Assembly of RecA-like recombinases: Distinct roles for mediator proteins in mitosis and meiosis

Members of the RecA family of recombinases from bacteriophage T4, Escherichia coli, yeast, and higher eukaryotes function in recombination as higher-order oligomers assembled on tracts of single-strand DNA (ssDNA). Biochemical studies have shown that assembly of recombinase involves accessory factors. These studies have identified a class of proteins, called recombination mediator proteins, that act by promoting assembly of recombinase on ssDNA tracts that are bound by ssDNA-binding protein (ssb). In the absence of mediators, ssb inhibits recombination reactions by competing with recombinase for DNA-binding sites. Here we briefly review mediated recombinase assembly and present results of new in vivo experiments. Immuno-double-staining experiments in Saccharomyces cerevisiae suggest that Rad51, the eukaryotic recombinase, can assemble at or near sites containing ssb (replication protein A, RPA) during the response to DNA damage, consistent with a need for mediator activity. Correspondingly, mediator gene mutants display defects in Rad51 assembly after DNA damage and during meiosis, although the requirements for assembly are distinct in the two cases. In meiosis, both Rad52 and Rad55/57 are required, whereas either Rad52 or Rad55/57 is sufficient to promote assembly of Rad51 in irradiated mitotic cells. Rad52 promotes normal amounts of Rad51 assembly in the absence of Rad55 at 30°C but not 20°C, accounting for the cold sensitivity of rad55 null mutants. Finally, we show that assembly of Rad51 is induced by radiation during S phase but not during G1, consistent with the role of Rad51 in repairing the spontaneous damage that occurs during DNA replication.

Rfc5, a small subunit of replication factor C complex, couples DNA replication and mitosis in budding yeast.

The inhibition of DNA synthesis prevents mitotic entry through the action of the S phase checkpoint. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, an essential protein kinase, Spk1/Mec2/Rad53/Sad1, controls the coupling of S phase to mitosis. In an attempt to identify genes that genetically interact with Spk1, we have isolated a temperature-sensitive mutation, rfc5-1, that can be suppressed by overexpression of SPK1. The RFC5 gene encodes a small subunit of replication factor C complex. At the restrictive temperature, rfc5-1 mutant cells entered mitosis with unevenly separated or fragmented chromosomes, resulting in loss of viability. Thus, the rfc5 mutation defective for DNA replication is also impaired in the S phase checkpoint. Overexpression of POL30, which encodes the proliferating cell nuclear antigen, suppressed the replication defect of the rfc5 mutant but not its checkpoint defect. Taken together, these results suggested that replication factor C has a direct role in sensing the state of DNA replication and transmitting the signal to the checkpoint machinery.

The yeast nuclear import receptor is required for mitosis.

The nuclear import system is highly conserved among eukaryotes. Here we report the effects of a conditional mutation in SRP1, which encodes a Saccharomyces cerevisiae homolog of the vertebrate nuclear import receptor importin. Importin was isolated as a factor required for the initial targeting step of a nuclear import substrate to the nuclear envelope in a mammalian in vitro assay. We show that yeast Srp1 is similarly required for protein import. In addition, Srp1 is also required for the execution of mitosis: we demonstrate that cells containing a conditional mutation of SRP1 arrest with a G2/M phenotype in a manner analogous to classic cdc mutants. This defect may be due to the failure of the mutant to degrade the mitotic cyclin Clb2 and other proteins required for mitosis. The requirement of a nuclear import receptor for cell cycle-regulated proteolysis implies that import of cell cycle regulators into the nucleus is critical for cell cycle progression.

Disengaging the Smc3/kleisin interface releases cohesin from Drosophila chromosomes during interphase and mitosis

Cohesin's Smc1, Smc3, and kleisin subunits create a tripartite ring within which sister DNAs are entrapped. Evidence suggests that DNA enters through a gate created by transient dissociation of the Smc1/3 interface. Release at the onset of anaphase is triggered by proteolytic cleavage of kleisin. Less well understood is the mechanism of release at other stages of the cell cycle, in particular during prophase when most cohesin dissociates from chromosome arms in a process dependent on the regulatory subunit Wapl. We show here that Wapl-dependent release from salivary gland polytene chromosomes during interphase and from neuroblast chromosome arms during prophase is blocked by translational fusion of Smc3's C-terminus to kleisin's N-terminus. Our findings imply that proteolysis-independent release of cohesin from chromatin is mediated by Wapl-dependent escape of DNAs through a gate created by transient dissociation of the Smc3/kleisin interface. Thus, cohesin's DNA entry and exit gates are distinct.

Phosphorylation and membrane dissociation of the ARF exchange factor GBF1 in mitosis

Secretory protein trafficking is arrested and the Golgi apparatus fragmented when mammalian cells enter mitosis. These changes are thought to facilitate cell cycle progression and Golgi inheritance, and are brought about through the actions of mitotically active protein kinases. To better understand how the Golgi apparatus undergoes mitotic fragmentation we have sought to identify novel Golgi targets for mitotic kinases. We report here the identification of the ARF exchange factor GBF1 as a Golgi phosphoprotein. GBF1 is phosphorylated by CDK1-cyclin B in mitosis, which results in its dissociation from Golgi membranes. Consistent with a reduced level of GBF1 activity at the Golgi membrane there is a reduction in levels of membrane-associated GTP-bound ARF in mitotic cells. Despite the reduced levels of membrane bound GBF1 and ARF, COPI binding to the Golgi membrane appears unaffected in mitotic cells. Surprisingly, this pool of COPI is dependent upon GBF1 for its recruitment to the membrane, suggesting a low level of GBF1 activity persists in mitosis. We propose that the phosphorylation and membrane dissociation of GBF1 and the consequent reduction in ARF-GTP levels in mitosis are important for changes in Golgi dynamics and possibly other mitotic events mediated through effectors other than the COPI vesicle coat.

The control of mitosis in mammalian tissues

The question of which factors are central in determining whether a cell will undertake a new round of mitosis or will decycle has been examined in the isolated thymic lymphocyte model. Such cell populations possess both in vivo and in vitro a subpopulation of quiescent lymphoblasts which may be induced to reinitiate their mitotic programme. In the intact animal the major determinant of proliferative activity is the plasma ionised calcium concentration. However it has been established in culture that a variety of hormones, ions, cyclic nucleotides, plant lectins and ionophores may like calcium elicit a mitogenic response. These agents do not appear however to initiate DNA synthesis in an identical fashion. Rather there are two distinct intracellular mitogenic axes. The first axis includes a number of adenylate cyclase stimulants, cyclic AMP, phosphodiesterase inhibitors and magnesium ions. It was found that all these mitogens required extracellular magnesium ions to exhibit their stimulatory capacity. This dichotomy in mitogenic activity was further emphasised by the observation that these mitogens are all inhibited by testosterone, whilst the magnesium-independent mitogens were insensitive to this androgen. Indeed this second group of stimulatory factors required the presence of calcium ions in the extracellular milieu for activity, and were, in contrast to the magnesium-dependent mitogens inhibited by the presence of oestradiol in the culture. By examining the interrelationships between these various mitogens and inhibitors it has been possible to propose a mechanism to describe the activation process in the thymocyte. Studies of the metabolism of cyclic nucleotides, membrane potential and transmembrane ion fluxes indicate that there may be a complex relationship between membrane fluidity, ion balance and cyclic nucleotide levels which may individually or in concert promote the initiation of DNA synthesis. A number of possible mechanisms are discussed to account for these observations.

Bcl-xL (S49) and (S62) sequential phosphorylation/dephosphorylation during mitosis prevents chromosome instability and aneuploidy

Une caractéristique intéressante de la protéine Bcl-xL est la présence d'un domaine en boucle non-structurée entre les hélices α1 and α2 de la protéine. Ce domaine protéique n'est pas essentiel pour sa fonction anti-apoptotique et absent chez CED-9, la protéine orthologue chez Caenorhabditis elegans. A l'intérieur de ce domaine, Bcl-xL subit une phosphorylation et déphosphorylation dynamique sur les résidus Ser49 et Ser62 en phase G2 du cycle cellulaire et lors de la mitose. Lorsque ces résidus sont mutés et les protéines exprimées dans des cellules cancéreuses, les cellules démontrent plusieurs défauts mitotiques liés à l'instabilité chromosomique. Pour analyser les effets de Bcl-xL Ser49 et Ser62 dans les cellules normales, les présentes études ont été réalisées dans des cellules diploïdes humaines normales, et in vivo chez Caenorhabditis elegans. Dans une première étude, nous avons utilisé la lignée cellulaire de cellules fibroblastiques diploïdes humaines normales BJ, exprimant Bcl-xL (type sauvage), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) et les double (S49/62A) et (S49/62D) mutants. Les cellules exprimant les mutants de phosphorylation ont montré des cinétiques de doublement de la population cellulaire réduites. Ces effets sur la cinétique de doublement de la population cellulaire corrèle avec l'apparition de la sénescence cellulaire, sans impact sur les taux de mort cellulaire. Ces cellules sénescentes affichent des phénotypes typiques de sénescence associés notamment à haut niveau de l'activité β-galactosidase associée à la sénescence, la sécrétion d' interleukine-6, l'activation de p53 et de p21WAF1/ Cip1, un inhibiteur des complexes kinase cycline-dépendant, ainsi que la formation de foyers de chromatine nucléaire associés à γH2A.X. Les analyses de fluorescence par hybridation in situ et des caryotypes par coloration au Giemsa ont révélé que l'expression des mutants de phosphorylation de Bcl-xL provoquent de l'instabilité chromosomique et l'aneuploïdie. Ces résultats suggèrent que les cycles de phosphorylation et déphosphorylation dynamiques de Bcl-xL Ser49 et Ser62 sont importants dans le maintien de l'intégrité des chromosomes lors de la mitose dans les cellules normales. Dans une deuxième étude, nous avons entrepris des expériences chez Caenorhabditis elegans pour comprendre l'importance des résidus Ser49 et Ser62 de Bcl-xL in vivo. Les vers transgéniques portant les mutations de Bcl-xL (S49A, S62A, S49D, S62D et S49/62A) ont été générés et leurs effets ont été analysés sur les cellules germinales des jeunes vers adultes. Les vers portant les mutations de Bcl-xL ont montré une diminution de ponte et d'éclosion des oeufs, des variations de la longueur de leurs régions mitotiques et des zones de transition, des anomalies chromosomiques à leur stade de diplotène, et une augmentation de l'apoptose des cellules germinales. Certaines de ces souches transgéniques, en particulier les variants Ser/Ala, ont également montré des variations de durée de vie par rapport aux vers témoins. Ces observations in vivo ont confirmé l'importance de Ser49 et Ser62 à l'intérieur du domaine à boucle de Bcl-xL pour le maintien de la stabilité chromosomique. Ces études auront une incidence sur les futures stratégies visant à développer et à identifier des composés qui pourraient cibler non seulement le domaine anti-apoptotique de la protéine Bcl-xL, mais aussi son domaine mitotique pour la thérapie du cancer.

Bcl-xL (S49) and (S62) sequential phosphorylation/dephosphorylation during mitosis prevents chromosome instability and aneuploidy

Une caractéristique intéressante de la protéine Bcl-xL est la présence d'un domaine en boucle non-structurée entre les hélices α1 and α2 de la protéine. Ce domaine protéique n'est pas essentiel pour sa fonction anti-apoptotique et absent chez CED-9, la protéine orthologue chez Caenorhabditis elegans. A l'intérieur de ce domaine, Bcl-xL subit une phosphorylation et déphosphorylation dynamique sur les résidus Ser49 et Ser62 en phase G2 du cycle cellulaire et lors de la mitose. Lorsque ces résidus sont mutés et les protéines exprimées dans des cellules cancéreuses, les cellules démontrent plusieurs défauts mitotiques liés à l'instabilité chromosomique. Pour analyser les effets de Bcl-xL Ser49 et Ser62 dans les cellules normales, les présentes études ont été réalisées dans des cellules diploïdes humaines normales, et in vivo chez Caenorhabditis elegans. Dans une première étude, nous avons utilisé la lignée cellulaire de cellules fibroblastiques diploïdes humaines normales BJ, exprimant Bcl-xL (type sauvage), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) et les double (S49/62A) et (S49/62D) mutants. Les cellules exprimant les mutants de phosphorylation ont montré des cinétiques de doublement de la population cellulaire réduites. Ces effets sur la cinétique de doublement de la population cellulaire corrèle avec l'apparition de la sénescence cellulaire, sans impact sur les taux de mort cellulaire. Ces cellules sénescentes affichent des phénotypes typiques de sénescence associés notamment à haut niveau de l'activité β-galactosidase associée à la sénescence, la sécrétion d' interleukine-6, l'activation de p53 et de p21WAF1/ Cip1, un inhibiteur des complexes kinase cycline-dépendant, ainsi que la formation de foyers de chromatine nucléaire associés à γH2A.X. Les analyses de fluorescence par hybridation in situ et des caryotypes par coloration au Giemsa ont révélé que l'expression des mutants de phosphorylation de Bcl-xL provoquent de l'instabilité chromosomique et l'aneuploïdie. Ces résultats suggèrent que les cycles de phosphorylation et déphosphorylation dynamiques de Bcl-xL Ser49 et Ser62 sont importants dans le maintien de l'intégrité des chromosomes lors de la mitose dans les cellules normales. Dans une deuxième étude, nous avons entrepris des expériences chez Caenorhabditis elegans pour comprendre l'importance des résidus Ser49 et Ser62 de Bcl-xL in vivo. Les vers transgéniques portant les mutations de Bcl-xL (S49A, S62A, S49D, S62D et S49/62A) ont été générés et leurs effets ont été analysés sur les cellules germinales des jeunes vers adultes. Les vers portant les mutations de Bcl-xL ont montré une diminution de ponte et d'éclosion des oeufs, des variations de la longueur de leurs régions mitotiques et des zones de transition, des anomalies chromosomiques à leur stade de diplotène, et une augmentation de l'apoptose des cellules germinales. Certaines de ces souches transgéniques, en particulier les variants Ser/Ala, ont également montré des variations de durée de vie par rapport aux vers témoins. Ces observations in vivo ont confirmé l'importance de Ser49 et Ser62 à l'intérieur du domaine à boucle de Bcl-xL pour le maintien de la stabilité chromosomique. Ces études auront une incidence sur les futures stratégies visant à développer et à identifier des composés qui pourraient cibler non seulement le domaine anti-apoptotique de la protéine Bcl-xL, mais aussi son domaine mitotique pour la thérapie du cancer.

Centrioles: active players or passengers during mitosis?

No funding agencies or grants indicated in the publication.