The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Genomic variation in recombination patterns : implications for disease and cancer

Durant la méiose, il se produit des échanges réciproques entre fragments de chromosomes homologues par recombinaison génétique. Les chromosomes parentaux ainsi modifiés donnent naissance à des gamètes uniques. En redistribuant les mutations génétiques pour générer de nouvelles combinaisons, ce processus est à l’origine de la diversité haplotypique dans la population. Dans cette thèse, je présente des résultats décrivant l’implication de la recombinaison méiotique dans les maladies chez l’humain. Premièrement, l'analyse statistique de données de génotypage de familles québécoises démontre une importante hétérogénéité individuelle et sexe-spécifique des taux de recombinaisons. Pour la première fois chez l’humain, nous avons observé que le taux de recombinaison maternel diminue avec l'âge de la mère, un phénomène potentiellement impliqué dans la régulation du taux d’aneuploïdie associé à l’âge maternel. Ensuite, grâce à l’analyse de données de séquençage d’exomes de patients atteints de leucémie et de ceux de leurs parents, nous avons découvert une localisation anormale des évènements de recombinaison chez les enfants leucémiques. Le gène PRDM9, principal déterminant de la localisation des recombinaisons chez l’humain, présente des formes alléliques rares dans ces familles. Finalement, en utilisant un large spectre de variants génétiques identifiés dans les transcriptomes d’individus Canadiens Français, nous avons étudié et comparé le fardeau génétique présent dans les régions génomiques à haut et à faible taux de recombinaison. Le fardeau génétique est substantiellement plus élevé dans les régions à faible taux de recombinaison et nous démontrons qu’au niveau individuel, ce fardeau varie selon la population humaine. Grâce à l’utilisation de données génomiques de pointe pour étudier la recombinaison dans des cohortes populationnelles et médicales, ce travail démontre de quelle façon la recombinaison peut affecter la santé des individus.

Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Propidium monoazide (PMA) and ethidium bromide monoazide(EMA) improve DNA array and high-throughput sequencing ofporcine reproductive and respiratory syndrome virus identification

Pan-viral DNA array (PVDA) and high-throughput sequencing (HTS) are useful tools to identify novel viruses of emerging diseases. However, both techniques have difficulties to identify viruses in clinical samples because of the host genomic nucleic acid content (hg/cont). Both propidium monoazide (PMA) and ethidium bromide monoazide (EMA) have the capacity to bind free DNA/RNA, but are cell membrane-impermeable. Thus, both are unable to bind protected nucleic acid such as viral genomes within intact virions. However, EMA/PMA modified genetic material cannot be amplified by enzymes. In order to assess the potential of EMA/PMA to lower the presence of amplifiable hg/cont in samples and improve virus detection, serum and lung tissue homogenates were spiked with porcine reproductive and respiratory virus (PRRSV) and were processed with EMA/PMA. In addition, PRRSV RT-qPCR positive clinical samples were also tested. EMA/PMA treatments significantly decreased amplifiable hg/cont and significantly increased the number of PVDA positive probes and their signal intensity compared to untreated spiked lung samples. EMA/PMA treatments also increased the sensitivity of HTS by increasing the number of specific PRRSV reads and the PRRSV percentage of coverage. Interestingly, EMA/PMA treatments significantly increased the sensitivity of PVDA and HTS in two out of three clinical tissue samples. Thus, EMA/PMA treatments offer a new approach to lower the amplifiable hg/cont in clinical samples and increase the success of PVDA and HTS to identify viruses.

Genomic and genetic analyses of diversity and plant interactions of Pseudomonas fluorescens

Background: Pseudomonas fluorescens are common soil bacteria that can improve plant health through nutrient cycling, pathogen antagonism and induction of plant defenses. The genome sequences of strains SBW25 and Pf0-1 were determined and compared to each other and with P. fluorescens Pf-5. A functional genomic in vivo expression technology (IVET) screen provided insight into genes used by P. fluorescens in its natural environment and an improved understanding of the ecological significance of diversity within this species. Results: Comparisons of three P. fluorescens genomes (SBW25, Pf0-1, Pf-5) revealed considerable divergence: 61% of genes are shared, the majority located near the replication origin. Phylogenetic and average amino acid identity analyses showed a low overall relationship. A functional screen of SBW25 defined 125 plant-induced genes including a range of functions specific to the plant environment. Orthologues of 83 of these exist in Pf0-1 and Pf-5, with 73 shared by both strains. The P. fluorescens genomes carry numerous complex repetitive DNA sequences, some resembling Miniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITEs). In SBW25, repeat density and distribution revealed 'repeat deserts' lacking repeats, covering approximately 40% of the genome. Conclusions: P. fluorescens genomes are highly diverse. Strain-specific regions around the replication terminus suggest genome compartmentalization. The genomic heterogeneity among the three strains is reminiscent of a species complex rather than a single species. That 42% of plant-inducible genes were not shared by all strains reinforces this conclusion and shows that ecological success requires specialized and core functions. The diversity also indicates the significant size of genetic information within the Pseudomonas pan genome.

Pathogenicity and other genomic islands in plant pathogenic bacteria

Pathogenicity islands (PAIs) were first described in uropathogenic E. coli. They are now defined as regions of DNA that contain virulence genes and are present in the genome of pathogenic strains, but absent from or only rarely present in non-pathogenic variants of the same or related strains. Other features include a variable G+C content, distinct boundaries from the rest of the genome and the presence of genes related to mobile elements such as insertion sequences, integrases and transposases. Although PAIs have now been described in a wide range of both plant and animal pathogens it has become evident that the general features of PAIs are displayed by a number of regions of DNA with functions other than pathogenicity, such as symbiosis and antibiotic resistance, and the general term genomic islands has been adopted. This review will describe a range of genomic islands in plant pathogenic bacteria including those that carry effector genes, phytotoxins and the type III protein secretion cluster. The review will also consider some medically important bacteria in order to discuss the range, acquisition and stabilization of genomic islands.

The DNA puff 4C expresses a salivary secretion protein in Trichosia pubescens (Diptera; Sciaridae)

DNA puffs are genomic regions of polytene chromosomes that undergo developmentally controlled DNA amplification and transcription in salivary glands of sciarid flies. Here, we tested the hypothesis that DNA puff genes code for salivary proteins in Trichosia pubescens. To do that, we generated antibodies against saliva and immunoscreened a cDNA library made from salivary glands. We isolated clones corresponding to DNA puff regions, including clone D-50 that contained the entire coding sequence of the previously isolated C4B1 gene from puff 4C. Indeed, we showed that puff 4C is a DNA puff region detecting its local transcription and its extra rounds of DNA incorporation compared to neighboring regions. We further confirmed D-50 clone identity in Western blots reacted with the anti-saliva anitiserum. We detected a recombinant protein expressed by this clone that had the expected size for a full-length product of the gene. We end with a discussion of the relationship between DNA puff genes and their products.

Genomic imbalances associated with mullerian aplasia

Background: Aplasia of the mullerian ducts leads to absence of the uterine corpus, uterine cervix, and upper (superior) vagina. Patients with mullerian aplasia (MA) often exhibit additional clinical features such as renal, vertebral and cardiac defects. A number of different syndromes have been associated with MA, and in most cases its aetiology remains poorly understood. Objective and methods: 14 syndromic patients with MA and 46, XX G-banded karyotype were screened for DNA copy number changes by similar to 1 Mb whole genome bacterial artificial chromosome (BAC) array based comparative genomic hybridisation (CGH). The detected alterations were validated by an independent method and further mapped by high resolution oligo-arrays. Results: Submicroscopic genomic imbalances affecting the 1q21.1, 17q12, 22q11.21, and Xq21.31 chromosome regions were detected in four probands. Presence of the alterations in the normal mother of one patient suggests incomplete penetrance and/or variable expressivity. Conclusion: 4 of the 14 patients (29%) were found to have cryptic genomic alterations. The imbalances on 22q11.21 support recent findings by us and others that alterations in this chromosome region may result in impairment of mullerian duct development. The remaining imbalances indicate involvement of previously unknown chromosome regions in MA, and point specifically to LHX1 and KLHL4 as candidate genes.

Analysis of the genome of Spodoptera frugiperda nucleopolyhedrovirus (SfMNPV-19) and of the high genomic heterogeneity in group II nucleopolyhedroviruses

The genome of the most virulent among 22 Brazilian geographical isolates of Spodoptera frugiperda nucleopolyhedrovirus, isolate 19 (SfMNPV-1 9), was completely sequenced and shown to comprise 132 565 bp and 141 open reading frames (ORFs). A total of 11 ORFs with no homology to genes in the GenBank database were found. Of those, four had typical baculovirus; promoter motifs and polyadenylation sites. Computer-simulated restriction enzyme cleavage patterns of SfMNPV-1 9 were compared with published physical maps of other SfMNPV isolates. Differences were observed in terms of the restriction profiles and genome size. Comparison of SfMNPV-1 9 with the sequence of the SfMNPV isolate 3AP2 indicated that they differed due to a 1427 bp deletion, as well as by a series of smaller deletions and point mutations. The majority of genes of SfMNPV-1 9 were conserved in the closely related Spodoptera exigua NPV (SeMNPV) and Agrotis segetum NPV (AgseMNPV-A), but a few regions experienced major changes and rearrangements. Synthenic maps for the genomes of group 11 NPVs revealed that gene collinearity was observed only within certain clusters. Analysis of the dynamics of gene gain and loss along the phylogenetic tree of the NPVs showed that group 11 had only five defining genes and supported the hypothesis that these viruses form ten highly divergent ancient lineages. Crucially, more than 60% of the gene gain events followed a power-law relation to genetic distance among baculoviruses, indicative of temporal organization in the gene accretion process.

Genomic instability in non-neoplastic oral mucosa cells can predict risk during 4-nitroquinoline 1-oxide-induced rat tongue carcinogenesis

4-Nitroquinotine 1-oxide (4NQO)-induced rat tongue carcinogenesis is a useful model for studying oral squamous cell carcinoma. The aim of this study was to investigate the level of DNA damage induced by 4NQO in oral mucosa cells by the single cell get (comet) assay. Mate Wistar rats were distributed into three groups of 10 animals each and treated with 50 ppm 4NQO solution by drinking water for 4, 12 or 20 weeks. Ten animals were used as negative control. Statistically significant increase of DNA damage was observed in non-neoplastic oral cells at four weeks of 4NQO administration when compared with control (P < 0.05). The level of DNA damage was directly associated with the severity of histological changes. The results suggest that histologically normal tissue is able to harbor genetically unstable cells contributing to the initiation of oral carcinogenesis. Genomic instability appears to be associated with the risk and progression of oral cancer. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of diet on oxidative DNA damage, uracil misincorporation and DNA repair capability

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

Single-cell gel (comet) assay detects primary DNA damage in nonneoplastic urothelial cells of smokers and ex-smokers

A protocol for DNA damage assessment by the single-cell gel (SCG)/comet assay in human urinary bladder washing cells was established. Modifications of the standard alkaline protocol included an increase to 2% of sodium sarcosinate in the lysis solution, a reduction in the glass-slide area for comet analysis, and a cutoff value for comet head diameter of at least 30 mum, to exclude contaminating leukocytes. Distinguishing cell populations is crucial, because significant differential migration was demonstrated for transitional and nontransitional cells, phenomena that may confound the results. When applying the modified protocol to urinary bladder cells from smokers without urinary bladder neoplasia, it was possible to detect a significant (P = 0.03) increase in DNA damage as depicted by the tail moment (6.39 +/- 3.23; mean 95% confidence interval; n = 18) when compared with nonsmokers (1.94 +/- 1.41; n = 12). No significant differences were observed between ex-smokers and current smokers regarding comet parameters. Inflammation was not a confounding factor, but DNA migration increased significantly with age in nonsmokers (r = 0.68; P = 0.014). Thus, age matching should be a concern when transitional cells are analyzed in the SCG assay. As it is well known, DNA damage may trigger genomic instability, a crucial step in carcinogenesis. Therefore, the present data directly support the classification of individuals with smoking history as patients at high risk for urinary bladder cancer.

High incidences of DNA ploidy abnormalities in tongue squamous cell carcinoma of young patients: an international collaborative study

Aims: This multi-centre analysis assessed the DNA content of TSCC in 37 young patients (<40 years) and 28 old patients (>50 years) and determined the correlation of DNA ploidy findings with clinicopathological data.Methods and results: Image cytometry was carried out using an automated cellular imaging system on Feulgen-stained histological sections to obtain high-fidelity DNA histograms. Among young patients, 37.8% were females compared to 18.7% in the older group (P = 0.002). In total, 48.6% patients were non-smokers and 40.5% were non-drinkers compared to 10.7% non-smokers and non-drinkers in the older group (P < 0.0001). TNM, clinical stage of disease and histological grade of differentiation did not differ between groups. Tumour aneuploidy was detected in 86.5% and tetraploidy in 24.3% young patients; this was significantly greater than in the older group where 64.3% were aneuploid (P < 0.0001) and 7.2% tetraploid (P < 0.0001). The mean values of DNA index (DI) and DNA heterogeneity index as well as the percentage of cells with DI exceeding 5N were higher in young patients (P < 0.0001).Conclusions: Young patients with TSCC represent a distinct clinical entity. The high incidence of DNA ploidy abnormalities suggest that they may have increased genomic instability and indicates underlying genetic differences between TSCC in young and older patients.

Search for Genomic Alterations in Monozygotic Twins Discordant for Cleft Lip and/or Palate

Phenotypically discordant monozygotic twins offer the possibility of gene discovery through delineation of molecular abnormalities in one member of the twin pair. One proposed mechanism of discordance is postzygotically occurring genomic alterations resulting from mitotic recombination and other somatic changes. Detection of altered genomic fragments can reveal candidate gene loci that can be verified through additional analyses. We investigated this hypothesis using array comparative genomic hybridization; the 50K and 250K Affymetrix GeneChip (R) SNP arrays and an Illumina custom array consisting of 1,536 SNPs, to scan for genomic alterations in a sample of monozygotic twin pairs with discordant cleft lip and/or palate phenotypes. Paired analysis for deletions, amplifications and loss of heterozygosity, along with sequence verification of SNPs with discordant genotype calls did not reveal any genomic discordance between twin pairs in lymphocyte DNA samples. Our results demonstrate that postzygotic genomic alterations are not a common cause of monozygotic twin discordance for isolated cleft lip and/or palate. However, rare or balanced genomic alterations, tissue-specific events and small aberrations beyond the detection level of our experimental approach cannot be ruled out. The stability of genomes we observed in our study samples also suggests that detection of discordant events in other monozygotic twin pairs would be remarkable and of potential disease significance.

Coagglutination for viral DNA preparation of canine parvovirus for molecular diagnosis

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