Differential gene expression in fully-grown oocytes between gynogenetic and gonochoristic crucian carps

Silver crucian carp (Carassius auratus gibelio) is a unique triploid bisexual species that can reproduce by gynogenesis. As all other gynogenetic animals, it keeps its chromosome integrity by inhibiting the first meiosis division (no extrusion of the first pole body). To understand the molecular events governing this reproduction mode, suppression subtractive hybridization was used to identify the genes differentially expressed in fully-grown oocytes of the gynogenetic and gonochoristic crucian carp (gyno-carp and gono-carp). From two specific subtractive cDNA libraries, the clones screened out by dot blots and virtual Northern blots were chosen to clone, full-length cDNA by RACE. Four differentially expressed genes were obtained. Two are novel genes and are expressed specifically in the oocytes. The gyno-carp stores much more mRNA of cyclin A2, a new member of the fish A-type cyclin gene, in its fully-grown oocyte than in the gono-carp. The last gene is histone H2A. The histone H2As of these two closely related crucian carps are quite different in the C-terminus. Preliminary characterization of the four genes has been analyzed by nucleotide and deduced amino acid sequence and Northern analysis. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Chromosome synapsis and recombination in simple and complex chromosomal heterozygotes of tuco-tuco (Ctenomys talarum: Rodentia: Ctenomyidae):Rodentia: Ctenomyidae)

The chromosomal speciation hypothesis suggests that irregularities in synapsis, recombination, and segregation in heterozygotes for chromosome rearrangements may restrict gene flow between karyotypically distinct populations and promote speciation. Ctenomys talarum is a South American subterranean rodent inhabiting the coastal regions of Argentina, whose populations polymorphic for Robertsonian and tandem translocations seem to have a very restricted gene flow. To test if chromosomal differences are involved in isolation among its populations, we examined chromosome pairing, recombination, and meiotic silencing of unsynapsed chromatin in male meiosis of simple and complex translocation heterozygotes using immunolocalization of the MLH1 marking mature recombination nodules and phosphorylated histone γH2A.X marking unrepaired double-strand breaks. We observed small asynaptic areas labeled by γH2A.X in pericentromeric regions of the chromosomes involved in the trivalents and quadrivalents. We also observed a decrease of recombination frequency and a distalization of the crossover distribution in the heterozygotes and metacentric homozygotes compared to acrocentric homozygotes. We suggest that the asynapsis of the pericentromeric regions are unlikely to induce germ cell death and decrease fertility of the heterozygotes; however, suppressed recombination in pericentromeric areas of the multivalents may reduce gene flow between chromosomally different populations of the Talas tuco-tuco.

Investigation of the structure and dynamics of the centromeric epigenetic mark

Le centromère est le site chromosomal où le kinetochore se forme, afin d’assurer une ségrégation fidèles des chromosomes et ainsi maintenir la ploïdie appropriée lors de la mitose. L’identité du centromere est héritée par un mécanisme épigénétique impliquant une variante de l’histone H3 nommée centromere protein-A (CENP-A), qui remplace l’histone H3 au niveau de la chromatine du centromère. Des erreurs de propagation de la chromatine du centromère peuvent mener à des problèmes de ségrégation des chromosomes, pouvant entraîner l’aneuploïdie, un phénomène fréquemment observé dans le cancer. De plus, une expression non-régulée de CENP-A a aussi été rapportée dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, plusieurs études ont cherchées à élucider la structure et le rôle de la chromatine contenant CENP-A dans des cellules en prolifération. Toutefois, la nature moléculaire de CENP-A en tant que marqueur épigénétique ainsi que ces dynamiques à l'extérieur du cycle cellulaire demeurent des sujets débat. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de comptage de molécules uniques à l'aide de la microscopie à réflexion totale interne de la fluorescence (TIRF) sera décrite, puis exploitée afin d'élucider la composition moléculaire des nucléosomes contenant CENP-A, extraits de cellules en prolifération. Nous démontrons que les nucléosomes contenant CENP-A marquent les centromères humains de façon épigénétique à travers le cycle cellulaire. De plus, nos données démontrent que la forme prénucléosomale de CENP-A, en association avec la protéine chaperon HJURP existe sous forme de monomère et de dimère, ce qui reflète une étape intermédiaire de l'assemblage de nucléosomes contenant CENP-A. Ensuite, des analyses quantitatives de centromères lors de différenciation myogénique, et dans différents tissus adultes révèlent des changements globaux qui maintiennent la marque épigénétique dans une forme inactive suite à la différentiation terminale. Ces changements incluent une réduction du nombre de points focaux de CENP-A, un réarrangement des points dans le noyau, ainsi qu'une réduction importante de la quantité de CENP-A. De plus, nous démontrons que lorsqu'une dédifférenciation cellulaire est induite puis le cycle cellulaire ré-entamé, le phénotype "différencié" décrit ci-haut est récupéré, et les centromères reprennent leur phénotype "prolifératif". En somme, cet oeuvre décrit la composition structurale sous-jacente à l'identité épigénétique des centromères de cellules humaines lors du cycle cellulaire, et met en lumière le rôle de CENP-A à l'extérieur du cycle cellulaire.

Interpretation of the centromere epigenetic mark to maintain genome stability

Le centromère est la région chromosomique où le kinétochore s'assemble en mitose. Contrairement à certaines caractéristiques géniques, la séquence centromérique n'est ni conservée entre les espèces ni suffisante à la fonction centromérique. Il est donc bien accepté dans la littérature que le centromère est régulé épigénétiquement par une variante de l'histone H3, CENP-A. KNL-2, aussi connu sous le nom de M18BP1, ainsi que ces partenaires Mis18α et Mis18β sont des protéines essentielles pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères. Des évidences expérimentales démontrent que KNL-2, ayant un domaine de liaison à l'ADN nommé Myb, est la protéine la plus en amont pour l'incorporation de CENP-A aux centromères en phase G1. Par contre, sa fonction dans le processus d'incorporation de CENP-A aux centromères n'est pas bien comprise et ces partenaires de liaison ne sont pas tous connus. De nouveaux partenaires de liaison de KNL-2 ont été identifiés par des expériences d'immunoprécipitation suivies d'une analyse en spectrométrie de masse. Un rôle dans l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères a été attribué à MgcRacGAP, une des 60 protéines identifiées par l'essai. MgcRacGAP ainsi que les protéines ECT-2 (GEF) et la petite GTPase Cdc42 ont été démontrées comme étant requises pour la stabilité de CENP-A incorporé aux centromères. Ces différentes observations ont mené à l'identification d'une troisième étape au niveau moléculaire pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé en phase G1, celle de la stabilité de CENP-A nouvellement incorporé aux centromères. Cette étape est importante pour le maintien de l'identité centromérique à chaque division cellulaire. Pour caractériser la fonction de KNL-2 lors de l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères, une technique de microscopie à haute résolution couplée à une quantification d'image a été utilisée. Les résultats générés démontrent que le recrutement de KNL-2 au centromère est rapide, environ 5 minutes après la sortie de la mitose. De plus, la structure du domaine Myb de KNL-2 provenant du nématode C. elegans a été résolue par RMN et celle-ci démontre un motif hélice-tour-hélice, une structure connue pour les domaines de liaison à l'ADN de la famille Myb. De plus, les domaines humain (HsMyb) et C. elegans (CeMyb) Myb lient l'ADN in vitro, mais aucune séquence n'est reconnue spécifiquement par ces domaines. Cependant, il a été possible de démontrer que ces deux domaines lient préférentiellement la chromatine CENP-A-YFP comparativement à la chromatine H2B-GFP par un essai modifié de SIMPull sous le microscope TIRF. Donc, le domaine Myb de KNL-2 est suffisant pour reconnaître de façon spécifique la chromatine centromérique. Finalement, l'élément reconnu par les domaines Myb in vitro a potentiellement été identifié. En effet, il a été démontré que les domaines HsMyb et CeMyb lient l'ADN simple brin in vitro. De plus, les domaines HsMyb et CeMyb ne colocalisent pas avec CENP-A lorsqu'exprimés dans les cellules HeLa, mais plutôt avec les corps nucléaires PML, des structures nucléaires composées d'ARN. Donc, en liant potentiellement les transcrits centromériques, les domaines Myb de KNL-2 pourraient spécifier l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé uniquement aux régions centromériques.

A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

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.

Axillary bud development in pineapple nodal segments correlates with changes on cell cycle gene expression, hormone level, and sucrose and glutamate contents

During the process of lateral organ development after plant decapitation, cell division and differentiation occur in a balanced manner initiated by specific signaling, which triggers the reentrance into the cell cycle. Here, we investigated short-term variations in the content of some endogenous signals, such as auxin, cytokinins (Cks), and other mitogenic stimuli (sucrose and glutamate), which are likely correlated with the cell cycle reactivation in the axillary bud primordium of pineapple nodal segments. Transcript levels of cell cycle-associated genes, CycD2;1, and histone H2A were analyzed. Nodal segments containing the quiescent axillary meristem cells were cultivated in vitro during 24 h after the apex removal and de-rooting. From the moment of stem apex and root removal, decapitated nodal segment (DNS) explants showed a lower indol-3-acetic acid (IAA) concentration than control explants, and soon after, an increase of endogenous sucrose and iP-type Cks were detected. The decrease of IAA may be the primary signal for cell cycle control early in G1 phase, leading to the upregulation of CycD2;1 gene in the first h. Later, the iP-type Cks and sucrose could have triggered the progression to S-phase since there was an increase in H2A expression at the eighth h. DNS explants revealed substantial increase in Z-type Cks and glutamate from the 12th h, suggesting that these mitogens could also operate in promoting pineapple cell cycle progression. We emphasize that the use of non-synchronized tissue rather than synchronous cell suspension culture makes it more difficult to interpret the results of a dynamic cell division process. However, pineapple nodal segments cultivated in vitro may serve as an interesting model to shed light on apical dominance release and the reentrance of quiescent axillary meristem cells into the cell cycle.

Prospecção de genes associados ao processo de floração em tomateiro.

Flowering is a process marked by switch of shoot apical meristem to floral meristem, and it involves a complex regulation by endogenous and environmental factors. Analyses of key flowering genes have been carried out primarily in Arabidopsis thaliana and have provided a foundation for understanding the underlying molecular genetic mechanisms controlling different aspects of floral development. Several homologous have been found in other species, but for crops species such as tomatoes this process is not well known. The aim of this work was to use the genetic natural variation associated to the flowering process and use molecular tools such as subtractive libraries and real time PCR in order to identify and analyze the expression from genes that may be associated to flowering in these two species: L. esculentum cv Micro-Tom and L. pimpinellifolium. Our results showed there were identified many genes related to vegetative and possibly to the flowering process. There were also identified many sequences that were unknown. We ve chosen three genes to analyze the expression by real time PCR. The histone H2A gene gave an expression higher in L. pimpinellifolium, due to this the expression of this gene may be associated to flowering in this specie. It was also analyzed the expression of an unknown gene that might be a key factor of the transition to flowering, also in L. pimpinellifolium. For the elongation factor 1-α expression, the expression results were not informative, so this gene may have a constitutive expression in vegetative and flowering state. The results observed allowed us to identify possible genes that may be related to the flowering process. For further results it will be necessary a better characterization of them.

Expressão dos fatores de crescimento fibroblástico 17 e 18 (FGF-17 e FGF-18) em folículos antrais bovinos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The Nuclear Actin-related Protein of Saccharomyces cerevisiae, Act3p/Arp4, Interacts with Core Histones

Act3p/Arp4, an essential actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae located within the nucleus, is, according to genetic data, involved in transcriptional regulation. In addition to the basal core structure of the actin family members, which is responsible for ATPase activity, Act3p possesses two insertions, insertions I and II, the latter of which is predicted to form a loop-like structure protruding from beyond the surface of the molecule. Because Act3p is a constituent of chromatin but itself does not bind to DNA, we hypothesized that insertion II might be responsible for an Act3p-specific function through its interaction with some other chromatin protein. Far Western blot and two-hybrid analyses revealed the ability of insertion II to bind to each of the core histones, although with somewhat different affinities. Together with our finding of coimmunoprecipitation of Act3p with histone H2A, this suggests the in vivo existence of a protein complex required for correct expression of particular genes. We also show that a conditional act3 mutation affects chromatin structure of an episomal DNA molecule, indicating that the putative Act3p complex may be involved in the establishment, remodeling, or maintenance of chromatin structures.

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.

Epigenetic engineering shows H3K4me2 is required for HJURP targeting and CENP-A assembly on a synthetic human kinetochore

Kinetochores assemble on distinct 'centrochromatin' containing the histone H3 variant CENP-A and interspersed nucleosomes dimethylated on H3K4 (H3K4me2). Little is known about how the chromatin environment at active centromeres governs centromeric structure and function. Here, we report that centrochromatin resembles K4-K36 domains found in the body of some actively transcribed housekeeping genes. By tethering the lysine-specific demethylase 1 (LSD1), we specifically depleted H3K4me2, a modification thought to have a role in transcriptional memory, from the kinetochore of a synthetic human artificial chromosome (HAC). H3K4me2 depletion caused kinetochores to suffer a rapid loss of transcription of the underlying α-satellite DNA and to no longer efficiently recruit HJURP, the CENP-A chaperone. Kinetochores depleted of H3K4me2 remained functional in the short term, but were defective in incorporation of CENP-A, and were gradually inactivated. Our data provide a functional link between the centromeric chromatin, α-satellite transcription, maintenance of CENP-A levels and kinetochore stability.

Cdk Activity Couples Epigenetic Centromere Inheritance to Cell Cycle Progression

Centromeres form the site of chromosome attachment to microtubules during mitosis. Identity of these loci is maintained epigenetically by nucleosomes containing the histone H3 variant CENP-A. Propagation of CENP-A chromatin is uncoupled from DNA replication initiating only during mitotic exit. We now demonstrate that inhibition of Cdk1 and Cdk2 activities is sufficient to trigger CENP-A assembly throughout the cell cycle in a manner dependent on the canonical CENP-A assembly machinery. We further show that the key CENP-A assembly factor Mis18BP1(HsKNL2) is phosphorylated in a cell cycle-dependent manner that controls its centromere localization during mitotic exit. These results strongly support a model in which the CENP-A assembly machinery is poised for activation throughout the cell cycle but kept in an inactive noncentromeric state by Cdk activity during S, G2, and M phases. Alleviation of this inhibition in G1 phase ensures tight coupling between DNA replication, cell division, and subsequent centromere maturation.

Temporal control of epigenetic centromere specification

All living organisms require accurate mechanisms to faithfully inherit their genetic material during cell division. The centromere is a unique locus on each chromosome that supports a multiprotein structure called the kinetochore. During mitosis, the kinetochore is responsible for connecting chromosomes to spindle microtubules, allowing faithful segregation of the duplicated genome. In most organisms, centromere position and function is not defined by the local DNA sequence context but rather by an epigenetic chromatin-based mechanism. Centromere protein A (CENP-A) is central to this process, as chromatin assembled from this histone H3 variant is essential for assembly of the centromere complex, as well as for its epigenetic maintenance. As a major determinant of centromere function, CENP-A assembly requires tight control, both in its specificity for the centromere and in timing of assembly. In the last few years, there have been several new insights into the molecular mechanism that allow this process to occur. We will review these here and discuss the general implications of the mechanism of cell cycle coupling of centromere inheritance.

A two-step mechanism for epigenetic specification of centromere identity and function

The basic determinant of chromosome inheritance, the centromere, is specified in many eukaryotes by an epigenetic mark. Using gene targeting in human cells and fission yeast, chromatin containing the centromere-specific histone H3 variant CENP-A is demonstrated to be the epigenetic mark that acts through a two-step mechanism to identify, maintain and propagate centromere function indefinitely. Initially, centromere position is replicated and maintained by chromatin assembled with the centromere-targeting domain (CATD) of CENP-A substituted into H3. Subsequently, nucleation of kinetochore assembly onto CATD-containing chromatin is shown to require either the amino- or carboxy-terminal tail of CENP-A for recruitment of inner kinetochore proteins, including stabilizing CENP-B binding to human centromeres or direct recruitment of CENP-C, respectively.