Binding of two DNA molecules by type II topoisomerases for decatenation

Topoisomerases (topos) maintain DNA topology and influence DNA transaction processes by catalysing relaxation, supercoiling and decatenation reactions. In the cellular milieu, division of labour between different topos ensures topological homeostasis and control of central processes. In Escherichia coli, DNA gyrase is the principal enzyme that carries out negative supercoiling, while topo IV catalyses decatenation, relaxation and unknotting. DNA gyrase apparently has the daunting task of undertaking both the enzyme functions in mycobacteria, where topo IV is absent. We have shown previously that mycobacterial DNA gyrase is an efficient decatenase. Here, we demonstrate that the strong decatenation property of the enzyme is due to its ability to capture two DNA segments in trans. Topo IV, a strong dedicated decatenase of E. coli, also captures two distinct DNA molecules in a similar manner. In contrast, E. coli DNA gyrase, which is a poor decatenase, does not appear to be able to hold two different DNA molecules in a stable complex. The binding of a second DNA molecule to GyrB/ParE is inhibited by ATP and the non-hydrolysable analogue, AMPPNP, and by the substitution of a prominent positively charged residue in the GyrB N-terminal cavity, suggesting that this binding represents a potential T-segment positioned in the cavity. Thus, after the GyrA/ParC mediated initial DNA capture, GyrB/ParE would bind efficiently to a second DNA in trans to form a T-segment prior to nucleotide binding and closure of the gate during decatenation.

Tightening of DNA knots by supercoiling facilitates their unknotting by type II DNA topoisomerases.

Using numerical simulations, we compare properties of knotted DNA molecules that are either torsionally relaxed or supercoiled. We observe that DNA supercoiling tightens knotted portions of DNA molecules and accentuates the difference in curvature between knotted and unknotted regions. The increased curvature of knotted regions is expected to make them preferential substrates of type IIA topoisomerases because various earlier experiments have concluded that type IIA DNA topoisomerases preferentially interact with highly curved DNA regions. The supercoiling-induced tightening of DNA knots observed here shows that torsional tension in DNA may serve to expose DNA knots to the unknotting action of type IIA topoisomerases, and thus explains how these topoisomerases could maintain a low knotting equilibrium in vivo, even for long DNA molecules.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Peptides based on CcdB protein as novel inhibitors of bacterial topoisomerases

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Design and synthesis of peptides from bacterial ParE toxin as inhibitors of topoisomerases

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sistemas drug delivery aplicados a novos inibidores de topoisomerases estruturalmente derivados de toxinas bacterianas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Peptídeos inibidores de topoisomerases bacterianas: síntese e estudos de transporte através da membrana celular empregando moléculas peptídicas carreadoras

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Peptídeos derivados da toxina bacteriana ParE: síntese, estrutura e ação inibitória sobre a atividade de topoisomerases

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Novos inibidores peptídicos de topoisomerases bacterianas estruturalmente derivados da proteína CcdB

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Peptídeos derivados da toxina ParE: síntese, estrutura e estudos de inibição de DNA topoisomerases

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Síntese e aplicações de inibidores peptídicos de topoisomerases associados a sistemas de liberação controlada de fármacos

O uso de novas tecnologias para o desenvolvimento de medicamentos constitui uma estratégia promissora no campo da biotecnologia. Nesse sentido, peptídeos com efeito antimicrobiano, produzidos por plantas, animais e microrganismos estão sendo utilizados como modelos para o desenvolvimento de novos medicamentos com aplicações em saúde. Resultados promissores têm sido obtidos em relação à inibição da atividade das enzimas bacterianas DNA girase e topoisomerase IV por derivados peptídicos de toxinas bacterianas, comprovados em ensaios in vitro. Porém, ensaios in vivo não demonstraram reprodutibilidade, basicamente devido à baixa permeabilidade da célula bacteriana a estes compostos. Desta forma, o objetivo deste projeto consiste em aplicar sistemas eficientes para promover o acesso de moléculas peptídicas sintéticas derivadas de toxinas bacterianas, ao meio intracelular e, consequentemente, aos seus alvos intracelulares: as enzimas DNA girase e/ou topoisomerase IV. Com isso, pretendemos solucionar a barreira técnica em que se encontram as aplicações dessa classe de biomoléculas como precursores de novos agentes antibacterianos, o que certamente causaria um importante avanço nas pesquisas desenvolvidas pelo grupo

Transcriptional functions of DNA Topoisomerases at a genome-wide scale and a single gene levels

The DNA topology is an important modifier of DNA functions. Torsional stress is generated when right handed DNA is either over- or underwound, producing structural deformations which drive or are driven by processes such as replication, transcription, recombination and repair. DNA topoisomerases are molecular machines that regulate the topological state of the DNA in the cell. These enzymes accomplish this task by either passing one strand of the DNA through a break in the opposing strand or by passing a region of the duplex from the same or a different molecule through a double-stranded cut generated in the DNA. Because of their ability to cut one or two strands of DNA they are also target for some of the most successful anticancer drugs used in standard combination therapies of human cancers. An effective anticancer drug is Camptothecin (CPT) that specifically targets DNA topoisomerase 1 (TOP 1). The research project of the present thesis has been focused on the role of human TOP 1 during transcription and on the transcriptional consequences associated with TOP 1 inhibition by CPT in human cell lines. Previous findings demonstrate that TOP 1 inhibition by CPT perturbs RNA polymerase (RNAP II) density at promoters and along transcribed genes suggesting an involvement of TOP 1 in RNAP II promoter proximal pausing site. Within the transcription cycle, promoter pausing is a fundamental step the importance of which has been well established as a means of coupling elongation to RNA maturation. By measuring nascent RNA transcripts bound to chromatin, we demonstrated that TOP 1 inhibition by CPT can enhance RNAP II escape from promoter proximal pausing site of the human Hypoxia Inducible Factor 1 (HIF-1) and c-MYC genes in a dose dependent manner. This effect is dependent from Cdk7/Cdk9 activities since it can be reversed by the kinases inhibitor DRB. Since CPT affects RNAP II by promoting the hyperphosphorylation of its Rpb1 subunit the findings suggest that TOP 1inhibition by CPT may increase the activity of Cdks which in turn phosphorylate the Rpb1 subunit of RNAP II enhancing its escape from pausing. Interestingly, the transcriptional consequences of CPT induced topological stress are wider than expected. CPT increased co-transcriptional splicing of exon1 and 2 and markedly affected alternative splicing at exon 11. Surprisingly despite its well-established transcription inhibitory activity, CPT can trigger the production of a novel long RNA (5’aHIF-1) antisense to the human HIF-1 mRNA and a known antisense RNA at the 3’ end of the gene, while decreasing mRNA levels. The effects require TOP 1 and are independent from CPT induced DNA damage. Thus, when the supercoiling imbalance promoted by CPT occurs at promoter, it may trigger deregulation of the RNAP II pausing, increased chromatin accessibility and activation/derepression of antisense transcripts in a Cdks dependent manner. A changed balance of antisense transcripts and mRNAs may regulate the activity of HIF-1 and contribute to the control of tumor progression After focusing our TOP 1 investigations at a single gene level, we have extended the study to the whole genome by developing the “Topo-Seq” approach which generates a map of genome-wide distribution of sites of TOP 1 activity sites in human cells. The preliminary data revealed that TOP 1 preferentially localizes at intragenic regions and in particular at 5’ and 3’ ends of genes. Surprisingly upon TOP 1 downregulation, which impairs protein expression by 80%, TOP 1 molecules are mostly localized around 3’ ends of genes, thus suggesting that its activity is essential at these regions and can be compensate at 5’ ends. The developed procedure is a pioneer tool for the detection of TOP 1 cleavage sites across the genome and can open the way to further investigations of the enzyme roles in different nuclear processes.

Mechanism of topology simplification by type II DNA topoisomerases

Type II DNA topoisomerases actively reduce the fractions of knotted and catenated circular DNA below thermodynamic equilibrium values. To explain this surprising finding, we designed a model in which topoisomerases introduce a sharp bend in DNA. Because the enzymes have a specific orientation relative to the bend, they act like Maxwell's demon, providing unidirectional strand passage. Quantitative analysis of the model by computer simulations proved that it can explain much of the experimental data. The required sharp DNA bend was demonstrated by a greatly increased cyclization of short DNA fragments from topoisomerase binding and by direct visualization with electron microscopy.