DNA-Directed DNA Polymerases Evolve From Reverse Transcriptase

Scientists have been debating for decades the origin of life on earth. A number of hypotheses were proposed as to what emerged first RNA or DNA; with most scientists are in favour of the "RNA World" hypothesis. Assuming RNA emerged first, it fellow that the RNA polymerases would've appeared before DNA polymerases. Using recombinant DNA technology and bioinformatics we undertook this study to explore the relationship between RNA polymerases, reverse transcriptase and DNA polymerases. The working hypothesis is that DNA polymerases evolved from reverse transcriptase and the latter evolved from RNA polymerases. If this hypothesis is correct then one would expect to find various ancient DNA polymerases with varying level of reverse transcriptase activity. In the first phase of this research project multiple sequence alignments were made on the protein sequence of 32 prokaryotic DNA-directed DNA polymerases originating from 11 prokaryotic families against 3 viral reverse transcriptase. The data from such alignments was not very conclusive. DNA polymerases with higher level of reverse transcriptase activity were non-confined to ancient organisms, as one would've expected. The second phase of this project was focused on conditions that may alter the DNA polymerase activity. Various reaction conditions, such as temperature, using various ions (Ni2+, Mn2+, Mg2+) were tested. Interestingly, it was found that the DNA polymerase from the Thermos aquatics family can be made to copy RNA into DNA (i.e. reverse transcriptase activity). Thus it was shown that under appropriate conditions (ions and reactions temperatures) reverse transcriptase activity can be induced in DNA polymerase. In the third phase of this study recombinant DNA technology was used to generate a chimeric DNA polymerase; in attempts to identify the region(s) of the polymerase responsible for RNA-directed DNA polymerase activity. The two DNA polymerases employed were the Thermus aquatic us and Thermus thermophiles. As in the second phase various reaction conditions were investigated. Data indicated that the newly engineered chimeric DNA polymerase can be induced to copy RNA into DNA. Thus the intrinsic reverse transcriptase activity found in ancient DNA polymerases was localized into a domain and can be induced via appropriate reaction conditions.

Les récepteurs intracellulaires de l'angiotensine II : nouvelles cibles thérapeutiques pour le remodelage cardiaque

L'angiotensine-II (Ang-II), synthétisée à partir de sources extracardiaques et intracardiaques, régule l'homéostasie cardiaque en favorisant des effets mitogéniques et en promouvant la croissance cellulaire résultant d’une altération de l'expression génique. Dans cette étude, nous avons évalué la possibilité que les récepteurs de l'angiotensine-1 (AT1) ou les récepteurs de l'angiotensine-2 (AT2) situés sur l'enveloppe nucléaire régulent l’expression génique des cardiomyocytes. En analysant les noyaux cellulaires retenus des fractions de cœur de rat par immunobuvardage Western, nous avons détecté une co-purification préférentielle des protéines AT1 et AT2 avec un marqueur de la membrane nucléaire (Nup 62), par rapport aux marqueurs de la membrane plasmique (Calpactin I), de l’appareil de Golgi (GRP 78) ou du réticulum endoplasmique (GM130). La microscopie confocale a permis de démontrer la présence des AT1 et AT2 dans les membranes nucléaires. La microinjection de l’Ang-II-FITC sur des cardiomyocytes a provoqué une liaison de préférence aux sites nucléaires. Les enregistrements de transients calciques ont illustré que les AT1 nucléaires régulent le relâchement du Ca2+. L’incubation des ligands spécifiques d’AT1 et d’AT2 avec l’UTP [α32P] a résulté en une synthèse de novo d’ARN (par exemple, 16,9 ± 0,5 cpm/ng ADN contrôle vs 162,4 ± 29,7 cpm/ng ADN-Ang II, 219,4 ± 8,2 cpm/ng ADN L -162313 (AT1) et 126,5 ± 8,7 cpm/ng ADN CGP42112A (AT2), P <0,001). L’incubation des noyaux avec Ang-II augmente de façon significative l’expression de NFκB, une réponse qui est réprimée partiellement par la co-administration de valsartan ou de PD123177. Les expériences dose-réponse avec Ang-II administrée à l'ensemble des noyaux purifiés vs. aux cardiomyocytes seuls a montré une augmentation plus importante dans les niveaux d'ARNm de NFκB avec une affinité de ~ 3 fois plus grande (valeurs d’EC50 = 9 contre 28 pmol/L, respectivement), suggérant un rôle préférentiel nucléaire dans la signalisation. Par conséquent, nous avons conclu que les membranes cardiaques nucléaires possèdent des récepteurs d’Ang-II couplés à des voies de signalisation et à la transcription génique. La signalisation nucléaire pourrait jouer un rôle clé dans les changements de l'expression de gènes cardiaques, entraînant ainsi des implications mécanistiques et thérapeutiques diverses.

Analyse de la localisation génomique et identification de nouvelles fonctions des sous-unités Rpb4/Rpb7 de l’ARN polymérase II et des facteurs TFIIF, TFIIS et UBR5

Grâce à un grand nombre d’études biochimiques, génétiques et structurales effectuées dans les dernières années, des avancements considérables ont été réalisés et une nouvelle vision du processus par lequel la machinerie transcriptionnelle de l’ARN polymérase II (Pol II) décode l’information génétique a émergé. De nouveaux indices ont été apportés sur la diversité des mécanismes de régulation de la transcription, ainsi que sur le rôle des facteurs généraux de transcription (GTFs) dans cette diversification. Les travaux présentés dans cette thèse amènent de nouvelles connaissances sur le rôle des GTFs humains dans la régulation des différentes étapes de la transcription. Dans la première partie de la thèse, nous avons analysé la fonction de la Pol II et des GTFs humains, en examinant de façon systématique leur localisation génomique. Les patrons obtenus par immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) des versions de GTFs portant une étiquette TAP (Tandem-Affinity Purification) indiquent de nouvelles fonctions in vivo pour certains composants de cette machinerie et pour des éléments structuraux de la Pol II. Nos résultats suggèrent que TFIIF et l’hétérodimère Rpb4–Rpb7 ont une fonction spécifique pendant l’étape d’élongation transcriptionnelle in vivo. De plus, notre étude amène une première image globale de la fonction des GTFs pendant la réaction transcriptionnelle dans des cellules mammifères vivantes. Deuxièmement, nous avons identifié une nouvelle fonction de TFIIS dans la régulation de CDK9, la sous-unité kinase du facteur P-TEFb (Positive Transcription Elongation Factor b). Nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction pour TFIIS, soit CDK9 et la E3 ubiquitine ligase UBR5. Nous montrons que UBR5 catalyse l’ubiquitination de CDK9 in vitro. De plus, la polyubiquitination de CDK9 dans des cellules humaines est dépendante de UBR5 et TFIIS. Nous montrons aussi que UBR5, CDK9 and TFIIS co-localisent le long du gène  fibrinogen (FBG) et que la surexpression de TFIIS augmente les niveaux d’occupation par CDK9 de régions spécifiques de ce gène, de façon dépendante de UBR5. Nous proposons que TFIIS a une nouvelle fonction dans la transition entre les étapes d’initiation et d’élongation transcriptionnelle, en régulant la stabilité des complexes CDK9-Pol II pendant les étapes précoces de la transcription.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Investigating the role of the isomerase Rrd1/PTPA : from yeast to human

Chez Saccharomyces cerevisiae, les souches mutantes pour Rrd1, une protéine qui possède une activité de peptidyl prolyl cis/trans isomérase, montrent une résistance marquée à la rapamycine et sont sensibles au 4-nitroquinoline 1-oxide, un agent causant des dommages à l’ADN. PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères, est reconnu en tant qu’activateur de protéine phosphatase 2A. Notre laboratoire a précédemment démontré que la surexpression de PTPA mène à l’apoptose de façon indépendante des protéines phosphatase 2A. La fonction moléculaire de Rrd1/PTPA était encore largement inconnue au départ de mon projet de doctorat. Mes recherches ont d’abord montré que Rrd1 est associé à la chromatine ainsi qu’à l’ARN polymérase II. L’analyse in vitro et in vivo par dichroïsme circulaire a révélé que Rrd1 est responsable de changements au niveau de la structure du domaine C-terminal de la grande sous-unité de l’ARN polymérase II, Rpb1, en réponse à la rapamycine et au 4-nitroquinoline 1-oxide. Nous avons également démontré que Rrd1 est requis pour modifier l’occupation de l’ARN polymérase II sur des gènes répondant à un traitement à la rapamycine. Finalement, nous avons montré que suite à un traitement avec la rapamycine, Rrd1 médie la dégradation de l’ARN polymérase II et que ce mécanisme est indépendant de l’ubiquitine. La dernière partie de mon projet était d’acquérir une meilleure connaissance de la fonction de PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères. Nos résultats montrent que le «knockdown» de PTPA n’affecte pas la sensibilité des cellules à différentes drogues telles que la rapamycine, le 4-nitroquinoline 1-oxide ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Nous avons également tenté d’identifier des partenaires protéiques pour PTPA grâce à la méthode TAP, mais nous ne sommes pas parvenus à identifier de partenaires stables. Nous avons démontré que la surexpression de la protéine PTPA catalytiquement inactive n’induisait pas l’apoptose indiquant que l’activité de PTPA est requise pour produire cet effet. Finalement, nous avons tenté d’étudier PTPA dans un modèle de souris. Dans un premier lieu, nous avons déterminé que PTPA était exprimé surtout au niveau des tissus suivants : la moelle osseuse, le thymus et le cerveau. Nous avons également généré avec succès plusieurs souris chimères dans le but de créer une souris «knockout» pour PTPA, mais l’allèle mutante ne s’est pas transférée au niveau des cellules germinales. Mes résultats ainsi que ceux obtenus par mon laboratoire sur la levure suggèrent un rôle général pour Rrd1 au niveau de la régulation des gènes. La question demeure toujours toutefois à savoir si PTPA peut effectuer un rôle similaire chez les mammifères et une vision différente pour déterminer la fonction de cette protéine sera requise pour adresser adéquatement cette question dans le futur.

Étude de la localisation génomique du complexe HDAC Set3

La chromatine est un système de compaction de l’ADN jouant un rôle important dans la régulation de l’expression génique. L’acétylation de la chromatine provoque un relâchement de sa structure, facilitant le recrutement de facteurs de transcription. Inversement, des complexes histones déacétylases favorisent une structure compacte, réprimant l’expression de gènes. Un complexe HDAC, Rpd3S, est recruté par l’ARN polymérase II phosphorylée sur les régions codantes transcrites. Cette activité HDAC est stimulée par la déposition de la marque H3K36me générée par l’histone méthyltransférase Set2. Par approche génomique, en utilisant comme organisme modèle Saccharomyces cerevisiae, j’ai optimisé la méthode de ChIP-chip puis démontré que les sous unités Hos2 et Set3 d’un autre complexe HDAC, Set3C, étaient recrutées sur des régions codantes de gènes transcrits. De plus, Set3C est connu pour être recruté soit par H3K4me ou par la Pol II. La suite du projet portera sur le recrutement de Set3C qui semble similaire à Rpd3S.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

Repair of abasic sites in DNA

Repair of both normal and reduced AP sites is activated by AP endonuclease, which recognizes and cleaves a phosphodiester bond 5' to the AP site. For a short period of time an incised AP site is occupied by poly(ADP-ribose) polymerase and then DNA polymerase beta adds one nucleotide into the repair gap and simultaneously removes the 5'-sugar phosphate. Finally, the DNA ligase III/XRCC1 complex accomplishes repair by sealing disrupted DNA ends. However, long-patch BER pathway, which is involved in the removal of reduced abasic sites, requires further DNA synthesis resulting in strand displacement and the generation of a damage-containing flap that is later removed by the flap endonuclease. Strand-displacement DNA synthesis is accomplished by DNA polymerase delta/epsilon and DNA ligase I restores DNA integrity. DNA synthesis by DNA polymerase delta/epsilon is dependent on proliferating cell nuclear antigen, which also stimulates the DNA ligase I and flap endonuclease. These repair events are supported by multiple protein-protein interactions. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

XERODERMA PIGMENTOSUM: LIVING IN THE DARK BUT WITH HOPE IN THERAPY

Xeroderma pigmentosum patients suffer from extreme photosensitivity caused by a genetic defect in DNA repair pathways. This condition obliges them to live in darkness and avoid sunshine. Although the molecular basis of the defect has been known for more than 40 years now, the treatment possibilities are very limited, and to date all have been focused on the skin. Herein, we summarize the effects of sunlight and the molecular mechanisms implicated in the defects that lead to this syndrome, as well as the strategies that have been tested to alleviate skin manifestations, including cancer. Preclinical attempts to correct genetic defects by means of different gene therapy approaches are also described. All these efforts are now bringing hope and some light into the life of patients and their families.

Gene optimization leads to robust expression of human respiratory syncytial virus nucleoprotein and phosphoprotein in human cells and induction of humoral immunity in mice

Human respiratory syncytial virus (HRSV) is the major pathogen leading to respiratory disease in infants and neonates worldwide. An effective vaccine has not yet been developed against this virus, despite considerable efforts in basic and clinical research. HRSV replication is independent of the nuclear RNA processing constraints, since the virus genes are adapted to the cytoplasmic transcription, a process performed by the viral RNA-dependent RNA polymerase. This study shows that meaningful nuclear RNA polymerase II dependent expression of the HRSV nucleoprotein (N) and phosphoprotein (F) proteins can only be achieved with the optimization of their genes, and that the intracellular localization of N and P proteins changes when they are expressed out of the virus replication context. Immunization tests performed in mice resulted in the induction of humoral immunity using the optimized genes. This result was not observed for the non-optimized genes. In conclusion, optimization is a valuable tool for improving expression of HRSV genes in DNA vaccines. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mature reverse transcriptase (p66/p51) is responsible for low levels of viral DNA found in human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)

Reverse transcription of the HIV RNA genome is thought to occur in the host cell cytoplasm after viral adsorption. However, viral DNA has been isolated in cell-free virus particles. We have quantitated by polymerase chain reaction (PCR) amplification the amount of viral DNA in virions as compared to RNA. Virus produced by proviral DNA transfections of cos-7 cells or by chronically-infected H9 cells; neither of which express the cell surface CD4 receptor, contained at least 1000 times more viral RNA than DNA. In contrast, only 60 times more RNA than DNA was present in virus particles produced by transfection of Jurkat cells, which were CD4-positive and thus potentially susceptible to superinfection. Protease-defective virus, carrying only the precursor of reverse transcriptase (RT) p160gag-pol, contained virtually no detectable DNA. These results indicate that only mature RT (p66/p51) and not its precursor (p160gag-pol) is responsible for the presence of viral DNA in HIV.

MEDIATOR25 acts as an integrative hub for the regulation of jasmonate-responsive gene expression in arabidopsis

The PHYTOCHROME AND FLOWERING TIME1 gene encoding the MEDIATOR25 (MED25) subunit of the eukaryotic Mediator complex is a positive regulator of jasmonate (JA)-responsive gene expression in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Based on the function of the Mediator complex as a bridge between DNA-bound transcriptional activators and the RNA polymerase II complex, MED25 has been hypothesized to function in association with transcriptional regulators of the JA pathway. However, it is currently not known mechanistically how MED25 functions to regulate JA-responsive gene expression. In this study, we show that MED25 physically interacts with several key transcriptional regulators of the JA signaling pathway, including the APETALA2 (AP2)/ETHYLENE RESPONSE FACTOR (ERF) transcription factors OCTADECANOID-RESPONSIVE ARABIDOPSIS AP2/ERF59 and ERF1 as well as the master regulator MYC2. Physical interaction detected between MED25 and four group IX AP2/ERF transcription factors was shown to require the activator interaction domain of MED25 as well as the recently discovered Conserved Motif IX-1/EDLL transcription activation motif of MED25-interacting AP2/ERFs. Using transcriptional activation experiments, we also show that OCTADECANOID-RESPONSIVE ARABIDOPSIS AP2/ERF59- and ERF1-dependent activation of PLANT DEFENSIN1.2 as well as MYC2-dependent activation of VEGETATIVE STORAGE PROTEIN1 requires a functional MED25. In addition, MED25 is required for MYC2-dependent repression of pathogen defense genes. These results suggest an important role for MED25 as an integrative hub within the Mediator complex during the regulation of JA-associated gene expression.

Avaliação de dois métodos de extração de DNA de material parafinado para amplificação em PCR

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Doença arterial coronariana: Um novo paradigma na AIDS

The HIV-infected individuals have been identified as a peculiar group whose propensity to the development of abnormalities in lipids metabolism supports the hypothesis that AIDS itself can be considered as an independent risk factor for the occlusive diseases development. The AIDS progression, as well as the therapy against HIV has been capable to show an array of metabolic disturbances that HIV-infected patients are prone to. These metabolic alterations affect the fate of plasmatic lipids and homocysteine as a result of three factor mainly: (i) the viral infection per se which triggers the development of hypertriglyceridemia and hipocholesterolemia; (ii) multiple vitamins and micronutrients deficiencies, that favors an onset of hyperhomocysteinemia; (iii) the state-of-the-art therapy for HIV infection, which is accompanied to idiosyncratic effects encompassing the lipid metabolism. In this context, a variety of risk factors to atherosclerosis can be identified in the HIV-infected individual. Of note, it must be considered that once life expectancy of these patients has been expanded due to the effective therapy, on the other hand they can accelerate atherosclerotic disease or its pathological appearance in the same extent.

rpb2 is a reliable reference gene for quantitative gene expression analysis in the dermatophyte Trichophyton rubrum

The selection of reference genes used for data normalization to quantify gene expression by real-time PCR amplifications (qRT-PCR) is crucial for the accuracy of this technique. In spite of this, little information regarding such genes for qRT-PCR is available for gene expression analyses in pathogenic fungi. Thus, we investigated the suitability of eight candidate reference genes in isolates of the human dermatophyte Trichophyton rubrum subjected to several environmental challenges, such as drug exposure, interaction with human nail and skin, and heat stress. The stability of these genes was determined by geNorm, NormFinder and Best-Keeper programs. The gene with the most stable expression in the majority of the conditions tested was rpb2 (DNA-dependent RNA polymerase II), which was validated in three T. rubrum strains. Moreover, the combination of rpb2 and chs1 (chitin synthase) genes provided for the most reliable qRT-PCR data normalization in T. rubrum under a broad range of biological conditions. To the best of our knowledge this is the first report on the selection of reference genes for qRT-PCR data normalization in dermatophytes and the results of these studies should permit further analysis of gene expression under several experimental conditions, with improved accuracy and reliability.