Integration of Notch 1 and calcineurin/NFAT signaling pathways in keratinocyte growth and differentiation control.

The Notch and Calcineurin/NFAT pathways have both been implicated in control of keratinocyte differentiation. Induction of the p21(WAF1/Cip1) gene by Notch 1 activation in differentiating keratinocytes is associated with direct targeting of the RBP-Jkappa protein to the p21 promoter. We show here that Notch 1 activation functions also through a second Calcineurin-dependent mechanism acting on the p21 TATA box-proximal region. Increased Calcineurin/NFAT activity by Notch signaling involves downregulation of Calcipressin, an endogenous Calcineurin inhibitor, through a HES-1-dependent mechanism. Besides control of the p21 gene, Calcineurin contributes significantly to the transcriptional response of keratinocytes to Notch 1 activation, both in vitro and in vivo. In fact, deletion of the Calcineurin B1 gene in the skin results in a cyclic alopecia phenotype, associated with altered expression of Notch-responsive genes involved in hair follicle structure and/or adhesion to the surrounding mesenchyme. Thus, an important interconnection exists between Notch 1 and Calcineurin-NFAT pathways in keratinocyte growth/differentiation control.

Wnt-3a and Wnt-3 differently stimulate proliferation and neurogenesis of spinal neural precursors and promote neurite outgrowth by canonical signaling

Wnt factors regulate neural stem cell development and neuronal connectivity. Here we investigated whether Wnt-3a and Wnt-3, expressed in the developing spinal cord, regulate proliferation and the neuronal differentiation of spinal cord neural precursors (SCNP). Wnt-3a promoted a sustained increase of SCNP proliferation, whereas Wnt-3 enhanced SCNP proliferation transiently and increased neurogenesis through β-catenin signaling. Consistent with this, Wnt-3a and Wnt-3 differently regulate the expression of Cyclin-dependent kinase inhibitors. Furthermore, Wnt-3a and Wnt-3 stimulated neurite outgrowth in SCNP-derived neurons through ß-catenin and TCF4-dependent transcription. GSK-3ß inhibitors mimicked Wnt signaling and promoted neurite outgrowth in established cultures. We conclude that Wnt-3a and Wnt-3 signal through the canonical Wnt/β-catenin pathway to regulate different aspects of SCNP development. These findings may be of therapeutic interest for the treatment of neurodegenerative diseases and nerve injury.

Cdk5 controls lymphatic vessel development and function by phosphorylation of Foxc2.

The lymphatic system maintains tissue fluid balance, and dysfunction of lymphatic vessels and valves causes human lymphedema syndromes. Yet, our knowledge of the molecular mechanisms underlying lymphatic vessel development is still limited. Here, we show that cyclin-dependent kinase 5 (Cdk5) is an essential regulator of lymphatic vessel development. Endothelial-specific Cdk5 knockdown causes congenital lymphatic dysfunction and lymphedema due to defective lymphatic vessel patterning and valve formation. We identify the transcription factor Foxc2 as a key substrate of Cdk5 in the lymphatic vasculature, mechanistically linking Cdk5 to lymphatic development and valve morphogenesis. Collectively, our findings show that Cdk5-Foxc2 interaction represents a critical regulator of lymphatic vessel development and the transcriptional network underlying lymphatic vascular remodeling.

CDK4 is an essential insulin effector in adipocytes.

Insulin resistance is a fundamental pathogenic factor that characterizes various metabolic disorders, including obesity and type 2 diabetes. Adipose tissue contributes to the development of obesity-related insulin resistance through increased release of fatty acids, altered adipokine secretion, and/or macrophage infiltration and cytokine release. Here, we aimed to analyze the participation of the cyclin-dependent kinase 4 (CDK4) in adipose tissue biology. We determined that white adipose tissue (WAT) from CDK4-deficient mice exhibits impaired lipogenesis and increased lipolysis. Conversely, lipolysis was decreased and lipogenesis was increased in mice expressing a mutant hyperactive form of CDK4 (CDK4R24C). A global kinome analysis of CDK4-deficient mice following insulin stimulation revealed that insulin signaling is impaired in these animals. We determined that insulin activates the CCND3-CDK4 complex, which in turn phosphorylates insulin receptor substrate 2 (IRS2) at serine 388, thereby creating a positive feedback loop that maintains adipocyte insulin signaling. Furthermore, we found that CCND3 expression and IRS2 serine 388 phosphorylation are increased in human obese subjects. Together, our results demonstrate that CDK4 is a major regulator of insulin signaling in WAT.

Role and Function of c-Jun Protein Complex in Cancer Cell Behavior

Transcription factors play a crucial role in the regulation of cell behavior by modulating gene expression profiles. Previous studies have described a dual role for the AP-1 family transcription factor c-Jun in the regulation of cellular fate. In various cell types weak and transient activations of c-Jun N-terminal kinase (JNK) and c-Jun appear to contribute to proliferation and survival, whereas strong and prolonged activation of JNK and c-Jun result in apoptosis. These opposite roles played by c-Jun are cell type specific and the molecular mechanisms defining these antonymous c-Jun-mediated responses remain incompletely understood. c-Jun activity in transformed cells is regulated by signalling cascades downstream of oncoproteins such as Ras and Raf. In addition, the pro-proliferative role and the survival promoting function for c-Jun has been described in various cancer models. Furthermore, c-Jun was described to be overexpressed in different cancer types. However, the molecular mechanisms by which c-Jun exerts these oncogenic functions are not all clearly established. Therefore it is of primary interest to further identify molecular mechanisms and functions for c-Jun in cancer. Regulation of gene expression is tightly dependent on accurate protein-protein interactions. Therefore, co-factors for c-Jun may define the functions for c-Jun in cancer. Identification of protein-protein interactions promoting cancer may provide novel possibilities for cancer treatment. In this study, we show that DNA topoisomerase I (TopoI) is a transcriptional co-factor for c-Jun. Moreover, c-Jun and TopoI together promote expression of epidermal growth factor receptor (EGFR) in cancer cells. We also show that the clinically used TopoI inhibitor topotecan reduces EGFR expression. Importantly, the effect of TopoI on EGFR transcription was shown to depend on c-Jun as Jun-/- cells or cells treated with JNK inhibitor SP600125 are resistant to topotecan treatment both in regulation of EGFR expression and cell proliferation. Moreover, c-Jun regulates the nucleolar localization and the function of the ribonucleic acid (RNA) helicase DDX21, a previously identified member of c-Jun protein complex. In addition, c-Jun stimulates rRNA processing by supporting DDX21 rRNA binding. Finally, this study characterizes a DDX21 dependent expression of cyclin dependent kinase (Cdk) 6, a correlation of DDX21 expression with prostate cancer progression and a substrate binding dependency of DDX21 nucleolar localization in prostate cancer cells. Taken together, the results of this study validate the c-Jun-TopoI interaction and precise the c-Jun-DDX21 interaction. Moreover, these results show the importance for protein-protein interaction in the regulation of their cellular functions in cancer cell behavior. Finally, the results presented here disclose new exciting therapeutic opportunities for cancer treatment.

Prognostic Factors In Breast Cancer. With Special Reference to Cyclins A, B1, D1 and E, MMP-1 and Decorin

Breast cancer is a highly heterogenous malignancy, which despite of the similar histological type shows different clinical behaviour and response to therapy. Prognostic factors are used to estimate the risk for recurrence and the likelihood of treatment effectiveness. Because breast cancer is one of the most common causes of cancer death in women worldwide, identification of new prognostic markers are needed to develop more specific and targeted therapies. Cancer is caused by uncontrolled cell proliferation. The cell cycle is controlled by specific proteins, which are known as cyclins. They function at important checkpoints by activating cyclin-dependent kinase enzymes. Overexpression of different cyclins has been linked to several cancer types and altered expression of cyclins A, B1, D1 and E has been associated with poor survival. Little is known about the combined expression of cyclins in relation to the tumour grade, breast cancer subtype and other known prognostic factors. In this study cyclins A, B1 and E were shown to correlate with histological grade, Ki-67 and HER2 expression. Overexpression of cyclin D1 correlated with receptor status and non-basal breast cancer suggesting that cyclin D1 might be a marker of good prognosis. Proteolysis in the surrounding tumour stroma is increased during cancer development. Matrix metalloproteinases (MMPs) are proteolytic enzymes that are capable of degrading extracellular matrix proteins. Increased expression and activation of several MMPs have been found in many cancers and MMPs appear to be important regulators of invasion and metastasis. In this study MMP-1 expression was analysed in breast cancer epithelial cells and in cancer associated stromal cells. MMP-1 expression by breast cancer epithelial cells was found to carry an independent prognostic value as did Ki-67 and bcl-2. The results suggest that in addition to stromal cells MMP-1 expression in tumour cells control breast cancer progression. Decorin is a small proteoglycan and an important component of the extracellular matrix. Decorin has been shown to inhibit growth of tumour cells and reduced decorin expression is associated with a poor prognosis in several cancer types. There has been some suspicion wheather different cancer cells express decorin. In this study decorin expression was shown to localize only in the cells of the original stroma, while breast cancer epithelial cells were negative for decorin expression. However, transduction of decorin in decorin-negative human breast cancer cells markedly modulated the growth pattern of these cells. This study provides evidence that targeted decorin transduction to breast cancer cells could be used as a novel adjuvant therapy in breast malignancies.

Lack of evidence for mutations or deletions in the CDKN2A/p16 and CDKN2B/p15 genes of Brazilian neuroblastoma patients

Neuroblastoma, the most common extracranial tumor in childhood, has a wide spectrum of clinical and biological features. The loss of heterozygosity within the 9p21 region has been reported as a prognostic factor. Two tumor suppressor genes located in this region, the CDKN2B/p15 and CDKN2A/p16 (cyclin-dependent kinase inhibitors 2B and 2A, respectively) genes, play a critical role in cell cycle progression and are considered to be targets for tumor inactivation. We analyzed CDKN2B/p15 and CDKN2A/p16 gene alterations in 11 patients, who ranged in age from 4 months to 13 years (male/female ratio was 1.2:1). The most frequent stage of the tumor was stage IV (50%), followed by stages II and III (20%) and stage I (10%). The samples were submitted to the multiplex PCR technique for homozygous deletion analysis and to single-strand conformation polymorphism and nucleotide sequencing for mutation analysis. All exons of both genes were analyzed, but no deletion was detected. One sample exhibited shift mobility specific for exon 2 in the CDKN2B/p15 gene, not confirmed by DNA sequencing. Homozygous deletions and mutations are not involved in the inactivation mechanism of the CDKN2B/p15 and CDKN2A/p16 genes in neuroblastoma; however, these two abnormalities do not exclude other inactivation pathways. Recent evidence has shown that the expression of these genes is altered in this disease. Therefore, other mechanisms of inactivation, such as methylation of promoter region and unproperly function of proteins, may be considered in order to estimate the real contribution of these genes to neuroblastoma genesis or disease progression.

To divide or differentiate? : nestin-mediated regulation of Cdk5 in cell fate decisions

The molecular functions of the non-cell cycle-related Cyclin-dependent kinase 5 (Cdk5) have been of primary interest within the neuroscience field, but novel undertakings are constantly emerging for the kinase in tissue homeostasis, as well as in diseases such as diabetes and cancer. Although Cdk5 activation is predominantly regulated by specific non-cyclin activator protein binding, additional mechanisms have proved to orchestrate Cdk5 signaling in cells. For example, the interaction between the intermediate filament protein nestin and Cdk5 has been proposed to determine cellular fate during neuronal apoptosis through nestin-dependent adjustment of the sensitive balance and turnover of Cdk5 activators. While nestin constitutes a crucial regulatory scaffold for appropriate Cdk5 activation in apoptosis, Cdk5 itself phosphorylates nestin with the consequence of filament reorganization in both neuronal progenitors and differentiating muscle cells. Interestingly, the two proteins are often found coexpressed in various tissues and cell types, proposing that nestin-mediated scaffolding of Cdk5 and its activators may be applicable to other tissue systems as well. In the literature, the molecular functions of nestin have remained in the shade, as it is mostly exploited as a marker protein for progenitor cells. In light of these studies, the aim of this thesis was to assess the importance of the nestin scaffold in regulation of Cdk5 actions in cell fate decisions. This thesis can be subdivided into two major projects: one that studied the nature of the Cdk5-nestin interplay in muscle, and one that assessed their role in prostate cancer. During differentiation of a myoblast cell line, the filament formation properties of nestin was found to be crucial in directing Cdk5 activity, with direct consequences on the process of differentiation. Also the genetic knockout of nestin was found to influence Cdk5 activity, although differentiation per se was not affected. Instead, the genetic ablation of nestin had broad consequences on muscle homeostasis and regeneration. While the nestin-mediated regulation of Cdk5 in muscle was found to act in multiple ways, the connection remained more elusive in cancer models. Cdk5 was, however, established as a significant determinant of prostate cancer proliferation; a behavior uncharacteristic for this differentiation-associated kinase. Through complex and simultaneous regulation of two major prostate cancer pathways, Cdk5 was placed upstream of both Akt kinase and the androgen receptor. Its action on proliferation was nonetheless mainly exerted through the Akt signaling pathway in various cancer models. In summary, this thesis contributed to the knowledge of Cdk5 regulation and functions in two atypical settings; proliferation (in a cancer framework) and muscle differentiation, which is a poorly understood model system in the Cdk5 field. This balance between proliferation and differentiation implemented by Cdk5 is ultimately regulated (where present) by the dynamics of the cytoskeletal nestin scaffold.

A phthalide derivative isolated from endophytic fungiPestalotiopsis photiniae induces G1 cell cycle arrest and apoptosis in human HeLa cells

MP [4-(3′,3′-dimethylallyloxy)-5-methyl-6-methoxyphthalide] was obtained from liquid culture of Pestalotiopsis photiniaeisolated from the Chinese Podocarpaceae plant Podocarpus macrophyllus. MP significantly inhibited the proliferation of HeLa tumor cell lines. After treatment with MP, characteristic apoptotic features such as DNA fragmentation and chromatin condensation were observed in DAPI-stained HeLa cells. Flow cytometry showed that MP induced G1 cell cycle arrest and apoptosis in a dose-dependent manner. Western blotting and real-time reverse transcription-polymerase chain reaction were used to investigate protein and mRNA expression. MP caused significant cell cycle arrest by upregulating the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 protein and p21CIP1 mRNA levels in HeLa cells. The expression of p73 protein was increased after treatment with various MP concentrations. mRNA expression of the cell cycle-related genes, p21CIP1, p16INK4a and Gadd45α, was significantly upregulated and mRNA levels demonstrated significantly increased translation ofp73, JunB, FKHR, andBim. The results indicate that MP may be a potential treatment for cervical cancer.

A combination of STI571 and BCR-ABL1 siRNA with overexpressed p15INK4B induced enhanced proliferation inhibition and apoptosis in chronic myeloid leukemia

p15INK4B, a cyclin-dependent kinase inhibitor, has been recognized as a tumor suppressor. Loss of or methylation of the p15INK4B gene in chronic myeloid leukemia (CML) cells enhances myeloid progenitor formation from common myeloid progenitors. Therefore, we examined the effects of overexpressed p15INK4B on proliferation and apoptosis of CML cells. Overexpression of p15INK4B inhibited the growth of K562 cells by downregulation of cyclin-dependent kinase 4 (CDK4) and cyclin D1 expression. Overexpression of p15INK4B also induced apoptosis of K562 cells by upregulating Bax expression and downregulating Bcl-2 expression. Overexpression of p15INK4B together with STI571 (imatinib) or BCR-ABL1 small interfering RNA (siRNA) also enhanced growth inhibition and apoptosis induction of K562 cells. The enhanced effect was also mediated by reduction of cyclin D1 and CDK4 and regulation of Bax and Bcl-2. In conclusion, our study may provide new insights into the role of p15INK4B in CML and a potential therapeutic target for overcoming tyrosine kinase inhibitor resistance in CML.

Life without Phd? – Phd Oxygen Sensor Proteins in Hypoxic Carcinoma Cell Survival

The microenvironment within the tumor plays a central role in cellular signaling. Rapidly proliferating cancer cells need building blocks for structures as well as nutrients and oxygen for energy production. In normal tissue, the vasculature effectively transports oxygen, nutrient and waste products, and maintains physiological pH. Within a tumor however, the vasculature is rarely sufficient for the needs of tumor cells. This causes the tumor to suffer from lack of oxygen (hypoxia) and nutrients as well as acidification, as the glycolytic end product lactate is accumulated. Cancer cells harbor mutations enabling survival in the rough microenvironment. One of the best characterized mutations is the inactivation of the von Hippel-Lindau protein (pVHL) in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Inactivation causes constitutive activation of hypoxia-inducible factor HIF which is an important survival factor regulating glycolysis, neovascularization and apoptosis. HIFs are normally regulated by HIF prolyl hydroxylases (PHDs), which in the presence of oxygen target HIF α-subunit to ubiquitination by pVHL and degradation by proteasomes. In my thesis work, I studied the role of PHDs in the survival of carcinoma cells in hypoxia. My work revealed an essential role of PHD1 and PHD3 in cell cycle regulation through two cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs) p21 and p27. Depletion of PHD1 or PHD3 caused a cell cycle arrest and subjected the carcinoma cells to stress and impaired the survival.

Régulation du cycle cellulaire par le récepteur natriurétique de type C dans les cellules du muscle lisse vasculaire : mécanismes moléculaires

Nous avons précédemment montré que l’activation du récepteur natriurétique de type C (NPR-C) par son agoniste spécifique, le C-ANP4-23, atténue l’augmentation de la prolifération des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) induite par les peptides vasoactifs (Ang II, ET-1 et l’AVP). Puisque les CMLV provenant de rats spontanément hypertendus (SHR) montrent elles aussi un taux de prolifération plus élevé que leur contrôle, les CMLV de rats Wystar-Kyoto (WKY), nous avons entrepris cette étude dans le but de déterminer si C-ANP4-23 peut également diminuer le taux élevé de prolifération des CMLV de SHR et, le cas échéant déterminer les mécanismes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que le taux de prolifération des CMLV de SHR est significativement plus élevé que celui des CMLV de WKY et que la présence de C-ANP4-23 diminue de manière-dose dépendante le taux de prolifération des CMLV de SHR. En plus, l’expression des protéines de la phase G1 du cycle cellulaire, la cycline D1, la kinase dépendante des cyclines 2 (cdk2) et la forme phosphorylée de la protéine du rétinoblastome (pRb) est augmentée dans les CMLV de SHR comparativement aux CMLV de WKY et est atténué par C-ANP4-23. De plus, nos résultats montrent que les inhibiteurs du complexe cycline D1/cdk4 (NSC 625987) et cdk2 (NU2058) diminue le taux de prolifération élevé des CMLV de SHR. Les CMLV de SHR montrent également un taux de phosphorylation de ERK1/2 et d’AKT et est atténué par C-ANP4-23. De plus, le taux d’expression élevé des protéines cycline D1, cdk2 et pRb des CMLV de SHR est diminué par la toxine pertussis qui inactive la protéine Giα, le PD 98095, un inhibiteur de MEK de la voie des MAPK, du wortmannin, un inhibiteur de la PI3-K et finalement du losartan, un antagoniste du récepteur AT1. Ces résultats suggèrent que l’activation du récepteur NPR-C par C-ANP4-23 diminue le taux de prolifération élevé des CMLV de SHR par une régulation à la baisse des composantes du cycle cellulaire via l’inhibition de la protéine Giα et des voies signalétique MAP kinase/PI3-K.

Bcl-xL regulation and function in cell cycle checkpoints and progression

Quelques évidences suggèrent que Bcl-xL, un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2, possède également des fonctions au niveau du cycle cellulaire et de ses points-contrôle. Pour étudier la régulation et fonction de Bcl-xL au cours du cycle cellulaire, nous avons généré et exprimé dans des cellules humaines une série de mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser49Ala, Ser56Ala, Ser62Ala et Thr115Ala. L'analyse de cette série de mutants révèle que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser62Ala) sont moins stables au point-contrôle G2 du cycle cellulaire comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou les autres mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala et Thr115Ala. Les études de cinétiques de phosphorylation et de localisation de phospho-Bcl-xL(Ser62) dans des cellules synchronisées et suite à l'activation du point-contrôle en G2 médié par l'étoposide (VP16), nous indiquent que phospho-Bcl-xL(Ser62) migre dans les corps nucléolaires durant l'arrêt en G2 dans les cellules exposées au VP16. Une série d'expériences incluant des essais kinase in vitro, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et d'ARN interférant, nous révèlent que Polo kinase 1 (PLK1) et MAPK9/JNK2 sont les protéines kinase impliquées dans la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62), et pour son accumulation dans les corps nucléolaires pendant le point-contrôle en G2. Nos résultats indiquent que durant le point-contrôle en G2, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie et se co-localise avec CDK1(CDC2), le complexe cycline-kinase qui contrôle l'entrée en mitose. Nos résultats suggèrent que dans les corps nucléolaires, phospho-Bcl-xL(Ser62) stabilise l'arrêt en G2 en séquestrant CDK1(CDC2) pour retarder l'entrée en mitose. Ces résultats soulignent également que les dommages à l'ADN influencent la composition des corps nucléolaires, structure nucléaire qui émerge maintenant comme une composante importante de la réponse aux dommages à l'ADN. Dans une deuxième étude, nous décrivons que les cellules exprimant le mutant de phosphorylation Bcl-xL(Ser62Ala) sont également plus stables au point-contrôle de l'assemblage du fuseau de la chromatine (SAC) suite à une exposition au taxol, comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou d'autres mutants de phosphorylation de Bcl-xL, incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala. Cet effet est indépendent de la fonction anti-apoptotique de Bcl-xL. Bcl-xL(Ser62) est fortement phosphorylé par PLK1 et MAPK14/SAPKp38α à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et déphosphorylé à la télophase et la cytokinèse. Phospho-Bcl-xL(Ser62) se trouve dans les centrosomes avec γ-tubuline, le long du fuseau mitotique avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique avec des composantes du SAC. Dans des cellules exposées au taxol, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie au complexe inhibiteur CDC20/MAD2/BUBR1/BUB3, alors que le mutant Bcl-xL(Ser62Ala) ne se lie pas à ce complexe. Ces résultats indiquent que durant le SAC, la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62) accélère la résolution du SAC et l'entrée des cellules en anaphase. Des expériences bloquant l'expression de Bcl-xL révèlent ègalement un taux très élevé de cellules tétraploïdes et binuclées après un traitement au nocodazole, consistant avec une fonction de Bcl-xL durant la mitose et dans la stabilité génomique. Dans la troisième étude, l'analyse fonctionnelle de cette série de mutants de phosphorylation indique également que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser49Ala) sont moins stables durant le point-contrôle G2 et entre en cytokinèse plus lentement dans des cellules exposées aux inhibiteurs de la polymérisation/dépolymérisation des tubulines, composantes des microtubules. Ces effets de Bcl-xL(Ser49Ala) sont indépendents de sa fonction anti-apoptotique. La phosphorylation de Bcl-xL(Ser49) est dynamique au cours du cycle cellulaire. Dans des cellules synchronisées, Bcl-xL(Ser49) est phosphorylé en phase S et G2, déphosphorylé à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et re-phosphorylé durant la télophase et la cytokinèse. Au cours du point-contrôle G2 induit par les dommages à l'ADN, un pool important de phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve aux centrosomes, un site important pour la régulation de l'entrée en mitose. Durant la télophase et la cytokinèse, phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve le long des microtubules avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique. Finalement, nos résultats suggèrent que PLK3 est responsable de la phosphorylation de Bcl-xL(Ser49), une protéine kinase impliquée pour l'entrée des cellules en mitose et pour la progression de la mitose jusqu'à la division cellulaire.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

Study of histone H3 lysine 56 deacetylation in saccharomyces cerevisiae

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, l'acétylation de l'histone H3 sur la lysine 56 (H3K56ac) est présente sur les histones néo-synthétisées déposées derrière les fourches de réplication et est essentielle pour préserver la viabilité cellulaire en réponse au dommage à l'ADN. La désacétylation d'H3K56 sur l'ensemble du génome catalysée par Hst3 et Hst4 et a lieu en phase G2 ou M. H3K56ac est une lame à double tranchant. L'absence d'H3K56ac rend les cellules sensibles aux dommages à l'ADN. En revanche, un excès d'acétylation d'H3K56 dans un mutant hst3Δ hst4Δ a des conséquences encore plus sévères tels que la thermo-sensibilité, l'hypersensibilité aux agents génotoxiques, l'instabilité génomique ainsi qu'une courte durée de vie réplicative. Les désacétylases Hst3 et Hst4 sont étroitement régulées au cours du cycle cellulaire afin de permettre à l'H3K56ac d'exercer son rôle en réponse aux dommages à l'ADN tout en évitant les conséquences néfastes de l'hyperacétylation d'H3K56. Dans cette thèse, nous avons identifié la machinerie moléculaire responsable de la dégradation de Hst3. De plus, nous avons exploré les raisons pour lesquelles l'absence de désacétylation donne lieu aux phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ. Au chapitre 2, nous démontrons que la dégradation d'Hst3 peut être complétée avant l'anaphase. Ceci suggère que la désacétylation de H3K56 a lieu durant une courte fenêtre du cycle cellulaire se situant entre la complétion de la phase S et la métaphase. De plus, nous avons identifié deux sites de phosphorylation d'Hst3 par la kinase cycline-dépendante 1 (Cdk1) et démontré que ces évènements de phosphorylation conduisent à la dégradation d'Hst3 in vivo. Nous avons aussi démontré que l'ubiquityltransférase Cdc34 et l'ubiquitine ligase SCFCdc4 sont requises pour la dégradation d'Hst3. Finalement, nous avons montré que la phosphorylation d'Hst3 par la kinase mitotique Clb2-Cdk1 peut directement entraîner l'ubiquitylation d'Hst3 par SCFCdc4 in vitro. Au chapitre 3, nous avons étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la sensibilité extrême du mutant hst3Δ hst4Δ aux agents qui endommagent l'ADN. Nous avons établi qu'en raison de la présence anormale d'H3K56ac devant les fourches de réplication, le mutant hst3Δ hst4Δ exhibe une forte perte de viabilité lorsqu'exposé au méthyl méthanesulfonate (MMS) durant un seul passage à travers la phase S. Nous avons aussi découvert que, malgré le fait que le point de contrôle de réponse aux dommages à l'ADN est activé normalement dans le mutant hst3Δ hst4Δ, ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN et d'inactiver le point de contrôle pour une longue période de temps après exposition transitoire au MMS. L'ensemble de nos résultats suggère que les lésions à l'ADN induites par le MMS dans le mutant hst3Δ hst4Δ causent une forte perte de viabilité parce que ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN après une exposition transitoire au MMS. Dans la deuxième section du chapitre 3, nous avons employé une approche génétique afin d'identifier de nouveaux mécanismes de suppression de deux phénotypes prononcés du mutant hst3Δ hst4Δ. Nous avons découvert que la délétion de plusieurs gènes impliqués dans la formation de frontières entre l'hétérochromatine et de l'euchromatine atténue les phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ sans réduire l'hyperacétylation d'H3K56. Nos résultats indiquent aussi que l'abondante acétylation de l'histone H4 sur la lysine 16 (H4K16ac) est néfaste au mutant hst3Δ hst4Δ. Ce résultat suggère un lien génétique intriguant entre l'acétylation d'H3K56 et celle d'H4K16. L'existence de ce lien était jusqu'à présent inconnu. Nous avons identifié un groupe de suppresseurs spontanés où H3K56ac est indétectable, mais la majorité de nos suppresseurs ne montrent aucune réduction flagrante d'H3K56ac ou d'H4 K16ac par rapport aux niveaux observés dans le mutant hst3Δ hst4Δ. Une étude plus approfondie de ce groupe de suppresseurs est susceptible de mener à la découverte de nouveaux mécanismes génétiques ou épigénétiques permettant d'éviter les conséquences catastrophiques de l'hyperacétylation d'H3K56 chez le mutant hst3Δ hst4Δ. En résumé, cette thèse identifie la machinerie moléculaire responsable de la dégradation d'Hst3 (une désacétylase d'H3K56) durant une fenêtre de temps situées entre la fin de la phase S et la métaphase. Nos résultats permettent aussi d'expliquer pourquoi la dégradation d'Hst3 précède le début de la phase S durant laquelle l'acétylation d'H3K56 s'accumule derrière les fourches de réplication afin d'exercer son rôle de mécanisme de défense contre le dommage à l'ADN. De plus, nous avons identifié plusieurs suppresseurs qui permettent de contourner le rôle important d'Hst3 et Hst4 en réponse au dommage à l'ADN. Plusieurs suppresseurs révèlent un lien génétique inattendu entre deux formes abondantes d'acétylation des histones chez Saccharomyces cerevisiae, soit H3K56ac et H4K16ac.