Biological and Biochemical Characterization of Mutants of the RNase II family of enzymes

Dissertação para a obtenção de grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

The Role of Small RNAs and Ribonucleases in the Control of Gene Expression in Salmonella Typhimurium

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Telomerase activation in colorectal carcinogenesis.

Telomerase activity has been detected in germ cells as well as in the developing embryo. Activity is no longer detectable in most somatic cells of the neonate, although low levels of activity persist in regenerative tissues. Telomerase has been found to be reactivated or up-regulated in the majority of cancers. The colorectal adenoma-carcinoma sequence is one of the best-characterized models of multistep tumourigenesis and is thus suitable for determining at which stage telomerase is activated. Telomerase activity was examined by telomeric repeat amplification protocol (TRAP) assay in 96 cases of colorectal tissues, including 50 carcinomas, 31 adenomas, and 15 normal colonic tissues. For each case, histological diagnosis and telomerase activity were determined on consecutive frozen sections. In order to reduce the chance of a false-negative TRAP assay due to RNA degradation, the integrity of rRNA in the tissues was verified in each case. Twenty-five carcinomas, 30 adenomas, and all of the 15 normal colorectal mucosal samples showed no or only partial rRNA degradation and only in these cases was the TRAP assay interpreted. None of the normal tissues exhibited telomerase activity. In contrast, all of the 25 cancers and 47 per cent (14/30) of the adenomas were positive. In adenomas, telomerase activation was highly significantly related to the grade of dysplasia (p< 0.0001). All adenomas which contained high-grade dysplasia revealed telomerase activity, whereas telomerase activity was detectable in only 20 per cent (4/20) of cases with exclusively low-grade dysplasia. These results indicate that telomerase activation, which may be an obligatory step in colorectal carcinogenesis, occurs in the progression from low-grade to high-grade dysplasia in adenomas. Furthermore, in the adenoma-carcinoma sequence, telomerase activation seems to occur later than K- ras mutation but earlier than p53 mutation.

Application of RNAi to silence tartrate-resistant acid phosphatase: unexpected effects on the monocyte-macrophage lineage

Tartraatti-resistentin happaman fosfataasin hiljentäminen RNAi menetelmällä: odottamaton vaikutus monosyytti-makrofagi linjan soluissa RNA interferenssi (RNAi) eli RNA:n hiljentyminen löydettiin ensimmäisenä kasveissa, ja 2000-luvulla RNAi menetelmä on otettu käyttöön myös nisäkässoluissa. RNAi on mekanismi, jossa lyhyet kaksi juosteiset RNA molekyylit eli siRNA:t sitoutuvat proteiinikompleksiin ja sitoutuvat komplementaarisesti proteiinia koodaavaan lähetti RNA:han katalysoiden lähetti RNA:n hajoamisen. Tällöin RNA:n koodaamaa proteiinia ei solussa tuoteta. Tässä työssä on RNA interferenssi menetelmän avuksi kehitetty uusi siRNA molekyylien suunnittelualgoritmi siRNA_profile, joka etsii lähetti RNA:sta geenin hiljentämiseen sopivia kohdealueita. Optimaalisesti suunnitellulla siRNA molekyylillä voi olla mahdollista saavuttaa pitkäaikainen geenin hiljeneminen ja spesifinen kohdeproteiinin määrän aleneminen solussa. Erilaiset kemialliset modifikaatiot, mm. 2´-Fluoro-modifikaatio, siRNA molekyylin riboosirenkaassa lisäsivät siRNA molekyylin stabiilisuutta veren plasmassa sekä siRNA molekyylin tehokkuutta. Nämä ovat tärkeitä siRNA molekyylien ominaisuuksia kun RNAi menetelmää sovelletaan lääketieteellisiin tarkoituksiin. Tartraatti-resistentti hapan fosfataasi (TRACP) on entsyymi, joka esiintyy luunsyöjäsoluissa eli osteoklasteissa, antigeenejä esittelevissä dendiriittisissä soluissa sekä eri kudosten makrofageissa, jotka ovat syöjäsoluja. TRACP entsyymin biologista tehtävää ei ole saatu selville, mutta oletetaan että TRACP entsyymin kyvyllä tuottaa reaktiivisia happiradikaaleja on tehtävä sekä luuta hajoittavissa osteoklasteissa sekä antigeenia esittelevissä dendriittisissä soluissa. Makrofageilla, jotka yliekpressoivat TRACP entsyymiä, on myös solunsisäinen reaktiivisten happiradikaalien tuotanto sekä bakteerin tappokyky lisääntynyt. TRACP-geenin hiljentämiseen tarkoitetut spesifiset DNA ja siRNA molekyylit aiheuttivat monosyytti-makrofagilinjan soluviljelymallissa TRACP entsyymin tuoton lisääntymistä odotusten vastaisesti. DNA ja RNA molekyylien vaikutusta TRACP entsyymin tuoton lisääntymiseen tutkittiin myös Tolllike reseptori 9 (TLR9) poistogeenisestä hiirestä eristetyissä monosyyttimakrofaagisoluissa. TRACP entsyymin tuoton lisääntyminen todettiin sekvenssistä ja TLR9:stä riippumattomaksi vasteeksi solun ulkopuolisia DNA ja RNA molekyylejä vastaan. Havainto TRACP entsyymin tuoton lisääntymisestä viittaa siihen, että TRACP entsyymillä on tehtävä solun immuunipuolustusjärjestelmässä.

Les R-loops et leurs conséquences sur l'expression génique chez Escherichia coli.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus.

Effet de la RNase HI sur l’expression génique et sur le surenroulement de l’ADN chez Escherichia coli

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes.

Stabilité de l’acide ribonucléique pour la datation des fluides corporels en biologie judiciaire

Projet de recherche réalisé en collaboration avec la section Biologie/ADN du Laboratoire de sciences judiciaires et de médecine légale (LSJML) de Montréal.

Anti-poliovirus activity of Baccharis dracunculifolia and propolis by cell viability determination and real-time PCR

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Caenorhabditis elegans germinal center kinase (Gck-1) is a p-body component that inhibits precocious ectopic MAP kinase dependent meiotic maturation

The Caenorhabditis elegans germline is an excellent model system for studying meiosis, as the gonad contains germ cells in all stages of meiosis I prophase in a linear temporal and spatial pattern. To form healthy gametes, many events must be coordinated. Failure of any step in the process can reduce fertility. Here, we describe a C. elegans Germinal Center Kinase, GCK-1, that is essential for the accurate progression of germ cells through meiosis I prophase. In the absence of GCK-1, germ cells undergo precocious maturation due to the activation of a specific MAP kinase isoform. Furthermore, GCK-1 localizes to P-bodies, RNP particles that have been implicated in RNA degradation and translational control. Like two other components of C. elegans germline P-bodies, GCK-1 functions to limit physiological germ cell apoptosis. This is the first study to identify a role for a GCK-III kinase in metazoan germ cell development and to link P-body function with MAP kinase activation and germ cell maturation. ^

Insulin depletion leads to adipose-specific cell death in obese but not lean mice

Mutation of the obese gene produces obesity, hyperinsulinemia, and compensatory “overexpression” of the defective gene. As insulin activates obese gene expression, it seemed possible that hyperinsulinemia might be responsible for overexpression of the gene. To address this question we rapidly neutralized circulating insulin by injection of an insulin antibody. Unexpectedly, insulin depletion in obese (ob/ob or db/db) mice caused massive adipose RNA degradation confirmed by histological analysis to result from adipocyte cell death by a largely necrotic mechanism. This effect was not observed in lean littermates and was completely corrected by coadministration of insulin. Comparison of multiple tissues demonstrated that the effect was restricted to adipose tissue. Insulin depletion in obese mice by administration of streptozotocin also led to cell death, but this death was less extensive and appeared to be apoptotic in mechanism. Thus insulin may promote the survival side of the physiological balance between adipocyte survival and death.

Cosuppression of eukaryotic release factor 1-1 in Arabidopsis affects cell elongation and radial cell division

The role of the eukaryotic release factor 1 (eRF1) in translation termination has previously been established in yeast; however, only limited characterization has been performed on any plant homologs. Here, we demonstrate that cosuppression of eRF1-1 in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) has a profound effect on plant morphology, resulting in what we term the broomhead phenotype. These plants primarily exhibit a reduction in internode elongation causing the formation of a broomhead-like cluster of malformed siliques at the top of the inflorescence stem. Histological analysis of broomhead stems revealed that cells are reduced in height and display ectopic lignification of the phloem cap cells, some phloem sieve cells, and regions of the fascicular cambium, as well as enhanced lignification of the interfascicular fibers. We also show that cell division in the fascicular cambial regions is altered, with the majority of vascular bundles containing cambial cells that are disorganized and possess enlarged nuclei. This is the first attempt at functional characterization of a release factor in vivo in plants and demonstrates the importance of eRF1-1 function in Arabidopsis.

RNA polymerase II large subunit degradation induced by ecteinascidin 743: Molecular characterization and subsequent rational investigation of antitumor mechanisms in cancers with clinical response

Ecteinascidin 743 (Et-743), which is a novel DNA minor groove alkylator with a unique spectrum of antitumor activity, is currently being evaluated in phase II/III clinical trials. Although the precise molecular mechanisms responsible for the observed antitumor activity are poorly understood, recent data suggests that post-translational modifications of RNA polymerase II Large Subunit (RNAPII LS) may play a central role in the cellular response to this promising anticancer agent. The stalling of an actively transcribing RNAPII LS at Et-743-DNA adducts is the initial cellular signal for transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER). In this manner, Et-743 poisons TC-NER and produces DNA single strand breaks. Et-743 also inhibits the transcription and RNAPII LS-mediated expression of selected genes. Because the poisoning of TC-NER and transcription inhibition are critical components of the molecular response to Et-743 treatment, we have investigated if changes in RNAPII LS contribute to the disruption of these two cellular pathways. In addition, we have studied changes in RNAPII LS in two tumors for which clinical responses were reported in phase I/II clinical trials: renal cell carcinoma and Ewing's sarcoma. Our results demonstrate that Et-743 induces degradation of the RNAPII LS that is dependent on active transcription, a functional 26S proteasome, and requires functional TC-NER, but not global genome repair. Additionally, we have provided the first experimental data indicating that degradation of RNAPII LS might lead to the inhibition of activated gene transcription. A set of studies performed in isogenic renal carcinoma cells deficient in von Hippel-Lindau protein, which is a ubiquitin-E3-ligase for RNAPII LS, confirmed the central role of RNAPII LS degradation in the sensitivity to Et-743. Finally, we have shown that RNAPII LS is also degraded in Ewing's sarcoma tumors following Et-743 treatment and provide data to suggest that this event plays a role in decreased expression of the Ewing's sarcoma oncoprotein, EWS-Fli1. Altogether, these data implicate degradation of RNAPII LS as a critical event following Et-743 exposure and suggest that the clinical activity observed in renal carcinoma and Ewing's sarcoma may be mediated by disruption of molecular pathways requiring a fully functional RNAPII LS. ^

Double-stranded RNA induces mRNA degradation in Trypanosoma brucei

Double-stranded RNA (dsRNA) recently has been shown to give rise to genetic interference in Caenorhabditis elegans and also is likely to be the basis for phenotypic cosuppression in plants in certain instances. While constructing a plasmid vector for transfection of trypanosome cells, we serendipitously discovered that in vivo expression of dsRNA of the α-tubulin mRNA 5′ untranslated region (5′ UTR) led to multinucleated cells with striking morphological alterations and a specific block of cytokinesis. Transfection of synthetic α-tubulin 5′ UTR dsRNA, but not of either strand individually, caused the same phenotype. On dsRNA transfection, tubulin mRNA, but not the corresponding pre-mRNA, was rapidly and specifically degraded, leading to a deficit of α-tubulin synthesis. The transfected cells were no longer capable of carrying out cytokinesis and eventually died. Analysis of cytoskeletal structures from these trypanosomes revealed defects in the microtubules of the flagellar axoneme and of the flagellar attachment zone, a complex cortical structure that we propose is essential for establishing the path of the cleavage furrow at cytokinesis. Last, dsRNA-mediated mRNA degradation is not restricted to α-tubulin mRNA but can be applied to other cellular mRNAs, thus establishing a powerful tool to genetically manipulate these important protozoan parasites.

Anaerobic degradation of linear alkylbenzene sulfonate (LAS) in fluidized bed reactor by microbial consortia in different support materials

Four anaerobic fluidized bed reactors filled with activated carbon (R1), expanded clay (R2), glass beads (R3) and sand (R4) were tested for anaerobic degradation of LAS. All reactors were inoculated with sludge from a UASB reactor treating swine wastewater and were fed with a synthetic substrate supplemented with approximately 20 mg l(-1) of LAS, on average. To 560 mg l(-1) COD influent, the maximum COD and LAS removal efficiencies were mean values of 97 +/- 2% and 99 +/- 2%, respectively, to all reactors demonstrating the potential applicability of this reactor configuration for treating LAS. The reactors were kept at 30 degrees C and operated with a hydraulic retention time (HRT) of 18 h. The use of glass beads and sand appear attractive because they favor the development of biofilms capable of supporting LAS degradation. Subsequent 16S rRNA gene sequencing and phylogenetic analysis of samples from reactors R3 and R4 revealed that these reactors gave rise to broad microbial diversity, with microorganisms belonging to the phyla Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria and Proteobacteria, indicating the role of microbial consortia in degrading the surfactant LAS. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of support material on the immobilization of biomass for the degradation of linear alkylbenzene sulfonate in anaerobic reactors

Two horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactors (HAIB) were used to study the degradation of the LAS surfactant: one filled with charcoal (HAIB1) and the other with a mixed bed of expanded clay and polyurethane foam (HAIB2). The reactors were fed with synthetic substrate supplemented with 14 mg l(-1) of LAS, kept at 30 +/- 2 degrees C and operated with a hydraulic retention time (HRT) of 12 h. The surfactant was quantified by HPLC. Spatial variation analyses were done to quantify organic matter and LAS consumption along the reactor length. The presence of the surfactant in the load did not affect the removal of organic matter (COD), which was close to 90% in both reactors for an influent COD of 550 ring l(-1). The results of a mass balance indicated that 28% of all LAS added to HAIB1 was removed by degradation. HAIB2 presented 27% degradation. Molecular biology techniques revealed microorgan isms belonging the uncultured Holophaga sp., uncultured delta Proteobacterium, uncultured Verrucomicrobium sp., Bacteroides sp. and uncultured gamma Proteobacterium sp. The reactor with biomass immobilized on charcoal presented lower adsorption and a higher kinetic degradation coefficient. So, it was the most suitable support for LAS anaerobic treatment. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.