Products of DNA mismatch repair genes mutS and mutL are required for transcription-coupled nucleotide-excision repair of the lactose operon in Escherichia coli.

To improve our understanding of the mechanism that couples nucleotide-excision repair to transcription in expressed genes, we have examined the effects of mutations in several different DNA repair genes on the removal of cyclobutane pyrimidine dimers from the individual strands of the induced lactose operon in UV-irradiated Escherichia coli. As expected, we found little repair in either strand of the lactose operon in strains with mutations in established nucleotide excision-repair genes (uvrA, uvrB, uvrC, or uvrD). In contrast, we found that mutations in either of two genes required for DNA-mismatch correction (mutS and mutL) selectively abolish rapid repair in the transcribed strand and render the cells moderately sensitive to UV irradiation. Similar results were found in a strain with a mutation in the mfd gene, the product of which has been previously shown to be required for transcription-coupled repair in vitro. Our results demonstrate an association between mismatch-correction and nucleotide-excision repair and implicate components of DNA-mismatch repair in transcription-coupled repair. In addition, they may have important consequences for human disease and may enhance our understanding of the etiology of certain cancers which have been associated with defects in mismatch correction.

Mutagenic specificity of solar UV light in nucleotide excision repair-deficient rodent cells.

To investigate the role of nucleotide excision repair (NER) in the cellular processing of carcinogenic DNA photoproducts induced by defined, environmentally relevant portions of the solar wavelength spectrum, we have determined the mutagenic specificity of simulated sunlight (310-1100 nm), UVA (350-400 nm), and UVB (290-320 nm), as well as of the "nonsolar" model mutagen 254-nm UVC, at the adenine phosphoribosyltransferase (aprt) locus in NER-deficient (ERCC1) Chinese hamster ovary (CHO) cells. The frequency distributions of mutational classes induced by UVB and by simulated sunlight in repair-deficient CHO cells were virtually identical, each showing a marked increase in tandem CC-->TT transitions relative to NER-proficient cells. A striking increase in CC-->TT events was also previously documented for mutated p53 tumor-suppressor genes from nonmelanoma tumors of NER-deficient, skin cancer-prone xeroderma pigmentosum patients, compared to normal individuals. The data therefore indicate that the aprt gene in NER-deficient cultured rodent cells irradiated with artificial solar light generates the same distinctive "fingerprint" for sunlight mutagenesis as the p53 locus in NER-deficient humans exposed to natural sunlight in vivo. Moreover, in strong contrast to the situation for repair-component CHO cells, where a significant role for UVA was previously noted, the mutagenic specificity of simulated sunlight in NER-deficient CHO cells and of natural sunlight in humans afflicted with xeroderma pigmentosum can be entirely accounted for by the UVB portion of the solar wavelength spectrum.

Phosphorylated and unphosphorylated forms of human single-stranded DNA-binding protein are equally active in simian virus 40 DNA replication and in nucleotide excision repair.

The trimeric human single-stranded DNA-binding protein (HSSB; also called RP-A) plays an essential role in DNA replication, nucleotide excision repair, and homologous DNA recombination. The p34 subunit of HSSB is phosphorylated at the G1/S boundary of the cell cycle or upon exposure of cells to DNA damage-inducing agents including ionizing and UV radiation. We have previously shown that the phosphorylation of p34 is catalyzed by both cyclin-dependent kinase-cyclin A complex and DNA-dependent protein kinase. In this study, we investigated the effect of phosphorylation of p34 by these kinases on the replication and repair function of HSSB. We observed no significant difference with the unphosphorylated and phosphorylated forms of HSSB in the simian virus 40 DNA replication or nucleotide excision repair systems reconstituted with purified proteins. The phosphorylation status of the p34 subunit of HSSB was unchanged during the reactions. We suggest that the phosphorylated HSSB has no direct effect on the basic mechanism of DNA replication and nucleotide excision repair reactions in vitro, although we cannot exclude a role of p34 phosphorylation in modulating HSSB function in vivo through a yet poorly understood control pathway in the cellular response to DNA damage and replication.

Reduced excision repair cross-complementing 1 expression associates with enhanced papilloma formation and fibroblast transformation after genetic disruption of secreted protein acidic and rich in cysteine

SPARC (secreted protein acidic and rich in cysteine)/ osteonectin/BM-40 is a matricellular protein implicated in development, cell transformation and tumorigenesis. We have examined the role of SPARC in cell transformation induced chemically with 7,12-dimethylbenz[a]anthracene (DMBA) and 12- tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA) in embryonic fibroblasts and in the skin of mice. Embryonic fibroblasts from SPARCnull mice showed increases in cell proliferation, enhanced sensitivity to DMBA and a higher number of DMBA/TPA-induced transformation foci. The number of DMBA-DNA adducts was 9 times higher in SPARCnull fibroblasts and their stability was lower than wild-type fibroblasts, consistent with a reduction in excision repair cross-complementing 1 the nucleotide excision repair enzyme in these cells. The SPARCnull mice showed an increase in both the speed and number of papillomas forming after topical administration of DMBA/TPA to the skin. These papillomas showed reduced growth and reduced progression to a more malignant phenotype, indicating that the effect of SPARC on tumorigenesis depends upon the transformation stage and/or tissue context. These data reinforce a growing number of observations in which SPARC has shown opposite effects on different tumor types/stages.

A review of excision repair cross-complementation group 1 in colorectal cancer

Oxaliplatin-based chemotherapy is the standard of care in patients with high-risk stage II and stage III colorectal cancer as well as in patients with advanced disease. Unfortunately, a large proportion of patients offered oxaliplatin fail to benefit from it. In the era of personalized treatment, there are strong efforts to identify biomarkers that will predict efficacy to oxaliplatin-based treatments. Excision repair cross-complementation group 1 (ERCC1) is a key element in the nucleotide excision repair (NER) pathway, which is responsible for repairing DNA adducts induced by platinum compounds. ERCC1 has recently been shown to be closely associated with outcome in patients with non-small-cell lung cancer (NSCLC): both high ERCC1 protein and gene expression are associated with resistance to cisplatin-based chemotherapy and better outcome without treatment. Therefore, ERCC1 has the potential to be used as a strong candidate biomarker, both predictive and prognostic, for colorectal cancer. This review will focus on the preclinical and clinical evidences supporting ERCC1 as a major molecule in oxaliplatin resistance. In addition, the important technologies used to assess ERCC1 gene and protein expression will be highlighted.

Régulation dépendante du cycle cellulaire de la réparation par excision de nucléotides

La réparation par excision de nucléotides (NER) est une voie critique chez l'homme pour enlever des lésions qui déforment l’hélice d'ADN et qui bloquent à la fois la réplication et la transcription. Parmi ces lésions, il y a les dimères cyclobutyliques de pyrimidines (CPDs) et les adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4PPs) induient par les rayons ultraviolets. L'importance physiologique de la NER est mise en évidence par l’existence de la maladie Xeroderma pigmentosum (XP), causée par des mutations affectant des gènes impliqués dans cette voie de réparation. Les personnes atteintes sont caractérisées par une photosensibilité extrême et une forte prédisposition à développer des tumeurs cutanées (plus de 1000 fois). Les patients atteints du type variant de la maladie Xeroderma pigmentosum (XPV), apparemment compétents en réparation, portent plutôt des mutations dans le gène codant pour l'ADN polymérase η (polη). Polη est une ADN polymérase translésionnelle capable de contourner avec une grande fidélité certaines lésions telles que les CPDs, qui autrement bloquent les polymérases réplicatives. Ainsi, la polη prévient la formation de mutations et permet la reprise de la synthèse d'ADN. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer le rôle potentiel de voies de signalisation majeures dans la régulation de la NER, dont celles régulées par la kinase ATR (Ataxia Télangiectasia and Rad3-related kinase). Suite à l'irradiation UV, ATR est rapidement activée et phosphoryle des centaines de protéines qui régulent les points de contrôle du cycle cellulaire et joue un rôle notoire dans le maintient de la stabilité génomique. Nous avons postulé qu’ATR puisse réguler la NER de manière dépendante du cycle cellulaire. Cependant, tester cette hypothèse représente un grand défi car, pour des raisons techniques, les méthodes conventionnelles n’ont pas à ce jour été adaptées pour l'évaluation de la cinétique de réparation au cours des différentes phases du cycle cellulaire. Nous avons donc développé une méthode novatrice basée sur la cytométrie en flux permettant de quantifier avec grande précision la cinétique de réparation des 6-4PPs et CPDs dans chacune des phases G0/G1, S et G2/M. Avec cette nouvelle méthode, nous avons pu démontrer que l'inhibition d'ATR ou polη résulte en une très forte inhibition de la NER exclusivement durant la phase S du cycle cellulaire. Ces études ont révélé, pour la première fois, une fonction critique pour ces protéines dans le retrait des lésions qui bloquent la réplication. En outre, nous avons démontré que la synthèse d'ADN est indispensable pour l’inhibition de la réparation en phase-S, reflétant un lien potentiel entre la NER et la réplication. Curieusement, nous avons également montré que parmi six lignées cellulaires tumorales choisies aléatoirement, trois présentent une abrogation totale de la NER uniquement pendant la phase S, ce qui indique que de nombreux cancers humains pourraient être caractérisés par un tel défaut. Nos observations pourraient avoir d'importantes implications pour le traitement du cancer. En effet, le statut de la NER semble constituer un déterminant majeur dans la réponse clinique aux médicaments chimiothérapeutiques tels que le cisplatine, qui inhibent la croissance des cellules cancéreuses via l'induction de lésions à l’ADN.

Réparation par excision de nucléotides spécifique au cycle cellulaire : implications pour la résistance à la chimiothérapie dans le cancer de l'ovaire humain

Le cancer de l’ovaire est un cancer ayant un taux de décès particulièrement élevé. Les patientes répondent habituellement bien aux traitements chimiothérapeutiques mais la majorité connaîtront une rechute. Plusieurs mécanismes ont été identifiés comme partiellement responsables du développement de la résistance clinique à la chimiothérapie, dont la réparation plus efficace de l’ADN par la réparation par excision de nucléotides (NER). L'un des agents communément utilisés pour traiter ce cancer est le cisplatine, qui induit des dommages à l'ADN réparés par le NER. Une étude précédente de notre laboratoire a démontré qu'une déficience uniquement en phase S de la réparation par le NER peut se produire. Cette déficience est aussi dépendante de la kinase ATR. Nous avons choisi de déterminer si cette déficience est présente dans certains cas de cancer de l’ovaire et si cette déficience joue un rôle sur la résistance à la chimiothérapie. Nos objectifs sont donc : (i) vérifier la présence de cette déficience dans diverses lignées isolées du cancer de l’ovaire ; (ii) vérifier si le traitement chimiothérapeutique par des agents à base de platine peut favoriser la survie de cellules ayant une meilleure capacité de réparation par le NER; (iii) mesurer la sensibilité de ces lignées au cisplatine et vérifier si ceci corrèle avec leur capacité de réparation par le NER en phase S; (iv) déterminer si cette déficience est causée par la kinase ATR dans ces lignées. Nous avons déterminé qu’une déficience importante de la réparation par le GG-NER en phase S est présente dans de nombreuses lignées. De plus, des lignées isolées d’une même patiente pré-chimiothérapie et post-chimiothérapie montrent une augmentation significative de leur capacité de réparation par le GG-NER en phase S, suggérant un rôle de ce processus dans la résistance à la chimiothérapie. Nous avons aussi démontré qu’il y a une corrélation entre la capacité de réparation en phase S par le GG-NER et la sensibilité des lignées au cisplatine. Toutefois, nos résultats suggèrent que cette déficience n’est pas causée par ATR dans ces lignées puisque la phosphorylation de H2AX en réponse aux UV est similaire dans toutes les lignées. En plus d’un important apport fondamental, cette étude permettra d’étudier un potentiel mécanisme de résistance aux traitements chimiothérapeutiques dans le cancer de l’ovaire humain.

Réparation par excision de nucléotides des dommages induits par rayons ultraviolets dans les mélanomes humains

Les mélanomes malins (MM) constituent le deuxième type de cancer le plus fréquent chez les jeunes adultes canadiens (entre 20 et 44 ans) ainsi qu’un des rares cancers dont l’incidence augmente annuellement. À moins que les MM ne soient excisés à temps par chirurgie, les chances de survie des patients sont pratiquement nulles puisque ce type de tumeur est très réfractaire aux traitements conventionnels. Il est bien connu que l’exposition aux rayons ultraviolets (UV), induisant des photoproduits génotoxiques, est une déterminante majeure dans l’acquisition de MM. À cet effet, la réparation par excision de nucléotides (NER) est la ligne de défense principale contre le développement des mélanomes puisqu’elle est la voie de réparation prépondérante en ce qui a trait aux dits photoproduits. Malgré cela, la contribution potentielle de défauts de la NER au développement des MM dans la population normale n’est toujours pas bien établie. Notre laboratoire a précédemment développé une méthode basée sur la cytométrie de flux qui permet de mesurer la NER en fonction du cycle cellulaire. Cette méthode a déjà mise en évidence qu’une déficience de l’activité de la protéine ATR peut mener à une déficience de la NER exclusive à la phase S dans des fibroblastes humains. Pareillement, nous avons démontré que plusieurs lignées cellulaires cancéreuses modèles comportent une déficience en NER en phase S, suggérant qu’une telle déficience puisse caractériser certains types de cancers. Nous avons voulu savoir si une déficience en NER en phase S pouvait être associée à une proportion significative de mélanomes et si le tout pouvait être attribuable à une diminution de l’activité d’ATR. Nos objectifs ont donc été de : (i) mesurer l’efficacité de la NER en fonction du cycle cellulaire dans les MM en comparaison avec les mélanocytes primaires, (ii) vérifier si le niveau d’activité d’ATR corrèle avec l’efficacité de la NER en phase S dans les lignées de MM et (iii) voir si un gène fréquemment muté dans les mélanomes (tels PTEN et BRAF) pouvait coopérer avec ATR pour réguler la NER en phase S dans les mélanomes. Nous avons démontré que 13 lignées de MM sur 16 ont une capacité grandement diminuée à réparer les photoproduits induits par UV spécifiquement en phase S. De plus, cette déficience corrèle fortement avec une réduction de l’activation d’ATR et, dans plusieurs lignées de MM, avec une phosphorylation d’Akt plus importante. L’utilisation d’ARN interférent ou d’un inhibiteur du suppresseur de tumeurs PTEN, a permis, en plus d’augmenter la phosphorylation d’Akt, de réduire la réparation des photoproduits et l’activation d’ATR dans les cellules en phase S. En addition, (i) l’expression ectopique de la protéine PTEN sauvage dans des lignées déficientes en PTEN (mais pas d’une protéine PTEN sans activité phosphatase) ou (ii) l’inhibition pharmacologique d’Akt a permis d’augmenter la réparation en phase S ainsi que l’activation d’ATR. En somme, cette étude démontre qu’une signalisation d’ATR dépendante de PTEN/Akt amenant à une réparation déficiente des photoproduits génomiques causés par les UV en phase S peut être déterminante dans le développement des mélanomes induits par UV.

Etude du rôle de la réponse UV sur le contrôle de la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages à l’ADN : rôle des voies MAPK et de l’ADN polymérase eta

La réponse cellulaire aux ultra-violets (UV), ou réponse UV, est une réponse complexe et spécialisée dans l’adaptation et la tolérance des dommages aux UV. Celle-ci est initiée par un grand nombre d’évènements moléculaires et de signalisation nucléaire mais aussi au niveau de la membrane plasmique ou du cytoplasme. L’importance et l’influence exactes de ces évènements sur la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages UV à l’ADN sont encore mal comprises et doivent encore être méthodiquement démontrées. Dans cette thèse, grâce à l’utilisation d’une méthode sensible d’analyse de la réparation NER basée sur la cytométrie en flux, il est montré, dans un premier temps, que l’activité des voies MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases), qui sont des voies de signalisation de stress UV d’origine cytoplsamique, ne participent pas à l’efficacité de réparation NER des dommages UV dans les cellules humaines. En effet, l’abrogation de la signalisation MAPK, par inhibition pharmacologique, par utilisation de mutants dominant-négatifs ou par inhibition de leur expression endogène, ne révèlent aucun changement de la cinétique de réparation des dommages UV par excision de nucléotides. Cependant, l’utilisation de cette même méthode de réparation, mais cette fois, appliquée pour l’étude de réparation NER en fonction du cycle cellulaire, a permis de mettre en évidence la nécessité fonctionnelle de l’ADN polymérase translésionnelle eta (Pol η) dans la réparation NER des dommages UV, uniquement en phase S. Cette observation fut initialement caractérisée dans les cellules de patients affectés du syndrome variant de xérodermie pigmentaire (XP-V) puis, confirmée ensuite par l’inhibition de l’expression de Pol η endogène ou par la complémentation avec des mutants non-fonctionnels dans les cellules XP-V. Ces résultats indiquent que, contrairement à la réponse UV MAPK cytoplasmique, les évènements nucléaires comme la synthèse translésionnelle, peuvent influencer l’efficacité de réparation NER en phase S. Plus particulièrement, ces données établissent un lien possible entre la réparation NER en phase S et les niveaux de stress réplicatifs, révélé ici par la déficience fonctionnelle Pol η ou ATR. Les observations, présentées dans cette thèse, renforcent un rôle du point de contrôle S aux UV sur l’efficacité de la réparation NER et suggèrent que l’inhibition NER, observée en phase S dans les cellules XP-V, est modulée par le stress réplicatif. Un tel moyen de contrôle pourrait avoir une action plutôt protectrice pendant cette phase critique du cycle cellulaire. Mots clés: UV, translésionnelle, eta, MAPK, NER, CPD, cytométrie, phase-S, tolérance.

Déficience dans la réparation par excision de nucléotides en phase S induite par la séquestration du facteur de réplication RPA

Introduction Les lésions induites par les rayons UV peuvent causer des blocages dans la réplication de l'ADN. Ces dommages sont éliminés par le processus moléculaire très conservé de réparation par excision de nucléotides (NER). Nous avons précédemment démontré que la protéine ATR, une kinase majeure impliquée dans le stress réplicatif, est requise pour une NER efficace, et ce exclusivement durant la phase S. Des résultats subséquents ont suggéré que ce prérequis n’était pas lié à la réponse induite par ATR, mais plutôt d’une conséquence globale causée par la présence de stress réplicatif. En ce sens, nous mettons l’emphase qu’après irradiation UV, le complexe RPA joue un rôle crucial dans l'activation des mécanismes de NER ainsi que dans le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Hypothèses: En général, les mutations qui confèrent une augmentation du stress réplicatif engendrent une séquestration excessive du facteur RPA aux fourches de réplication bloquées ce qui réduit son accessibilité pour le NER. Méthodes et résultats: Le modèle de la levure a été choisi pour vérifier cette hypothèse. Nous avons développé un essai de NER spécifique à chacune des phases du cycle cellulaire pour démontrer que les cellules déficientes en Mec1, l’homologue d’ATR, sont défectives dans la réparation par excision de nucléotides spécifiquement en phase S. De plus, plusieurs autres mutants de levure, caractérisés par un niveau de dommages spontanés élevé, ont aussi exhibé un défaut similaire. Ces mutants ont démontré une fréquence et une intensité de formation de foyers de RPA plus élevée. Finalement, une diminution partielle de RPA dans les levures a induit un défaut significatif dans le NER spécifiquement durant la phase S. Conclusion: Nos résultats supportent la notion que la séquestration de RPA aux fourches de réplication endommagées durant la phase S prévient son utilisation pour la réparation par excision de nucléotides ce qui inhibe fortement l'efficacité de réparation. Cette étude chez la levure facilite l’élucidation du phénomène analogue chez l’humain et, ultimement, comprend des implications majeures dans la compréhension du mécanisme de développement des cancers UV-dépendants.

The mitochondrial transcription factor A functions in mitochondrial base excision repair

Mitochondrial transcription factor A (TFAM) is an essential component of mitochondrial nucleoids TFAM plays an important role in mitochondrial transcription and replication TFAM has been previously reported to inhibit nucleotide excision repair (NER) in vitro but NER has not yet been detected in mitochondria, whereas base excision repair (BER) has been comprehensively characterized in these organelles The BER proteins are associated with the inner membrane in mitochondria and thus with the mitochondrial nucleoid, where TFAM is also situated However, a function for TFAM in BER has not yet been investigated This study examines the role of TFAM in BER In vitro studies with purified recombinant TFAM indicate that it preferentially binds to DNA containing 8-oxoguanines, but not to abasic sites, uracils, or a gap in the sequence TFAM inhibited the in vitro incision activity of 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1), uracil-DNA glycosylase (UDG), apurinic endonuclease 1 (APE1), and nucleotide incorporation by DNA polymerase gamma (pol gamma) On the other hand, a DNA binding-defective TFAM mutant, L58A, showed less inhibition of BER in vitro Characterization of TFAM knockdown (KD) cells revealed that these lysates had higher 8oxoG incision activity without changes in alpha OGG1 protein levels TFAM KD cells had mild resistance to menadione and increased damage accumulation in the mtDNA when compared to the control cells In addition, we found that the tumor suppressor p53, which has been shown to interact with and alter the DNA binding activity of TFAM, alleviates TFAM-Induced inhibition of BER proteins Together, the results suggest that TFAM modulates BER in mitochondria by virtue of its DNA binding activity and protein interactions Published by Elsevier B V

Consequences of DNA damage for gene transcription : direct effects of modified nucleobases and the role of base excision repair = Folgen von DNA-Schäden für die Gentranskription

The presence of damaged nucleobases in DNA can negatively influence transcription of genes. One of the mechanisms by which DNA damage interferes with reading of genetic information is a direct blockage of the elongating RNA polymerase complexes – an effect well described for bulky adducts induced by several chemical substances and UV-irradiation. However, other mechanisms must exist as well because many of the endogenously occurring non-bulky DNA base modifications have transcription-inhibitory properties in cells, whilstrnnot constituting a roadblock for RNA polymerases under cell free conditions. The inhibition of transcription by non-blocking DNA damage was investigated in this work by employing the reporter gene-based assays. Comparison between various types of DNA damage (UV-induced pyrimidine photoproducts, oxidative purine modifications induced by photosensitisation, defined synthetic modified bases such as 8-oxoguanine and uracil, and sequence-specific single-strand breaks) showed that distinct mechanisms of inhibition of transcription can be engaged, and that DNA repair can influence transcription of the affectedrngenes in several different ways.rnQuantitative expression analyses of reporter genes damaged either by the exposure of cells to UV or delivered into cells by transient transfection supported the earlier evidence that transcription arrest at the damage sites is the major mechanism for the inhibition of transcription by this kind of DNA lesions and that recovery of transcription requires a functional nucleotide excision repair gene Csb (ERCC6) in mouse cells. In contrast, oxidisedrnpurines generated by photosensitisation do not cause transcriptional blockage by a direct mechanism, but rather lead to transcriptional repression of the damaged gene which is associated with altered histone acetylation in the promoter region. The whole chain of events leading to transcriptional silencing in response to DNA damage remains to be uncovered. Yet, the data presented here identify repair-induced single-strand breaks – which arise from excision of damaged bases by the DNA repair glycosylases or endonucleases – as arnputative initiatory factor in this process. Such an indirect mechanism was supported by requirement of the 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) for the inhibition of transcription by synthetic 8-oxodG incorporated into a reporter gene and by the delays observed for the inhibition of transcription caused by structurally unrelated base modifications (8-oxoguanine and uracil). It is thereby hypothesized that excision of the modified bases could be a generalrnmechanism for inhibition of transcription by DNA damage which is processed by the base excision repair (BER) pathway. Further gene expression analyses of plasmids containing single-strand breaks or abasic sites in the transcribed sequences revealed strong transcription inhibitory potentials of these lesions, in agreement with the presumption that BER intermediates are largely responsible for the observed effects. Experiments with synthetic base modifications positioned within the defined DNA sequences showed thatrninhibition of transcription did not require the localisation of the lesion in the transcribed DNA strand; therefore the damage sensing mechanism has to be different from the direct encounters of transcribing RNA polymerase complexes with DNA damage.rnAltogether, this work provides new evidence that processing of various DNA basernmodifications by BER can perturb transcription of damaged genes by triggering a gene silencing mechanism. As gene expression can be influenced even by a single DNA damage event, this mechanism could have relevance for the endogenous DNA damage induced in cells under normal physiological conditions, with a possible link to gene silencing in general.

The cellular and molecular responses to a novel nucleotide analogue, GS-9219

GS-9219 is a cell-permeable double-prodrug of the acyclic nucleotide analogue 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)guanine (PMEG). The conversion of GS-9219 to its active metabolite, PMEG diphosphate (PMEGpp), involves several intracellular enzymatic reactions which reduces the concentration of nephrotoxic PMEG in plasma. PMEGpp competes with the natural substrate, dGTP, for incorporation by DNA polymerases. The lack of a 3'-hydroxyl moiety makes PMEGpp a de facto DNA chain-terminator. The incorporation of PMEGpp into DNA during DNA replication causes DNA chain-termination and stalled replication forks. Thus, the primary mechanism of action of GS-9219 in replicating cells is via DNA synthesis inhibition. GS-9219 has substantial antiproliferative activity against activated lymphocytes and tumor cell lines of hematological malignancies. Tumor cell proliferation was significantly reduced as measured by PET/CT scans in dogs with advanced-stage, spontaneously occurring non-Hodgkin's lymphoma (NHL).^ The hypothesis of this dissertation is that the incorporation of PMEGpp into DNA during repair re-synthesis would result in the inhibition of DNA repair and accumulation of DNA damage in chronic lymphocytic leukemia (CLL) cells and activate signaling pathways to cell death.^ To test this hypothesis, CLL cells were treated with DNA-damaging agents to stimulate nucleotide excision repair (NER) pathways, enabling the incorporation of PMEGpp into DNA. When NER was activated by UV, PMEGpp was incorporated into DNA in CLL cells. Following PMEGpp incorporation, DNA repair was inhibited and led to the accumulation of DNA strand breaks. The combination of GS-9219 and DNA-damaging agents resulted in more cell death than the sum of the single agents alone. The presence of DNA strand breaks activated the phosphatidylinositol 3-kinase-like protein kinase (PIKK) family members ataxia-telangiectasia mutated (ATM) and DNA-dependent protein kinase (DNA-PK). The activated ATM initiated signaling to the downstream target, p53, which was subsequently phosphorylated and accumulated to exert its apoptotic functions. P53-targeted pro-apoptotic genes, Puma and Bax, were upregulated and activated when DNA repair was inhibited, likely contributing to cell death. ^

Déficience dans la réparation par excision de nucléotides en phase S induite par la séquestration du facteur de réplication RPA

Introduction Les lésions induites par les rayons UV peuvent causer des blocages dans la réplication de l'ADN. Ces dommages sont éliminés par le processus moléculaire très conservé de réparation par excision de nucléotides (NER). Nous avons précédemment démontré que la protéine ATR, une kinase majeure impliquée dans le stress réplicatif, est requise pour une NER efficace, et ce exclusivement durant la phase S. Des résultats subséquents ont suggéré que ce prérequis n’était pas lié à la réponse induite par ATR, mais plutôt d’une conséquence globale causée par la présence de stress réplicatif. En ce sens, nous mettons l’emphase qu’après irradiation UV, le complexe RPA joue un rôle crucial dans l'activation des mécanismes de NER ainsi que dans le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Hypothèses: En général, les mutations qui confèrent une augmentation du stress réplicatif engendrent une séquestration excessive du facteur RPA aux fourches de réplication bloquées ce qui réduit son accessibilité pour le NER. Méthodes et résultats: Le modèle de la levure a été choisi pour vérifier cette hypothèse. Nous avons développé un essai de NER spécifique à chacune des phases du cycle cellulaire pour démontrer que les cellules déficientes en Mec1, l’homologue d’ATR, sont défectives dans la réparation par excision de nucléotides spécifiquement en phase S. De plus, plusieurs autres mutants de levure, caractérisés par un niveau de dommages spontanés élevé, ont aussi exhibé un défaut similaire. Ces mutants ont démontré une fréquence et une intensité de formation de foyers de RPA plus élevée. Finalement, une diminution partielle de RPA dans les levures a induit un défaut significatif dans le NER spécifiquement durant la phase S. Conclusion: Nos résultats supportent la notion que la séquestration de RPA aux fourches de réplication endommagées durant la phase S prévient son utilisation pour la réparation par excision de nucléotides ce qui inhibe fortement l'efficacité de réparation. Cette étude chez la levure facilite l’élucidation du phénomène analogue chez l’humain et, ultimement, comprend des implications majeures dans la compréhension du mécanisme de développement des cancers UV-dépendants.

Étude du comportement de la chromatine, de la régulation de la transcription et réparation des gènes de l’ARNr avant la réplication de l’ADN et assemblage de la réparation par excision de nucléotides chez Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Le nucléole est considéré comme étant une « usine » à produire des ribosomes. Cette production est la fonction la plus énergivore de la cellule. Elle met en jeu les trois ARN polymérases et représente 80% de l’activité de transcription au sein d’une cellule. Les trois quarts de cette activité de transcription correspondent à la synthèse des ARNr par l’ARN polymérase I (ARNPI). Ainsi mieux comprendre les mécanismes cellulaires se déroulant à l’intérieur de ce compartiment permettra le développement de nouveaux traitements contre le cancer. La synthèse d’ARNr par l’ARNPI est régulée à trois niveaux : l’initiation de la transcription, l’élongation et le nombre de gènes de l’ARNr en transcription. La plupart des travaux qui se sont intéressés à ces niveaux de régulation ont été réalisés avec des cellules en phase exponentielle de croissance. Au cours de mes travaux, je me suis attardé sur la régulation de la transcription par l’ARNPI au cours de la phase G1 du cycle cellulaire et au début de la phase S. Ainsi mes résultats ont montré que si la chromatine des gènes de l’ARNr est essentiellement dépourvue de nucléosomes, la régulation de l’ARNPI diffère dans des cellules en G1 et au début de la phase S. J’ai pu de ce fait observer qu’en G1, la transcription de l’ARNPI se concentre sur un nombre réduit de gènes en transcription. Dans des cellules arrêtées au début de la phase S avec de l’hydroxyurée, la transcription de l’ARNPI est perturbée par un défaut de maturation de l’ARNR. Fort de ces résultats sur la nature des gènes ribosomaux en phase G1, je me suis attardé à la réparation de ces gènes lors de cette phase. Alors que dans des cellules en phase exponentielle de croissance irradiées avec des UVC, la chromatine des gènes de l’ARNr se ferme ; je n’ai pas observé la formation de nucléosomes suite à l’irradiation de cellules synchronisée en G1. Mes résultats montrent également que la réparation est plus efficace. Parallèlement, j’ai exploré l’assemblage du complexe de réparation par excision de nucléotides. Toutefois, les résultats obtenus sont peu concluants.