Phosphorylation of MCM4 by cdc2 protein kinase inhibits the activity of the minichromosome maintenance complex.

In eukaryotes, tight regulatory mechanisms ensure the ordered progression through the cell cycle phases. The mechanisms that prevent chromosomal DNA replication from taking place more than once each cell cycle are thought to involve the function of proteins of the minichromosome maintenance (MCM) family. Here, we demonstrate that Xenopus MCM4, a member of the MCM protein family related to Spcdc21/ ScCDC54, is part of a large protein complex comprising several other MCM proteins. MCM4 undergoes cell cycle-dependent phosphorylation both in cleaving embryos and in cell-free extracts. MCM4 phosphorylation starts concomitantly with the clearing of the MCM complex from the chromatin during S phase. Phosphorylation is carried out by cdc2/cyclinB protein kinase, which phosphorylates MCM4 in vitro at identical sites as the ones phosphorylated in vivo. Phosphorylation is specific for cdc2 protein kinase since MCM4 is not a substrate for other members of the cdk family. Furthermore, phosphorylation of MCM4 dramatically reduces its affinity for the chromatin. We propose that the cell cycle-dependent phosphorylation of MCM4 is a mechanism which inactivates the MCM complex from late S phase through mitosis, thus preventing illegitimate DNA replication during that period of the cell cycle.

Human cyclin-dependent kinase-activating kinase exists in three distinct complexes.

Transcription factor IIH (TFIIH) is a multisubunit complex required for transcription and for DNA nucleotide excision repair. TFIIH possesses three enzymatic activities: (i) an ATP-dependent DNA helicase, (ii) a DNA-dependent ATPase, and (iii) a kinase with specificity for the carboxyl-terminal domain of RNA polymerase II. The kinase activity was recently identified as the cdk (cyclin-dependent kinase) activating kinase, CAK, composed of cdk7, cyclin H, and MAT-1. Here we report the isolation and characterization of three distinct CAK-containing complexes from HeLa nuclear extracts: CAK, a novel CAK-ERCC2 complex, and TFIIH. CAK-ERCC2 can efficiently associate with core-TFIIH to reconstitute holo-TFIIH transcription activity. We present evidence proposing a critical role for ERCC2 in mediating the association of CAK with core TFIIH subunits.

G1 arrest and down-regulation of cyclin E/cyclin-dependent kinase 2 by the protein kinase inhibitor staurosporine are dependent on the retinoblastoma protein in the bladder carcinoma cell line 5637.

The protein kinase inhibitor staurosporine has been shown to induce G1 phase arrest in normal cells but not in most transformed cells. Staurosporine did not induce G1 phase arrest in the bladder carcinoma cell line 5637 that lacks a functional retinoblastoma protein (pRB-). However, when infected with a pRB-expressing retrovirus [Goodrich, D. W., Chen, Y., Scully, P. & Lee, W.-H. (1992) Cancer Res. 52, 1968-1973], these cells, now pRB+, were arrested by staurosporine in G1 phase. This arrest was accompanied by the accumulation of hypophosphorylated pRB. In both the pRB+ and pRB- cells, cyclin D1-associated kinase activities were reduced on staurosporine treatment. In contrast, cyclin-dependent kinase (CDK) 2 and cyclin E/CDK2 activities were inhibited only in pRB+ cells. Staurosporine treatment did not cause reductions in the protein levels of CDK4, cyclin D1, CDK2, or cyclin E. The CDK inhibitor proteins p21(Waf1/Cip1) and p27 (Kip1) levels increased in staurosporine-treated cells. Immunoprecipitation of CDK2, cyclin E, and p2l from staurosporine-treated pRB+ cells revealed a 2.5- to 3-fold higher ratio of p2l bound to CDK2 compared with staurosporine-treated pRB- cells. In pRB+ cells, p2l was preferentially associated with Thrl6O phosphorylated active CDK2. In pRB- cells, however, p2l was bound preferentially to the unphosphorylated, inactive form of CDK2 even though the phosphorylated form was abundant. This is the first evidence suggesting that G1 arrest by 4 nM staurosporine is dependent on a functional pRB protein. Cell cycle arrest at the pRB- dependent checkpoint may prevent activation of cyclin E/CDK2 by stabilizing its interaction with inhibitor proteins p2l and p27.

Cloning and characterization of the Xenopus cyclin-dependent kinase inhibitor p27XIC1.

We have isolated a gene encoding Xic-1, a 27-kDa cyclin-dependent kinase (Cdk) inhibitor from Xenopus ovary that shares significant homology with both mammalian CIP1 and Kip1/Kip2. The N- and C-terminal halves of Xic-1 are sufficient for interacting with Cdks and proliferating cell nuclear antigen, respectively. Recombinant Xic-1 inhibits Xenopus cyclin E/Cdk2, cyclin A/Cdk2 and cyclin B/Cdc2 activities, although with quite different IC50 values. Truncation of the N terminus of Xic-1 increases the IC50 value for cyclin A/Cdk2 50-fold with no effect on the inhibition of cyclin E/Cdk2 or cyclin B/Cdc2.Xic-1 inhibits both single-stranded and nuclear DNA synthesis in egg extracts, an effect reversed by proliferating cell nuclear antigen or cyclin E/Cdk2, respectively. These results suggest a function for Xic-1 in the control of DNA synthesis by cyclin E/Cdk2.

Identification of human cyclin-dependent kinase 8, a putative protein kinase partner for cyclin C.

Metazoan cyclin C was originally isolated by virtue of its ability to rescue Saccharomyces cerevisiae cells deficient in G1 cyclin function. This suggested that cyclin C might play a role in cell cycle control, but progress toward understanding the function of this cyclin has been hampered by the lack of information on a potential kinase partner. Here we report the identification of a human protein kinase, K35 [cyclin-dependent kinase 8 (CDK8)], that is likely to be a physiological partner of cyclin C. A specific interaction between K35 and cyclin C could be demonstrated after translation of CDKs and cyclins in vitro. Furthermore, cyclin C could be detected in K35 immunoprecipitates prepared from HeLa cells, indicating that the two proteins form a complex also in vivo. The K35-cyclin C complex is structurally related to SRB10-SRB11, a CDK-cyclin pair recently shown to be part of the RNA polymerase II holoenzyme of S. cerevisiae. Hence, we propose that human K35(CDK8)-cyclin C might be functionally associated with the mammalian transcription apparatus, perhaps involved in relaying growth-regulatory signals.

Transforming growth factor beta induces the cyclin-dependent kinase inhibitor p21 through a p53-independent mechanism.

The transforming growth factor beta s (TGF-beta s) are a group of multifunctional growth factors which inhibit cell cycle progression in many cell types. The TGF-beta-induced cell cycle arrest has been partially attributed to the regulatory effects of TGF-beta on both the levels and the activities of the G1 cyclins and their kinase partners. The activities of these kinases are negatively regulated by a number of small proteins, p21 (WAF1, Cip1), p27Kip1, p16, and p15INK4B, that physically associate with cyclins, cyclin-dependent kinases, or cyclin-Cdk complexes. p21 has been previously shown to be transcriptionally induced by DNA damage through p53 as a mediator. We demonstrate that TGF-beta also causes a rapid transcriptional induction of p21, suggesting that p21 can respond to both intracellular and extracellular signals for cell cycle arrest. In contrast to DNA damage, however, induction of p21 by TGF-beta is not dependent on wild-type p53. The cell line studied in these experiments, HaCaT, contains two mutant alleles of p53, which are unable to activate transcription from the p21 promoter when overexpressed. In addition, TGF-beta and p53 act through distinct elements in the p21 promoter. Taken together, these findings suggest that TGF-beta can induce p21 through a p53-independent pathway. Previous findings have implicated p27Kip1 and p15INK2B as effectors mediating the TGF-beta growth inhibitory effect. These results demonstrate that a single extracellular antiproliferative signal, TGF-beta, can act through multiple signaling pathways to elicit a growth arrest response.

G1 phase arrest induced by Wilms tumor protein WT1 is abrogated by cyclin/CDK complexes.

WT1, the Wilms tumor-suppressor gene, maps to the human chromosomal region 11p13 and encodes a transcriptional repressor, WT1, implicated in controlling normal urogenital development. Microinjection of the WT1 cDNA into quiescent cells or cells in early to mid G1 phase blocked serum-induced cell cycle progression into S phase. The activity of WT1 varied significantly depending on the presence or absence of an alternatively spliced region located upstream of the zinc finger domain. The inhibitory activity of WT1 was abrogated by the overexpression of cyclin E/CDK2 as well as cyclin D1/CDK4. Furthermore, both CDK4- and CDK2-associated kinase activities were downregulated in cells overexpressing WT1, whereas the levels of CDK4, CDK2, and cyclin D1 expression were unchanged. These findings suggest that inhibition of the activity of cyclin/CDK complexes may be involved in mediating the WT1-induced cell cycle block.

Cyclin-dependent protein kinase and cyclin homologs SSN3 and SSN8 contribute to transcriptional control in yeast.

The SSN3 and SSN8 genes of Saccharomyces cerevisiae were identified by mutations that suppress a defect in SNF1, a protein kinase required for release from glucose repression. Mutations in SSN3 and SSN8 also act synergistically with a mutation of the MIG1 repressor protein to relieve glucose repression. We have cloned the SSN3 and SSN8 genes. SSN3 encodes a cyclin-dependent protein kinase (cdk) homolog and is identical to UME5. SSN8 encodes a cyclin homolog 35% identical to human cyclin C. SSN3 and SSN8 fusion proteins interact in the two-hybrid system and coimmunoprecipitate from yeast cell extracts. Using an immune complex assay, we detected protein kinase activity that depends on both SSN3 and SSN8. Thus, the two SSN proteins are likely to function as a cdk-cyclin pair. Genetic analysis indicates that the SSN3-SSN8 complex contributes to transcriptional repression of diversely regulated genes and also affects induction of the GAL1 promoter.

Dissection moléculaire de la sénescence cellulaire induite par le stress et la thérapie dans le cancer de l’ovaire et son impact sur la réponse des patientes

Le cancer de l’ovaire (COv) est le cancer gynécologique le plus létal chez la femme et les traitements existants, chirurgie et chimiothérapie, ont peu évolué au cours des dernières décennies. Nous proposons que la compréhension des différents destins cellulaires tels que la sénescence que peuvent choisir les cellules du cancer de l’ovaire en réponse à la chimiothérapie pourrait conduire à de nouvelles opportunités thérapeutiques. La sénescence cellulaire a été largement associée à l’activité de la protéine TP53, qui est mutée dans plus de 90% des cas de cancer de l’ovaire séreux de haut grade (COv-SHG), la forme la plus commune de la maladie. Dans nos travaux, à partir d’échantillons dérivés de patientes, nous montrons que les cultures primaires du cancer de l’ovaire séreux de haut grade exposées au stress ou à des drogues utilisées en chimiothérapie entrent en senescence grâce à l’activité d’un isoforme du gène CDKN2A (p16INK4A). Dans ces cellules, nous avons évalué les caractéristiques fondamentales de la sénescence cellulaire tels que les altérations morphologiques, l’activité béta galactosidase associée à la sénescence, les dommages à l’ADN, l’arrêt du cycle cellulaire et le phénotype sécrétoire associé à la sénescence. En utilisant des micromatrices tissulaires construites à partir d’échantillons humains de COv-SHG pré- et post-chimiothérapie, accompagnées de leurs données cliniques, nous avons quantifié des marqueurs de sénescence incluant une diminution de la prolifération cellulaire quelques semaines après chimiothérapie. De façon intéressante, l’expression de p16INK4A dans les échantillons de COv-SHG prétraitement corrèle avec une survie prolongée des patientes suite au traitement. Ceci suggère ainsi pour la première fois un impact biologique bénéfique pour la présence de cellules cancéreuses qui sont capable d’activer la sénescence, particulièrement pour le traitement du cancer de l’ovaire. Dans le but de complémenter les thérapies actuelles avec des approches de manipulation pharmacologique de la sénescence, nos résultats suggèrent qu’il serait important de déterminer l’impact positif ou négatif de la sénescence induite par la thérapie sur la progression de la maladie et la survie, pour chaque type de cancer de façon indépendante.

L'implication de la Cycline B dans le processus de cytocinèse

Un dérèglement du cycle cellulaire peut causer le cancer. Lors de la cytocinèse un anneau contractile d’actine et de myosine se forme, se contracte, et donne un anneau du midbody qui mène à l’abscision. Le processus de cytocinèse est sous le contrôle de protéines telles que la GTPase Rho qui active la cytocinèse et les cyclines-Cdks qui l'inhibent. La Drosophile possède 3 cyclines mitotiques CycA/ CycB/ CycB3 qui sont successivement dégradées en fin de mitose et permettent l'initiation de la cytocinèse. La dernière étape d’abscission est un phénomène qui reste encore peu connu. Les protéines Vps4 et CHMP4C liées à ANCHR vont, sous la dépendance de la kinase Aurora B, promouvoir l’abscision mais, suite à quelques études récentes, il semble y avoir une implication de la cycline B. Ici, le but était de tester l’implication de cette cycline dans les processus de cytocinèse et d’abscision, elle a été menée par microscopie à haute résolution en temps réel avec des cellules S2 de l’organisme Drosophila melanogaster par le suivi de protéines recombinantes fluorescentes. L’étude a été divisée en deux axes : gain et perte de fonction par l’intermédiaire respectivement de la protéine Cycline B recombinante stable, non dégradable (CycBstable-GFP) et l’inhibition par l’utilisation d’ARN double brin (ARNdb) sur l’endogène. La CycBstable-GFP a perturbé la cytocinèse en induisant plusieurs anneaux contractiles et midbodies. En revanche la réduction de l’expression de CycB n'a pas eu d’effet observable, et elle ne semble pas avoir d’action sur l’abscission malgré le recrutement de CycB-GFP au midbody tardif. En revanche la protéine Cdk1 semble avoir un rôle dans l'abscision puisque sa réduction d’expression a induit un délai. Elle a donc une implication potentielle sur la cytocinèse.

Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.

Implicating the mechanisms of ADP-ribosylation factor activation in the resistance of invasive breast cancer cells to EGFR tyrosine kinase inhibitors

ADP-ribosylation factor-1 (ARF1) est une petite GTPase principalement connue pour son rôle dans la formation de vésicules au niveau de l’appareil de Golgi. Récemment, dans des cellules de cancer du sein, nous avons démontré qu’ARF1 est aussi un médiateur important de la signalisation du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) contrôlant la prolifération, la migration et l'invasion cellulaire. Cependant, le mécanisme par lequel l’EGFR active la GTPase ainsi que le rôle de cette dernière dans la régulation de la fonction du récepteur demeure inconnue. Dans cette thèse, nous avions comme objectifs de définir le mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules de cancer du sein hautement invasif et démontrer que l’activation de cette isoforme de ARF joue un rôle essentiel dans la résistance de ces cellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nos études démontrent que les protéines d’adaptatrices Grb2 et p66Shc jouent un rôle important dans l'activation de ARF1. Alors que Grb2 favorise le recrutement d’ARF1 à l'EGFR ainsi que l'activation de cette petite GTPase, p66Shc inhibe le recrutement du complexe Grb2-ARF1 au récepteur et donc contribue à limiter l’activation d’ARF1. De plus, nous démontrons que ARF1 favorise la résistance aux inhibiteurs des tyrosines kinases dans les cellules de cancer du sein hautement invasif. En effet, une diminution de l’expression de ARF1 a augmenté la sensibilité descellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nous montrons également que de hauts niveaux de ARF1 contribuent à la résistance des cellules à ces médicaments en améliorant la survie et les signaux prolifératifs à travers ERK1/2, Src et AKT, tout en bloquant les voies apoptotiques (p38MAPK et JNK). Enfin, nous mettons en évidence le rôle de la protéine ARF1 dans l’apoptose en réponse aux traitements des inhibiteurs de l’EGFR. Nos résultats indiquent que la dépletion d’ARF1 promeut la mort cellulaire induite par gefitinib, en augmentant l'expression de facteurs pro-apoptotiques (p66shc, Bax), en altérant le potentiel de la membrane mitochondriale et la libération du cytochrome C. Ensemble, nos résultats délimitent un nouveau mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules du cancer du sein hautement invasif et impliquent l’activité d’ARF1 comme un médiateur important de la résistance aux inhibiteurs EGFR.

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.

Cyclin-dependent kinase 9 activity regulates neutrophil spontaneous apoptosis

Neutrophils are the most abundant leukocyte and play a central role in the immune defense against rapidly dividing bacteria. However, they are also the shortest lived cell in the blood with a lifespan in the circulation of 5.4 days. The mechanisms underlying their short lifespan and spontaneous entry into apoptosis are poorly understood. Recently, the broad range cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitor R-roscovitine was shown to increase neutrophil apoptosis, implicating CDKs in the regulation of neutrophil lifespan. To determine which CDKs were involved in regulating neutrophil lifespan we first examined CDK expression in human neutrophils and found that only three CDKs: CDK5, CDK7 and CDK9 were expressed in these cells. The use of CDK inhibitors with differing selectivity towards the various CDKs suggested that CDK9 activity regulates neutrophil lifespan. Furthermore CDK9 activity and the expression of its activating partner cyclin T1 both declined as neutrophils aged and entered apoptosis spontaneously. CDK9 is a component of the P-TEFb complex involved in transcriptional regulation and its inhibition will preferentially affect proteins with short half-lives. Treatment of neutrophils with flavopiridol, a potent CDK9 inhibitor, increased apoptosis and caused a rapid decline in the level of the anti-apoptotic protein Mcl-1, whilst Bcl2A was unaffected. We propose that CDK9 activity is a key regulator of neutrophil lifespan, preventing apoptosis by maintaining levels of short lived anti-apoptotic proteins such as Mcl-1. Furthermore, as inappropriate inhibition of neutrophil apoptosis contributes to chronic inflammatory diseases such as Rheumatoid Arthritis, CDK9 represents a novel therapeutic target in such diseases.

Rôle de l'endogline et de la protéine kinase c-tak1 dans le cancer de la prostate

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.