Engineering an improved adenovirus packaging cell line

Recombinant human adenovirus (Ad) vectors are being extensively explored for their use in gene therapy and recombinant vaccines. Ad vectors are attractive for many reasons, including the fact that (1) they are relatively safe, based on their use as live oral vaccines, (2) they can accept large transgene inserts, (3) they can infect dividing and postmitotic cells, and (4) they can be produced to high titers. However, there are also a number of major problems associated with Ad vectors, including transient foreign gene expression due to host cellular immune responses, problems with humoral immunity, and the creation of replication competent adenoviruses (RCA). Most Ad vectors contain deletions in the E1 region that allow for insertion of a transgene. However, the E1 gene products are required for replication and thus must be supplied in trans by a helper ceillille that will allow for the growth and packaging of the defective virus. For this purpose the 293 cell line (Graham et al., 1977) is used most often; however, homologous recombination between the vector and the cell line often results in the generation of RCA. The presence of RCA in batches of adenoviral vectors for clinical use is a safety risk because tlley . may result in the mobilization and spread of the replication-defective vector viruses, and in significant tissue damage and pathogenicity. The present research focused on the alteration of the 293 cell line such that RCA formation can be eliminated. The strategy to modify the 293 cells involved the removal of the first 380 bp of the adenovirus genome through the process of homologous recombination. The first step towards this goal involved identifying and cloning the left-end cellular-viral jUl1ction from 293 cells to assemble sequences required for homologous recombination. Polymerase chain reaction (PCR) was performed to clone the junction, and the clone was verified through sequencing. The plasn1id PAM2 was then constructed, which served as the targeting cassette used to modify the 293 cells. The cassette consisted of (1) the cellular-viral junction as the left-end region of homology, (2) the neo gene to use for positive selection upon tranfection into 293 cells, (3) the adenoviral genome from bp 380 to bp 3438 as the right-end region of homology, and (4) the HSV-tk gene to use for negative selection. The plasmid PAM2 was linearized to produce a double strand break outside the region of homology, and transfected into 293 cells using the calcium-phosphate technique. Cells were first selected for their resistance to the drug G418, and subsequently for their resistance to the drug Gancyclovir (GANC). From 17 transfections, 100 pools of G418f and GANCf cells were picked using cloning lings and expanded for screening. Genomic DNA was isolated from the pools and screened for the presence of the 380 bps using PCR. Ten of the most promising pools were diluted to single cells and expanded in order to isolate homogeneous cell lines. From these, an additional 100 G41Sf and GANef foci were screened. These preliminary screening results appear promising for the detection of the desired cell line. Future work would include further cloning and purification of the promising cell lines that have potentially undergone homologous recombination, in order to isolate a homogeneous cell line of interest.

Développement de procédés efficaces pour la construction et la production de vecteurs adénoviraux

L’adénovirus possède plusieurs caractéristiques faisant de ce virus un candidat de choix pour la construction de vecteurs utiles dans les études de génomique fonctionnelle. Dans la majorité de ces applications, on a recours à un vecteur adénoviral de première génération délété de sa région E1. L’utilisation de vecteurs adénoviraux comprend deux maillons faibles : la construction du vecteur et la production subséquente de ce dernier. Le développement de méthodes alternatives est donc nécessaire pour renforcer ces deux maillons, permettant ainsi une utilisation étendue de ces vecteurs. Ce développement va s’articuler sur deux axes : l’ingénierie du vecteur de transfert pour la construction de l’adénovirus recombinant et l’ingénierie d’une lignée cellulaire pour la production du vecteur. En utilisant un vecteur de transfert adénoviral co-exprimant, à partir d’un promoteur régulable à la tétracycline, la protéase de l’adénovirus et une protéine de fluorescence verte (GFP) par l’intermédiaire d’un site d’entrée ribosomal interne (IRES), notre groupe a établi que la sélection positive, via l’expression ectopique de la protéase, est un processus efficace pour la création de librairie d’adénovirus recombinants. Par contre, la diversité atteinte dans ce premier système est relativement faible, environ 1 adénovirus recombinant par 1 000 cellules. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse vise à construire un nouveau transfert de vecteur dans lequel l’expression de la protéase sera indépendante de celle du transgène permettant ainsi d’optimiser l’expression de la protéase. Ce travail d’optimisation a permis de réduire le phénomène de transcomplémentation du virus parental ce qui a fait grimper la diversité à 1 virus recombinant par 75 cellules. Ce système a été mis à l’épreuve en générerant une librairie adénovirale antisens dirigée contre la GFP. La diversité de cette librairie a été suffisante pour sélectionner un antisens réduisant de 75% l’expression de la GFP. L’amplification de ce vecteur adénoviral de première génération doit se faire dans une lignée cellulaire exprimant la région E1 telle que les cellules 293. Par contre, un adénovirus de première génération se répliquant dans les cellules 293 peut échanger, par recombinaison homologue, son transgène avec la région E1 de la cellule créant ainsi un adénovirus recombinant réplicatif (RCA), compromettant ainsi la pureté des stocks. Notre groupe a déjà breveté une lignée cellulaire A549 (BMAdE1) exprimant la région E1, mais qui ne peut pas recombiner avec le transgène du virus. Par contre, le niveau de réplication de l’adénovirus dans les BMAdE1 est sous-optimal, à peine 15-30% du niveau obtenu dans les cellules 293. Le travail fait dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en évidence qu’une expression insuffisante d’E1B-55K était responsable de la mauvaise réplication du virus dans les BMAdE1. Nous avons produit de nouveaux clones à partir de la lignée parentale via une transduction avec un vecteur lentiviral exprimant E1B-55K. Nous avons confirmé que certains clones exprimaient une plus grande quantité d’E1B-55K et que ces clones amplifiaient de manière plus efficace un vecteur adénoviral de première génération. Ce clone a par la suite été adapté à la culture en suspension sans sérum.

Pkd1 transgenic mice: Adult model of polycystic kidney disease with extrarenal and renal phenotypes

While high levels of Pkd1 expression are detected in tissues of patients with autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD), it is unclear whether enhanced expression could be a pathogenetic mechanism for this systemic disorder. Three transgenic mouse lines were generated from a Pkd1-BAC modified by introducing a silent tag via homologous recombination to target a sustained wild type genomic Pkd1 expression within the native tissue and temporal regulation. These mice specifically overexpressed the Pkd1 transgene in extrarenal and renal tissues from approximately 2- to 15-fold over Pkd1 endogenous levels in a copy-dependent manner. All transgenic mice reproducibly developed tubular and glomerular cysts leading to renal insufficiency. Interestingly, Pkd1(TAG) mice also exhibited renal fibrosis and calcium deposits in papilla reminiscent of nephrolithiasis as frequently observed in ADPKD. Similar to human ADPKD, these mice consistently displayed hepatic fibrosis and approximately 15% intrahepatic cysts of the bile ducts affecting females preferentially. Moreover, a significant proportion of mice developed cardiac anomalies with severe left ventricular hypertrophy, marked aortic arch distention and/or valvular stenosis and calcification that had profound functional impact. Of significance, Pkd1(TAG) mice displayed occasional cerebral lesions with evidence of ruptured and unruptured cerebral aneurysms. This Pkd1(TAG) mouse model demonstrates that overexpression of wildtype Pkd1 can trigger the typical adult renal and extrarenal phenotypes resembling human ADPKD.

Implication des protéines RECA dans le maintien de la stabilité du génome des chloroplastes d’Arabidopsis thaliana.

La stabilité génomique des organelles de plantes suscite un grand intérêt dans le domaine de la biologie végétale. En effet, plusieurs études récentes suggèrent que ce type d’instabilité génomique pourrait mener à l’isolation de traits intéressants en l’agronomie. Plusieurs protéines sont d’ailleurs déjà été identifiés comme étant impliqués dans le maintien de la stabilité de ces génomes, tels que MSH1, la famille des POLI, OSB1, les protéines Whirly et les Recombinases A (RECA). Le génome nucléaire d’Arabidopsis thaliana encode trois protéines s’apparentant à la Recombinase A bactérienne et qui sont ciblées à la mitochondrie et/ou au chloroplaste, soit RECA1, RECA2 et RECA3. Globalement, ces gènes partagent une similarité de séquence de 61% avec leur homologue bactérien chez Escherichia coli. Chez les bactéries ces protéines jouent un rôle essentiel dans la recombinaison homologue et sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Chez Arabidopsis, il a été démontré que RECA2 et RECA3 sont nécessaires au maintien de l’intégrité du génome mitochondriale. Toutefois leur contribution à la stabilité du génome chloroplastique ainsi que le rôle de RECA1 restent obscures. Le but de ce projet est donc de déterminer la contribution éventuelle des protéines RECA d’Arabidopsis dans la réparation de l’ADN chloroplastique et plus précisément le rôle du gène RECA1. Nous énonçons l’hypothèse que les RECA de plantes se comportent effectivement comme leurs orthologues bactériens en étant impliqués dans la recombinaison homologue. Dans le cadre de ce projet, nous avons tenté d’isoler des lignées mutantes pour chacun des gènes RECA d’Arabidopsis. En somme, nous avons pu obtenir des lignées convenables pour notre étude que dans le cas du gène RECA1. Ces lignées ont été utilisées pour évaluer la contribution de ce gène à la stabilité du génome du chloroplaste. Ensuite, pour étudier la relation épistatique des gènes RECA1, WHY1 et WHY3, un croisement des différentes lignées mutantes pour ces gènes a été réalisé. Nous avons ensuite étudié la sensibilité de toutes ces lignées mutantes à la ciprofloxacine, un agent causant des bris double brin exclusivement dans les organelles de plantes. Finalement, iii nous avons testé la présence de réarrangements dans le génome du chloroplaste en condition normal ou en présence de stress génotoxique. Nos résultats démontrent que les protéines Whirly et RECA1 sont impliquées dans deux voies de réparation de l’ADN différentes et que les Whirly sont suffisantes pour s’occuper des bris d’ADN double brin en l’absence de RECA1. Nous démontrons également que l’absence de Whirly et RECA1 entraine une forte augmentation de la quantité de réarrangements dans le génome du chloroplaste. De plus nous proposons que la polymérase POLIB est impliquée dans la même voie de réparation que RECA1. Finalement nous proposons un modèle pour expliquer nos résultats et impliquons RECA1 dans un mécanisme de réparation d’ADN et aussi un rôle potentiel dans la réplication.

Rôle de la topoisomérase I dans la stabilité du génome chez Escherichia coli

Les topoisomérases (topos) de type IA jouent un rôle primordial dans le maintien et l’organisation du génome. Cependant, les mécanismes par lesquels elles contrôlent cette stabilité génomique sont encore à approfondir. Chez E. coli, les deux principales topoisomérases de type IA sont la topo I (codée par le gène topA) et la topo III (codée par le gène topB). Il a déjà été montré que les cellules dépourvues des topos I et III formaient de très longs filaments dans lesquels les chromosomes ne sont pas bien séparés. Comme ces défauts de ségrégation des chromosomes sont corrigés par l’inactivation de la protéine RecA qui est responsable de la recombinaison homologue, il a été émis comme hypothèse que les topoisomérases de type IA avaient un rôle dans la résolution des intermédiaires de recombinaison afin de permettre la séparation des chromosomes. D’autre part, des études réalisées dans notre laboratoire démontrent que le rôle majeur de la topoisomérase I est d’empêcher la formation des R-loops durant la transcription, surtout au niveau des opérons rrn. Ces R-loops on été récemment identifiés comme des obstacles majeurs à l’avancement des fourches de réplication, ce qui peut provoquer une instabilité génomique. Nous avons des évidences génétiques montrant qu’il en serait de même chez nos mutants topA. Tout récemment, des études ont montré le rôle majeur de certaines hélicases dans le soutien aux fourches de réplication bloquées, mais aussi une aide afin de supprimer les R-loops. Chez E. coli, ces hélicases ont été identifiées et sont DinG, Rep et UvrD. Ces hélicases jouent un rôle dans la suppression de certains obstacles à la réplication. Le but de ce projet était de vérifier l’implication de ces hélicases chez le mutant topA en utilisant une approche génétique. Étonnamment, nos résultats montrent que la délétion de certains de ces gènes d’hélicases a pour effet de corriger plutôt que d’exacerber des phénotypes du mutants topA qui sont liés à la croissance et à la morphologie des nucléoides et des cellules. Ces résultats sont interprétés à la lumière de nouvelles fonctions attribuées aux topoisomérases de types IA dans la stabilité du génome.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.

Étude protéomique des partenaires d`interaction de XPA en présence et en absence de dommage à l`ADN

La réparation par excision de nucléotides (NER) permet l'élimination des lésions provoquant une distorsion de la double hélice de l’ADN. Ces lésions sont induites par plusieurs agents environnementaux comme les rayons UV, ainsi que par certaines drogues chimio- thérapeutiques tel que le cisplatine. Des défauts dans la NER conduisent à de rares maladies autosomiques héréditaires : La xérodermie pigmentaire (XP), le syndrome de Cockayne (CS), le syndrome de sensibilité aux UVSS et la trichothiodystrophie (TTD). Ces maladies sont associées soit à une prédisposition élevée au cancer de la peau et / ou à de graves anomalies du développement neurologique. Le groupe de patients XP-A représente le deuxième groupe (XP) le plus fréquent, et possède la forme la plus sévère combinant cancer de la peau avec un haut risque de dégénérescence neurologique. À date, aucune explication n`a été proposée pour les symptômes neurologiques observés chez ces patients. Nous avions suggéré ainsi que la protéine XPA possède d`autres fonctions dans d`autres processus cellulaires, ceci en interagissant avec des partenaires protéiques différents de ceux déjà connus. Afin de confirmer cette hypothèse nous avions réalisé une étude protéomique à grande échelle en combinant la spectrométrie de masse à une immunoprécipitation en Tandem d`affinité (TAP), afin d`identifier de nouvelles protéines interagissant directement avec XPA. Nous avions montré que XPA peut interagir avec MRE11, la protéine clé de la réparation par recombinaison homologue. Des études additionnelles sont requises pour confirmer cette interaction et comprendre sa fonction

Molecular studies on a Dictyostelium homolog of the tafazzin gene, the cause of Barth syndrome in humans

Der eukaryotische Mikroorganismus Dictyostelium discoideum lebt als einzellige Amöbe solange ausreichende Nahrungsressourcen zur Verfügung stehen. Sobald Nahrungsmangel eintritt, entwickeln sich die Zellen von einem einzelligen zu einem mehrzelligen Zustand, der mit einem multizellulären Fruchtkörper abschließt. Dieser Prozess wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Signale organisiert, die eine differentielle Genexpression regulieren. Die Gene der Discoidin I Familie gehören zu den Ersten, die im Laufe des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs (engl. GDT) aktiviert werden. Sie eignen sich daher vorzüglich als Marker für den Beginn der Entwicklung. Mit Hilfe einer REMI-Mutagenese und Discoidin I als molekularem Marker sind verschiedene Komponenten des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs in unserer Arbeitsgruppe identifiziert worden (Zeng et al., 2000 A und B; Riemann und Nellen, persönliche Mitteilung). Mit demselben Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit eine REMI-Mutante identifiziert, die eine Fehl-Expression von Discoidin zeigte und einen axenischen Wachstumsdefekt bei 15 °C aufwies. Das Gen wurde als Homolog zum humanen Tafazzin-Gen identifiziert. Dieses Gen wurde zur Rekonstruktion des Phänotyps über homologe Rekombination erneut disruptiert, was wie erwartet zu dem zuerst beschriebenen Phänotyp führte. Folgerichtig ergab eine Überexpression des Gens in den Mutanten eine Komplementation des Phänotyps. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine mitochondriale Lokalisation des Dictyostelium discoideum Taffazzin Proteins. Dass ein mitochondriales Protein in Zusammenhang mit dem Wachstums-Differenzierungs-Übergang steht, ist ein unerwarteter Befund, der aber als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass Mitochondrien einen direkten Einfluss auf die entwicklungsspezifische Signaltransduktion ausüben. Die Taffazzin Disruptions-Mutante in Dictyostelium führte zu einem abnormalen Cardiolipin Metabolismus. Dieses Phospholipid ist ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und für die Funktion verschiedener Enzyme erforderlich. Unsere vorläufigen Analysen des Phospholipid-Gehalts zeigten Übereinstimmung mit Daten von Patienten mit Barth-Syndrom, einer humanen Erkrankung, bei der das Taffazzin-Gen Mutationen aufweist, und mit Hefe-Mutanten dieses Gens. Dies zeigt den Wert von Dictyostelium discoideum als einen weiteren Modelorganismus zur Untersuchung des Barth-Syndroms und zur Erprobung möglicher Therapieansätze.

On the function of the Dictyostelium Argonaute A protein (AgnA) in epigenetic gene regulation

With molecular biology methods and bioinformatics, the Argonaute proteins in Dictyostelium discoideum were characterized, and the function of the AgnA protein in RNAi and DNA methylation was investigated, as well as cellular features. Also interaction partners of the PAZ-Piwi domain of AgnA (PAZ-PiwiAgnA) were discovered. The Dictyostelium genome encodes five Argonaute proteins, termed AgnA/B/C/D/E. The expression level of Argonaute proteins was AgnB/D/E > AgnA > AgnC. All these proteins contain the characteristic conserved of PAZ and Piwi domains. Fluorescence microscopy revealed that the overexpressed C-terminal GFP-fusion of PAZ-PiwiAgnA (PPWa-GFP) localized to the cytoplasm. Overexpression of PPWa-GFP leaded to an increased gene silencing efficiency mediated by RNAi but not by antisense RNA. This indicated that PAZ-PiwiAgnA is involved in the RNAi pathway, but not in the antisense pathway. An analysis of protein-protein interactions by a yeast-two-hybrid screen on a cDNA library from vegetatively grown Dictyostelium revealed that several proteins, such as EF2, EF1-I, IfdA, SahA, SamS, RANBP1, UAE1, CapA, and GpdA could interact with PAZ-PiwiAgnA. There was no interaction between PAZ-PiwiAgnA and HP1, HelF and DnmA detected by direct yeast-two-hybrid analysis. The fluorescence microscopy images showed that the overexpressed GFP-SahA or IfdA fusion proteins localized to both cytoplasm and nuclei, while the overexpressed GFP-SamS localized to the cytoplasm. The expression of SamS in AgnA knock down mutants was strongly down regulated on cDNA and mRNA level in, while the expression of SahA was only slightly down regulated. AgnA knock down mutants displayed defects in growth and phagocytosis, which suggested that AgnA affects also cell biological features. The inhibition of DNA methylation on DIRS-1 and Skipper retroelements, as well as the endogenous mvpB and telA gene, observed for the same strains, revealed that AgnA is involved in the DNA methylation pathway. Northern blot analysis showed that Skipper and DIRS-1 were rarely expressed in Ax2, but the expression of Skipper was upregulated in AgnA knock down mutants, while the expression of DIRS-1 was not changed. A knock out of the agnA gene failed even though the homologous recombination of the disruption construct occurred at the correct site, which indicated that there was a duplication of the agnA gene in the genome. The same phenomenon was also observed in ifdA knock out experiments.

DNA methylation in Dictyostelium discoideum

DNA methyltransferases of type Dnmt2 are a highly conserved protein family with enigmatic function. The aim of this work was to characterize DnmA, the Dnmt2 methyltransferase in Dictyostelium discoideum, and further to investigate its implication in DNA methylation and transcriptional gene silencing. The genome of the social amoeba Dictyostelium encodes DnmA as the sole DNA methyltransferase. The enzyme bears all ten characteristic DNA methyltransferase motifs in its catalytic domain. The DnmA mRNA was found by RT-PCR to be expressed during vegetative growth and down regulated during development. Investigations using fluorescence microscopy showed that both DnmA-myc and DnmA-GFP fusions predominantly localised to the nucleus. The function of DnmA remained initially unclear, but later experiment revealed that the enzyme is an active DNA methyltransferase responsible for all DNA (cytosine) methylation in Dictyostelium. Neither in gel retardation assays, nor by the yeast two hybrid system, clues on the functionality of DnmA could be obtained. However, immunological detection of the methylation mark with an α - 5mC antibody gave initial evidence that the DNA of Dictyostelium was methylated. Furthermore, addition of 5-aza-cytidine as demethylating agent to the Dictyostelium medium and subsequent in vitro incubation of the DNA isolated from these cells with recombinant DnmA showed that the enzyme binds slightly better to this target DNA. In order to investigate further the function of the protein, a gene knock-out for dnmA was generated. The gene was successfully disrupted by homologous recombination, the knock-out strain, however, did not show any obvious phenotype under normal laboratory conditions. To identify specific target sequences for DNA methylation, a microarray analysis was carried out. Setting a threshold of at least 1.5 fold for differences in the strength of gene expression, several such genes in the knock-out strain were chosen for further investigation. Among the up-regulated genes were the ESTs representing the gag and the RT genes respectively of the retrotransposon skipper. In addition Northern blot analysis confirmed the up-regulation of skipper in the DnmA knock-out strain. Bisufite treatment and sequencing of specific DNA stretches from skipper revealed that DnmA is responsible for methylation of mostly asymmetric cytosines. Together with skipper, DIRS-1 retrotransposon was found later also to be methylated but was not present on the microarray. Furthermore, skipper transcription was also up-regulated in strains that had genes disrupted encoding components of the RNA interference pathway. In contrast, DIRS 1 expression was not affected by a loss of DnmA but was strongly increased in the strain that had the RNA directed RNA polymerase gene rrpC disrupted. Strains generated by propagating the usual wild type Ax2 and the DnmA knock-out cells over 16 rounds in development were analyzed for transposon activity. Northern blot analysis revealed activation for skipper expression, but not for DIRS-1. A large number of siRNAs were found to be correspondent to the DIRS-1 sequence, suggesting concerted regulation of DIRS-1 expression by RNAi and DNA methylation. In contrast, no siRNAs corresponding to the standard skipper element were found. The data show that DNA methylation plays a crucial role in epigenetic gene regulation in Dictyostelium and that different, partially overlapping mechanisms control transposon silencing for skipper and DIRS-1. To elucidate the mechanism of targeting the protein to particular genes in the Dictyostelium genome, some more genes which were up-regulated in the DnmA knock-out strain were analyzed by bisulfite sequencing. The chosen genes are involved in the multidrug response in other species, but their function in Dictyostelium is uncertain. Bisulfite data showed that two of these genes were methylated at asymmetrical C-residues in the wild type, but not in DnmA knock-out cells. This suggested that DNA methylation in Dictyostelium is involved not only in transposon regulation but also in transcriptional silencing of specific genes.

Heterochromatin und epigenetische Kontrolle der Centromere in Dictyostelium discoideum

Heterochromatin Protein 1 (HP1) is an evolutionarily conserved protein required for formation of a higher-order chromatin structures and epigenetic gene silencing. The objective of the present work was to functionally characterise HP1-like proteins in Dictyostelium discoideum, and to investigate their function in heterochromatin formation and transcriptional gene silencing. The Dictyostelium genome encodes three HP1-like proteins (hcpA, hcpB, hcpC), from which only two, hcpA and hcpB, but not hcpC were found to be expressed during vegetative growth and under developmental conditions. Therefore, hcpC, albeit no obvious pseudogene, was excluded from this study. Both HcpA and HcpB show the characteristic conserved domain structure of HP1 proteins, consisting of an N-terminal chromo domain and a C-terminal chromo shadow domain, which are separated by a hinge. Both proteins show all biochemical activities characteristic for HP1 proteins, such as homo- and heterodimerisation in vitro and in vivo, and DNA binding activtity. HcpA furthermore seems to bind to K9-methylated histone H3 in vitro. The proteins thus appear to be structurally and functionally conserved in Dictyostelium. The proteins display largely identical subnuclear distribution in several minor foci and concentration in one major cluster at the nuclear periphery. The localisation of this cluster adjacent to the nucleus-associated centrosome and its mitotic behaviour strongly suggest that it represents centromeric heterochromatin. Furthermore, it is characterised by histone H3 lysine-9 dimethylation (H3K9me2), which is another hallmark of Dictyostelium heterochromatin. Therefore, one important aspect of the work was to characterise the so-far largely unknown structural organisation of centromeric heterochromatin. The Dictyostelium homologue of inner centromere protein INCENP (DdINCENP), co-localized with both HcpA and H3K9me2 during metaphase, providing further evidence that H3K9me2 and HcpA/B localisation represent centromeric heterochromatin. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed that two types of high-copy number retrotransposons (DIRS-1 and skipper), which form large irregular arrays at the chromosome ends, which are thought to contain the Dictyostelium centromeres, are characterised by H3K9me2. Neither overexpression of full-length HcpA or HcpB, nor deletion of single Hcp isoforms resulted in changes in retrotransposon transcript levels. However, overexpression of a C-terminally truncated HcpA protein, assumed to display a dominant negative effect, lead to an increase in skipper retrotransposon transcript levels. Furthermore, overexpression of this protein lead to severe growth defects in axenic suspension culture and reduced cell viability. In order to elucidate the proteins functions in centromeric heterochromatin formation, gene knock-outs for both hcpA and hcpB were generated. Both genes could be successfully targeted and disrupted by homologous recombination. Surprisingly, the degree of functional redundancy of the two isoforms was, although not unexpected, very high. Both single knock-out mutants did not show any obvious phenotypes under standard laboratory conditions and only deletion of hcpA resulted in subtle growth phenotypes when grown at low temperature. All attempts to generate a double null mutant failed. However, both endogenous genes could be disrupted in cells in which a rescue construct that ectopically expressed one of the isoforms either with N-terminal 6xHis- or GFP-tag had been introduced. The data imply that the presence of at least one Hcp isoform is essential in Dictyostelium. The lethality of the hcpA/hcpB double mutant thus greatly hampered functional analysis of the two genes. However, the experiment provided genetic evidence that the GFP-HcpA fusion protein, because of its ability to compensate the loss of the endogenous HcpA protein, was a functional protein. The proteins displayed quantitative differences in dimerisation behaviour, which are conferred by the slightly different hinge and chromo shadow domains at the C-termini. Dimerisation preferences in increasing order were HcpA-HcpA << HcpA-HcpB << HcpB-HcpB. Overexpression of GFP-HcpA or a chimeric protein containing the HcpA C-terminus (GFP-HcpBNAC), but not overexpression of GFP-HcpB or GFP-HcpANBC, lead to increased frequencies of anaphase bridges in late mitotic cells, which are thought to be caused by telomere-telomere fusions. Chromatin targeting of the two proteins is achieved by at least two distinct mechanisms. The N-terminal chromo domain and hinge of the proteins are required for targeting to centromeric heterochromatin, while the C-terminal portion encoding the CSD is required for targeting to several other chromatin regions at the nuclear periphery that are characterised by H3K9me2. Targeting to centromeric heterochromatin likely involves direct binding to DNA. The Dictyostelium genome encodes for all subunits of the origin recognition complex (ORC), which is a possible upstream component of HP1 targeting to chromatin. Overexpression of GFP-tagged OrcB, the Dictyostelium Orc2 homologue, showed a distinct nuclear localisation that partially overlapped with the HcpA distribution. Furthermore, GFP-OrcB localized to the centrosome during the entire cell cycle, indicating an involvement in centrosome function. DnmA is the sole DNA methyltransferase in Dictyostelium required for all DNA(cytosine-)methylation. To test for its in vivo activity, two different cell lines were established that ectopically expressed DnmA-myc or DnmA-GFP. It was assumed that overexpression of these proteins might cause an increase in the 5-methyl-cytosine(5-mC)-levels in the genomic DNA due to genomic hypermethylation. Although DnmA-GFP showed preferential localisation in the nucleus, no changes in the 5-mC-levels in the genomic DNA could be detected by capillary electrophoresis.

Gene conversion and evolution of Xq28 duplicons involved in recurring inversions causing severe hemophilia A

Inversions breaking the 1041 bp int1h-1 or the 9.5-kb int22h-1 sequence of the F8 gene cause hemophilia A in 1/30,000 males. These inversions are due to homologous recombination between the above sequences and their inverted copies on the same DNA molecule, respectively, int1h-2 and int22h-2 or int22h-3. We find that (1) int1h and int22h duplicated more than 25 million years ago; (2) the identity of the copies (>99%) of these sequences in humans and other primates is due to gene conversion; (3) gene conversion is most frequent in the internal regions of int22h; (4) breakpoints of int22h-related inversions also tend to involve the internal regions of int22h; (5) sequence variations in a sample of human X chromosomes defined eight haplotypes of int22h-1 and 27 of int22h-2 plus int22h-3; (6) the latter two sequences, which lie, respectively, 500 and 600 kb telomeric to int22h-1 are five-fold more identical when in cis than when in trans, thus suggesting that gene conversion may be predominantly intrachromosomal; (7) int1h, int22h, and flanking sequences evolved at a rate of about 0.1% substitutions per million years during the divergence between humans and other primates, except for int1h during the human-chimpanzee divergence, when its rate of evolution was significantly lower. This is reminiscent of the slower evolution of palindrome arms in the male specific regions of the Y chromosome and we propose, as an explanation, that intrachromosomal gene conversion and cosegregation of the duplicated regions favors retention of the ancestral sequence and thus reduces the evolution rate.

Secondary structure prediction with support vector machines

Motivation: A new method that uses support vector machines (SVMs) to predict protein secondary structure is described and evaluated. The study is designed to develop a reliable prediction method using an alternative technique and to investigate the applicability of SVMs to this type of bioinformatics problem. Methods: Binary SVMs are trained to discriminate between two structural classes. The binary classifiers are combined in several ways to predict multi-class secondary structure. Results: The average three-state prediction accuracy per protein (Q3) is estimated by cross-validation to be 77.07 ± 0.26% with a segment overlap (Sov) score of 73.32 ± 0.39%. The SVM performs similarly to the 'state-of-the-art' PSIPRED prediction method on a non-homologous test set of 121 proteins despite being trained on substantially fewer examples. A simple consensus of the SVM, PSIPRED and PROFsec achieves significantly higher prediction accuracy than the individual methods. Availability: The SVM classifier is available from the authors. Work is in progress to make the method available on-line and to integrate the SVM predictions into the PSIPRED server.