphatase treatment here results 

in  the  appearance  of  a more  basic  spot,  and  a  shift  in  intensity  of  spots  in  a  basic 

direction.  

 

0.1  μg of  the purified Notch‐RAM  internal  standard protein was  included  in a  further 

experiment where  lambda  phosphatase  treated  lysates were  compared with  control 

lysates  by  2‐DE  (Figure  6.4).  Comparison  of  the  position  of  Myc‐His‐FIH‐1  in 

phosphatase treated and control 2‐D blots relative to the internal standard again shows 

a  decrease  in  the  number  of  spots  with  different  pIs  from  four  spots  to  two.  This 

indicates that phosphatase treatment of  lysates reduced the pI heterogeneity of FIH‐1 

(Figure 6.4). To better visualise a shift  in pI of phosphatase  treated protein, a dashed 

line has been superimposed over an expanded  image of each blot. With phosphatase 

treatment (lower panel), there is again the appearance of a more basic spot to the right 

of  the  dashed  line,  and  a  loss  of  the more  acidic  spots  seen  in  the  untreated  blot, 

suggesting that the pI of FIH‐1 becomes more basic upon phosphatase treatment. This 

basic shift  in pI upon phosphatase treatment  is consistent with the phosphorylation of 

FIH‐1  in  HeLa  cells.  Additionally,  phosphatase  treatment  was  observed  to  alter  the 

migration of FIH‐1  in the second dimension (Figure 6.4 and also Figure 6.1), consistent 

with an alteration in charge of the protein upon phosphatase treatment.  

 

Page 297: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 298: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

‐ P

4          pH           

50

37

kDa

50

37

+  PWB: anti‐Myc

Figure 6. 4 Phosphatase treatment andCell lysates were prepared from stable(1000 units) of lambda phosphatase orPPase samples, respectively, containinReactions occurred over an hour aReactions occurred over an hour aresuspended in IEF buffer and 0.1 μg oseparated by 2‐DE using 7 cm pH 4‐7 IPpH 4‐7 IPG strips Results were visindependent experiments.

PPase

7 ‐ PPase

Myc‐6His FIH‐1

+  PPase

PPase

Myc‐6His FIH‐1

d 2‐DE of HeLa cell lysatesMyc‐6His‐FIH‐1 overexpressing cell line #9. 2.5 μlr 2.5 μl of buffer was added to + PPase and ‐ ng 200 μg total protein in a volume of 100 μl.at 30°C Samples were then precipitated andat 30 C. Samples were then precipitated andof Myc‐6His Notch‐RAM added prior to IEF. 100 μgPG strips. and 100 μg separated by 2‐DE using 7cmsualised by anti‐Myc WB. Representative of 3

Page 299: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 300: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 283 

 

6.2.3 Summary of phosphatase treatments 

In  summary,  phosphatase  treatments  of HeLa  cell  lysate  have  indicated  that  lambda 

phosphatase  causes Myc‐6His‐FIH‐1 protein  to  shift  to a more basic  region of  the pH 

gradient  compared with  untreated  FIH‐1.    This  is  suggestive  of  loss  of  one  or more 

phosphate groups  from the protein and  is consistent with phosphorylation of FIH‐1  in 

HeLa cells.  

 

6.3 Phosphorylation Assay 

6.3.1 Strategy for in vitro phosphorylation assay 

Metabolic  labelling of proteins  in  cells with a  32P  is  commonly  carried out  to provide 

evidence that a protein in phosphorylated. This typically involves the incubation of cells 

in phosphate‐free media supplemented with [ϒ‐32P]‐ATP to enable incorporation of the 

32P  isotope  into  any  phosphate  moieties  that  are  attached  to  proteins.  Following 

labelling,  cells  are  lysed  and  the  protein  of  interest  is  immunoprecipitated  from  the 

lysate  for  separation on  SDS‐PAGE,  immunoblotting and autoradiography. Due  to  the 

inherent difficulties  in  IP of FIH‐1 described  in Chapter 5 of  this  thesis,  this approach 

was not attempted for FIH‐1.  

 

Instead,  in order to provide evidence of phosphorylation, a phosphorylation assay was 

devised where bacterially expressed and purified FIH‐1 could be phosphorylated in vitro 

by application of cell lysate to FIH‐1 bound to nickel resin. Similar to a kinase assay, the 

assay would be performed using [ϒ‐32P]‐ATP to radiolabel phosphorylated protein, and 

results visualised by coomassie‐stained gel and autoradiography. Purified HIF‐1α‐CAD, 

known  to  be  phosphorylated  on  Thr796,  was  employed  as  a  positive  control.  This 

experiment was based on similar procedures used in the literature (Rybina et al., 1997).  

Page 301: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 284 

 

6.3.2 In vitro phosphorylation of Trx‐6His‐FIH‐1 

Trx‐6His‐hFIH‐1  and  6His‐hHIF‐1α‐CAD were  separately  expressed  in BL21  E.coli  cells. 

Following cell lysis and centrifugation of lysates, FIH‐1 or the HIF‐1α‐CAD were bound to 

nickel resin and the resin washed to remove unbound proteins. A 30 μl sample of slurry 

was  heated  in  the  presence  of  SDS  sample  buffer  to  assess  levels  and  purity  of  the 

protein, and the remaining FIH‐1 was left attached to the resin and stored at 4°C in the 

presence  of  sodium  azide.  In  order  to  allow  for  a  similar  amount  of  each  substrate 

protein to be included in the assay, bound substrate proteins were quantified by elution 

from a 10 μl sample of each resin and measuring the absorbance of eluted protein at 

280 nm. 

 

Lysate  from  HeLa  cells  was  prepared  using  Native  Lysis  buffer  (see  Section  2.5  of 

Materials  and Methods Chapter),  supplemented with phosphatase  inhibitors. An ATP 

solution was made up with a mixture of “cold” and “hot” [ϒ‐32P]‐ATP and added to 500 

μl lysate (or to buffer only) such that the final concentration of ATP per sample was 150 

μM and 50 μCi. To initiate reactions, the ATP solution was added to the lysate (or to the 

buffer only for negative control samples), and the lysate/buffer added to Trx‐6His‐hFIH‐

1‐ or 6His‐hHIF‐1α‐CAD‐bound  resin. Reactions were  incubated at 37°C  for 3 minutes. 

The resin was then washed three times with 1 ml of native  lysis buffer and FIH‐1 was 

eluted  by  heating  the  resin  in  the  presence  of  SDS  sample  buffer.  Proteins  were 

separated  by  SDS‐PAGE  and  visualised  by  Coomassie  stain,  and  the  gels  were  then 

sealed in plastic wrap to which hot ‘marker’ strips were affixed adjacent to gels. These 

strips were simply small strips of filter paper to which 1 μl of a 1:100 000 dilution of the 

[ϒ‐32P]‐ATP had been applied. Following exposure to phosphor storage screens, each gel 

was carefully removed from the cassette to ensure that the position of the gel relative 

to  the markers  remained constant, and  the gels were scanned still wrapped  in plastic 

Page 302: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 285 

film with the markers attached. This image was used to accurately align the Coomassie 

gel and autoradiograph images. The “hot” markers and plastic film were then removed 

from the gel and the gel rescanned to generate a better image without the plastic film, 

and this image was the one ultimately used in generation of a finalised figure. 

 

Representative results are presented in Figure 6.5. This figure is presented in two parts, 

with the upper panel (Figure 6.5 a) included to illustrate alignment of the coomassie gel 

and the autoradiograph, and the lower panel (Figure 6.5 b) showing the final figure. This 

process was carried out for each of the experiments, however the preparatory stages of 

putting  each  figure  together  are  shown  only  for  this  first  experiment.  This method 

permitted  confidence  that  the  bands  on  the  coomassie  gels  lined  up  precisely with 

bands observed on the autoradiograph.  

   

Comparison of Coomassie‐stained gel and the autoradiograph suggested that FIH‐1 was 

phosphorylated by a kinase or kinases supplied by HeLa  lysate (Figure 6.5 b). Trx‐6His‐

FIH‐1 has a molecular weight of approximately 57 kDa, and can be seen, as indicated, on 

the  Coomassie‐stained  gel.  A  strong  signal  in  the  corresponding  position  of  the 

autoradiograph  indicates the  incorporation of 32P  into a protein with molecular weight 

similar  to  FIH‐1,  and  given  the  abundance  of  the  FIH‐1  protein,  is  most  likely 

phosphorylation  of  FIH‐1.  There  is  also  significant  phosphorylation  of  a  background 

band  of  approximately  30  kDa.  The  6His‐HIF‐1α‐CAD  positive  control  was  also 

phosphorylated in this assay. Addition of lambda phosphatase in a separate experiment 

resulted in loss of the radioactive signal (Figure 6.6).   

 

6.3.3 TEV cleavage of Trx‐6His‐FIH‐1 

Due to the presence of a significant background band in the 6His‐HIF‐1α‐CAD lanes of a 

similar size to Trx‐6His‐FIH‐1, and also due to the high levels of background proteins  

Page 303: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 304: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

1. Autoradiography 2. Sc

a. 

“hot” marker strips*

HIF CADTrx‐6His FIH‐1

b. 

37 kDa

50 kDa75 kDa

‐ +   ‐ +

Coomassie

25 kDa

Figure 6.5 In vitro Phosphorylation AssRecombinant 6His‐HIF‐1α‐CAD and Tchromatography and left bound to resieach assay was estimated to be 20 μgreaction tubes, and native lysis bufferwere initiated by addition of the 150 μfor 3 minutes at 37°C. The resin was ththe resin in SDS sample buffer. SDS‐Pexposed by autoradiography. (a) descrthe results. Representative of > 3 indep

can Coomassie Gel 3. Overlay images

HIF CADTrx‐6His FIH‐1

Lysate

FIH‐1

‐ +    ‐ +

e Autorad

HIF‐1‐CAD

sayTrx‐6His‐FIH‐1 were purified by nickel affinityin. The amount of substrate‐bound resin added toof protein. 600 μl of HeLa cell lysate was added tor only added to negative control tubes. ReactionsμM, 50 μCi ATP cocktail. Reactions were incubatedhen washed 3 times and proteins eluted by heatingPAGE gels were stained with coomassie and thenibes how each figure was made, and (b) presentspendent experiments.

Page 305: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 306: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

+ + + +

HIF CAD FIH‐1

‐ +    +     ‐ +    + + +  

37 kDa

50 kDa

75 kDa

Coomas

25 kDa

Figure 6.6 In vitro Phosphorylation AssRecombinant 6His‐HIF‐1α‐CAD and Tchromatography and left bound to ressubstrate protein was put in a tube anonly added to negative control tubes. Ry g50 μCi ATP cocktail. Reactions were incwashed 3 times with native lysis buffeReactions were incubated for 1 hour atSDS sample buffer. Results were visualisby autoradiography. Representative of t

HIF CAD FIH‐1

Lysate‐ + + ‐ + + +   

LysatePPase+  

‐ +    +    ‐ +     +  

Trx‐6His‐FIH‐1

ssie Autorad

say with phosphatase treatmentTrx‐6His‐FIH‐1 were purified by nickel affinityin. Resin estimated to be bound to 20 μg of eachnd 500 μl of HeLa lysate added. Native lysis bufferReactions were initiated by addition of the 150 μM,y μ ,cubated for 3 minutes at 37°C. The resin was thener prior to addition of λ PPase buffer +/‐ λ PPase.30°C. Proteins were eluted by heating the resin insed by SDS‐PAGE and coomassie staining, followedtwo independent experiments.

Page 307: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 308: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 291 

observed  in purified Trx‐6His‐FIH‐1,  the proteins were again bacterially expressed and 

purified, and  this  time  the  resin was washed with 35 mM  imidazole  to  try  to  reduce 

non‐specific proteins. Also, proteins in subsequent experiments were eluted by addition 

of  500 mM  imidazole  rather  than  by  heating  in  SDS  sample  buffer  in  an  attempt  to 

increase purity of the eluted protein samples.  

 

Subsequent phosphorylation assays indicated that the background band observed with 

6His‐HIF‐1α‐CAD had  indeed been successfully  removed using  this method,  increasing 

the confidence that the signal observed in FIH‐1 lanes was attributed to FIH‐1 and not a 

background  band  (data  not  shown).  However,  background  bands  in  FIH‐1  lanes 

persisted. TEV cleavage of the Trx‐6His tag from FIH‐1 was performed to both ascertain 

if the phosphorylation occurred on FIH‐1 or on the tag, and also to alter the position of 

FIH‐1  on  the  gel  to  enable  visualisation  of  radioactivity  away  from  the  background 

bands.  

 

TEV cleavage was achieved by first eluting Trx‐6His‐FIH‐1 from the resin using 30 μl of 

500 mM  imidazole,  and  then  adding  TEV protease  in  TEV  reaction buffer  to 30  μl of 

eluted protein and incubating for 1 hour at 30°C. Coomassie gels demonstrated that TEV 

cleavage  achieved  good  separation  of  the  Trx‐6His  tag  from  FIH‐1  (Figure  6.7).  The 

approximately 57 kDa Trx‐6His‐FIH‐1 band  is  significantly  reduced with TEV digestion, 

indicating  that  digestion  is  essentially  complete,  though  there may  be  low  levels  of 

undigested  FIH‐1  remaining. An  approximately  40  kDa  FIH‐1  band  is  observed  in  the 

lane  containing  TEV‐digested  protein,  and  there  is  a  faint  band  seen  in  the 

corresponding position in the autoradiograph. This provides evidence for a low level of 

phosphorylation of FIH‐1.  

 

One  difficulty  with  this  assay  was  the  comparatively  low  yields  of  Trx‐6His‐FIH‐1 

obtained by bacterial expression and purification compared with yields of 6His‐HIF‐1α‐ 

Page 309: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 310: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

HIF CAD FIH‐1

‐ +       ‐ +     +  +  

50 kDa

75 kDa

25 kDa

37 kDa

Coomassie

Figure 6. 7 TEV Digestion of in vitro ph6His‐HIF‐1α‐CAD and Trx‐6His‐FIH‐1 weremained bound to nickel resin. Resinprotein was put in a tube and 500 μl ofinitiated by the addition of the [ϒ‐32P]‐A37°C for 3 minutes. Resins were then wμl of 500 mM imidazole or by incubatwere visualised by SDS‐PAGE and coomRepresentative of two independent exp

HIF CAD FIH‐1

‐ +    ‐ +    +  +  

Lysate

TEV protease

Trx‐6His‐FIH‐1

Autorad

FIH‐1

osphorylated proteinere bacterially expressed and purified, and proteinestimated to be bound to 20 μg of each substrateHeLa lysate or 500 μl of buffer added. Assays wereATP cocktail (150 μM, ~ 50 μCi), and incubated atwashed and protein eluted by either addition of 30tion with TEV protease at 30°C for 1 hour. Resultsassie staining, followed by autoradiography.periments.

Page 311: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 312: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 295 

CAD.  For  example,  prior  to  the  TEV  cleavage  experiments  described  above,  proteins 

were  eluted  from  10  μl  of  resin  by  addition  of  30  μl  of  250 mM  imidazole,  and  the 

proteins quantified to give an  indication of the amount of resin that would need to be 

used to give equal amounts of protein. For example, for the protein preparations used 

in Figure 6.7, there was significantly more HIF‐1α‐CAD (approximately 2.18 μg/μl) than 

FIH‐1 (approximately 0.45 μg/μl) when the proteins were eluted from the same amount 

of resin. Thus, nearly five times as much FIH‐1‐resin was needed compared with HIF‐α‐

CAD‐resin to give similar amounts of the substrate proteins in the assay. This may have 

contributed to the significantly higher amounts of background proteins and radioactivity 

observed  in FIH‐1 samples, as there was more unbound resin available to bind to non‐

specifically  to  proteins  in  the  lysate.  Perhaps  further work  could  include  larger  scale 

expression of the protein and purification and/or less Ni‐IDA resin used for purification 

to increase the load of FIH‐1 on the resin.  

 

6.3.4 In silico prediction of phosphorylation sites  

Following on  from  the phosphatase  treatments and phosphorylation assays  that both 

suggested  that  FIH‐1  is  phosphorylated,  bioinformatic  tools  were  used  to  predict 

possible  sites of phosphorylation of  the protein.  Two online  tools were used  for  this 

purpose;  Scansite  (scansite.mit.edu/)  and  PhosphoMotif  Finder 

(www.hprd.org/PhosphoMotif_finder). Scansite uses an algorithm to find known motifs 

in a protein sequence (Obenauer et al., 2003). Each potential motif is then ranked by a 

position‐specific  scoring matrix using data provided by peptide  library  screens. These 

screens involved the modification of degenerate peptides with a central, “target” amino 

acid,  by  a  known  domain,  and  provided  information  regarding  the  contribution  of 

flanking amino acids  to a  recognition or  substrate motif. PhosphoMotif, on  the other 

hand, does not utilise any algorithm  in  the prediction of kinase  consensus  sequences 

(Amanchy et al., 2007). Rather, this tool simply searches for and returns any sequences 

Page 313: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 296 

present  in  the  query  protein  that match with  any  published  kinase  or  phosphatase 

binding motifs.  

 

Using a combination of these tools, Ser36 was chosen as a likely site of phosphorylation 

by the serine/threonine kinase Akt. Ser36 is surface exposed and within an unstructured 

region of FIH‐1, making  it a good candidate  for phosphorylation. Figure 6.8 shows the 

structure of human  FIH‐1  (MMDB  ID  33168)  retrieved  from  the Molecular Modelling 

Database  (MMDB) and displayed using Cn3D 4.1 program produced by NCBI  (National 

Centre  for Biotechnology  Information). This view  looks down  the beta barrel of FIH‐1 

into its catalytic core, displaying the coordinated Fe(II) atom within the catalytic pocket. 

Ser36  is  indicated  in  yellow  at  the  top  of  the  structure,  in  an  extended  loop  on  the 

surface of the protein immediately prior to a β‐strand.  

 

6.3.5 In vitro phosphorylation assay with Ser36 FIH‐1 mutants 

A serine to alanine mutant at position 36 of human FIH‐1 was made and used  in an  in 

vitro phosphorylation assay to assess the ability of mutant FIH‐1 to be phosphorylated 

by cell lysate. In addition to this mutation, Michael Nastasie (an Honours student in the 

laboratory) mutated two additional residues of human FIH‐1, Ser13 and Thr302, based 

on  independent bioinformatic analyses, and  these mutants were also  included  in  the 

assay. 

 

Mutant and wt Trx‐6His‐FIH‐1 proteins were bacterially expressed and purified. Once 

again including the HIF‐α‐CAD as a positive control, HeLa cell lysate and the [ϒ‐32P]‐ATP 

cocktail were added to wt FIH‐1 and S13A, S36A and T302A FIH‐1 mutants and HIF‐α‐

CAD to allow for phosphorylation. Resin‐bound proteins were then washed and eluted 

by the addition of 30 μl of 500 mM imidazole. Eluted proteins were separated by SDS‐ 

Page 314: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

Figure 6. 8Structure of human FIH‐1 retrieved from(MMDB ID 33168) and displayed using Chttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/structurestructure .

m the Molecular Modelling Database (MMDB) Cn3D 4.1 program accessed on . Ser36 is indicated in yellow at the top of the 

a1172507
Text Box
NOTE: This figure is included in the print copy of the thesis held in the University of Adelaide Library.
Page 315: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 316: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 299 

PAGE,  stained  with  Coomassie,  and  phosphorylation  visualised  by  autoradiography 

(Figure 6.9).  

 

Whereas the Coomassie‐stained gel showed the presence of a single band for FIH‐1, the 

autoradiograph  showed  that  there  were  two  bands  close  in molecular  weight  at  a 

similar  position.  Alignment  of  the  gel  and  autoradiograph  indicated  that  the  upper, 

larger  band  in  the  autoradiograph  aligned  precisely  with  the  FIH‐1  band  in  the 

Coomassie‐stained gel, once again consistent with phosphorylation of recombinant FIH‐

1  in  this  assay.  In  assessing  phosphorylation  of  the  three  FIH‐1 mutants,  S13A  and 

T302A mutants both displayed two bands by autoradiography similar to those seen for 

wt  FIH‐1.  S13A  and  T302A mutant  lanes  both  contained  the  larger molecular weight 

band on the autoradiograph at the same position as the FIH‐1 band  in the coomassie‐

stained  gel.    The  S36A  FIH‐1  mutant  lane,  however,  only  contained  the  smaller 

molecular weight band in the autoradiograph, which does not correspond in size to FIH‐

1  in  the  coomassie‐stained  gel.  The  S36A  FIH‐1 mutant  did  not  produce  the  larger 

molecular weight band in the autoradiograph, suggesting that an alanine substitution at 

this  position  significantly  reduced  or  prevented  phosphorylation  of  FIH‐1.  These 

preliminary  results  suggest  that  this  residue  is  important  and  required  for  FIH‐1 

phosphorylation, either as a direct phospho‐acceptor residue itself or as part of critical 

sequence  or  structural  recognition  or  binding motifs  required  for  phosphorylation  at 

another distal site.   

 

6.4 Summary and Discussion 

6.4.1 Evidence in support of FIH‐1 phosphorylation 

Two  approaches  were  undertaken  to  investigate  the  possibility  that  FIH‐1  is 

phosphorylated. Firstly, lysates treated with lambda phosphatase were separated by 2‐ 

Page 317: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 318: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

wt 

A A

A

FIH‐1 muta

‐ +   ‐ +   +   +  +

HIF CAD FIH‐1

S13A

S36A

T302

75

kDa

25

37

50

CCooma

Figure 6. 9 In vitro phosphorylation assFIH‐1.6His‐HIF‐1α‐CAD and wt and mutant Tand purified and protein left bound toand purified, and protein left bound toprotein was combined with 500 μl ofinitiated by the addition of the [ϒ‐32P]‐A37°C for 3 minutes. Resins were then wof 500 mM imidazole Results werefollowed by autoradiography.

A

ants

wt 

A A

A

FIH‐1 mutants

+ Lysate

T302

FIH‐1

‐ +   ‐ +   +   +   +

HIF CAD FIH‐1

S13A

S36A

T302A

FIH 1

i Autoradssie Autorad

say comparing phosphorylation of wt and mutant

Trx‐6His‐FIH‐1 proteins were bacterially expressedo nickel resin 20 μg of each resin bound substrateo nickel resin. 20 μg of each resin‐bound substrateHeLa lysate or 500 μl of buffer only. Assays wereATP cocktail (150 μM, ~ 50 μCi), and incubated atwashed and proteins eluted with addition of 30 μlvisualised by SDS‐PAGE and coomassie staining,

Page 319: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 320: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 303 

DE to observe any changes  in pI of FIH‐1 spots that might  indicate  loss of one or more 

phosphate  groups.  The  addition  of  an  internal  reference  protein  enabled  accurate 

comparison of phosphatase‐treated and untreated samples, and revealed a shift of the 

spots  to  a more  basic  position,  consistent with  the  loss  of  a  negative  charge(s)  and 

therefore the  loss of one or more phosphate groups. These data suggest that FIH‐1  is 

phosphorylated in HeLa cells. The fact that there were still multiple spots of different pI 

observed  following  successful  phosphatase  treatment  may  suggest  that  multiple 

modifications  in  addition  to  phosphorylation  give  rise  to  the  isoelectric  point 

heterogeneity seen for FIH‐1, such as deamidation. 

 

Secondly, a phosphorylation assay was devised to provide evidence for phosphorylation 

of  FIH‐1.  Recombinant  Trx‐6His‐hFIH‐1  was  incubated  with  HeLa  cell  lysate  in  the 

presence of [ϒ32‐P]‐ATP, and results indicated that FIH‐1 was indeed phosphorylated by 

a  kinase  or  kinases  supplied  by  the  lysate  in  this  assay.  This  experiment  is  not 

necessarily an accurate representation of what occurs in a cell, as lysates were prepared 

from whole cells and incubated with an excess of purified FIH‐1. This experiment does, 

however, indicate that FIH‐1 is able to accept a phosphate group under these conditions 

and  is therefore a candidate for  in vivo phosphorylation. Taken together, these results 

provide  compelling  evidence  that  FIH‐1 may be  subject  to phosphorylation  events  in 

cells.  

 

6.4.2 Possible site of phosphorylation and involvement of Akt 

In addition to these broad experiments looking for FIH‐1 phosphorylation, a number of 

bioinformatics tools were used for the prediction of PTMs. Ser36 of FIH‐1 was found to 

be  a  good  candidate  for  Akt‐mediated  phosphorylation.  In  preliminary  experiments 

investigating  the  possible  phosphorylation  of  these  specific  residues,  a  S36A  FIH‐1 

mutant exhibited an attenuated signal  in the phosphorylation assay compared with wt 

Page 321: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 304 

FIH‐1  and  S13A  and  T302A  FIH‐1  mutants.  Whether  this  is  because  Ser36  is 

phosphorylated  itself,  or  if  the  mutation  disrupts  the  binding,  interaction  or 

modification of FIH‐1 at another site, is not clear.  

 

The predicted site of FIH‐1 phosphorylation at Ser36 deviates  from  the Akt consensus 

site of RXRXXS, with  a  glutamine  instead of  an  arginine  at position  ‐5  relative  to  the 

target serine (31‐ QLRSYS ‐36). Serine 36 is conserved in mouse and rat FIH‐1, and cow 

and zebrafish FIH‐1 have a threonine in the equivalent position, a residue which is also 

readily able to be phosphorylated by Akt (Figure 6.10). Interestingly, while the serine at 

position 36 is not conserved in Triboleum castaneum (red flour beetle), which has a well 

conserved  FIH‐1,  that  position  is  occupied  by  an  aspartic  acid.  Substitution  of 

phosphorylated  residues  with  acid  residues  is  known  to  mimic  the  effects  of 

phosphorylation  via  the  introduction  of  a  negative  charge  (For  examples,  see 

(Maciejewski  et  al.,  1995;  Trautwein  et  al.,  1993).  This  residue  is  not  conserved  in 

Xenopus laevis, with a glutamine in this position.  

 

The  involvement  of  Akt  in  regulation  of  HIF‐mediated  transcription  remains 

controversial.  Both  positive  and  negative  regulation  of  HIF  target  genes  have  been 

observed following PI3K/Akt activation depending on the cell type (Shafee et al., 2009), 

and inhibiting the pathway was found to have cell‐specific effects on HRE‐reporter gene 

transcription (Alvarez‐Tejado et al., 2002). Importantly, HIF‐1α itself is not a substrate of 

Akt,  suggesting  that  regulation of HIF‐mediated  transcription mediated by Akt occurs 

indirectly  (Zundel  et  al.,  2000).  Based  on  the  preliminary  findings  presented  in  this 

chapter,  investigation  into  the  Akt‐mediated  phosphorylation  of  FIH‐1  should  be 

continued. 

Page 322: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

HsFIH SMmFIH SRnFIH SBtFIH SBtFIH SDrFIH SXlFIH STcFIH S

*

Figure 6.10. Multiple species alignmen

Hs: Homo sapiens (human), Mm:  Mus mBos taurus (cow), Dr: Danio rerio (zebraTribolium castaneum (red flour beetle)

SQLRSYSSQLRSYSSQLRSYSSQLRSYTSQLRSYTSQLRQYTSQLRSYQSQLRKYD**** *

t of potential Akt1 site at Serine 36 of FIH‐1

musculus (mouse), Rn: Rattus novergicus (rat), Bt: 

fish), Xl: Xenopus laevis (African clawed frog), Tc: 

Page 323: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 

Page 324: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 307 

 

CHAPTER 7 

 

DISCUSSION AND 

CONCLUDING 

REMARKS 

 

 

 

 

 

 

Page 325: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 326: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 309 

7 DISCUSSION AND CONCLUDING REMARKS 

 

7. 1 Expression of FIH‐1 

FIH‐1  is  a  significant  contributor  to  the  regulation  of  HIF  transcriptional  activity. 

Hydroxylation of HIF‐α by FIH‐1 prevents coactivator recruitment and thereby precludes 

activation of transcription of HIF‐CAD‐regulated genes. As expression of numerous HIF 

target genes are generally considered  to be  important  in  solid  tumour progression,  it 

was of  interest to  investigate the  levels of FIH‐1  in solid tumours.  It was hypothesised 

that,  as  FIH‐1 was  important  in  regulating  transcriptional  activity  of  the  HIF‐α‐CAD, 

decreased FIH‐1 levels in neoplastic tissues may boost HIF‐driven transcription and may 

be advantageous for cancer progression. 

 

One of the original aims of this thesis was to characterise the expression of FIH‐1  in a 

range  of  normal  tissues,  and  to  then  investigate  the  expression  of  FIH‐1  in  cancer 

tissues.  In  relation  to  this  aim,  generation of  an  anti‐FIH‐1 monoclonal  antibody was 

attempted. Characterisation of the resulting antibody however delivered unsatisfactory 

results, demonstrating that, while the antibody was capable of detecting overexpressed 

FIH‐1, the primary antigen detected by the antibody was not FIH‐1.  Instead, use of an 

existing  polyclonal  antibody was  optimised  and  used  to  assess  FIH‐1  expression  in  a 

number of cancer cell lines (Figure 3.9) and published in Bracken et al (2006). FIH‐1 was 

found  to  be  expressed  at  a  similar  level  in  all  cell  lines  investigated,  despite  data 

inferring cell‐specific differences in repression of the HIF‐α‐CAD by FIH‐1, and suggesting 

regulation of FIH‐1 activity rather than protein levels in different cell types.  

 

During  the  course  of  that work,  data  detailing  the  expression  of  FIH‐1  in  a  range  of 

normal human  tissues and  some  tumour  tissues was published  (Soilleux et al., 2005). 

Page 327: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 310 

Several subsequent publications also examined the expression of FIH‐1 in breast cancer 

(Tan  et al., 2007; Tan  et al., 2009), non‐small  cell  lung  cancer  (Giatromanolaki  et al., 

2008) and pancreatic cancer  (Couvelard et al., 2008). These data hint  that  the  role of 

FIH‐1 in cancer progression is likely to be a complicated story to unravel. 

 

7.1.1 FIH‐1 expression is not down regulated in some cancers 

Cancer tissues  investigated thus far have not shown a decrease  in FIH‐1 protein  levels; 

in fact, FIH‐1 levels have been reported to be slightly elevated in renal cancer compared 

to normal kidney tissue (Soilleux et al., 2005), despite a reported mechanism of PKC‐

mediated  repression of FIH‐1  transcription  in RCC  cell  lines. Strong FIH‐1  staining has 

also  been  observed  in  follicular  lymphoma  and  pancreatic  endocrine  tumours 

(Couvelard et al., 2008). These findings suggest inactivation of FIH‐1 activity rather than 

downregulation  of  transcription  or  protein  levels may  be  important  for  elevated HIF 

activity  in  tumour  tissues.  Regulation  of  FIH‐1  activity  may  be  a  consequence  of 

decreased levels of oxygen in hypoxic regions of solid tumours, or may be due to other, 

as  yet  undefined  regulatory  processes  that  affect  FIH‐1  activity  or  protein‐protein 

interactions rather than protein levels.   

 

7.1.2 Subcellular localisation of FIH‐1 in breast and non‐small cell lung cancer may be 

important 

The subcellular distribution of FIH‐1 has been  found  to be  important  in breast cancer 

(Tan  et  al.,  2007).  FIH‐1  also  shows  strong,  consistent  staining  in  non‐small  cell  lung 

cancer, with some differences in subcellular localisation (Giatromanolaki et al., 2008). In 

lung  cancer,  expression  of  the  PHDs  was  found  to  be  strongly  nuclear  only  in 

combination with strong cytoplasmic staining, whereas high levels of nuclear FIH‐1 were 

observed without strong cytoplasmic staining in a small number of cases. Localisation of 

Page 328: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 311 

FIH‐1 in cells from normal tissues is generally higher in the cytoplasm, with lower levels, 

if any, present in the nuclei of cells from a wide range of tissues. The only exception to 

this has been the reported low level FIH‐1 staining in the nuclei of pancreatic acini cells 

in the absence of any cytoplasmic staining (Soilleux et al., 2005). Together, these data 

suggest  that  localisation of FIH‐1 may be a  regulated process. However, whether any 

mechanism(s)  exist  that  regulate  FIH‐1  trafficking  between  the  cytoplasm  and  the 

nucleus is not yet known. 

 

7.1.3 Possible mechanisms leading to altered FIH‐1 localisation 

Macrophages  are  a  unique  example  of  a  cell  type  where  HIF  target  genes  are 

constitutively  expressed  regardless  of  oxygen  concentration  as  part  of  the  normal 

metabolic strategy.  In macrophages,  it has been found that FIH‐1  is sequestered away 

from HIF‐α substrates via binding to first to MT1‐MMP at the Golgi, and then to binding 

to Mint3 (Sakamoto and Seiki, 2010). This frees HIF‐α from hydroxylation and enables it 

to  remain  active  so  it  can  upregulate  glycolysis  regardless  oxygen  levels  in  the  cell. 

While this  is  important  in macrophages that are required at sites of  inflammation and 

injury  to  allow  normoxic  gene  expression  and  therefore  persistent  upregulation  of 

glycolysis,  it  may  also  a  normal  physiological  process  that  can  become  hijacked  in 

tumours, enabling HIF  to escape FIH‐1 mediated  repression without altering  levels of 

FIH‐1 protein.  

 

Interestingly, the expression of MT1‐MMP has been investigated in a number of tumour 

types and has been found to correlate with malignant cancer phenotypes (Sounni et al., 

2002a; Deryugina et al., 2002; Jiang et al., 2006). MT1‐MMP has a well‐defined role  in 

local  extracellular matrix  digestion  and  invasion,  and  is  therefore  known  to  assist  in 

tumour metastasis  and  progression  through  well  defined mechanisms  (Reviewed  in 

(Itoh, 2006). MT1‐MMP also has roles in tumour angiogenesis which are reported to be 

Page 329: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 312 

independent to a role  in endothelial cell migration and  instead rely on enhanced VEGF 

expression, though the precise pathway of this upregulation is unknown (Sounni et al., 

2002b; Sounni et al., 2004). In light of the recent data from Sakamoto and Seiki (2010), 

it  is  an  intriguing  possibility  that MT1‐MMP may  exert  an  inhibitory  effect  on  FIH‐1 

through  sequestering  the  enzyme  from HIF‐α  substrates  in  tumours  to  facilitate  the 

expression of pro‐angiogenic genes such as VEGF,   similar to  the pro‐glycolytic role of 

this mechanism in macrophages.  

 

7.1.4 Potential regulators of FIH‐1 levels in cancer  

Strong expression of FIH‐1 has been demonstrated for certain cancer types, however no 

process has been directly described to be responsible for increasing FIH‐1 protein levels. 

One mechanism  for decreased FIH‐1 expression  in  tumours  involves  the  repression of 

FIH‐1 message  by miR‐31  in HNSCC  (Liu  et  al.,  2010).  In HNSCC,  increased miR‐31  is 

correlated  with  increased  HIF‐1  activity  and  the  promotion  of  important  oncogenic 

traits such as proliferation and migration.  Importantly, FIH‐1 expression  in HNSCC SAS 

cells was found to decrease cell proliferation and migration, suggesting that, in this cell 

type, FIH‐1 has a tumour‐suppressing role.  

 

The  expression  of  miR‐31  in  cancer  is  variable,  with  some  cancer  types,  including 

HNSSC,  reported  to  upregulate  miR‐31  (Liu  et  al.,  2010),  and  others  cancer  types 

reported  to  specifically  downregulate  miR‐31  expression,  as  observed  in  aggressive 

breast cancer  (Valastyan et al., 2009).  In breast cancer, the downregulation of miR‐31 

alleviates the repression of pro‐metastatic genes, thereby enhancing metastasis. Ectopic 

overexpression of miR‐31 in metastatic breast cancer cells results in marked impairment 

of the ability to colonise metastases in mouse xenograft models (Valastyan et al., 2009). 

As both up‐ and downregulation have been reported to enhance oncogenicity, miR‐31 

Page 330: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 313 

has  dual  functions  in  tumour  promotion  and  tumour  suppression  that  appear  to  be 

context‐dependent.   

 

miR‐31  is  reported  to  target  the  3’UTR  of  FIH‐1  message  and  repress  translation. 

Downregulation of miR‐31  in breast cancer, or other  types of cancer where miR‐31  is 

downregulated, may represent a mechanism of enhanced FIH‐1 protein levels. Whether 

expression  of  FIH‐1  is  increased  in metastatic  breast  cancer  or  other  cancers  due  to 

attenuated miR‐31  expression  has  not  been  investigated. miR‐31  is  reported  to  be 

downregulated  in  gastric  cancer  (Zhang  et  al.,  2010b)  and  to  be  involved  in  the 

resistance of prostate cancer cell  lines to chemotherapy‐induced apoptosis (Bhatnagar 

et  al.,  2010),  however  the  expression  of  FIH‐1  in  these  cancer  types  has  not  been 

investigated.  

 

7.1.5 Tumour promoting role of FIH‐1 in renal cell carcinoma 

A role for elevated FIH‐1 in cancer is not yet clear, though it is possible that FIH‐1 may 

exert tumour type or cell type‐specific effects on cancer progression depending on the 

gene expression profile of specific tumour types.   Evidence  for a dual role  for FIH‐1  in 

cancer comes  from  research  into clear cell  renal cell carcinoma  (CCRCC), where FIH‐1 

has been suggested to play a tumour‐promoting role via the preferential repression of 

HIF‐1α over HIF‐2α (Khan et al., 2011). Most cases of CCRCC arise from biallelic  loss or 

inactivation of VHL,  leading to constitutively stable HIF. HIF‐1α activity  in RCC cell  lines 

has been  found to  increase apoptosis, and therefore to be a negative  factor  in CCRCC 

progression.  In keeping with  this, HIF‐1α expression  is highest  in early stages of  renal 

carcinoma, whereas HIF‐2α  is the dominant  isoform expressed  in more advanced solid 

tumours (Raval et al., 2005). In 786‐O cells, a RCC cell line that only expresses the HIF‐2α 

isoform, FIH‐1 is not observed to have any impact on HIF‐2α ‐mediated gene expression, 

Page 331: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 314 

indicating that HIF‐2α has an attenuated response to hydroxylation and silencing by FIH‐

1.  

 

This may be a product of  the amino acid differences between HIF‐1α and HIF‐2α  that 

renders  HIF‐2α  a much  poorer  FIH‐1  substrate.  HIF‐1α  peptide  substrates  are more 

efficiently hydroxylated by FIH  than HIF‐2α substrates  in vitro  (Koivunen et al., 2004).  

Although  there  is quite high conservation at  the amino acid  level between  the HIF‐1α 

and HIF‐2α CADs, HIF‐2α has a valine in the equivalent position to the important Ala804 

of HIF‐1α. Mutational analyses that swapped the residues in this position (Ala804Val in 

HIF‐1α  and  Val848Ala  in  HIF‐2α)  were  sufficient  to  completely  reverse  the  in  vitro 

hydroxylation  rates mediated  by  FIH‐1  such  that  HIF‐1α  Ala804Val  exhibited  a  Vmax 

similar  to  that of wild‐type HIF‐2α,  and Val848Ala HIF‐2α  an elevated Vmax much  like 

that of wild‐type HIF‐1α (Bracken et al., 2006).  

 

Given  that  in some RCC cell  lines, FIH‐1  is not able  to regulate HIF‐2 activity, any role 

that FIH‐1 may play in tumour progression may depend on which is the dominant HIF‐α 

isoform  expressed  in  a  tumour.  Expression  of  FIH‐1  in HNSCC was  found  to  impede 

tumour  progression,  whereas  FIH‐1  was  found  to  be  a  positive  factor  in  renal 

carcinoma.  Interaction with HIF‐α and/or other  substrates  in  cancer  cells may  render 

FIH‐1  as  a  tumour  suppressor  or  tumour  promoter  depending  on  the  context.  Any 

regulatory mechanism(s) that  impart alterations  into FIH‐1 protein  levels, such as miR‐

31  and PKC,  subcellular distribution,  such  as MT1‐MMP  and Mint3, or  activity, may 

also be acting in a context‐dependent manner.  

 

7.1.6 Summary 

The  emerging  story  of  FIH‐1  expression  and  involvement  in  cancer  progression  is  a 

complex  one, with  extensive  research  required  to  gain  a  better  understanding  of  its 

Page 332: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 315 

role. In cancer tissues examined to date, there is no evidence of a significant decrease in 

FIH‐1 protein  levels  in  solid  tumours. Rather, FIH‐1 appears  to be expressed at either 

similar or higher levels in tumour tissues compared to matched normal tissue controls. 

Therefore, it can be hypothesised that, if HIF‐α is to escape the repressive hydroxylation 

of  its CAD,  the activity  rather  than protein  level of FIH‐1 may be downregulated. The 

subcellular  localisation of FIH‐1 may be  important  in  tumour progression, with  lack of 

nuclear  FIH‐1  correlating  with  more  aggressive  cancer  phenotypes.  This  not  only 

suggests a possible role for FIH‐1  in cancer progression, but also hints at the existence 

of cellular machinery that acts to regulate the location of FIH‐1  in cells. The remainder 

of  this work  aimed  to  elucidate whether  FIH‐1 was  subjected  to  regulation  by  post 

translational modification in the cell lines that exhibited variations of FIH‐1 activity with 

the HIF‐α substrates.  

 

7.2 Regulation of FIH‐1 

7.2.1 FIH‐1 regulation by hydroxylation status of the ARD pool? 

The initial data that led to the hypothesis that FIH‐1 was regulated by mechanisms other 

than  oxygen  levels  was  that  it  was  seen  that  the  CAD  displayed  different  levels  of 

activity in different cell types at the same oxygen threshold. More recently, a number of 

publications have described protein‐protein interactions between FIH‐1 and other, ARD‐

containing proteins. These interactions can result in hydroxylation of a substrate by FIH‐

1,  such  as with Notch1‐3  (Coleman  et al., 2007)  and  the  IκB proteins p105  and  IκBα 

(Cockman et al., 2006), or no hydroxylation, such as occurs with Notch 4 (Wilkins et al., 

2009). While  no  concrete  role  has  been  attributed  to  these  interactions  to  date,  a 

suggestion has been  that,  through binding  to  FIH‐1,  these proteins  regulate HIF‐α by 

reducing  the availability of FIH‐1  for hydroxylating and  therefore  repressing  the CAD. 

Consistent with  this,  increases  in HIF‐α‐CAD‐driven  transcription have been observed 

Page 333: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 316 

with overexpression  in Notch1 and Notch3  (Coleman et al., 2007; Zheng et al., 2008), 

MYPT1 (Webb et al., 2009), and IκBα knockdown reduces HIF‐mediated gene expression 

(Shin  et  al.,  2009).  Such  a  mechanism  may,  in  part,  contribute  to  the  observed 

differences  in  CAD  activity  seen  across  the  different  cell  lines,  as  FIH‐1  may  be 

dissimilarly  sequestered  by  ARD  proteins  depending  on  the  expression  and 

hydroxylation status of ARD proteins  in each cell type, giving rise to subtle changes  in 

gene expression.  

 

7.2.2 Is FIH‐1 post‐translationally modified? 

Early observations from FIH‐1 immunoblots contributed to the notion that FIH‐1 may be 

post‐translationally modified.  In  immunoblots, FIH‐1  is often observed as a doublet  in 

blots  from  various  cell  line  lysates  and  using  a  number  of  different  antibodies.  The 

migration  of  FIH‐1  as  a  doublet  was  also  observed  in  Myc‐6His‐FIH‐1  stable 

overexpressing  cell  lines  made,  further  confirming  the  existence  of  two  differently 

migrating  forms  of  FIH‐1  (For  examples,  see  Figures  5.7  and  5.8).  Separation  of  two 

bands,  a  slower migrating  band  (upper)  and  a  faster migrating  band  (lower)  can  be 

indicative of PTM that causes a change in charge of a protein. For example, deamidation 

of asparagine or glutamine residues and phosphorylation alter the charge of a protein 

and therefore can alter the migration of proteins through gels during electrophoresis.  

 

Self‐hydroxylation of FIH‐1 has been reported, though any  impacts on enzyme activity 

have  not  been  described  as  a  consequence  of  this modification  (Chen  et  al.,  2008). 

There  have  been  no  reports  of  PTM  of  FIH‐1  that may  act  to modulate  enzymatic 

activity or otherwise  regulate behaviour of FIH‐1.  In  light of work  that has  suggested 

regulation of FIH‐1 beyond  regulation of enzyme activity by oxygen  levels,  this  thesis 

sought to investigate whether FIH‐1 was post‐translationally modified.   

 

Page 334: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 317 

7.2.3 2‐DE results 

The 2‐DE experiments described in Chapter 4 of this thesis provide evidence for PTM of 

FIH‐1.  A  number  of  PTMs  are  known  to  give  rise  to  differences  in  the  charge  of  a 

protein,  for example phosphorylation, deamidation, glycosylation and acetylation. The 

resolving power of 2‐DE enables the separation of proteins with PTMs that affect their 

charge  state,  however  it  does  not  enable  differentiation  between  PTMs  that  confer 

equivalent changes to isoelectric point. For example, deamidation and phosphorylation 

both introduce increased negative charge to a protein, causing a more acidic pI, as was 

observed  for the spot profile  for FIH‐1. As both modifications confer a single negative 

charge to a protein, it is not possible to distinguish between these two modifications on 

a 2‐D gel. 

 

2‐DE  immunoblots  from  six  cell  lines  indicate  that  there  are  multiple  forms  of 

endogenous FIH‐1 with different pIs  in each cell  line  investigated  (Figures 4.7, 4.8 and 

4.12). Tagged and overexpressed FIH‐1 also showed similar pI heterogeneity (Figures 5.7 

and  5.9).  These  results  were  consistent  with  PTM  events  on  FIH‐1  that  alter  the 

protein’s pI.  

 

7.2.4 Purification and MS analysis 

Further work aimed to characterise the nature of the FIH‐1 modifications that gave rise 

to  the  multiple  spots  seen  in  2‐DE  blots.  Large‐scale  denaturing  Ni2+‐affinity 

chromatography was carried out to purify overexpressed Myc‐6His‐FIH‐1 from a stably 

overexpressing HeLa cell  line, with purified protein analysed by LC‐MALDI‐MS and ESI‐

LTQ‐Orbitrap MS. MS  analysis  successfully  covered 73% of  the protein  and  identified 

several  PTMs.  Four  methionine  oxidation  events  and  four  asparagine  deamidation 

events were detected. The relevance of these modifications is discussed below.  

Page 335: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 318 

 

7.2.5 Methionine oxidation 

Oxidation of Met108, Met 160, Met325 and Met343 of human FIH‐1 was determined by 

MS analysis of Myc‐6His‐FIH‐1 purified from HeLa cells. From the work presented in this 

thesis however, it is unknown whether FIH‐1 methionyl oxidation occurs in cells or was 

simply an artefact of sample handling.  

 

Oxidation of methionine  residues  that occurs physiologically  is  thought  to accumulate 

as  proteins  age.  Cellular  methionine  sulfoxide  reductases  act  to  reverse  this 

modification, and this cycle of oxidation and reduction has been postulated to provide a 

“sink”  for  cellular  ROS  and  enable  cells  and whole  organisms  to withstand  oxidative 

stresses  (Moskovitz  et  al.,  2001;  Moskovitz  et  al.,  1998).  This  role  of  methionine 

residues as antioxidants is thought to be a major physiological role for this modification. 

As  this modification  is  thought  to  occur  non‐specifically  on  all  proteins with  surface 

exposed  methionine  residues,  oxidation  of  FIH‐1  could  occur  physiologically  where 

methionine residues are freely accessible by ROS.   

 

Methionine  oxidation  can  alter  the  conformation  of  a  protein  by  altering  surface 

hydrophobicity (Chao et al., 1997). This can  lead to changes  in enzyme activity, and as 

methionine  oxidation  typically  accumulates with  age  of  a  protein,  here, methionine 

oxidation may mediate an age‐related loss of enzyme activity. Age‐related loss of FIH‐1 

enzyme activity in vitro is certainly observed in hydroxylation assays following storage of 

purified proteins in the lab (Sarah Wilkins, personal communication). There are reports 

of roles for methionine oxidation  in alteration of enzyme activity  in vitro (Levine et al., 

2000), but limited data regarding a role for methionine oxidation beyond protein aging 

exists. Enzymatic reversal of methionine oxidation has been found to efficiently restore 

activity of proteins in vitro, however data suggests that methionine sulfoxide reductases 

Page 336: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 319 

are unlikely to be able to restore native conformation and full activity to enzymes in an 

in vivo setting (Sun et al., 1999). 

 

Methionine oxidation of FIH‐1 may well occur as a consequence of protein aging in cells, 

and  data  from  structure  and  function  studies  of  other  enzymes  suggests  that,  if 

methionine  oxidation  does  indeed  occur  in  cells,  it  could  have  an  impact  on  FIH‐1 

conformation and behaviour. However, as  this modification  is common  to all proteins 

with surface‐available methionines, and is known to accumulate with age, it is probable 

that  any  in  vivo methionine  oxidation  of  FIH‐1  occurs  as  a  natural  consequence  of 

protein aging rather than as a controlled mechanism of FIH‐1 regulation. As such, this 

modification is unlikely to contribute to any cell‐specific alterations in FIH‐1 activity.  

7.2.6 Asparaginyl deamidation 

Four  asparaginyl  residues within  FIH‐1 were  found  to  be  deamidated; Asn58, Asn87, 

Asn110  and Asn151. Deamidation  removes  the  positively  charged  amide  group  from 

asparaginyl  residue  side  chains.  This  alteration  in  charge  is  in  keeping  with  the 

increasing acidity of pI seen for FIH‐1 in 2‐D blots and may therefore be a contributor to 

the differences  in pI of FIH‐1 seen  in these experiments. However, as deamidation can 

occur during 2‐DE and MS, it is not clear whether this modification occurs in cells or in 

denatured protein samples.  

 

Physiologically, deamidation of asparagine and glutamine residues has been associated 

with  protein  aging  and  degradation  (Robinson  and  Robinson,  2004).  Asparaginyl 

deamidation  is  an  irreversible  modification  and  has  been  postulated  to  serve  as  a 

“molecular  clock”  that  assists  in  the  time‐dependent  regulation  of  various  cellular 

processes such as protein  turnover.  Indeed, a negative correlation exists between  the 

number  of  asparagine  and  glutamine  residues  in  a  protein  and  a  proteins’  half‐life 

(Robinson et al., 1970). Deamidation has consequences for the local conformation of a 

Page 337: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 320 

protein due to the introduction of a negative charge. In general, deamidation is thought 

to  ‘loosen’  the  structure  of  a  protein,  thereby  increasing  susceptibility  to  proteolytic 

attack  and  facilitating  degradation.  Enzyme  activity  can  also  be  affected  by 

deamidation, with  studies  into  human  phenylalanine  hydroxylase  demonstrating  that 

deamidation  affected  the  catalytic  activity  of  the  enzyme  and  also  increased  its 

susceptibility  to  tryptic  digestion  (Solstad  and  Flatmark,  2000). Deamidation  has  also 

been  found  to  affect  protein‐protein  interactions.  One  significant  reported  role  for 

deamidation in vivo includes the suppression of the antiapoptotic activity of Bcl‐2 family 

member Bcl‐xL  in response to DNA damage (Deverman et al., 2002). This  is thought to 

occur  via  conformational  changes  induced  by  two  deamidation  events,  leading  to  a 

reduced ability of Bcl‐xL to bind and therefore block the proapoptotic activities of other 

Bcl‐2  proteins.  Clearly,  physiological  deamidation  of  proteins  can  have  significant 

consequences for the behaviour and activities of proteins in vivo. 

Based on a combination of structural observations of the position of each deamidated 

asparaginyl residue within FIH‐1, the  identity of the adjacent amino acid residues, and 

software prediction of deamidation half  life of each asparaginyl residue, the  likelihood 

of each deamidation event occurring  in vivo was estimated. Asn87 was deemed as the 

most  likely  residue  to  undergo  physiological  deamidation  as  it  was  present  on  the 

surface of  FIH‐1  in  an unstructured  region, was  flanked by  small  glycine  residue  and 

were predicted to have the shortest deamidation half‐life of all asparagine residues  in 

the FIH‐1 protein  sequence. Therefore,  it  is possible  that deamidation of  this  residue 

occurs  in cells.   This does not preclude deamidation of  the other asparagine  residues 

determined by MS to be deamidated. 

 

From  structural  data,  Asn87  is  not  known  to  bind  cofactors  or  participate  in 

configuration  of  the  enzyme’s  active  site,  or  make  contacts  with  HIF‐α  substrates. 

Multiple species alignment of FIH‐1 does indicate conservation of this residue between 

Page 338: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 321 

human, mouse,  rat,  cow  and  xenopus.  Future work  could  be  performed  to  ascertain 

whether this deamidation event, or deamidation of the other asparagine residues found 

to be deamidated by MS, are of physiological significance. Knowledge of proportion of 

each  deamidation  event  on  FIH‐1  could  provide  some  information  regarding  the 

likelihood  of  any  physiological  role.    The  asparaginyl  residues  thought  to  undergo 

deamidation could be mutated  to aspartic acid,  thus mimicking  the modification, and 

assays could be performed  in cells and  in vitro to assess the activity and behaviour of 

“deamidated”  FIH‐1.  For  example,  estimation  of  the  half‐life  of mutated  FIH‐1  could 

establish  if  deamidation  contributed  to  accelerated  degradation  of  FIH‐1.  In  vitro 

hydroxylation assays could determine whether  the rate of catalytic activity  is affected 

with  a  variety  of  FIH‐1  substrates.  Co‐IPs with  known  interacting  partners  could  be 

performed  to assess  the  impact of deamidation on FIH‐1 protein  interactions  in  vivo, 

and HRE‐luciferase  reporter  assays  could  indicate  the effect of  FIH‐1 deamidation on 

gene regulation via binding and hydroxylation of HIF‐α substrates. 

 

As  it  is  not  known  whether  these  deamidation  events  occurred  in  cells  or  during 

processing, future work could also attempt to minimise any occurrence of deamidation 

in 2‐DE samples and during  IEF, with  the  intent  to  then  repeat 2‐DE experiments and 

compare results obtained with earlier data. 2‐DE inherently requires proteins to be fully 

denatured  to enable accurate separation of proteins based on charge during  IEF. This 

requirement  for denatured proteins  increases  the  likelihood of deamidation occurring 

within samples as denaturation reduces  the steric hindrance  to deamidation provided 

by protein  structure. As  rates of deamidation  in  samples  increases with  temperature 

and over time (Scotchler and Robinson, 1974), the need to keep 2‐D samples as cold as 

possible  and  to  limit  handling  and  IEF  times  is  critical  in  reducing  deamidation. 

Artefactual deamidation  that occurs during  IEF has been  suggested  to be  significantly 

reduced by performing the first dimension separation at 10°C (Mateos et al., 2009), and 

future work could include preparation of 2‐DE samples at 4°C and repeating 2‐DE at this 

Page 339: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 322 

lower temperature to assess any  impacts on the FIH‐1 spot profile. Additionally, acidic 

or alkaline pH has been  found  to accelerate  the  rate of deamidation, with a pH of 7 

found to reduce deamidation of proteins in cell lysate, and a pH of 6 found to decrease 

rates  of  deamidation  of  peptides  in  vitro,  (Deverman  et  al.,  2002;  Scotchler  and 

Robinson,  1974).  Therefore  future  experiments  could  include  measurement  and 

adjustment of pH of 2‐DE samples prior to  IEF. Repetition of 2‐DE on samples with an 

adjusted  pH  at  4°C  should  minimise  any  deamidation  of  proteins  occurring  in  2‐D 

samples,  and  comparison  of  results  obtained with  the  adjusted  protocol  could  help 

ascertain whether the multiple forms of FIH‐1 observed in 2‐DE experiments described 

in this thesis are the result of in‐sample deamidation or deamidation in cells.  

 

7.2.7 Acetylation 

Acetylation of  internal  lysine residues may also be considered as a PTM that alters the 

pI  of  a  protein,  as  acetylation  neutralises  the  positive  charge  of  the  lysine.  Lysine 

acetylation  is a dynamic, regulated PTM, with catalysis of  lysine acetylation performed 

by  a  group  of  enzymes  collectively  called  lysine  acetyltransferases  (KATs). Numerous 

lysine deacetylases act  to  reverse  the modification.   Histone acetylation  is  commonly 

known to regulate chromatin structure and function, with the neutralisation of  lysines 

by  acetylation  loosening  the  interaction  of  histones with DNA,  providing  a  structure 

permissive  to  transcription. Many  non‐histone  protein  are  also  acetylated, with  non‐

histone acetylation found to be important in the regulation of various cellular processes 

(Reviewed in (Sadoul et al., 2011). 

 

Potential acetylation of FIH‐1 requires investigation, particularly as deacetylase enzymes 

HDAC4, HDAC5 and HDAC7 have been found to modulate the transcriptional activity of 

HIF‐1α (Kato et al., 2004; Seo et al., 2009). Transfection of HDAC4 and HDAC5 into HeLa 

cells  upregulated VEGF  expression,  increased  expression  of  a GRE‐luciferase  reporter 

Page 340: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 323 

gene and enhanced the interaction between HIF‐1α and p300 without increasing levels 

of HIF‐1α protein (Seo et al., 2009). Conversely, HDAC inhibitors increase transcriptional 

activity  of  endogenous  HIF  at  concentrations  that  do  not  increase  levels  of  HIF‐1α 

protein. Rather,  inhibition of deacetylation decreases HIF‐α/p300  complex  formation, 

an  effect  independent  of  decreased  acetylation  of  HIF‐α  itself  (Fath  et  al.,  2006).  A 

N803A  mutant,  however,  was  still  able  to  be  transcriptionally  repressed  by  HDAC 

inhibition, suggesting that hydroxylation by FIH‐1 is not involved.  

 

Use of online acetylation prediction  tools  indicated  that FIH‐1 may be a candidate  for 

lysyl  acetylation.  The  tools  “Prediction  of  Acetylation  on  Internal  Lysines”  (PAIL; 

bdmpail.biocuckoo.org/index.php;  (Li  et  al.,  2006),  and  PredMod 

(www.cs.cornell.edu/w8/~amrita/predmod.html;  (Basu  et  al.,  2009)  both  predicted 

acetylation  of  Lys176  and  Lys304  of  FIH‐1.  As  neither  of  these  lysine  residues  was 

covered by MS analyses, the acetylation‐status of FIH‐1  is not yet known. Currently, a 

role for FIH‐1 in the alterations in HIF‐α activity by HDACs has not been described.  

 

7.2.8 Phosphorylation 

Kinase signalling pathways have been  implicated  in  regulation of HIF‐α  transcriptional 

activity,  as  discussed  in  the  Introduction  Chapter  of  this  thesis.  Specifically,  Akt was 

found  to  exhibit  cell‐specific  effects  on  HIF‐mediated  transcription  without  directly 

phosphorylating the HIF‐α subunit. MAPKs were also found to influence HIF‐2α activity 

without HIF‐2α  being  a MAPK  substrate. As Akt  and MAPK  have  also  been  found  to 

phosphorylate p300  (Huang and Chen, 2005; Sang et al., 2003), which  is  required  for 

transcriptional  activation by HIF,  it  is difficult  to  confer  a  role  for phosphorylation  in 

transcriptional  regulation  of HIF‐α  solely  to  p300‐independent mechanisms.  The  fact 

kinase pathway manipulation exerts cell‐specific effects on HIF activity, however, argues 

Page 341: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 324 

for  transcriptional  regulation  by  phosphorylation  in  addition  to  regulation  of  the 

ubiquitous transcriptional coactivators.  

 

7.2.9 Evidence from this thesis that FIH‐1 is phosphorylated 

The migration of FIH‐1 as a horizontal series of spots of increasingly acidic pIs on a 2‐D 

field can be  indicative of successive phosphorylation events that add negative charges 

to proteins. To  investigate the possibility that phosphorylation was responsible for the 

of different pI  forms observed  in 2‐D blots, phosphatase  treatment of  cell  lysate was 

performed to assess the effect of  loss of potential phosphate groups on the pattern of 

FIH‐1 spots observed. Phosphatase treatment of cell lysate showed a basic shift in spot 

position, supporting the notion that a phosphorylation contributes to different forms of 

FIH‐1 with different pIs. Phosphatase  treatment was not observed  to  consolidate  the 

spots  into a single, more basic spot. Rather, phosphatase  treatment was seen  to shift 

the  position  of  all  four  spots  one  position  to  the  right  (Figure  6.3)  or  to  reduce  the 

number of spots to two spots of more basic pI (Figure 6.4). This may be suggestive of a 

combination  of  different  modifications  on  FIH‐1  such  that  dephosphorylation  only 

reduces the pI heterogeneity whilst other modifications persist and contribute to a train 

of  spots. For example,  it  is possible  that a  single phosphorylation event occurs and  is 

lost upon phosphatase treatment, yet FIH‐1 still gives rise to several spots of different pI 

as  a  result  of,  for  example,  a  number  of  deamidated  residues  that  remain. Overall, 

results from phosphatase treatments and 2‐DE supported phosphorylation of FIH‐1.  

 

In  vitro  phosphorylation  assays  corroborated  the  data  from  phosphatase  treatments, 

providing  further evidence  for phosphorylation of FIH‐1. These experiments  indicated 

that  recombinant  FIH‐1  was  phosphorylated  in  vitro,  albeit  at  a  low  level,  by  an 

unknown kinase or kinases present in HeLa cell lysate. Collectively, these results suggest 

that  FIH‐1  may  be  phosphorylated  in  HeLa  cells.  Perhaps  a  future  avenue  for  the 

Page 342: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 325 

characterisation of FIH‐1 phosphorylation could  include the  in vitro phosphorylation of 

purified FIH‐1 followed by MS analysis.  

 

7.2.10 Potential phosphorylation of Ser36 of FIH‐1 

Currently,  the  identity  of  the  kinase  or  kinases  responsible  for  any  potential 

modifications,  the site of modification, or  the signalling pathway and stimulus  for  the 

modification  are unknown. Possibilities  include  the MAPK  and Akt pathways, both of 

which have been implicated in HIF‐mediated gene expression, as discussed below.  

 

Use of phosphorylation‐prediction programs  suggested  that  Ser36 of  FIH‐1 may be  a 

candidate for phosphorylation. Interestingly, the S36A FIH‐1 mutant exhibited markedly 

reduced incorporation of 32P, indicating that this mutant was not phosphorylated to the 

same extent as wildtype FIH‐1 or the two other mutants assayed. Though preliminary, 

these data warrant further investigation to ascertain, first of all, whether this residue is 

indeed a phosphoacceptor, and secondly, the kinase responsible for any modification.  

 

As  Ser36  lies within  a  conserved  Akt1  recognition  site,  future  experiments,  such  as 

kinase  assays  and MS  of  in  vitro  phosphorylated  FIH‐1, may  seek  to  investigate  the 

phosphorylation of FIH‐1 by Akt1 as a starting point. If the results of such experiments 

indicated FIH‐1 phosphorylation by Akt, is would interesting to speculate further on the 

effects of such a modification. Studies have suggested that,  in some cells,  inhibition of 

Akt  reduces HIF‐mediated  gene expression  and  transfection of  a  constitutively  active 

form  of  Akt  increases  HIF‐mediated  transcription.  Therefore,  a  logical  hypothesis 

follows  that,  if FIH‐1  is  indeed an Akt substrate, phosphorylation of FIH‐1 by Akt may 

somehow  act  to  reduce  FIH‐1‐mediated  hydroxylation  of HIF‐α,  facilitating  enhanced 

HIF transcriptional activity  in some cell types. The effects of Akt activation  in a cell are 

diverse, with Akt regulating a number of cellular processes  including angiogenesis, cell 

Page 343: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 326 

survival and proliferation and also glucose metabolism, processes also regulated by HIF. 

It remains a possibility that, in certain cell types, FIH‐1 may be able to respond both to 

oxygen  levels  and  also  to  growth  factors,  hormones  and  cytokines  via  Akt  to  dually 

modulate these overlapping cellular processes.   

 

7.2.11 Possible mechanism of FIH‐1 regulation by Ser36 phosphorylation 

In addition to prediction of Ser36 as a site for Akt‐mediated phosphorylation, phospho‐

Ser36 is predicted to be form a 14‐3‐3 mode 1 binding motif. The 14‐3‐3 protein family 

consists of seven  isoforms: 14‐3‐3β, ϒ, ϵ, σ,  ζ,  τ and η. These proteins  form homo‐and 

heterodimers with other 14‐3‐3  family members, and dimers  then  interact with other 

proteins to mediate a range of effects (Reviewed in (Dougherty and Morrison, 2004). As 

each monomer contains its own protein‐binding domain, each dimer is able to interact 

with two separate proteins simultaneously. As such, 14‐3‐3 proteins can act to facilitate 

a diverse range of protein‐protein interactions. 

 

The  14‐3‐3  family  of  proteins  regulate  other  proteins  through  phospho‐Ser‐  or  –Thr‐

dependent interactions (For a review, see (Mackintosh, 2004). Known effects of 14‐3‐3 

binding  include modulation  of  protein‐protein  interactions,  regulation  of  subcellular 

localisation,  and  alteration  of  enzyme  activity.  As  an  example  of  14‐3‐3‐mediated 

protein  regulation,  the  consequences  for  phosphorylation  by  Akt  and  subsequent 

binding of a 14‐3‐3 protein have been described  for a members of  the Forkhead Box 

domain  (Fox)  family of  transcription  factors, FoxO1, FoxO4 and FoxO3a  (Brunet et al., 

1999;  Obsilova  et  al.,  2005;  Zhao  et  al.,  2004).  Following  phosphorylation  of  FoxO 

proteins  by  Akt,  14‐3‐3  binding  obscures  a  nuclear  localisation  sequence  (NLS) 

(confirmed for Foxo4; (Obsilova et al., 2005), thus leading to cytoplasmic retention and 

prevention of DNA binding. 

 

Page 344: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 327 

14‐3‐3 proteins interact with other proteins via RSXpSXP binding motifs. A perfect 14‐3‐

3  binding  site  exists  flanking  the  Ser36  residue  (33‐RSYSFP‐38),  and  this  site  is 

completely conserved between human, mouse and rat FIH‐1. Should Ser36 of FIH‐1 be 

found  to be phosphorylated,  investigating  a possible  interaction with 14‐3‐3 proteins 

would be an interesting next step.  Mechanisms that regulate FIH‐1 location in a cell are 

of particular  interest and  importance given the recent reports  linking FIH‐1 subcellular 

distribution with survival times  in breast cancer (Tan et al., 2007). Interestingly, 14‐3‐3 

proteins  are  associated with  cancer  progression, most  notably  14‐3‐3σ.  Cytoplasmic 

expression of 14‐3‐3σ is strongly associated with increased malignancy of breast cancer 

and  poor  survival  outcomes  (Simpson  et  al.,  2004).  Due  to  the  pathophysiological 

significance of FIH‐1 subcellular  localisation,  investigating potential phosphorylation of 

FIH‐1 by Akt and any subsequent effects of such a modification, including the possibility 

of  interactions  with  14‐3‐3  proteins  and  consequences  for  FIH‐1  localisation,  is  a 

worthwhile  avenue  for  future  continuation  with  this  project.  A  potential  means  of 

nuclear exclusion and/or cytoplasmic retention of FIH‐1 could enable stabilised, nuclear 

HIF‐α to evade hydroxylation of its CAD, enabling the enhanced levels of HIF targe gene 

expression seen in breast cancer.  

 

7.2.12 Tankyrase, insulin sensitivity and potential PARsylation of FIH‐1 

In addition to regulation of HIF transcriptional activity, FIH‐1 also has roles in metabolic 

control  (Zhang  et  al.,  2010a).  This  role  is  currently  poorly  understood.  In  literature 

searches  for  evidence  of  FIH‐1  regulation  by  phosphorylation,  effects  of  kinase 

pathways on HIF‐transcriptional activity were the most logical choice, as the role of FIH‐

1 upon HIF‐activity has been well characterised. However, it is likely that, in some cells, 

FIH‐1  has HIF‐independent  effects.  The  surprising  findings  delivered  from  the mouse 

knockout  study  certainly  support  a  role  for  FIH‐1  in  neuronal‐specific  regulation  of 

metabolism,  ventilation  and  insulin  sensitivity  (Zhang  et  al.,  2010a).  Both  global  and 

Page 345: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 328 

neuronal  FIH‐1‐/‐  mice  displayed  an  enhanced  sensitivity  to  insulin,  evidenced  by  a 

greater and more rapid decrease  in blood glucose  levels  following  insulin  injection. At 

this stage the mechanism of this is unknown. 

 

One of the ARD‐containing proteins recently found to be an FIH‐1 substrate is Tankyrase 

(Cockman et al., 2006; Cockman et al., 2009; Yang et al., 2011). Tankyrase consists of an 

ARD that mediates protein‐protein interactions and also contains a PARP domain that is 

responsible  for  the  covalent  attachment  of  poly‐ADP‐ribose  groups  onto  proteins, 

termed  PARsylation.  Tankyrase  is  known  to  undergo  self‐PARsylation  in  addition  to 

modification of interacting proteins (Chi and Lodish, 2000).  

 

Interestingly,  Tankyrase‐/‐  mice  have  a  hypermetabolic  phenotype  with  similar 

characteristics  to  FIH‐1‐/‐  mice.  Tankyrase‐deficient  mice  exhibit  reduced  adiposity 

despite  hyperphagia,  and  also  show  greater  O2  consumption  and  elevated  body 

temperature  compared  to wt mice  (Yeh  et  al.,  2009).  These  concordant  phenotypes 

suggest that both FIH‐1 and Tankyrase are required for normal regulation of metabolism 

and  furthermore,  given  that  they  are  known  to  interact,  that  they may  be  acting  to 

regulate metabolism via a common mechanism or pathway.  

 

Insulin‐regulated  glucose  transport  in muscle,  adipose  and  liver  cells  is  facilitated  by 

Glut4 transporters in the PM. Glut4 resides primarily within intracellular vesicles termed 

Glut4  storage  vesicles  (GSVs),  and  translocates  to  the  PM  upon  insulin  stimulation 

(Reviewed  in  (Bryant  et  al.,  2002)).  Insufficient  recruitment  of  Glut4  to  the  PM  is 

associated with  insulin  resistance,  indicative of  the  importance of  this GSV‐PM Glut4 

cycling mechanism  in  insulin‐regulated glucose uptake. The exact molecular machinery 

involved in transport and cycling of Glut4 between the GSVs and the PM are not clear, 

however Tankyrase  is known to be  involved. Tankyrase has been found to bind, via  its 

ARD, to another GSV‐associated protein, insulin‐regulated aminopeptidase (IRAP). Both 

Page 346: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 329 

Tankyrase  and  IRAP  appear  to  be  required  for Glut4  translocation  as  knockdown  of 

either Tankyrase or IRAP in adipocytes was found to attenuate the transport of Glut4 to 

the PM (Yeh et al., 2007). Whether FIH‐1 has any role in the PM translocation of Glut4 in 

response to insulin is not known.  

 

Clearly, the exact contributions of Tankyrase and FIH‐1 to regulation of metabolism are 

yet to be elucidated. The fact that Tankyrase is a substrate of FIH‐1, and that both FIH‐1 

and  Tankyrase  knockout  mice  exhibit  significant  phenotypic  overlap,  suggest  that 

perhaps the  interaction between these two proteins has a role  in metabolic regulation 

in  insulin‐sensitive  tissues.  As  Tankyrase  is  known  to  PARsylate  interacting  proteins, 

future experiments could include investigation into the possible PARsylation of FIH‐1 by 

Tankyrase.  PARsylation  involves  the  attachment  of  negatively  charged  ADP‐ribose 

moieties,  leading  to an acidic  shift  in pI  (for example,  see  (Visochek et al., 2005) and 

consistent with the pattern of FIH‐1 spots in 2‐DE blots. Inhibition of PARsylation can be 

achieved with  the  use  of  small molecule  inhibitors  of  poly‐ADP‐ribosylation,  such  as 

PJ34 (Suarez‐Pinzon et al., 2003) or XAV939 (Huang et al., 2009a). Further experiments 

could  involve treatment of cells with PARP  inhibitors followed by 2‐DE and blotting for 

FIH‐1. A shift of spots and a reduction in spot number to a more basic pI would indicate 

loss of a poly‐ADP‐ribose group. Inhibition of the PARP‐domain of Tankyrase using was 

found  to  reduce  the  PM  translocation  of Glut4  and  also  decrease  glucose  uptake  in 

response  to  insulin  (Yeh  et al., 2007). As  such,  if  FIH‐1  is  found  to be PARsylated by 

Tankyrase, this PTM could have a significant impact on the activities of FIH‐1 in a cell. 

 

7.2.13 Linking FIH‐1 with insulin‐regulated glucose uptake 

Though beyond the scope of this thesis, there  is  further anecdotal evidence that  links 

FIH‐1  with  known  mediators  of  insulin‐responsive  glucose  homeostasis.  As  already 

described  in  the  introduction  chapter,  PKC  has  been  found  to  downregulate  FIH‐1 

transcription  in  RCC  cell  lines  (Datta  et  al.,  2004).  PKC  has  also  been  implicated  in 

Page 347: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 330 

insulin‐stimulated glucose transport. Overexpression of PKC in 3T3‐L1 adipocytes leads 

to  increase  in  insulin‐stimulated  glucose  transport  (Bandyopadhyay  et  al.,  1997). 

Though the connection between PKC and glucose transport are unclear, a correlation 

between  overexpressed  PKC,  decreased  FIH‐1  and  enhanced  insulin  sensitivity  is  in 

keeping with the enhanced insulin sensitivity of FIH‐1‐/‐ mice.  

 

Finally, Akt  is known  to  regulate glucose uptake  in response  to  insulin signalling. Akt2 

knockout  mice  have  an  insulin‐resistant  phenotype,  showing  decreased  glucose 

clearance in response to insulin (Cho et al., 2001). Ectopic expression of Akt was found 

to increase the Glut4 in the PM fraction in 3T3‐L1 adipocytes (Tanti et al., 1997; Kohn et 

al., 1996), and expression of a constitutively active  form of Akt1  in L6 skeletal muscle 

cells was also found to enhance glucose uptake via increased Glut4 in the PM (Hajduch 

et al., 1998). Should FIH‐1 be found to be a substrate of Akt, it would be interesting to 

examine  if Akt‐mediated  phosphorylation  of  FIH‐1 would  have  any  impact  in  insulin‐

stimulated glucose uptake or Glut4 PM translocation.  

 

7.3 Final Conclusion 

The work described in this thesis provides novel evidence in support of the PTM of FIH‐1 

in a  range of cell  types. Furthermore,  there  is evidence  that  these modifications may 

differ  between  different  cell  types,  in  keeping  with  the  cell‐specific  levels  of  FIH‐1 

activity  displayed  by  FIH‐1. Any  regulatory mechanisms  that  are  found  to  alter  FIH‐1 

behaviour could certainly be restricted to specific cells or tissues. Different tissues, and 

different  cells within  tissues,  could naturally be  thought  to  require different  levels of 

FIH‐1  activity  in  keeping  with  various  metabolic  requirements  and  tissue‐specific 

“normoxic”  oxygen  levels.  Furthermore,  it  is  possible  that  additional modes  of  FIH‐1 

regulation may  occur  in  cells where  there  is  a  physiological  requirement  for  further, 

Page 348: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 331 

oxygen‐independent  FIH‐1  regulatory mechanisms,  such  as  in  cells where  the  role of 

FIH‐1  extends  beyond  its  role  in  regulating  HIF  transcriptional  activity.  For  example, 

neuronal  cells  may  require  discrete  regulatory  mechanisms  of  FIH‐1  pertaining  to 

control of metabolic processes. 

 

As yet, the nature of PTMs of FIH‐1 remains unknown. Of immediate importance will be 

the definitive  identification of  the PTMs  that occur on  FIH‐1. Deamidation of  specific 

asparaginyl  residues  of  FIH‐1  should  be  further  investigated  to  determine  if  these 

events  are  physiologically  relevant.  In  light  of  the  data  presented  in  this  thesis, 

phosphorylation of FIH‐1 by Akt or other kinases should also be  further explored. The 

idea that the FIH‐1‐Tankyrase  interaction both PARsylates FIH‐1 and also assists  in the 

regulation  of  insulin‐dependent  glucose  uptake  presents  an  interesting  connection 

between FIH‐1 and metabolic regulation, and also warrants further investigation.  

 

At  the  beginning  of  this  research,  FIH‐1  was  known  as  the  asparaginyl  hydroxylase 

responsible  for  regulating HIF‐transcriptional  activity. Now,  an  extensive  list  of  novel 

FIH‐1 substrates have been  identified, FIH‐1 knockout mice have revealed a surprising 

role  for  FIH‐1  in  the  regulation  of  global  metabolism,  and  examination  of  FIH‐1 

expression  indicates a  role  in  cancer progression.    Investigating  the  regulation of  this 

enzyme  remains  essential  to  enhance  the  understanding  of  both  physiological  and 

pathophysiological processes. It is suggested that FIH‐1 is subjected to PTMs, however a 

complete picture of FIH‐1 modifications remains to be established. Further experiments 

to address this deficit in knowledge are eagerly anticipated. 

 

 

Page 349: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 350: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 333 

 

 

 

REFERENCES

Page 351: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells
Page 352: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 335 

8 REFERENCES 

 Alvarez‐Tejado, M., Alfranca, A., Aragones,  J., Vara, A., Landazuri, M. O. &del Peso, L. (2002).  Lack  of  evidence  for  the  involvement  of  the  phosphoinositide  3‐kinase/Akt pathway  in  the  activation  of  hypoxia‐inducible  factors  by  low  oxygen  tension.  J  Biol Chem 277(16): 13508‐13517. 

Amanchy, R., Periaswamy, B., Mathivanan,  S., Reddy, R., Tattikota,  S. G. &Pandey, A. (2007). A  curated  compendium of phosphorylation motifs. Nat Biotechnol 25(3): 285‐286. 

Aragones, J., Schneider, M., Van Geyte, K., Fraisl, P., Dresselaers, T., Mazzone, M., Dirkx, R., Zacchigna, S., Lemieux, H., Jeoung, N. H., Lambrechts, D., Bishop, T., Lafuste, P., Diez‐Juan, A., Harten, S. K., Van Noten, P., De Bock, K., Willam, C., Tjwa, M., Grosfeld, A., Navet, R., Moons, L., Vandendriessche, T., Deroose, C., Wijeyekoon, B., Nuyts, J., Jordan, B.,  Silasi‐Mansat,  R.,  Lupu,  F.,  Dewerchin, M.,  Pugh,  C.,  Salmon,  P., Mortelmans,  L., Gallez, B., Gorus, F., Buyse, J., Sluse, F., Harris, R. A., Gnaiger, E., Hespel, P., Van Hecke, P.,  Schuit,  F.,  Van  Veldhoven,  P.,  Ratcliffe,  P.,  Baes, M., Maxwell,  P.  &Carmeliet,  P. (2008). Deficiency  or  inhibition  of  oxygen  sensor  Phd1  induces  hypoxia  tolerance  by reprogramming basal metabolism. Nat Genet 40(2): 170‐180. 

Arsham, A. M., Plas, D. R., Thompson, C. B. &Simon, M. C. (2002). Phosphatidylinositol 3‐kinase/Akt  signaling  is  neither  required  for  hypoxic  stabilization  of HIF‐1  alpha  nor sufficient  for HIF‐1‐dependent  target  gene  transcription.  J Biol Chem 277(17): 15162‐15170. 

Bandyopadhyay, G., Standaert, M. L., Zhao, L., Yu, B., Avignon, A., Galloway, L., Karnam, P., Moscat, J. &Farese, R. V. (1997). Activation of protein kinase C (alpha, beta, and zeta) by  insulin  in  3T3/L1  cells.  Transfection  studies  suggest  a  role  for PKC‐zeta  in  glucose transport. J Biol Chem 272(4): 2551‐2558. 

Barrick, D., Ferreiro, D. U. &Komives, E. A. (2008). Folding landscapes of ankyrin repeat proteins: experiments meet theory. Curr Opin Struct Biol 18(1): 27‐34. 

Basu, A., Rose, K. L., Zhang, J., Beavis, R. C., Ueberheide, B., Garcia, B. A., Chait, B., Zhao, Y., Hunt, D. F., Segal, E., Allis, C. D. &Hake, S. B.  (2009). Proteome‐wide prediction of acetylation substrates. Proc Natl Acad Sci U S A 106(33): 13785‐13790. 

Berchner‐Pfannschmidt,  U.,  Tug,  S.,  Kirsch,  M.  &Fandrey,  J.  (2010).  Oxygen‐sensing under the influence of nitric oxide. Cell Signal 22(3): 349‐356. 

Bhatnagar, N., Li, X., Padi, S. K., Zhang, Q., Tang, M. S. &Guo, B. (2010). Downregulation of  miR‐205  and  miR‐31  confers  resistance  to  chemotherapy‐induced  apoptosis  in prostate cancer cells. Cell Death Dis 1(12): e105. 

Page 353: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 336 

Birner, P., Schindl, M., Obermair, A., Breitenecker, G. &Oberhuber, G. (2001). Expression of hypoxia‐inducible factor 1alpha in epithelial ovarian tumors: its impact on prognosis and on response to chemotherapy. Clin Cancer Res 7(6): 1661‐1668. 

Bishop, T., Gallagher, D., Pascual, A., Lygate, C. A., de Bono, J. P., Nicholls, L. G., Ortega‐Saenz,  P.,  Oster,  H.,  Wijeyekoon,  B.,  Sutherland,  A.  I.,  Grosfeld,  A.,  Aragones,  J., Schneider, M., van Geyte, K., Teixeira, D., Diez‐Juan, A., Lopez‐Barneo,  J., Channon, K. M., Maxwell,  P. H.,  Pugh,  C. W., Davies, A. M.,  Carmeliet,  P. &Ratcliffe,  P.  J.  (2008). Abnormal  sympathoadrenal development  and  systemic hypotension  in PHD3‐/‐ mice. Mol Cell Biol 28(10): 3386‐3400. 

Bolos, V., Grego‐Bessa,  J. &de  la Pompa,  J.  L.  (2007). Notch  signaling  in development and cancer. Endocr Rev 28(3): 339‐363. 

Bracken, C. P., Fedele, A. O., Linke, S., Balrak, W., Lisy, K., Whitelaw, M. L. &Peet, D. J. (2006). Cell‐specific  regulation of hypoxia‐inducible  factor  (HIF)‐1alpha and HIF‐2alpha stabilization and transactivation  in a graded oxygen environment. J Biol Chem 281(32): 22575‐22585. 

Bradford, M. M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities  of  protein  utilizing  the  principle  of  protein‐dye  binding.  Anal  Biochem  72: 248‐254. 

Brunet, A., Bonni, A., Zigmond, M. J., Lin, M. Z., Juo, P., Hu, L. S., Anderson, M. J., Arden, K. C., Blenis, J. &Greenberg, M. E. (1999). Akt promotes cell survival by phosphorylating and inhibiting a Forkhead transcription factor. Cell 96(6): 857‐868. 

Bryant,  N.  J.,  Govers,  R.  &James,  D.  E.  (2002).  Regulated  transport  of  the  glucose transporter GLUT4. Nat Rev Mol Cell Biol 3(4): 267‐277. 

Burri,  P.,  Djonov,  V.,  Aebersold,  D.  M.,  Lindel,  K.,  Studer,  U.,  Altermatt,  H.  J., Mazzucchelli,  L., Greiner, R. H. &Gruber, G.  (2003). Significant  correlation of hypoxia‐inducible factor‐1alpha with treatment outcome  in cervical cancer treated with radical radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 56(2): 494‐501. 

Capasso, S., Mazzarella, L., Sica, F. &Zagari, A.  (1989). Deamidation via cyclic  imide  in asparaginyl peptides. Pept Res 2(2): 195‐200. 

Ceradini,  D.  J.  &Gurtner,  G.  C.  (2005).  Homing  to  hypoxia:  HIF‐1  as  a  mediator  of progenitor cell recruitment to injured tissue. Trends Cardiovasc Med 15(2): 57‐63. 

Chao,  C.  C.,  Ma,  Y.  S.  &Stadtman,  E.  R.  (1997).  Modification  of  protein  surface hydrophobicity and methionine oxidation by oxidative systems. Proc Natl Acad Sci U S A 94(7): 2969‐2974. 

Chen, Y. H., Comeaux, L. M., Eyles, S. J. &Knapp, M. J. (2008). Auto‐hydroxylation of FIH‐1:  an  Fe(ii),  alpha‐ketoglutarate‐dependent  human  hypoxia  sensor.  Chem  Commun (Camb) (39): 4768‐4770. 

Page 354: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 337 

Chi,  N. W.  &Lodish,  H.  F.  (2000).  Tankyrase  is  a  golgi‐associated mitogen‐activated protein kinase substrate that interacts with IRAP in GLUT4 vesicles. J Biol Chem 275(49): 38437‐38444. 

Cho,  H.,  Ahn,  D.  R.,  Park,  H.  &Yang,  E.  G.  (2007).  Modulation  of  p300  binding  by posttranslational modifications of the C‐terminal activation domain of hypoxia‐inducible factor‐1alpha. FEBS Lett 581(8): 1542‐1548. 

Cho, H., Mu, J., Kim, J. K., Thorvaldsen, J. L., Chu, Q., Crenshaw, E. B., 3rd, Kaestner, K. H., Bartolomei, M. S., Shulman, G.  I. &Birnbaum, M. J.  (2001).  Insulin resistance and a diabetes mellitus‐like  syndrome  in mice  lacking  the  protein  kinase  Akt2  (PKB  beta). Science 292(5522): 1728‐1731. 

Chowdhury, R., Flashman, E., Mecinovic, J., Kramer, H. B., Kessler, B. M., Frapart, Y. M., Boucher,  J. L., Clifton,  I.  J., McDonough, M. A. &Schofield, C.  J.  (2011). Studies on  the Reaction of Nitric Oxide with the Hypoxia‐Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Domain 2 (EGLN1). J Mol Biol 410(2): 268‐279. 

Cockman, M.  E.,  Lancaster,  D.  E.,  Stolze,  I.  P.,  Hewitson,  K.  S., McDonough, M.  A., Coleman, M.  L., Coles, C. H., Yu, X., Hay, R. T.,  Ley, S. C., Pugh, C. W., Oldham, N.  J., Masson, N.,  Schofield, C.  J. &Ratcliffe, P.  J.  (2006). Posttranslational hydroxylation of ankyrin  repeats  in  IkappaB  proteins  by  the  hypoxia‐inducible  factor  (HIF)  asparaginyl hydroxylase, factor inhibiting HIF (FIH). Proc Natl Acad Sci U S A 103(40): 14767‐14772. 

Cockman, M.  E., Webb,  J.  D.,  Kramer,  H.  B.,  Kessler,  B. M.  &Ratcliffe,  P.  J.  (2009). Proteomics‐based identification of novel factor inhibiting hypoxia‐inducible factor (FIH) substrates  indicates widespread  asparaginyl  hydroxylation  of  ankyrin  repeat  domain‐containing proteins. Mol Cell Proteomics 8(3): 535‐546. 

Cohen, P. T. (2002). Protein phosphatase 1‐‐targeted in many directions. J Cell Sci 115(Pt 2): 241‐256. 

Coleman, M. L., McDonough, M. A., Hewitson, K. S., Coles, C., Mecinovic, J., Edelmann, M., Cook, K. M., Cockman, M. E., Lancaster, D. E., Kessler, B. M., Oldham, N. J., Ratcliffe, P.  J. &Schofield,  C.  J.  (2007).  Asparaginyl  hydroxylation  of  the  Notch  ankyrin  repeat domain by factor inhibiting hypoxia‐inducible factor. J Biol Chem 282(33): 24027‐24038. 

Compton, S. J. &Jones, C. G. (1985). Mechanism of dye response and interference in the Bradford protein assay. Anal Biochem 151(2): 369‐374. 

Conrad, P. W., Freeman, T. L., Beitner‐Johnson, D. &Millhorn, D. E. (1999). EPAS1 trans‐activation during hypoxia requires p42/p44 MAPK. J Biol Chem 274(47): 33709‐33713. 

Couvelard,  A.,  Deschamps,  L.,  Rebours,  V.,  Sauvanet,  A.,  Gatter,  K.,  Pezzella,  F., Ruszniewski, P. &Bedossa, P. (2008). Overexpression of the oxygen sensors PHD‐1, PHD‐2,  PHD‐3,  and  FIH  Is  associated  with  tumor  aggressiveness  in  pancreatic  endocrine tumors. Clin Cancer Res 14(20): 6634‐6639. 

Page 355: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 338 

Dann,  C.  E.,  3rd,  Bruick,  R.  K.  &Deisenhofer,  J.  (2002).  Structure  of  factor‐inhibiting hypoxia‐inducible factor 1: An asparaginyl hydroxylase involved in the hypoxic response pathway. Proc Natl Acad Sci U S A 99(24): 15351‐15356. Epub 12002 Nov 15313. 

Datta, K.,  Li,  J., Bhattacharya, R., Gasparian,  L., Wang, E. &Mukhopadhyay, D.  (2004). Protein  kinase  C  zeta  transactivates  hypoxia‐inducible  factor  alpha  by  promoting  its association with p300 in renal cancer. Cancer Res 64(2): 456‐462. 

Dayan,  F., Roux, D., Brahimi‐Horn, M. C.,  Pouyssegur,  J. &Mazure, N. M.  (2006).  The oxygen sensor factor‐inhibiting hypoxia‐inducible factor‐1 controls expression of distinct genes  through  the  bifunctional  transcriptional  character  of  hypoxia‐inducible  factor‐1alpha. Cancer Res 66(7): 3688‐3698. 

Deryugina,  E.  I.,  Soroceanu,  L.  &Strongin,  A.  Y.  (2002).  Up‐regulation  of  vascular endothelial  growth  factor  by membrane‐type  1 matrix metalloproteinase  stimulates human glioma xenograft growth and angiogenesis. Cancer Res 62(2): 580‐588. 

Deverman, B. E., Cook, B. L., Manson, S. R., Niederhoff, R. A., Langer, E. M., Rosova, I., Kulans, L. A., Fu, X., Weinberg, J. S., Heinecke, J. W., Roth, K. A. &Weintraub, S. J. (2002). Bcl‐xL deamidation is a critical switch in the regulation of the response to DNA damage. Cell 111(1): 51‐62. 

Devries, I. L., Hampton‐Smith, R. J., Mulvihill, M. M., Alverdi, V., Peet, D. J. &Komives, E. A.  (2010).  Consequences  of  IkappaB  alpha  hydroxylation  by  the  factor  inhibiting HIF (FIH). FEBS Lett 584(23): 4725‐4730. 

Dougherty, M. K. &Morrison, D. K. (2004). Unlocking the code of 14‐3‐3. J Cell Sci 117(Pt 10): 1875‐1884. 

Ebert,  B.  L.,  Firth,  J. D. &Ratcliffe,  P.  J.  (1995). Hypoxia  and mitochondrial  inhibitors regulate  expression  of  glucose  transporter‐1  via  distinct  Cis‐acting  sequences.  J  Biol Chem 270(49): 29083‐29089. 

Ehrismann, D., Flashman, E., Genn, D. N., Mathioudakis, N., Hewitson, K. S., Ratcliffe, P. J.  &Schofield,  C.  J.  (2007).  Studies  on  the  activity  of  the  hypoxia‐inducible‐factor hydroxylases using an oxygen consumption assay. Biochem J 401(1): 227‐234. 

Elvidge, G. P., Glenny,  L., Appelhoff, R.  J., Ratcliffe, P.  J., Ragoussis,  J. &Gleadle,  J. M. (2006).  Concordant  regulation  of  gene  expression  by  hypoxia  and  2‐oxoglutarate‐dependent  dioxygenase  inhibition:  the  role  of  HIF‐1alpha,  HIF‐2alpha,  and  other pathways. J Biol Chem 281(22): 15215‐15226. 

Ema, M., Taya, S., Yokotani, N., Sogawa, K., Matsuda, Y. &Fujii‐Kuriyama, Y.  (1997). A novel bHLH‐PAS factor with close sequence similarity to hypoxia‐inducible factor 1alpha regulates  the  VEGF  expression  and  is  potentially  involved  in  lung  and  vascular development. Proc Natl Acad Sci U S A 94(9): 4273‐4278. 

Fath, D. M., Kong, X., Liang, D., Lin, Z., Chou, A.,  Jiang, Y., Fang,  J., Caro,  J. &Sang, N. (2006). Histone deacetylase  inhibitors repress the transactivation potential of hypoxia‐

Page 356: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 339 

inducible factors  independently of direct acetylation of HIF‐alpha. J Biol Chem 281(19): 13612‐13619. 

Feldser, D., Agani, F., Iyer, N. V., Pak, B., Ferreira, G. &Semenza, G. L. (1999). Reciprocal positive  regulation of hypoxia‐inducible  factor 1alpha and  insulin‐like growth  factor 2. Cancer Res 59(16): 3915‐3918. 

Ferguson, J. E., 3rd, Wu, Y., Smith, K., Charles, P., Powers, K., Wang, H. &Patterson, C. (2007). ASB4  is a hydroxylation substrate of FIH and promotes vascular differentiation via an oxygen‐dependent mechanism. Mol Cell Biol 27(18): 6407‐6419. 

Folkman,  J.  (1990). What  is  the evidence  that  tumors  are  angiogenesis dependent?  J Natl Cancer Inst 82(1): 4‐6. 

Folkman,  J.,  Cole,  P.  &Zimmerman,  S.  (1966).  Tumor  behavior  in  isolated  perfused organs:  in vitro growth and metastases of biopsy material  in rabbit thyroid and canine intestinal segment. Ann Surg 164(3): 491‐502. 

Forsythe, J. A., Jiang, B. H., Iyer, N. V., Agani, F., Leung, S. W., Koos, R. D. &Semenza, G. L.  (1996).  Activation  of  vascular  endothelial  growth  factor  gene  transcription  by hypoxia‐inducible factor 1. Mol Cell Biol 16(9): 4604‐4613. 

Franke, T. F. (2008). PI3K/Akt: getting it right matters. Oncogene 27(50): 6473‐6488. 

Freedman, S. J., Sun, Z. Y., Poy, F., Kung, A. L., Livingston, D. M., Wagner, G. &Eck, M. J. (2002).  Structural  basis  for  recruitment  of  CBP/p300  by  hypoxia‐inducible  factor‐1 alpha. Proc Natl Acad Sci U S A 99(8): 5367‐5372. 

Gerald, D., Berra, E., Frapart, Y. M., Chan, D. A., Giaccia, A. J., Mansuy, D., Pouyssegur, J., Yaniv, M. &Mechta‐Grigoriou, F. (2004). JunD reduces tumor angiogenesis by protecting cells from oxidative stress. Cell 118(6): 781‐794. 

Gerber,  H.  P.,  Condorelli,  F.,  Park,  J. &Ferrara,  N.  (1997).  Differential  transcriptional regulation of the two vascular endothelial growth factor receptor genes. Flt‐1, but not Flk‐1/KDR, is up‐regulated by hypoxia. J Biol Chem 272(38): 23659‐23667. 

Giatromanolaki, A., Koukourakis, M.  I., Pezzella,  F.,  Turley, H.,  Sivridis,  E., Bouros, D., Bougioukas,  G.,  Harris,  A.  L. &Gatter,  K.  C.  (2008).  Expression  of  prolyl‐hydroxylases PHD‐1,  2  and  3  and  of  the  asparagine  hydroxylase  FIH  in  non‐small  cell  lung  cancer relates to an activated HIF pathway. Cancer Lett. 

Goldberg, M. A., Dunning, S. P. &Bunn, H. F.  (1988). Regulation of  the erythropoietin gene:  evidence  that  the  oxygen  sensor  is  a  heme  protein.  Science  242(4884):  1412‐1415. 

Gradin,  K.,  Takasaki,  C.,  Fujii‐Kuriyama,  Y.  &Sogawa,  K.  (2002).  The  transcriptional activation  function  of  the  HIF‐like  factor  requires  phosphorylation  at  a  conserved threonine. J Biol Chem 277(26): 23508‐23514. Epub 22002 Apr 23530. 

Page 357: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 340 

Gu,  Y.  Z.,  Moran,  S.  M.,  Hogenesch,  J.  B.,  Wartman,  L.  &Bradfield,  C.  A.  (1998). Molecular characterization and chromosomal localization of a third alpha‐class hypoxia inducible factor subunit, HIF3alpha. Gene Expr 7(3): 205‐213. 

Gustafsson, M.  V.,  Zheng,  X.,  Pereira,  T., Gradin,  K.,  Jin,  S.,  Lundkvist,  J.,  Ruas,  J.  L., Poellinger, L., Lendahl, U. &Bondesson, M.  (2005). Hypoxia requires notch signaling to maintain the undifferentiated cell state. Dev Cell 9(5): 617‐628. 

Guzy, R. D. &Schumacker, P. T. (2006). Oxygen sensing by mitochondria at complex III: the paradox of increased reactive oxygen species during hypoxia. Exp Physiol 91(5): 807‐819. 

Hajduch, E., Alessi, D. R., Hemmings, B. A. &Hundal, H. S. (1998). Constitutive activation of protein kinase B alpha by membrane targeting promotes glucose and system A amino acid  transport, protein  synthesis, and  inactivation of glycogen  synthase kinase 3  in L6 muscle cells. Diabetes 47(7): 1006‐1013. 

Hanahan, D. &Weinberg, R. A. (2000). The hallmarks of cancer. Cell 100(1): 57‐70. 

Hardy, A.  P.,  Prokes,  I.,  Kelly,  L.,  Campbell,  I. D. &Schofield,  C.  J.  (2009). Asparaginyl beta‐hydroxylation  of  proteins  containing  ankyrin  repeat  domains  influences  their stability and function. J Mol Biol 392(4): 994‐1006. 

Hewitson, K. S., Lienard, B. M., McDonough, M. A., Clifton, I. J., Butler, D., Soares, A. S., Oldham, N. J., McNeill, L. A. &Schofield, C. J. (2007). Structural and mechanistic studies on  the  inhibition  of  the  hypoxia‐inducible  transcription  factor  hydroxylases  by tricarboxylic acid cycle intermediates. J Biol Chem 282(5): 3293‐3301. 

Hewitson, K. S., McNeill, L. A., Riordan, M. V., Tian, Y. M., Bullock, A. N., Welford, R. W., Elkins, J. M., Oldham, N. J., Bhattacharya, S., Gleadle, J. M., Ratcliffe, P. J., Pugh, C. W. &Schofield,  C.  J.  (2002).  Hypoxia‐inducible  factor  (HIF)  asparagine  hydroxylase  is identical to factor inhibiting HIF (FIH) and is related to the cupin structural family. J Biol Chem 277(29): 26351‐26355. Epub 22002 May 26331. 

Hirsila,  M.,  Koivunen,  P.,  Gunzler,  V.,  Kivirikko,  K.  I.  &Myllyharju,  J.  (2003). Characterization of the human prolyl 4‐hydroxylases that modify the hypoxia‐inducible factor. J Biol Chem 278(33): 30772‐30780. Epub 32003 Jun 30773. 

Huang,  L.  E., Arany,  Z.,  Livingston, D. M. &Bunn, H.  F.  (1996). Activation  of  hypoxia‐inducible transcription factor depends primarily upon redox‐sensitive stabilization of its alpha subunit. J Biol Chem 271(50): 32253‐32259. 

Huang,  L.  E.,  Gu,  J.,  Schau, M. &Bunn,  H.  F.  (1998).  Regulation  of  hypoxia‐inducible factor 1alpha  is mediated by an O2‐dependent degradation domain via  the ubiquitin‐proteasome pathway. Proc Natl Acad Sci U S A 95(14): 7987‐7992. 

Huang, L. E., Willmore, W. G., Gu, J., Goldberg, M. A. &Bunn, H. F. (1999). Inhibition of hypoxia‐inducible factor 1 activation by carbon monoxide and nitric oxide. Implications for oxygen sensing and signaling. J Biol Chem 274(13): 9038‐9044. 

Page 358: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 341 

Huang, S. M., Mishina, Y. M., Liu, S., Cheung, A., Stegmeier, F., Michaud, G. A., Charlat, O., Wiellette,  E.,  Zhang,  Y., Wiessner,  S., Hild, M.,  Shi, X., Wilson, C.  J., Mickanin, C., Myer, V., Fazal, A., Tomlinson, R., Serluca, F., Shao, W., Cheng, H., Shultz, M., Rau, C., Schirle,  M.,  Schlegl,  J.,  Ghidelli,  S.,  Fawell,  S.,  Lu,  C.,  Curtis,  D.,  Kirschner,  M.  W., Lengauer,  C.,  Finan,  P. M.,  Tallarico,  J.  A.,  Bouwmeester,  T.,  Porter,  J.  A.,  Bauer,  A. &Cong, F.  (2009a). Tankyrase  inhibition stabilizes axin and antagonizes Wnt signalling. Nature 461(7264): 614‐620. 

Huang, W. C. &Chen, C. C. (2005). Akt phosphorylation of p300 at Ser‐1834 is essential for  its histone acetyltransferase and transcriptional activity. Mol Cell Biol 25(15): 6592‐6602. 

Huang, X., Ding, L., Bennewith, K. L., Tong, R. T., Welford, S. M., Ang, K. K., Story, M., Le, Q.  T.  &Giaccia,  A.  J.  (2009b).  Hypoxia‐inducible  mir‐210  regulates  normoxic  gene expression involved in tumor initiation. Mol Cell 35(6): 856‐867. 

Itoh, Y. (2006). MT1‐MMP: a key regulator of cell migration in tissue. IUBMB Life 58(10): 589‐596. 

Ivan, M., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J. M., Lane, W.  S. &Kaelin, W. G.,  Jr.  (2001). HIFalpha  targeted  for  VHL‐mediated  destruction  by proline  hydroxylation:  implications  for O2  sensing.  Science  292(5516):  464‐468.  Epub 2001 Apr 2005. 

Jaakkola, P., Mole, D. R., Tian, Y. M., Wilson, M. I., Gielbert, J., Gaskell, S. J., Kriegsheim, A., Hebestreit, H. F., Mukherji, M., Schofield, C. J., Maxwell, P. H., Pugh, C. W. &Ratcliffe, P. J. (2001). Targeting of HIF‐alpha to the von Hippel‐Lindau ubiquitylation complex by O2‐regulated prolyl hydroxylation. Science 292(5516): 468‐472. Epub 2001 Apr 2005. 

Jewell, U. R., Kvietikova, I., Scheid, A., Bauer, C., Wenger, R. H. &Gassmann, M. (2001). Induction of HIF‐1alpha  in  response  to hypoxia  is  instantaneous. Faseb  J 15(7): 1312‐1314. 

Jiang,  B.  H.,  Jiang,  G.,  Zheng,  J.  Z.,  Lu,  Z.,  Hunter,  T.  &Vogt,  P.  K.  (2001). Phosphatidylinositol 3‐kinase signaling controls levels of hypoxia‐inducible factor 1. Cell Growth Differ 12(7): 363‐369. 

Jiang, B. H., Semenza, G. L., Bauer, C. &Marti, H. H.  (1996). Hypoxia‐inducible  factor 1 levels  vary  exponentially  over  a  physiologically  relevant  range  of  O2  tension.  Am  J Physiol 271(4 Pt 1): C1172‐1180. 

Jiang, B. H., Zheng, J. Z., Leung, S. W., Roe, R. &Semenza, G. L. (1997). Transactivation and  inhibitory  domains  of  hypoxia‐inducible  factor  1alpha.  Modulation  of transcriptional activity by oxygen tension. J Biol Chem 272(31): 19253‐19260. 

Jiang, D., Zhou, Y., Moxley, R. A. &Jarrett, H. W. (2008). Purification and identification of positive  regulators  binding  to  a  novel  element  in  the  c‐Jun  promoter.  Biochemistry 47(35): 9318‐9334. 

Page 359: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 342 

Jiang, W. G., Davies, G., Martin, T. A., Parr, C., Watkins, G., Mason, M. D. &Mansel, R. E. (2006). Expression of membrane type‐1 matrix metalloproteinase, MT1‐MMP in human breast cancer and its impact on invasiveness of breast cancer cells. Int J Mol Med 17(4): 583‐590. 

Jogi,  A.,  Ora,  I.,  Nilsson,  H.,  Lindeheim,  A.,  Makino,  Y.,  Poellinger,  L.,  Axelson,  H. &Pahlman,  S.  (2002).  Hypoxia  alters  gene  expression  in  human  neuroblastoma  cells toward an  immature and neural crest‐like phenotype. Proc Natl Acad Sci U S A 99(10): 7021‐7026. 

Kallio, P. J., Okamoto, K., O'Brien, S., Carrero, P., Makino, Y., Tanaka, H. &Poellinger, L. (1998).  Signal  transduction  in  hypoxic  cells:  inducible  nuclear  translocation  and recruitment of the CBP/p300 coactivator by the hypoxia‐inducible factor‐1alpha. Embo J 17(22): 6573‐6586. 

Kao, S. H., Wong, H. K., Chiang, C. Y. &Chen, H. M. (2008). Evaluating the compatibility of  three colorimetric protein assays  for  two‐dimensional electrophoresis experiments. Proteomics 8(11): 2178‐2184. 

Kato, H., Tamamizu‐Kato, S. &Shibasaki, F. (2004). Histone deacetylase 7 associates with hypoxia‐inducible  factor  1alpha  and  increases  transcriptional  activity.  J  Biol  Chem 279(40): 41966‐41974. 

Kewley, R. J., Whitelaw, M. L. &Chapman‐Smith, A. (2004). The mammalian basic helix‐loop‐helix/PAS  family of  transcriptional  regulators.  Int  J Biochem Cell Biol  36(2): 189‐204. 

Khan, M. N., Bhattacharyya, T., Andrikopoulos, P., Esteban, M. A., Barod, R., Connor, T., Ashcroft, M., Maxwell, P. H. &Kiriakidis, S. (2011). Factor inhibiting HIF (FIH‐1) promotes renal cancer cell survival by protecting cells  from HIF‐1alpha‐mediated apoptosis. Br  J Cancer 104(7): 1151‐1159. 

Kohn,  A.  D.,  Summers,  S.  A.,  Birnbaum, M.  J.  &Roth,  R.  A.  (1996).  Expression  of  a constitutively active Akt Ser/Thr kinase  in 3T3‐L1 adipocytes stimulates glucose uptake and glucose transporter 4 translocation. J Biol Chem 271(49): 31372‐31378. 

Koivunen,  P.,  Hirsila, M.,  Gunzler,  V.,  Kivirikko,  K.  I. &Myllyharju,  J.  (2004).  Catalytic properties  of  the  asparaginyl  hydroxylase  (FIH)  in  the  oxygen  sensing  pathway  are distinct  from  those of  its prolyl 4‐hydroxylases.  J Biol Chem 279(11): 9899‐9904. Epub 2003 Dec 9829. 

Koivunen, P., Hirsila, M., Kivirikko, K.  I. &Myllyharju,  J.  (2006).  The  length of peptide substrates has a marked effect on hydroxylation by the hypoxia‐inducible factor prolyl 4‐hydroxylases. J Biol Chem 281(39): 28712‐28720. 

Krishnamachary, B., Berg‐Dixon, S., Kelly, B., Agani, F., Feldser, D., Ferreira, G., Iyer, N., LaRusch, J., Pak, B., Taghavi, P. &Semenza, G. L. (2003). Regulation of colon carcinoma cell invasion by hypoxia‐inducible factor 1. Cancer Res 63(5): 1138‐1143. 

Page 360: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 343 

Krokhin,  O.  V.,  Antonovici,  M.,  Ens,  W.,  Wilkins,  J.  A.  &Standing,  K.  G.  (2006). Deamidation  of  ‐Asn‐Gly‐  sequences  during  sample  preparation  for  proteomics: Consequences for MALDI and HPLC‐MALDI analysis. Anal Chem 78(18): 6645‐6650. 

Kulshreshtha, R., Davuluri, R. V., Calin, G. A. &Ivan, M. (2008). A microRNA component of the hypoxic response. Cell Death Differ 15(4): 667‐671. 

Kulshreshtha, R.,  Ferracin, M., Wojcik,  S. E., Garzon, R., Alder, H., Agosto‐Perez,  F.  J., Davuluri,  R.,  Liu,  C.  G.,  Croce,  C. M.,  Negrini, M.,  Calin,  G.  A.  &Ivan, M.  (2007).  A microRNA signature of hypoxia. Mol Cell Biol 27(5): 1859‐1867. 

Lancaster, D. E., McNeill, L. A., McDonough, M. A., Aplin, R. T., Hewitson, K. S., Pugh, C. W.,  Ratcliffe,  P.  J. &Schofield,  C.  J.  (2004).  Disruption  of  dimerization  and  substrate phosphorylation inhibit factor inhibiting hypoxia‐inducible factor (FIH) activity. Biochem J 383(Pt. 3): 429‐437. 

Lando,  D.,  Peet,  D.  J.,  Gorman,  J.  J., Whelan,  D.  A., Whitelaw, M.  L.  &Bruick,  R.  K. (2002a). FIH‐1  is an asparaginyl hydroxylase enzyme  that  regulates  the  transcriptional activity of hypoxia‐inducible factor. Genes Dev 16(12): 1466‐1471. 

Lando, D., Peet, D. J., Whelan, D. A., Gorman, J. J. &Whitelaw, M. L. (2002b). Asparagine hydroxylation of  the HIF  transactivation domain  a hypoxic  switch.  Science 295(5556): 858‐861. 

Lee, Y. M., Jeong, C. H., Koo, S. Y., Son, M. J., Song, H. S., Bae, S. K., Raleigh, J. A., Chung, H. Y., Yoo, M. A. &Kim, K. W. (2001). Determination of hypoxic region by hypoxia marker in developing mouse embryos in vivo: a possible signal for vessel development. Dev Dyn 220(2): 175‐186. 

Levine, R. L., Moskovitz, J. &Stadtman, E. R. (2000). Oxidation of methionine in proteins: roles in antioxidant defense and cellular regulation. IUBMB Life 50(4‐5): 301‐307. 

Levy, A. P., Levy, N. S., Wegner, S. &Goldberg, M. A. (1995). Transcriptional regulation of the rat vascular endothelial growth factor gene by hypoxia. J Biol Chem 270(22): 13333‐13340. 

Li, A., Xue, Y.,  Jin, C., Wang, M. &Yao, X.  (2006). Prediction of Nepsilon‐acetylation on internal  lysines  implemented  in  Bayesian Discriminant Method.  Biochem  Biophys  Res Commun 350(4): 818‐824. 

Li, F., Sonveaux, P., Rabbani, Z. N., Liu, S., Yan, B., Huang, Q., Vujaskovic, Z., Dewhirst, M. W. &Li, C. Y. (2007a). Regulation of HIF‐1alpha stability through S‐nitrosylation. Mol Cell 26(1): 63‐74. 

Li, J., Wang, E., Dutta, S., Lau, J. S., Jiang, S. W., Datta, K. &Mukhopadhyay, D. (2007b). Protein kinase C‐mediated modulation of FIH‐1 expression by the homeodomain protein CDP/Cut/Cux. Mol Cell Biol 27(20): 7345‐7353. 

Linke, S. (2009). Substrate Specificity of Factor Inhibiting HIF‐1 (FIH‐1). 

Page 361: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 344 

Linke, S., Stojkoski, C., Kewley, R. J., Booker, G. W., Whitelaw, M. L. &Peet, D. J. (2004). Substrate requirements of the oxygen‐sensing asparaginyl hydroxylase factor‐inhibiting hypoxia‐inducible factor. J Biol Chem 279(14): 14391‐14397. 

Lisy, K. (2004). Characterisation of FIH‐1 Expression. 

Liu, C. J., Tsai, M. M., Hung, P. S., Kao, S. Y., Liu, T. Y., Wu, K. J., Chiou, S. H., Lin, S. C. &Chang,  K. W.  (2010). miR‐31  ablates  expression  of  the HIF  regulatory  factor  FIH  to activate the HIF pathway in head and neck carcinoma. Cancer Res 70(4): 1635‐1644. 

Liu, Y., Christou, H., Morita, T., Laughner, E., Semenza, G. L. &Kourembanas, S. (1998). Carbon  monoxide  and  nitric  oxide  suppress  the  hypoxic  induction  of  vascular endothelial growth factor gene via the 5' enhancer. J Biol Chem 273(24): 15257‐15262. 

Lundby, C., Calbet,  J. A. &Robach, P.  (2009).  The  response of human  skeletal muscle tissue to hypoxia. Cell Mol Life Sci 66(22): 3615‐3623. 

Maciejewski, P. M., Peterson, F. C., Anderson, P.  J. &Brooks, C. L.  (1995). Mutation of serine  90  to  glutamic  acid mimics  phosphorylation  of  bovine  prolactin.  J  Biol  Chem 270(46): 27661‐27665. 

Mackintosh,  C.  (2004).  Dynamic  interactions  between  14‐3‐3  proteins  and phosphoproteins regulate diverse cellular processes. Biochem J 381(Pt 2): 329‐342. 

Mahon, P. C., Hirota, K. &Semenza, G.  L.  (2001). FIH‐1: a novel protein  that  interacts with HIF‐1alpha and VHL to mediate repression of HIF‐1 transcriptional activity. Genes Dev 15(20): 2675‐2686. 

Makino,  Y.,  Cao,  R.,  Svensson,  K.,  Bertilsson,  G.,  Asman,  M.,  Tanaka,  H.,  Cao,  Y., Berkenstam,  A.  &Poellinger,  L.  (2001).  Inhibitory  PAS  domain  protein  is  a  negative regulator of hypoxia‐inducible gene expression. Nature 414(6863): 550‐554. 

Mateos, A., Girardet,  J. M., Molle, D., Dary, A., Miclo,  L. &Gaillard,  J.  L.  (2009). Two‐dimensional  cartography  of  equine  beta‐casein  variants  achieved  by  isolation  of phosphorylation  isoforms  and  control  of  the  deamidation  phenomenon.  J  Dairy  Sci 92(6): 2389‐2399. 

McCarthy, J., Hopwood, F., Oxley, D., Laver, M., Castagna, A., Righetti, P. G., Williams, K. &Herbert, B. (2003). Carbamylation of proteins in 2‐D electrophoresis‐‐myth or reality? J Proteome Res 2(3): 239‐242. 

Metzen, E., Berchner‐Pfannschmidt, U., Stengel, P., Marxsen, J. H., Stolze, I., Klinger, M., Huang, W. Q., Wotzlaw,  C.,  Hellwig‐Burgel,  T.,  Jelkmann, W.,  Acker,  H. &Fandrey,  J. (2003a).  Intracellular  localisation of human HIF‐1  alpha hydroxylases:  implications  for oxygen sensing. J Cell Sci 116(Pt 7): 1319‐1326. 

Metzen, E., Zhou, J., Jelkmann, W., Fandrey, J. &Brune, B. (2003b). Nitric oxide  impairs normoxic degradation of HIF‐1alpha by  inhibition of prolyl hydroxylases. Mol Biol Cell 14(8): 3470‐3481. 

Page 362: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 345 

Morrison, S. J., Csete, M., Groves, A. K., Melega, W., Wold, B. &Anderson, D. J. (2000). Culture  in  reduced  levels  of  oxygen  promotes  clonogenic  sympathoadrenal differentiation by isolated neural crest stem cells. J Neurosci 20(19): 7370‐7376. 

Moskovitz, J., Bar‐Noy, S., Williams, W. M., Requena, J., Berlett, B. S. &Stadtman, E. R. (2001). Methionine sulfoxide reductase (MsrA) is a regulator of antioxidant defense and lifespan in mammals. Proc Natl Acad Sci U S A 98(23): 12920‐12925. 

Moskovitz, J., Flescher, E., Berlett, B. S., Azare, J., Poston, J. M. &Stadtman, E. R. (1998). Overexpression of peptide‐methionine sulfoxide reductase in Saccharomyces cerevisiae and human T cells provides them with high resistance to oxidative stress. Proc Natl Acad Sci U S A 95(24): 14071‐14075. 

Mylonis,  I.,  Chachami,  G.,  Samiotaki,  M.,  Panayotou,  G.,  Paraskeva,  E.,  Kalousi,  A., Georgatsou, E., Bonanou, S. &Simos, G. (2006). Identification of MAPK phosphorylation sites and their role  in the  localization and activity of hypoxia‐inducible factor‐1alpha. J Biol Chem 281(44): 33095‐33106. 

Nastasie, M.  (2009).  Exploring  the  Post  Translational Modification  of  the Asparaginyl Hydroxylase FIH. 

Nepveu, A. (2001). Role of the multifunctional CDP/Cut/Cux homeodomain transcription factor in regulating differentiation, cell growth and development. Gene 270(1‐2): 1‐15. 

O'Farrell, P. H.  (1975). High  resolution  two‐dimensional electrophoresis of proteins.  J Biol Chem 250(10): 4007‐4021. 

Obenauer,  J.  C.,  Cantley,  L.  C.  &Yaffe,  M.  B.  (2003).  Scansite  2.0:  Proteome‐wide prediction of cell signaling  interactions using short sequence motifs. Nucleic Acids Res 31(13): 3635‐3641. 

Obsilova, V., Vecer, J., Herman, P., Pabianova, A., Sulc, M., Teisinger, J., Boura, E. &Obsil, T.  (2005).  14‐3‐3  Protein  interacts  with  nuclear  localization  sequence  of  forkhead transcription factor FoxO4. Biochemistry 44(34): 11608‐11617. 

Ooe,  N.,  Motonaga,  K.,  Kobayashi,  K.,  Saito,  K.  &Kaneko,  H.  (2009).  Functional characterization  of  basic  helix‐loop‐helix‐PAS  type  transcription  factor  NXF  in  vivo: putative  involvement  in an "on demand" neuroprotection system.  J Biol Chem 284(2): 1057‐1063. 

Park, Y. K., Ahn, D. R., Oh, M., Lee, T., Yang, E. G., Son, M. &Park, H. (2008). Nitric oxide donor,  (+/‐)‐S‐nitroso‐N‐acetylpenicillamine,  stabilizes  transactive  hypoxia‐inducible factor‐1alpha by inhibiting von Hippel‐Lindau recruitment and asparagine hydroxylation. Mol Pharmacol 74(1): 236‐245. 

Petrack,  B.,  Greengard,  P.,  Craston,  A. &Sheppy,  F.  (1965).  Nicotinamide  Deamidase from Mammalian Liver. J Biol Chem 240: 1725‐1730. 

Page 363: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 346 

Potgieter, H. C., Ubbink,  J. B., Bissbort,  S., Bester, M.  J.,  Spies,  J. H. &Vermaak, W.  J. (1997).  Spontaneous  oxidation  of methionine:  effect  on  the  quantification  of  plasma methionine levels. Anal Biochem 248(1): 86‐93. 

Pugh, C. W., O'Rourke, J. F., Nagao, M., Gleadle, J. M. &Ratcliffe, P. J. (1997). Activation of hypoxia‐inducible factor‐1; definition of regulatory domains within the alpha subunit. J Biol Chem 272(17): 11205‐11214. 

Raval, R. R., Lau, K. W., Tran, M. G., Sowter, H. M., Mandriota, S. J., Li, J. L., Pugh, C. W., Maxwell, P. H., Harris, A. L. &Ratcliffe, P.  J.  (2005). Contrasting properties of hypoxia‐inducible  factor  1  (HIF‐1)  and  HIF‐2  in  von  Hippel‐Lindau‐associated  renal  cell carcinoma. Mol Cell Biol 25(13): 5675‐5686. 

Richard, D. E., Berra, E., Gothie, E., Roux, D. &Pouyssegur, J. (1999). p42/p44 mitogen‐activated  protein  kinases  phosphorylate  hypoxia‐inducible  factor  1alpha  (HIF‐1alpha) and enhance the transcriptional activity of HIF‐1. J Biol Chem 274(46): 32631‐32637. 

Rivers,  J., McDonald,  L., Edwards,  I.  J. &Beynon, R.  J.  (2008). Asparagine deamidation and the role of higher order protein structure. J Proteome Res 7(3): 921‐927. 

Robinson, A. B., McKerrow, J. H. &Cary, P.  (1970). Controlled deamidation of peptides and proteins: an experimental hazard and a possible biological timer. Proc Natl Acad Sci U S A 66(3): 753‐757. 

Robinson, N. E. (2002). Protein deamidation. Proc Natl Acad Sci U S A 99(8): 5283‐5288. 

Robinson, N. E. &Robinson, A. B.  (2001a). Molecular  clocks. Proc Natl Acad Sci U S A 98(3): 944‐949. 

Robinson, N. E. &Robinson, A. B. (2001b). Prediction of protein deamidation rates from primary and three‐dimensional structure. Proc Natl Acad Sci U S A 98(8): 4367‐4372. 

Robinson, N. E. &Robinson, A. B. (2004). Amide molecular clocks in drosophila proteins: potential regulators of aging and other processes. Mech Ageing Dev 125(4): 259‐267. 

Ryan,  H.  E.,  Lo,  J.  &Johnson,  R.  S.  (1998).  HIF‐1  alpha  is  required  for  solid  tumor formation and embryonic vascularization. Embo J 17(11): 3005‐3015. 

Rybina,  I.  V.,  Liu,  H.,  Gor,  Y.  &Feinmark,  S.  J.  (1997).  Regulation  of  leukotriene  A4 hydrolase activity  in endothelial cells by phosphorylation.  J Biol Chem 272(50): 31865‐31871. 

Sadoul,  K., Wang,  J., Diagouraga,  B. &Khochbin,  S.  (2011).  The  tale  of  protein  lysine acetylation in the cytoplasm. J Biomed Biotechnol 2011: 970382. 

Sakamoto, T. &Seiki, M. (2009). Mint3 enhances the activity of hypoxia‐inducible factor‐1  (HIF‐1)  in macrophages  by  suppressing  the  activity  of  factor  inhibiting HIF‐1.  J  Biol Chem 284(44): 30350‐30359. 

Page 364: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 347 

Sakamoto, T. &Seiki, M.  (2010). A membrane protease regulates energy production  in macrophages by activating hypoxia‐inducible factor‐1 via a non‐proteolytic mechanism. J Biol Chem 285(39): 29951‐29964. 

Sandau,  K.  B.,  Fandrey,  J. &Brune,  B.  (2001).  Accumulation  of  HIF‐1alpha  under  the influence of nitric oxide. Blood 97(4): 1009‐1015. 

Sang, N., Stiehl, D. P., Bohensky, J., Leshchinsky,  I., Srinivas, V. &Caro, J. (2003). MAPK signaling up‐regulates the activity of hypoxia‐inducible factors by  its effects on p300. J Biol Chem 278(16): 14013‐14019. Epub 12003 Feb 14013. 

Schaffer,  L.,  Scheid,  A.,  Spielmann,  P.,  Breymann,  C.,  Zimmermann,  R.,  Meuli,  M., Gassmann, M., Marti, H. H. &Wenger, R. H. (2003). Oxygen‐regulated expression of TGF‐beta  3,  a  growth  factor  involved  in  trophoblast differentiation. Placenta  24(10):  941‐950. 

Schindl, M., Schoppmann, S. F., Samonigg, H., Hausmaninger, H., Kwasny, W., Gnant, M., Jakesz,  R.,  Kubista,  E.,  Birner,  P. &Oberhuber, G.  (2002). Overexpression  of  hypoxia‐inducible  factor  1alpha  is  associated with  an  unfavorable  prognosis  in  lymph  node‐positive breast cancer. Clin Cancer Res 8(6): 1831‐1837. 

Schroedl, C., McClintock, D. S., Budinger, G. R. &Chandel, N. S. (2002). Hypoxic but not anoxic stabilization of HIF‐1alpha requires mitochondrial reactive oxygen species. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 283(5): L922‐931. 

Scotchler,  J.  W.  &Robinson,  A.  B.  (1974).  Deamidation  of  glutaminyl  residues: dependence on pH, temperature, and ionic strength. Anal Biochem 59(1): 319‐322. 

Selak, M. A., Armour, S. M., MacKenzie, E. D., Boulahbel, H., Watson, D. G., Mansfield, K. D., Pan, Y., Simon, M. C., Thompson, C. B. &Gottlieb, E. (2005). Succinate links TCA cycle dysfunction to oncogenesis by  inhibiting HIF‐alpha prolyl hydroxylase. Cancer Cell 7(1): 77‐85. 

Semenza, G. L., Roth, P. H., Fang, H. M. &Wang, G. L. (1994). Transcriptional regulation of genes encoding glycolytic enzymes by hypoxia‐inducible factor 1. J Biol Chem 269(38): 23757‐23763. 

Seo, H. W., Kim, E. J., Na, H. &Lee, M. O. (2009). Transcriptional activation of hypoxia‐inducible factor‐1alpha by HDAC4 and HDAC5  involves differential recruitment of p300 and FIH‐1. FEBS Lett 583(1): 55‐60. 

Shafee, N., Kaluz, S., Ru, N. &Stanbridge, E. J. (2009). PI3K/Akt activity has variable cell‐specific effects on expression of HIF target genes, CA9 and VEGF,  in human cancer cell lines. Cancer Lett 282(1): 109‐115. 

Shin, D. H., Li, S. H., Yang, S. W., Lee, B. L., Lee, M. K. &Park, J. W. (2009).  Inhibitor of nuclear  factor‐kappaB  alpha  derepresses  hypoxia‐inducible  factor‐1  during moderate hypoxia  by  sequestering  factor  inhibiting  hypoxia‐inducible  factor  from  hypoxia‐inducible factor 1alpha. FEBS J 276(13): 3470‐3480. 

Page 365: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 348 

Simpson, P. T., Gale, T., Reis‐Filho, J. S., Jones, C., Parry, S., Steele, D., Cossu, A., Budroni, M., Palmieri, G. &Lakhani, S. R.  (2004). Distribution and significance of 14‐3‐3sigma, a novel myoepithelial marker,  in  normal,  benign,  and malignant  breast  tissue.  J  Pathol 202(3): 274‐285. 

Slaby,  O.,  Svoboda,  M.,  Fabian,  P.,  Smerdova,  T.,  Knoflickova,  D.,  Bednarikova,  M., Nenutil, R. &Vyzula, R. (2007). Altered expression of miR‐21, miR‐31, miR‐143 and miR‐145 is related to clinicopathologic features of colorectal cancer. Oncology 72(5‐6): 397‐402. 

Soilleux, E. J., Turley, H., Tian, Y. M., Pugh, C. W., Gatter, K. C. &Harris, A. L. (2005). Use of  novel monoclonal  antibodies  to  determine  the  expression  and  distribution  of  the hypoxia  regulatory  factors  PHD‐1,  PHD‐2,  PHD‐3  and  FIH  in  normal  and  neoplastic human tissues. Histopathology 47(6): 602‐610. 

Solstad,  T.  &Flatmark,  T.  (2000).  Microheterogeneity  of  recombinant  human phenylalanine  hydroxylase  as  a  result  of  nonenzymatic  deamidations  of  labile  amide containing  amino  acids.  Effects  on  catalytic  and  stability  properties.  Eur  J  Biochem 267(20): 6302‐6310. 

Sounni, N.  E.,  Baramova,  E. N., Munaut,  C., Maquoi,  E.,  Frankenne,  F.,  Foidart,  J. M. &Noel,  A.  (2002a).  Expression  of membrane  type  1 matrix metalloproteinase  (MT1‐MMP)  in  A2058 melanoma  cells  is  associated with MMP‐2  activation  and  increased tumor growth and vascularization. Int J Cancer 98(1): 23‐28. 

Sounni, N. E., Devy, L., Hajitou, A., Frankenne, F., Munaut, C., Gilles, C., Deroanne, C., Thompson,  E. W.,  Foidart,  J. M. &Noel,  A.  (2002b). MT1‐MMP  expression  promotes tumor  growth  and  angiogenesis  through  an  up‐regulation  of  vascular  endothelial growth factor expression. Faseb J 16(6): 555‐564. 

Sounni, N. E., Roghi, C., Chabottaux, V., Janssen, M., Munaut, C., Maquoi, E., Galvez, B. G., Gilles, C., Frankenne, F., Murphy, G., Foidart, J. M. &Noel, A. (2004). Up‐regulation of vascular  endothelial  growth  factor‐A  by  active  membrane‐type  1  matrix metalloproteinase  through  activation  of  Src‐tyrosine  kinases.  J  Biol  Chem  279(14): 13564‐13574. 

Sowter, H. M., Ratcliffe, P. J., Watson, P., Greenberg, A. H. &Harris, A. L. (2001). HIF‐1‐dependent  regulation of hypoxic  induction of  the cell death  factors BNIP3 and NIX  in human tumors. Cancer Res 61(18): 6669‐6673. 

Stewart, A. E., Arfin, S. M. &Bradshaw, R. A.  (1994). Protein NH2‐terminal asparagine deamidase. Isolation and characterization of a new enzyme. J Biol Chem 269(38): 23509‐23517. 

Stolze,  I.  P.,  Tian,  Y.  M.,  Appelhoff,  R.  J.,  Turley,  H.,  Wykoff,  C.  C.,  Gleadle,  J.  M. &Ratcliffe, P. J. (2004). Genetic analysis of the role of the asparaginyl hydroxylase factor inhibiting hypoxia‐inducible factor (HIF)  in regulating HIF transcriptional target genes. J Biol Chem 279(41): 42719‐42725. 

Page 366: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 349 

Stroka,  D.  M.,  Burkhardt,  T.,  Desbaillets,  I.,  Wenger,  R.  H.,  Neil,  D.  A.,  Bauer,  C., Gassmann, M. &Candinas, D. (2001). HIF‐1 is expressed in normoxic tissue and displays an organ‐specific regulation under systemic hypoxia. Faseb J 15(13): 2445‐2453. 

Suarez‐Pinzon, W. L., Mabley,  J. G., Power, R., Szabo, C. &Rabinovitch, A.  (2003). Poly (ADP‐ribose)  polymerase  inhibition  prevents  spontaneous  and  recurrent  autoimmune diabetes  in  NOD mice  by  inducing  apoptosis  of  islet‐infiltrating  leukocytes.  Diabetes 52(7): 1683‐1688. 

Sun, H., Gao,  J.,  Ferrington, D. A.,  Biesiada, H., Williams,  T. D. &Squier,  T.  C.  (1999). Repair  of  oxidized  calmodulin  by methionine  sulfoxide  reductase  restores  ability  to activate the plasma membrane Ca‐ATPase. Biochemistry 38(1): 105‐112. 

Takahashi,  R.,  Tanaka,  S.,  Hiyama,  T.,  Ito,  M.,  Kitadai,  Y.,  Sumii,  M.,  Haruma,  K. &Chayama, K.  (2003). Hypoxia‐inducible  factor‐1alpha expression and  angiogenesis  in gastrointestinal stromal tumor of the stomach. Oncol Rep 10(4): 797‐802. 

Takeda, K., Ho, V. C., Takeda, H., Duan, L. J., Nagy, A. &Fong, G. H. (2006). Placental but not heart defects are associated with elevated hypoxia‐inducible  factor alpha  levels  in mice lacking prolyl hydroxylase domain protein 2. Mol Cell Biol 26(22): 8336‐8346. 

Talks, K. L., Turley, H., Gatter, K. C., Maxwell, P. H., Pugh, C. W., Ratcliffe, P. J. &Harris, A. L.  (2000). The expression and distribution of  the hypoxia‐inducible  factors HIF‐1alpha and HIF‐2alpha  in normal human tissues, cancers, and tumor‐associated macrophages. Am J Pathol 157(2): 411‐421. 

Tan, E. Y., Campo, L., Han, C., Turley, H., Pezzella, F., Gatter, K. C., Harris, A. L. &Fox, S. B. (2007). Cytoplasmic  location of  factor‐inhibiting hypoxia‐inducible  factor  is associated with  an  enhanced  hypoxic  response  and  a  shorter  survival  in  invasive  breast  cancer. Breast Cancer Res 9(6): R89. 

Tan, E. Y., Yan, M., Campo, L., Han, C., Takano, E., Turley, H., Candiloro,  I., Pezzella, F., Gatter, K. C., Millar, E. K., O'Toole, S. A., McNeil, C. M., Crea, P., Segara, D., Sutherland, R. L., Harris, A. L. &Fox, S. B. (2009). The key hypoxia regulated gene CAIX is upregulated in  basal‐like  breast  tumours  and  is  associated with  resistance  to  chemotherapy.  Br  J Cancer 100(2): 405‐411. 

Tanti,  J.  F., Grillo,  S., Gremeaux,  T.,  Coffer,  P.  J.,  Van Obberghen,  E. &Le Marchand‐Brustel,  Y.  (1997).  Potential  role  of  protein  kinase  B  in  glucose  transporter  4 translocation in adipocytes. Endocrinology 138(5): 2005‐2010. 

Teicher, B. A.  (1994). Hypoxia and drug  resistance. Cancer Metastasis Rev 13(2): 139‐168. 

Trautwein, C., Caelles, C., van der Geer, P., Hunter, T., Karin, M. &Chojkier, M. (1993). Transactivation by NF‐IL6/LAP is enhanced by phosphorylation of its activation domain. Nature 364(6437): 544‐547. 

Page 367: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 350 

Truhlar, S. M., Mathes, E., Cervantes, C. F., Ghosh, G. &Komives, E. A. (2008). Pre‐folding IkappaBalpha alters control of NF‐kappaB signaling. J Mol Biol 380(1): 67‐82. 

Turrens,  J.  F.  (2003).  Mitochondrial  formation  of  reactive  oxygen  species.  J  Physiol 552(Pt 2): 335‐344. 

Unruh,  A.,  Ressel,  A.,  Mohamed,  H.  G.,  Johnson,  R.  S.,  Nadrowitz,  R.,  Richter,  E., Katschinski,  D. M.  &Wenger,  R.  H.  (2003).  The  hypoxia‐inducible  factor‐1  alpha  is  a negative factor for tumor therapy. Oncogene 22(21): 3213‐3220. 

Valastyan, S., Reinhardt, F., Benaich, N., Calogrias, D., Szasz, A. M., Wang, Z. C., Brock, J. E., Richardson, A. L. &Weinberg, R. A. (2009). A pleiotropically acting microRNA, miR‐31, inhibits breast cancer metastasis. Cell 137(6): 1032‐1046. 

Vaupel,  P. &Mayer,  A.  (2007). Hypoxia  in  cancer:  significance  and  impact  on  clinical outcome. Cancer Metastasis Rev 26(2): 225‐239. 

Viatour, P., Legrand‐Poels, S., van Lint, C., Warnier, M., Merville, M. P., Gielen, J., Piette, J.,  Bours,  V.  &Chariot,  A.  (2003).  Cytoplasmic  IkappaBalpha  increases  NF‐kappaB‐independent transcription through binding to histone deacetylase (HDAC) 1 and HDAC3. J Biol Chem 278(47): 46541‐46548. 

Vilain, S., Cosette, P., Charlionet, R., Hubert, M., Lange, C.,  Junter, G. A. &Jouenne, T. (2001). Substituting Coomassie Brilliant Blue for bromophenol blue  in two‐dimensional electrophoresis  buffers  improves  the  resolution  of  focusing  patterns.  Electrophoresis 22(20): 4368‐4374. 

Visochek, L., Steingart, R. A., Vulih‐Shultzman,  I., Klein, R., Priel, E., Gozes,  I. &Cohen‐Armon, M. (2005). PolyADP‐ribosylation  is  involved  in neurotrophic activity. J Neurosci 25(32): 7420‐7428. 

Wang, G. L., Jiang, B. H., Rue, E. A. &Semenza, G. L. (1995). Hypoxia‐inducible factor 1 is a  basic‐helix‐loop‐helix‐PAS  heterodimer  regulated  by  cellular  O2  tension.  Proc  Natl Acad Sci U S A 92(12): 5510‐5514. 

Webb, J. D., Muranyi, A., Pugh, C. W., Ratcliffe, P. J. &Coleman, M. L. (2009). MYPT1, the targeting  subunit  of  smooth‐muscle  myosin  phosphatase,  is  a  substrate  for  the asparaginyl  hydroxylase  factor  inhibiting  hypoxia‐inducible  factor  (FIH).  Biochem  J 420(2): 327‐333. 

Weiss,  W.  &Gorg,  A.  (2008).  Sample  solublization  buffers  for  two‐dimensional electrophoresis. Methods Mol Biol 424: 35‐42. 

Wenger, R. H., Stiehl, D. P. &Camenisch, G. (2005). Integration of oxygen signaling at the consensus HRE. Sci STKE 2005(306): re12. 

Wiener, C. M., Booth, G. &Semenza, G. L. (1996). In vivo expression of mRNAs encoding hypoxia‐inducible factor 1. Biochem Biophys Res Commun 225(2): 485‐488. 

Page 368: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 351 

Wilkins, S. E., Hyvarinen, J., Chicher, J., Gorman, J. J., Peet, D. J., Bilton, R. L. &Koivunen, P.  (2009).  Differences  in  hydroxylation  and  binding  of  Notch  and  HIF‐1alpha demonstrate  substrate selectivity  for  factor  inhibiting HIF‐1  (FIH‐1).  Int  J Biochem Cell Biol 41(7): 1563‐1571. 

Wong, T. S., Liu, X. B., Wong, B. Y., Ng, R. W., Yuen, A. P. &Wei, W.  I.  (2008). Mature miR‐184 as Potential Oncogenic microRNA of Squamous Cell Carcinoma of Tongue. Clin Cancer Res 14(9): 2588‐2592. 

Yang, M.,  Chowdhury,  R., Ge, W., Hamed,  R.  B., McDonough, M.  A.,  Claridge,  T. D., Kessler, B. M., Cockman, M. E., Ratcliffe, P. J. &Schofield, C. J. (2011). Factor‐inhibiting hypoxia‐inducible factor (FIH) catalyses the post‐translational hydroxylation of histidinyl residues within ankyrin repeat domains. FEBS J 278(7): 1086‐1097. 

Yasinska, I. M. &Sumbayev, V. V. (2003). S‐nitrosation of Cys‐800 of HIF‐1alpha protein activates  its  interaction with p300 and stimulates  its  transcriptional activity. FEBS Lett 549(1‐3): 105‐109. 

Yeh, T. Y., Beiswenger, K. K., Li, P., Bolin, K. E., Lee, R. M., Tsao, T. S., Murphy, A. N., Hevener,  A.  L.  &Chi,  N.  W.  (2009).  Hypermetabolism,  hyperphagia,  and  reduced adiposity in tankyrase‐deficient mice. Diabetes 58(11): 2476‐2485. 

Yeh,  T.  Y.,  Sbodio,  J.  I.,  Tsun,  Z.  Y.,  Luo,  B.  &Chi,  N.  W.  (2007).  Insulin‐stimulated exocytosis of GLUT4  is enhanced by  IRAP and  its partner tankyrase. Biochem  J 402(2): 279‐290. 

Yu, A. Y., Frid, M. G., Shimoda, L. A., Wiener, C. M., Stenmark, K. &Semenza, G. L. (1998). Temporal, spatial, and oxygen‐regulated expression of hypoxia‐inducible factor‐1 in the lung. Am J Physiol 275(4 Pt 1): L818‐826. 

Yu, F., White, S. B., Zhao, Q. &Lee, F. S. (2001). HIF‐1alpha binding to VHL is regulated by stimulus‐sensitive proline hydroxylation. Proc Natl Acad Sci U S A 98(17): 9630‐9635. 

Zagzag, D., Zhong, H., Scalzitti, J. M., Laughner, E., Simons, J. W. &Semenza, G. L. (2000). Expression  of  hypoxia‐inducible  factor  1alpha  in  brain  tumors:  association  with angiogenesis, invasion, and progression. Cancer 88(11): 2606‐2618. 

Zhang, N., Fu, Z., Linke, S., Chicher, J., Gorman, J. J., Visk, D., Haddad, G. G., Poellinger, L.,  Peet, D.  J.,  Powell,  F. &Johnson, R.  S.  (2010a).  The  asparaginyl  hydroxylase  factor inhibiting HIF‐1alpha is an essential regulator of metabolism. Cell Metab 11(5): 364‐378. 

Zhang, Y., Guo, J., Li, D., Xiao, B., Miao, Y., Jiang, Z. &Zhuo, H. (2010b). Down‐regulation of miR‐31 expression  in  gastric  cancer  tissues  and  its  clinical  significance. Med Oncol 27(3): 685‐689. 

Zhao, X., Gan, L., Pan, H., Kan, D., Majeski, M., Adam, S. A. &Unterman, T. G.  (2004). Multiple elements regulate nuclear/cytoplasmic shuttling of FOXO1: characterization of phosphorylation‐  and  14‐3‐3‐dependent  and  ‐independent  mechanisms.  Biochem  J 378(Pt 3): 839‐849. 

Page 369: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

 352 

Zheng, X., Linke, S., Dias, J. M., Gradin, K., Wallis, T. P., Hamilton, B. R., Gustafsson, M., Ruas, J. L., Wilkins, S., Bilton, R. L., Brismar, K., Whitelaw, M. L., Pereira, T., Gorman, J. J., Ericson,  J.,  Peet,  D.  J.,  Lendahl,  U.  &Poellinger,  L.  (2008).  Interaction  with  factor inhibiting HIF‐1 defines an additional mode of  cross‐coupling between  the Notch and hypoxia signaling pathways. Proc Natl Acad Sci U S A 105(9): 3368‐3373. 

Zhong, H., De Marzo, A. M., Laughner, E., Lim, M., Hilton, D. A., Zagzag, D., Buechler, P., Isaacs, W. B., Semenza, G. L. &Simons, J. W. (1999). Overexpression of hypoxia‐inducible factor  1alpha  in  common  human  cancers  and  their metastases.  Cancer  Res  59(22): 5830‐5835. 

Zundel, W., Schindler, C., Haas‐Kogan, D., Koong, A., Kaper, F., Chen, E., Gottschalk, A. R., Ryan, H. E., Johnson, R. S., Jefferson, A. B., Stokoe, D. &Giaccia, A. J. (2000). Loss of PTEN facilitates HIF‐1‐mediated gene expression. Genes Dev 14(4): 391‐396. 

 

                

Page 370: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

ADDENDA 

1. On page 9 references should be listed for Figure 1.1 as follows. VEGF: Forsythe et 

al., 1996; VEGF‐R: Gerber et al., 1997; MMP‐2 and AMF: Krishnamachary et al., 

2003; EPO: Goldberg et al., 1988; CA9: Grabmaier et al., 2004; Glut1 and Glut3: 

Ebert  et  al.,  1995;  Aldolase  A,  LDHA  and  PGK1:  Semenza  et  al.,  1994;  TGF‐β: 

Schaffer et al., 2003; IGF‐2: Feldser et al., 1999; BNip3: Sowter et al., 2001 

2. On page 6, references should be added for HIF‐β, HIF‐1 and HIF‐2 as follows. HIF‐

β: Hoffman et al., 1991 ; HIF‐1: Wang and Semenza, 1995; HIF‐2: Ema et al., 1997 

and Tian et al., 1997.  

3. On page 11,  the word  “at”  should be deleted  from  the  last  line of  the  second 

paragraph to read “regulated by HIF binding to HREs”. 

4. On page 30,  the word “the” should be  included  in  the  third  line of  the second 

paragraph  of  section  1.3.3  to  read  “was  required  for  the  activation  of  the 

reporter gene”. 

5. On page 52,  the word  “the”  should be  included  in  the  first  line of  the  second 

paragraph  of  section  1.7  to  read  “It was  therefore  the  original  intent  of  this 

thesis...”. 

6. On page 53, the word “of” should be  included  in the second to  last sentence to 

read “...followed by a discussion of relevant data...” . 

7. On page 67, it should be specified that agarose gels were run in TBE buffer.  

8. On  page  91,  the word  “to”  should  be  removed  from  the  last  sentence  of  the 

second  paragraph  to  read  “It was  thus  deemed  unlikely  that  these  antibodies 

would be suitable for use...”. 

9. On page 132, the word “in” should be replaced by the word “is” in the last line to 

read “...expression of HIF target genes is not clear”.  

10. On page 140, a  full stop should be  included at  the end of  the  first sentence of 

section 4.2.3.2, following the word buffer.  

11. On page 161, the word “charge” should be amended to “charged” in the last line 

to read “...positively charged amino group...”.  

12. On page 195, lane 9 of Figure 5.1 should be labelled “Lysate only”.  

13. On page 213, the word “of” should be included in the first line of section 5.4.1 to 

read “Purifying a sufficient amount of endogenous FIH‐1...”.  

14. On  pages  217  and  227,  Figures  4.12  b,  c  and  d  should  be  referenced  when 

comparing present results with previous results.  

15. On  page  249,  the word  “the”  should  be  deleted  from  the  sixth  line  to  read 

“...optimisation included altering both the amount and concentration...”.  

16. On page 258, the word “in” should be removed from the sixth last line to read “... 

was not detected by MS...”.  

Page 371: digital.library.adelaide.edu.au · v ABSTRACT The Hypoxia Inducible Factors (HIFs) are widely expressed transcription factors critical for altering gene expression in hypoxic cells

17. On page 262, the word “whether” should be included in the last sentence to read 

“...it was of interest to investigate whether FIH‐1 was subjected to this important 

modification”. 

18. On page 266, the words “in vitro” should be  italicised on the  fourth  line of the 

second paragraph.  

19. On  page  267,  the word  “was”  should  be  inserted  in  the  last  sentence  of  the 

second paragraph to read “...protein phosphatase lambda was used...”.  

20. On page 283,  the word  “in”  should be  replaced with  the word  “is”  in  the  first 

sentence of section 6.3.1 to read “... a protein is phosphorylated”.  

21. Page 307 was unintentionally left blank due to a formatting error.  

22. In the second paragraph on page 313, the word “to” should be removed from the 

fourth  line to read “...then binding to Mint3”; the word “of” should be  inserted 

into the sixth line to read “...regardless of oxygen levels...”; the word “be” should 

be  included  in  the  ninth  line  to  read  “...it may  also  be  a  normal  physiological 

process...”.  

23. The following reference should be included in the Reference (page 335): 

 

Ema, M., Taya, S., Yokotani, N., Sogawa, K., Matsuda, Y. & Fujii‐Kuriyama, Y. (1997). A 

novel  bHLH‐PAS  factor  with  close  sequence  similarity  to  hypoxia‐inducible  factor 

1alpha regulates the VEGF expression and is potentially involved in lung and vascular 

development. Proc Natl Acad Sci USA 94(9): 4273‐4278. 

Grabmaier, K., MC, A de Weijert, M.C., Verhaegh, G.W., Schalken, J.A. & Oosterwijk, 

E.  (2004).  Strict  regulation  of CAIX(G250/MN)  by HIF‐1alpha  in  clear  cell  renal  cell 

carcinoma. Oncogene 23(33):5624‐5631. 

Hoffman,  E.  C.,  Reyes,  H.,  Chu,  F.  F.,  Sander,  F.,  Conley,  L.  H.,  Brooks,  B.  A.  & 

Hankinson,  O.  (1991).  Cloning  of  a  factor  required  for  activity  of  the  Ah  (dioxin) 

receptor. Science 252(5008): 954‐958. 

Lisy, K. & Peet, D.J.  (2008). Turn me on:  regulating HIF  transcriptional activity. Cell 

Death Differ 15(4):642‐649. 

Tian, H., McKnight, S. L. & Russell, D. W.  (1997). Endothelial PAS domain protein 1 

(EPAS1), a  transcription  factor  selectively expressed  in endothelial  cells. Genes Dev 

11(1): 72‐82. 

Wang, G.  L. &  Semenza, G.  L.  (1995). Purification  and  characterization of hypoxia‐

inducible factor 1. J Biol Chem 270(3): 1230‐1237.