The DNA damage response to adeno-associated virus : centrosome overduplication and induction of cell death independently of the spindle checkpoint

Summary: Adeno-associated virus type 2 (AAV2) is a small virus containing single-stranded DNA of approximately 4.7kb in size. Both ends of the viral genome are flanked with inverted terminal repeat sequences (ITRs), which serve as primers for viral replication. Previous work in our laboratory has shown that AAV2 DNA with ultraviolet radiation-generated crosslinks (UV-AAV2) provokes a DNA damage response in the host cell by mimicking a stalled replication fork. Infection of cells with UV-AAV2 leads to a p53-and Chk1-mediated cell cycle arrest at the G2/M border of the cell cycle. However, tumour cells lacking the tumour suppressor protein p53 cannot sustain this arrest and enter a prolonged impaired mitosis, the outcome of which is cell death. The aim of my thesis was to investigate how UV-inactivated AAV2 kilts p53-deficient cancer cells. I found that the UV-AAV2-induced DNA damage signalling induces centriole overduplication in infected cells. The virus is able to uncouple the centriole duplication cycle from the cell cycle, leading to amplified centrosome numbers. Chk1 colocalises with centrosomes in the infected cells and the centrosome overduplication is dependent on the presence of Chk1, as well as on the activities of ATR and Cdk kinases and on the G2 arrest. The UV-AAV2-induced DNA damage signalling inhibits the degradation of cyclin B 1 and securin by the anaphase promoting complex, suggesting that the spindle checkpoint is activated in these mitotic cells. Interference with the spindle checkpoint components Mad2 and BubR1 revealed that the UV-AAV2-provoked mitotic catastrophe occurs independently of spindle checkpoint function, This work shows that, in the p53 deficient cells, UV-AAV2 triggers mitotic catastrophe associated with a dramatic Chk1-dependent overduplication of centrioles and the consequent formation of multiple spindle poles in mitosis. Résumé Le virus associé à l'adénovirus type 2 (AAV2) est un petit virus contenant un simple brin d'ADN d'environ 4.7kb. Des expériences antérieures dans notre laboratoire ont montré que les liens intramoléculaires sur l'ADN de AAV2 provoqués paz l'irradiation aux ultraviolets (UV) ressemblent à une fourche de réplication bloquée, ce qui provoque une réponse aux dommages à l'ADN dans la cellule hôte. L'infection des cellules avec UV-AAV2 résulte en un arrêt du cycle cellulaire à la transition G2/M entraîné par les protéines ATR et Chk1. Cependant, les cellules tumorales auxquelles il manque le suppresseur de tumeur p53 ne peuvent pas tenir cet arrêt et entrent dans une mitose anormale et prolongée qui se terminera par la mort cellulaire. Le but de ma thèse était d'étudier comment l'AAV2 inactivé par l'irradiation UV tue les cellules cancéreuses n'ayant pas p53. Je montre ici que le signal de dommages à l'ADN induit par UV-AAV2 génère une surduplication des centrioles dans les cellules infectées. Le virus est capable de dissocier le cycle de duplication du centriole du cycle cellulaire ce qui crée un nombre amplifié de centrosomes. Chk1 est co-localisé avec le centrosome dans les cellules infectées et la swduplication du centrosome est dépendante de la présence de Chk1, de l'activité des kinases ATR et Cdk et de l'arrêt en G2 de la cellule. Le signal d'ADN endommagé induit par UV-AAV2 réprime la dégradation des protéines cycline B1 et securine par le complexe promoteur de l'anaphase (APC), ce qui suggère que le point de contrôle du fuseau mitotique est activé dans ces cellules en mitose. L'étude d'interférence avec des éléments du point de contrôle du fuseau mitotique, Mad2 et BubR1, a révélé que la catastrophe mitotique provoquée paz UV-AAV2 survient indépendamment du point de contrôle du fuseau mitotique. Ce travail montre que dans les cellules déficientes en p53, UV-AAV2 induit une catastrophe mitotique associée à une surduplication des centrioles dépendant de Chk1 et ayant pour conséquence dramatique la formation de multiples fuseaux mitotiques dans la cellule en mitose.

The cell cycle–regulated genes of schizosaccharomyces pombe

Many genes are regulated as an innate part of the eukaryotic cell cycle, and a complex transcriptional network helps enable the cyclic behavior of dividing cells. This transcriptional network has been studied in Saccharomyces cerevisiae (budding yeast) and elsewhere. To provide more perspective on these regulatory mechanisms, we have used microarrays to measure gene expression through the cell cycle of Schizosaccharomyces pombe (fission yeast). The 750 genes with the most significant oscillations were identified and analyzed. There were two broad waves of cell cycle transcription, one in early/mid G2 phase, and the other near the G2/M transition. The early/mid G2 wave included many genes involved in ribosome biogenesis, possibly explaining the cell cycle oscillation in protein synthesis in S.pombe. The G2/M wave included at least three distinctly regulated clusters of genes: one large cluster including mitosis, mitotic exit, and cell separation functions, one small cluster dedicated to DNA replication, and another small cluster dedicated to cytokinesis and division. S. pombe cell cycle genes have relatively long, complex promoters containing groups of multiple DNA sequence motifs, often of two, three, or more different kinds. Many of the genes, transcription factors, and regulatory mechanisms are conserved between S. pombe and S. cerevisiae. Finally, we found preliminary evidence for a nearly genome-wide oscillation in gene expression: 2,000 or more genes undergo slight oscillations in expression as a function of the cell cycle, although whether this is adaptive, or incidental to other events in the cell, such as chromatin condensation, we do not know.

The TRAF-interacting protein (TRAIP) is a novel E2F target with peak expression in mitosis.

The TRAF-interacting protein (TRAIP) is an E3 ubiquitin ligase required for cell proliferation. TRAIP mRNA is downregulated in human keratinocytes after inhibition of the PI3K/AKT/mTOR signaling. Since E2F transcription factors are downstream of PI3K/AKT/mTOR we investigated whether they regulate TRAIP expression. E2F1 expression significantly increased the TRAIP mRNA level in HeLa cells. Reporter assays with the 1400bp 5'-upstream promoter in HeLa cells and human keratinocytes showed that E2F1-, E2F2- and E2F4-induced upregulation of TRAIP expression is mediated by 168bp upstream of the translation start site. Mutating the E2F binding site within this fragment reduced the E2F1- and E2F2-dependent promoter activities and protein-DNA complex formation in gel shift assays. Abundance of TRAIP mRNA and protein was regulated by the cell cycle with a peak in G2/M. Expression of GFP and TRAIP-GFP demonstrated that TRAIP-GFP protein has a lower steady-state concentration than GFP despite similar mRNA levels. Cycloheximide inhibition experiments indicated that the TRAIP protein has a half-life of around four hours. Therefore, the combination of cell cycle-dependent transcription of the TRAIP gene by E2F and rapid protein degradation leads to cell cycle-dependent expression with a maximum in G2/M. These findings suggest that TRAIP has important functions in mitosis and tumorigenesis.

PKA antagonizes CLASP-dependent microtubule stabilization to re-localize Pom1 and buffer cell size upon glucose limitation.

Cells couple growth with division and regulate size in response to nutrient availability. In rod-shaped fission yeast, cell-size control occurs at mitotic commitment. An important regulator is the DYRK-family kinase Pom1, which forms gradients from cell poles and inhibits the mitotic activator Cdr2, itself localized at the medial cortex. Where and when Pom1 modulates Cdr2 activity is unclear as Pom1 medial cortical levels remain constant during cell elongation. Here we show that Pom1 re-localizes to cell sides upon environmental glucose limitation, where it strongly delays mitosis. This re-localization is caused by severe microtubule destabilization upon glucose starvation, with microtubules undergoing catastrophe and depositing the Pom1 gradient nucleator Tea4 at cell sides. Microtubule destabilization requires PKA/Pka1 activity, which negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1/Peg1, reducing CLASP's ability to stabilize microtubules. Thus, PKA signalling tunes CLASP's activity to promote Pom1 cell side localization and buffer cell size upon glucose starvation.

Environmental control of the Pom1-dependent cell-size regulation pathway in fission yeast

Cells couple their growth and division rate in response to nutrient availability to maintain a constant size. This co-ordination happens either at the G1-S or the G2-M transition of the cell cycle. In the rod-shaped fission yeast, size regulation happens at the G2-M transition prior to mitotic commitment. Recent studies have focused on the role of the DYRK-family protein kinase Pom1, which forms gradients emanating from cell poles and inhibits the mitotic activator kinase Cdr2, present at the cell middle. Pom1 was proposed to inhibit Cdr2 until cells reached a critical size before division. However when and where Pom1 inhibits Cdr2 is not clear as medial Pom1 levels do not change during cell elongation. Here I show that Pom1 gradients are susceptible to environmental changes in glucose. Specifically, upon glucose limitation, Pom1 re-localizes from the poles to the cell sides where it delays mitosis through regulating Cdr2. This re-localization occurs due to microtubule de- stabilization and lateral catastrophes leading to transient deposition of the Pom1 gradient nucleator Tea4 along the cell cortex. As Tea4 localization to cell sides is sufficient to recruit Pom1, this explains the mechanism of Pom1 re-localization. Microtubule destabilization and consequently Tea4 and Pom1 spread depends on the activity of the cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA/Pka1), as pka1 mutant cells have stable microtubules and retain polar Tea4 and Pom1 under limited glucose. PKA signaling negatively regulates the microtubule rescue factor CLASP/Cls1, thus reducing its ability to stabilize microtubules. Thus PKA signaling tunes CLASP activity to promote microtubule de-stabilization and Pom1 re-localization upon glucose limitation. I show that the side-localized Pom1 delays mitosis and balances the role of the mitosis promoting, mitogen-associated protein kinase (MAPK) protein Sty1. Thus Pom1 re-localization may serve to buffer cell size upon glucose limitation. -- Afin de maintenir une taille constante, les cellules régulent leur croissance ainsi que leur taux de division selon les nutriments disponibles dans le milieu. Dans la levure fissipare, cette régulation de la taille précède l'engagement mitotique et se fait à la transition entre les phases G2 à M du cycle cellulaire. Des études récentes se sont focalisées sur le rôle de la protéine Pom1, membre de la famille des DYRK kinase. Celle-ci forme un gradient provenant des pôles de la cellule et inhibe l'activateur mitotique Cdr2 présent au centre de la cellule. Le model propose que Pom1 inhibe Cdr2 jusqu'à atteindre une taille critique avant la division. Cependant quand et à quel endroit dans la cellulle Pom1 inhibe Cdr2 n'était pas clair car les niveaux médians de Pom1 ne changent pas au cours de la l'élongation des cellules. Dans cette étude, je montre que les gradients de Pom1 sont sensibles aux changements environnementaux du taux de glucose. Plus spécifiquement, en conditions limitantes de glucose, Pom1 se relocalise des pôles de la cellule pour se distribuer sur les côtés de celle-ci. Par conséquent, un délai d'entrée en mitose est observé dû à l'inhibition Cdr2 par Pom1. Cette délocalisation est due à la déstabilisation des microtubules qui va conduire à une déposition transitoire de Tea4, le nucléateur du gradient de Pom1, tout au long du cortex de la cellule. Comme la localisation de Tea4 sur les côtés de la cellule est suffisante pour recruter la protéine Pom1, ceci explique le mécanisme de relocalisation de celle-ci. La déstabilisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Tea4 et Pom1 dépendent de l'activité de la protéine kinase A dépendante de l'AMP cyclique (PKA/Pka1). En absence de pka1, la stabilité des microtubules n'est pas affectée ce qui permet la rétention de Tea4 et Pom1 aux pôles de la cellule même en conditions limitantes de glucose. La signalisation via PKA régule négativement le facteur de sauvetage des microtubules CLASP/Cls1 et permet donc de réduire sa fonction de déstabilisation des microtubules. Ainsi la signalisation via PKA affine l'activité des CLASP pour promouvoir la déstabilisation des microtubules et la relocalisation de Pom1 en conditions limitantes de glucose. Je montre que la localisation sur les côtés retarde l'entrée en mitose et compense l'action de la protéine Sty1, connue pour être une MAPK qui induit l'entrée en mitose. Ainsi, la relocalisation de Pom1 pourrait servir à tamponner la taille de la cellule en condition limitantes de glucose. -- Various cell types in the environment such as bacterial, plant or animal cells have a distinct cellular size. Maintaining a constant cell size is important for fitness in unicellular organisms and for diverse functions in multicellular organisms. Cells regulate their size by coordinating their growth rate to their division rate. This coupling is important otherwise cells would get progressively smaller or larger after each successive cell cycle. In their natural environment cells may face fluctuations in the available nutrient supply. Thus cells have to coordinate their division rate to the variable growth rates shown under different nutrient conditions. During my PhD, I worked with a single-celled rod shaped yeast called the fission yeast. These cells are longer when the nutrient supply is abundant and shorter when the nutrient supply is scarce. A protein that senses changes in the external carbon source (glucose) is called Protein Kinase A (PKA). The rod shape of fission yeast cells is maintained thanks to a structural backbone called the cytoskeleton. One of the components of this backbone is called microtubules, which are small tube like structures spanning the length of the cell. They transport a protein called Tea4, which in turn is important for the proper localization of another protein Pom1 to the cell ends. Pom1 helps to maintain proper shape and size of these rod shaped yeast cells. My thesis work showed that upon reduction in the external nutrient (glucose) levels, microtubules become less stable and show an alteration in their organization. A significant percentage of the microtubules contact the side of the cell instead of touching only the cell tip. This leads to the spreading of the protein Pom1 away from the tips all around the cell periphery. This helps fission yeast cells to maintain the proper size required under these conditions of limited glucose supply. I further showed that the protein PKA regulates microtubule stability and organization and thus Pom1 spreading and maintenance of proper cell size. Thus my work led to the discovery of a novel pathway by which fission yeast cells maintain their size under limited supply of glucose. -- Divers types cellulaires dans l'environnement tels que les bactéries, les plantes ou les cellules animales ont une taille précise. Le maintien d'une taille cellulaire constante est importante pour le fitness des organismes unicellulaire ainsi que pour multiples fonctions dans les organismes multicellulaires. Les cellules régulent leur taille en coordonnant le taux de croissance avec le taux de division. Ce couplage est essentiel sinon les cellules deviendraient progressivement plus petites ou plus grandes après chaque cycle cellulaire. Dans leur habitat naturels les cellules peuvent faire face a des fluctuations dans le taux de nutriment disponible. Les cellules doivent donc coordonner leur taux de division aux taux variables de croissances perçus dans les différentes conditions nutritionnels. Pendant ma thèse, j'ai travaillée sur une levure unicellulaire, en forme de bâtonnet, nommé levure fissipare ou levure de fission. La taille de ces cellules est plus grande quand le taux de nutriments est grand et plus courte quand celui-ci est plus faible. Une protéine qui perçoit les changements dans le taux externe de la source de carbone (glucose) est nommée PKA pour protéine kinase A. La forme en bâtonnet de la cellule est due aux caractères structuraux du cytosquelette. Une composante importante de ce cytosquelette sont les microtubules, dont la structures ressemble à des petit tubes qui vont d'un bout à l'autre de la cellule. Ces microtubules transportent une protéine importante nommée Tea4 qui à leur tour importante pour la bonne localisation d'une autre protéine Pom1 aux extrémités de la cellule. La protéine Pom1 aide à maintenir la taille appropriée des levures fissipares. Mon travail de thèse a montré qu'en présence de taux faible de nutriments (glucose) les microtubules deviennent de moins en moins stables et montrent une désorganisation globale. Un pourcentage significatif des microtubules touche les côtés de la cellule aux lieu d'atteindre uniquement les extrémités. Ceci a pour conséquence une diffusion de Pom1 tout au long du cortex de la cellule. Ceci aide les levures fissipares à maintenir la taille appropriée pendant ce stress nutritionnel. De plus, je montre que PKA régule la stabilité et l'organisation des microtubules et par conséquent la diffusion de Pom1 et le maintien d'une taille constante. En conclusion, mon travail a conduit à la découverte d'un nouveau mécanisme par lequel la levure fissipare maintient sa taille dans des conditions limitantes en glucose.

Regulation of HSF2 and its function in mitosis

The cell is continuously subjected to various forms of external and intrinsic proteindamaging stresses, including hyperthermia, pathophysiological states, as well as cell differentiation and proliferation. Proteindamaging stresses result in denaturation and improper folding of proteins, leading to the formation of toxic aggregates that are detrimental for various pathological conditions, including Alzheimer’s and Huntington’s diseases. In order to maintain protein homeostasis, cells have developed different cytoprotective mechanisms, one of which is the evolutionary well-conserved heat shock response. The heat shock response results in the expression of heat shock proteins (Hsps), which act as molecular chaperones that bind to misfolded proteins, facilitate their refolding and prevent the formation of protein aggregates. Stress-induced expression of Hsps is mediated by a family of transcription factors, the heat shock factors, HSFs. Of the four HSFs found in vertebrates, HSF1-4, HSF1 is the major stress-responsive factor that is required for the induction of the heat shock response. HSF2 cannot alone induce Hsps, but modulates the heat shock response by forming heterotrimers with HSF1. HSFs are not only involved in the heat shock response, but they have also been found to have a function in development, neurodegenerative disorders, cancer, and longevity. Therefore, insight into how HSFs are regulated is important for the understanding of both normal physiological and disease processes. The activity of HSF1 is mainly regulated by intricate post-translational modifications, whereas the activity of HSF2 is concentrationdependent. However, there is only limited understanding of how the abundance of HSF2 is regulated. This study describes two different means of how HSF2 levels are regulated. In the first study it was shown that microRNA miR-18, a member of the miR-17~92 cluster, directly regulates Hsf2 mRNA stability and thus protein levels. HSF2 has earlier been shown to play a profound role in the regulation of male germ cell maturation during the spermatogenesis. The effect on miR-18 on HSF2 was examined in vivo by transfecting intact seminiferous tubules, and it was found that inhibition of miR-18 resulted in increased HSF2 levels and modified expression of the HSF2 targets Ssty2 and Speer4a. HSF2 has earlier been reported to modulate the heat shock response by forming heterotrimers with HSF1. In the second study, it was shown that HSF2 is cleared off the Hsp70 promoter and degraded by the ubiquitinproteasome pathway upon acute stress. By silencing components of the anaphase promoting complex/cyclosome (APC/C), including the co-activators Cdc20 and Cdh1, it was shown that APC/C mediates the heatinduced ubiquitylation of HSF2. Furthermore, down-regulation of Cdc20 was shown to alter the expression of heat shock-responsive genes. Next, we studied if APC/C-Cdc20, which controls cell cycle progression, also regulates HSF2 during the cell cycle. We found that both HSF2 mRNA and protein levels decreased during mitosis in several but not all human cell lines, indicating that HSF2 has a function in mitotic cells. Interestingly, although transcription is globally repressed during mitosis, mainly due to the displacement of RNA polymerase II and transcription factors, including HSF1, from the mitotic chromatin, HSF2 is capable of binding DNA during mitosis. Thus, during mitosis the heat shock response is impaired, leaving mitotic cells vulnerable to proteotoxic stress. However, in HSF2-deficient mitotic cells the Hsp70 promoter is accessible to both HSF1 and RNA polymerase II, allowing for stress-inducible Hsp expression to occur. As a consequence HSF2-deficient mitotic cells have a survival advantage upon acute heat stress. The results, presented in this thesis contribute to the understanding of the regulatory mechanisms of HSF2 and its function in the heat shock response in both interphase and mitotic cells.

To Divide or Not to Divide; MicroRNAs and Small Compounds as Modulators of Mitosis

Mitosis is under the stringent quality control of the spindle assembly checkpoint (SAC). However, in cancer cells this control can fail, leading to excessive cellular proliferation and ultimately to the formation of a tumor. Novel cancer cell selective therapies are needed to stop the uncontrolled cell proliferation and tumor growth. The aim of the research presented in this thesis was to identify microRNAs (miRNAs) that could play a role in cancer cell proliferation as well as low molecular weight (LMW) compounds that could interfere with cell division. The findings could be used to develop better cancer diagnostics and therapies in the future. First, a high-throughput screen (HTS) was performed to identify LMW compounds that possess a similar chemical interaction field as rigosertib, an anti-cancer compound undergoing clinical trials. A compound termed Centmitor-1 was discovered that phenocopied the cellular impact of rigosertib by affecting the microtubule dynamics. Next, another HTS aimed at identifying compounds that would target the Hec1 protein, which mediates the interaction between spindle microtubules and chromosomes. Perturbation of this connection should prevent cell division and induce cell death. A compound termed VTT-006 was discovered that abrogated mitosis in several cell line models and exhibited binding to Hec1 in vitro. Lastly, using a cell-based HTS two miRNAs were identified that affected cancer cell proliferation via Aurora B kinase, which is an important mitotic regulator. MiR-378a-5p was found to indirectly suppress the production of the kinase whereas let-7b showed direct binding to the 3’UTR of Aurora B mRNA and repressed its translation. The miRNA-mediated perturbation of Aurora B induced defects in mitosis leading to abnormal chromosome segregation and induction of aneuploidy. The results of this thesis provide new information on miRNA signaling in cancer, which could be utilized for diagnostic purposes. Moreover, the thesis introduces two small compounds that may benefit future drug research.

Symmetric pollen mitosis I and suppression of pollen mitosis II prevent pollen development in Brachiaria jubata (Gramineae)

Microsporogenesis and pollen development were analyzed in a tetraploid (2n = 4x = 36) accession of the forage grass Brachiaria jubata (BRA 007820) from the Embrapa Beef Cattle Brachiaria collection that showed partial male sterility. Microsporocytes and pollen grains were prepared by squashing and staining with 0.5% propionic carmine. The meiotic process was typical of polyploids, with precocious chromosome migration to the poles and laggards in both meiosis I and II, resulting in tetrads with micronuclei in some microspores. After callose dissolution, microspores were released into the anther locule and appeared to be normal. Although each microspore initiated its differentiation into a pollen grain, in 11.1% of them nucleus polarization was not observed, i.e., pollen mitosis I was symmetric and the typical hemispherical cell plate was not detected. After a central cytokinesis, two equal-sized cells showing equal chromatin condensation and the same nuclear shape and size were formed. Generative cells and vegetative cells could not be distinguished. These cells did not undergo the second pollen mitosis and after completion of pollen wall synthesis each gave rise to a sterile and uninucleate pollen grain. The frequency of abnormal pollen mitosis varied among flowers and also among inflorescences. All plants were equally affected. The absence of fertile sperm cells in a considerable amount of pollen grains in this accession of B. jubata may compromise its use in breeding and could explain, at least in part, why seed production is low when compared with the amount of flowers per raceme.

Cell cycle synchronization and BrdU incorporation as a tool to study the possible selective elimination of ErbB1 gene in the micronuclei in A549 cells

Lung cancer often exhibits molecular changes, such as the overexpression of the ErbB1 gene that encodes epidermal growth factor receptor (EGFR). ErbB1 amplification and mutation are associated with tumor aggressiveness and low response to therapy. The aim of the present study was to design a schedule to synchronize the cell cycle of A549 cell line (a non-small cell lung cancer) and to analyze the possible association between the micronuclei (MNs) and the extrusion of ErbB1 gene extra-copies. After double blocking, by the process of fetal bovine serum deprivation and vincristine treatment, MNs formation was monitored with 5-bromo-2-deoxyuridine (BrdU) incorporation, which is an S-phase marker. Statistical analyses allowed us to infer that MNs may arise both in mitosis as well as in interphase. The MNs were able to replicate their DNA and this process seemed to be non-synchronous with the main cell nuclei. The presence of ErbB1 gene in the MNs was evaluated by fluorescent in situ hybridization (FISH). ErbB1 sequences were detected in the MNs, but a relation between the MNs formation and extrusion of amplified ErbB1could not be established. The present study sought to elucidate the meaning of MNs formation and its association with the elimination of oncogenes or other amplified sequences from the tumor cells.

Computational prediction of neural progenitor cell fates

Understanding how stem and progenitor cells choose between alternative cell fates is a major challenge in developmental biology. Efforts to tackle this problem have been hampered by the scarcity of markers that can be used to predict cell division outcomes. Here we present a computational method, based on algorithmic information theory, to analyze dynamic features of living cells over time. Using this method, we asked whether rat retinal progenitor cells (RPCs) display characteristic phenotypes before undergoing mitosis that could foretell their fate. We predicted whether RPCs will undergo a self-renewing or terminal division with 99% accuracy, or whether they will produce two photoreceptors or another combination of offspring with 87% accuracy. Our implementation can segment, track and generate predictions for 40 cells simultaneously on a standard computer at 5 min per frame. This method could be used to isolate cell populations with specific developmental potential, enabling previously impossible investigations.

Bcl-xL regulation and function in cell cycle checkpoints and progression

Quelques évidences suggèrent que Bcl-xL, un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2, possède également des fonctions au niveau du cycle cellulaire et de ses points-contrôle. Pour étudier la régulation et fonction de Bcl-xL au cours du cycle cellulaire, nous avons généré et exprimé dans des cellules humaines une série de mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser49Ala, Ser56Ala, Ser62Ala et Thr115Ala. L'analyse de cette série de mutants révèle que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser62Ala) sont moins stables au point-contrôle G2 du cycle cellulaire comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou les autres mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala et Thr115Ala. Les études de cinétiques de phosphorylation et de localisation de phospho-Bcl-xL(Ser62) dans des cellules synchronisées et suite à l'activation du point-contrôle en G2 médié par l'étoposide (VP16), nous indiquent que phospho-Bcl-xL(Ser62) migre dans les corps nucléolaires durant l'arrêt en G2 dans les cellules exposées au VP16. Une série d'expériences incluant des essais kinase in vitro, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et d'ARN interférant, nous révèlent que Polo kinase 1 (PLK1) et MAPK9/JNK2 sont les protéines kinase impliquées dans la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62), et pour son accumulation dans les corps nucléolaires pendant le point-contrôle en G2. Nos résultats indiquent que durant le point-contrôle en G2, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie et se co-localise avec CDK1(CDC2), le complexe cycline-kinase qui contrôle l'entrée en mitose. Nos résultats suggèrent que dans les corps nucléolaires, phospho-Bcl-xL(Ser62) stabilise l'arrêt en G2 en séquestrant CDK1(CDC2) pour retarder l'entrée en mitose. Ces résultats soulignent également que les dommages à l'ADN influencent la composition des corps nucléolaires, structure nucléaire qui émerge maintenant comme une composante importante de la réponse aux dommages à l'ADN. Dans une deuxième étude, nous décrivons que les cellules exprimant le mutant de phosphorylation Bcl-xL(Ser62Ala) sont également plus stables au point-contrôle de l'assemblage du fuseau de la chromatine (SAC) suite à une exposition au taxol, comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou d'autres mutants de phosphorylation de Bcl-xL, incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala. Cet effet est indépendent de la fonction anti-apoptotique de Bcl-xL. Bcl-xL(Ser62) est fortement phosphorylé par PLK1 et MAPK14/SAPKp38α à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et déphosphorylé à la télophase et la cytokinèse. Phospho-Bcl-xL(Ser62) se trouve dans les centrosomes avec γ-tubuline, le long du fuseau mitotique avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique avec des composantes du SAC. Dans des cellules exposées au taxol, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie au complexe inhibiteur CDC20/MAD2/BUBR1/BUB3, alors que le mutant Bcl-xL(Ser62Ala) ne se lie pas à ce complexe. Ces résultats indiquent que durant le SAC, la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62) accélère la résolution du SAC et l'entrée des cellules en anaphase. Des expériences bloquant l'expression de Bcl-xL révèlent ègalement un taux très élevé de cellules tétraploïdes et binuclées après un traitement au nocodazole, consistant avec une fonction de Bcl-xL durant la mitose et dans la stabilité génomique. Dans la troisième étude, l'analyse fonctionnelle de cette série de mutants de phosphorylation indique également que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser49Ala) sont moins stables durant le point-contrôle G2 et entre en cytokinèse plus lentement dans des cellules exposées aux inhibiteurs de la polymérisation/dépolymérisation des tubulines, composantes des microtubules. Ces effets de Bcl-xL(Ser49Ala) sont indépendents de sa fonction anti-apoptotique. La phosphorylation de Bcl-xL(Ser49) est dynamique au cours du cycle cellulaire. Dans des cellules synchronisées, Bcl-xL(Ser49) est phosphorylé en phase S et G2, déphosphorylé à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et re-phosphorylé durant la télophase et la cytokinèse. Au cours du point-contrôle G2 induit par les dommages à l'ADN, un pool important de phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve aux centrosomes, un site important pour la régulation de l'entrée en mitose. Durant la télophase et la cytokinèse, phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve le long des microtubules avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique. Finalement, nos résultats suggèrent que PLK3 est responsable de la phosphorylation de Bcl-xL(Ser49), une protéine kinase impliquée pour l'entrée des cellules en mitose et pour la progression de la mitose jusqu'à la division cellulaire.

A proteome-wide strategy reveals a novel mechanism of control of cell cycle progression through modulation of cyclin mRNA stability

La quantité de données générée dans le cadre d'étude à grande échelle du réseau d'interaction protéine-protéine dépasse notre capacité à les analyser et à comprendre leur sens; d'une part, par leur complexité et leur volume, et d'un autre part, par la qualité du jeu de donnée produit qui semble bondé de faux positifs et de faux négatifs. Cette dissertation décrit une nouvelle méthode de criblage des interactions physique entre protéines à haut débit chez Saccharomyces cerevisiae, la complémentation de fragments protéiques (PCA). Cette approche est accomplie dans des cellules intactes dans les conditions natives des protéines; sous leur promoteur endogène et dans le respect des contextes de modifications post-traductionnelles et de localisations subcellulaires. Une application biologique de cette méthode a permis de démontrer la capacité de ce système rapporteur à répondre aux questions d'adaptation cellulaire à des stress, comme la famine en nutriments et un traitement à une drogue. Dans le premier chapitre de cette dissertation, nous avons présenté un criblage des paires d'interactions entre les protéines résultant des quelques 6000 cadres de lecture de Saccharomyces cerevisiae. Nous avons identifié 2770 interactions entre 1124 protéines. Nous avons estimé la qualité de notre criblage en le comparant à d'autres banques d'interaction. Nous avons réalisé que la majorité de nos interactions sont nouvelles, alors que le chevauchement avec les données des autres méthodes est large. Nous avons pris cette opportunité pour caractériser les facteurs déterminants dans la détection d'une interaction par PCA. Nous avons remarqué que notre approche est sous une contrainte stérique provenant de la nécessité des fragments rapporteurs à pouvoir se rejoindre dans l'espace cellulaire afin de récupérer l'activité observable de la sonde d'interaction. L'intégration de nos résultats aux connaissances des dynamiques de régulations génétiques et des modifications protéiques nous dirigera vers une meilleure compréhension des processus cellulaires complexes orchestrés aux niveaux moléculaires et structuraux dans les cellules vivantes. Nous avons appliqué notre méthode aux réarrangements dynamiques opérant durant l'adaptation de la cellule à des stress, comme la famine en nutriments et le traitement à une drogue. Cette investigation fait le détail de notre second chapitre. Nous avons déterminé de cette manière que l'équilibre entre les formes phosphorylées et déphosphorylées de l'arginine méthyltransférase de Saccharomyces cerevisiae, Hmt1, régulait du même coup sont assemblage en hexamère et son activité enzymatique. L'activité d'Hmt1 a directement un impact dans la progression du cycle cellulaire durant un stress, stabilisant les transcrits de CLB2 et permettant la synthèse de Cln3p. Nous avons utilisé notre criblage afin de déterminer les régulateurs de la phosphorylation d'Hmt1 dans un contexte de traitement à la rapamycin, un inhibiteur de la kinase cible de la rapamycin (TOR). Nous avons identifié la sous-unité catalytique de la phosphatase PP2a, Pph22, activé par l'inhibition de la kinase TOR et la kinase Dbf2, activé durant l'entrée en mitose de la cellule, comme la phosphatase et la kinase responsable de la modification d'Hmt1 et de ses fonctions de régulations dans le cycle cellulaire. Cette approche peut être généralisée afin d'identifier et de lier mécanistiquement les gènes, incluant ceux n'ayant aucune fonction connue, à tout processus cellulaire, comme les mécanismes régulant l'ARNm.

Asymmetric cell division intersects with cell geometry : a method to extrapolate and quantify geometrical parameters of sensory organ precursors

La division cellulaire asymétrique (DCA) consiste en une division pendant laquelle des déterminants cellulaires sont distribués préférentiellement dans une des deux cellules filles. Par l’action de ces déterminants, la DCA générera donc deux cellules filles différentes. Ainsi, la DCA est importante pour générer la diversité cellulaire et pour maintenir l’homéostasie de certaines cellules souches. Pour induire une répartition asymétrique des déterminants cellulaires, le positionnement du fuseau mitotique doit être très bien contrôlé. Fréquemment ceci génère deux cellules filles de tailles différentes, car le fuseau mitotique n’est pas centré pendant la mitose, ce qui induit un positionnement asymétrique du sillon de clivage. Bien qu’un complexe impliquant des GTPases hétérotrimériques et des protéines liant les microtubules au cortex ait été impliqué directement dans le positionnement du fuseau mitotique, le mécanisme exact induisant le positionnement asymétrique du fuseau durant la DCA n'est pas encore compris. Des études récentes suggèrent qu’une régulation asymétrique du cytosquelette d’actine pourrait être responsable de ce positionnement asymétrique du faisceau mitotique. Donc, nous émettons l'hypothèse que des contractions asymétriques d’actine pendant la division cellulaire pourraient déplacer le fuseau mitotique et le sillon de clivage pour créer une asymétrie cellulaire. Nos résultats préliminaires ont démontré que le blebbing cortical, qui est une indication de tension corticale et de contraction, se produit préférentiellement dans la moitié antérieure de cellule précurseur d’organes sensoriels (SOP) pendant le stage de télophase. Nos données soutiennent l'idée que les petites GTPases de la famille Rho pourraient être impliqués dans la régulation du fuseau mitotique et ainsi contrôler la DCA des SOP. Les paramètres expérimentaux développés pour cette thèse, pour étudier la régulation de l’orientation et le positionnement du fuseau mitotique, ouvrirons de nouvelles avenues pour contrôler ce processus, ce qui pourrait être utile pour freiner la progression de cellules cancéreuses. Les résultats préliminaires de ce projet proposeront une manière dont les petites GTPases de la famille Rho peuvent être impliqués dans le contrôle de la division cellulaire asymétrique in vivo dans les SOP. Les modèles théoriques qui sont expliqués dans cette étude pourront servir à améliorer les méthodes quantitatives de biologie cellulaire de la DCA.

Structural characterization and distribution of zebrafish germ plasm during interphase and mitosis

In zebrafish, germ cells are responsible for transmitting the genetic information from one generation to the next. During the first cleavages of zebrafish embryonic development, a specialized part of the cytoplasm known as germ plasm, is responsible of committing four blastomeres to become the progenitors of all germ cells in the forming embryo. Much is known about how the germ plasm is spatially distributed in early stages of primordial germ cell development, a process described to be dependant on microtubules and actin. However, little is known about how the material is inherited after it reorganizes into a perinuclear location, or how is the symmetrical distribution regulated in order to ensure proper inheritance of the material by both daughter cells. It is also not clear whether there is a controlled mechanism that regulates the number of granules inherited by the daughter cells, or whether it is a random process. We describe the distribution of germ plasm material from 4hpf to 24hpf in zebrafish primordial germ cells using Vasa protein as marker. Vasa positive material appears to be conglomerate into 3 to 4 big spherical structures at 4hpf. While development progresses, these big structures become smaller perinuclear granules that reach a total number of approximately 30 at 24hpf. We investigated how this transformation occurs and how the minus-end microtubule dependent motor protein Dynein plays a role in this process. Additionally, we describe specific colocalization of microtubules and perinuclear granules during interphase and more interestingly, during all different stages of cell division. We show that distribution of granules follow what seems to be a regulated distribution: during cells division, daughter cells inherit an equal number of granules. We propose that due to the permanent colocalization of microtubular structures with germinal granules during interphase and cell division, a coordinated mechanism between these structures may ensure proper distribution of the material among daughter cells. Furthermore, we show that exposure to the microtubule-depolymerizing drug nocodazole leads to disassembly of the germ cell nuclear lamin matrix, chromatin condensation, and fusion of granules to a big conglomerate, revealing dependence of granular distribution on microtubules and proper nuclear structure.

Forkhead (FOX) transcription factors and the cell cycle: measurement of DNA binding by FoxO and FoxM transcription factors

Certain forkhead (FOX) transcription factors have been shown to play an intrinsic role in controlling cell cycle progression. In particular, the FoxO subclass has been shown to regulate cell cycle entry and exit, whereas the expression and activity of FoxM1 is important for the correct coupling of DNA synthesis to mitosis. In this chapter, I describe a method for measuring FoxO and FoxM1 transcription factor DNA binding in nuclear extracts from mammalian cells.