A phylogenomics approach to resolving fungal evolution, and phylogenetic method development

Bien que les champignons soient régulièrement utilisés comme modèle d'étude des systèmes eucaryotes, leurs relations phylogénétiques soulèvent encore des questions controversées. Parmi celles-ci, la classification des zygomycètes reste inconsistante. Ils sont potentiellement paraphylétiques, i.e. regroupent de lignées fongiques non directement affiliées. La position phylogénétique du genre Schizosaccharomyces est aussi controversée: appartient-il aux Taphrinomycotina (précédemment connus comme archiascomycetes) comme prédit par l'analyse de gènes nucléaires, ou est-il plutôt relié aux Saccharomycotina (levures bourgeonnantes) tel que le suggère la phylogénie mitochondriale? Une autre question concerne la position phylogénétique des nucléariides, un groupe d'eucaryotes amiboïdes que l'on suppose étroitement relié aux champignons. Des analyses multi-gènes réalisées antérieurement n'ont pu conclure, étant donné le choix d'un nombre réduit de taxons et l'utilisation de six gènes nucléaires seulement. Nous avons abordé ces questions par le biais d'inférences phylogénétiques et tests statistiques appliqués à des assemblages de données phylogénomiques nucléaires et mitochondriales. D'après nos résultats, les zygomycètes sont paraphylétiques (Chapitre 2) bien que le signal phylogénétique issu du jeu de données mitochondriales disponibles est insuffisant pour résoudre l'ordre de cet embranchement avec une confiance statistique significative. Dans le Chapitre 3, nous montrons à l'aide d'un jeu de données nucléaires important (plus de cent protéines) et avec supports statistiques concluants, que le genre Schizosaccharomyces appartient aux Taphrinomycotina. De plus, nous démontrons que le regroupement conflictuel des Schizosaccharomyces avec les Saccharomycotina, venant des données mitochondriales, est le résultat d'un type d'erreur phylogénétique connu: l'attraction des longues branches (ALB), un artéfact menant au regroupement d'espèces dont le taux d'évolution rapide n'est pas représentatif de leur véritable position dans l'arbre phylogénétique. Dans le Chapitre 4, en utilisant encore un important jeu de données nucléaires, nous démontrons avec support statistique significatif que les nucleariides constituent le groupe lié de plus près aux champignons. Nous confirmons aussi la paraphylie des zygomycètes traditionnels tel que suggéré précédemment, avec support statistique significatif, bien que ne pouvant placer tous les membres du groupe avec confiance. Nos résultats remettent en cause des aspects d'une récente reclassification taxonomique des zygomycètes et de leurs voisins, les chytridiomycètes. Contrer ou minimiser les artéfacts phylogénétiques telle l'attraction des longues branches (ALB) constitue une question récurrente majeure. Dans ce sens, nous avons développé une nouvelle méthode (Chapitre 5) qui identifie et élimine dans une séquence les sites présentant une grande variation du taux d'évolution (sites fortement hétérotaches - sites HH); ces sites sont connus comme contribuant significativement au phénomène d'ALB. Notre méthode est basée sur un test de rapport de vraisemblance (likelihood ratio test, LRT). Deux jeux de données publiés précédemment sont utilisés pour démontrer que le retrait graduel des sites HH chez les espèces à évolution accélérée (sensibles à l'ALB) augmente significativement le support pour la topologie « vraie » attendue, et ce, de façon plus efficace comparée à d'autres méthodes publiées de retrait de sites de séquences. Néanmoins, et de façon générale, la manipulation de données préalable à l'analyse est loin d’être idéale. Les développements futurs devront viser l'intégration de l'identification et la pondération des sites HH au processus d'inférence phylogénétique lui-même.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

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.

Exploring TERRA (TElomeric Repeat-containing RNA) Expression and Regulation During Cell Growth in Saccharomyces cerevisiae

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Étude de l’effet de la metformine sur la survie cellulaire et sur la réparation de l’ADN chez la levure

Jusqu’à présent, la metformine a principalement été employée comme médicament contrôlant l’hyperglycémie des personnes atteintes de diabète de type II. Des études épidémiologiques ont démontré que les personnes, prenant de la metformine, développent moins de cancers. Par exemple, la prise de metformine réduit respectivement de 78% et de 46% les chances de développer un cancer hépatique ou pancréatique. Récemment, il a été montré que la metformine permet de réduire le développement de tumeur au niveau de la peau, suite à l’exposition à des rayons UVB. Dans cette étude, j’ai démontré que la présence de metformine permet une meilleure survie de la levure Saccharomyces cerevisiae suite à l’exposition à des rayons UVC ou UVA. De plus, j’ai démontré que la présence de metformine augmente le recrutement de l’histone Htz1 à la chromatine. Pour une souche htz1Δ, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA est considérablement diminué. Htz1 permet le recrutement de Rad14 au site de dommages à l’ADN faits par les rayons UV. Htz1 est donc important pour la détection de ces sites. Enfin, le recrutement nucléaire de Rad14 en présence de metformine a considérablement augmenté. En absence de Rad14, le niveau de survie suite à l’exposition aux rayons UVA diminue significativement. Donc, Htz1 et Rad14 sont deux protéines clés dans la protection contre les rayons UV apportés par la metformine. En conclusion, avec les différents résultats de cette étude, il est possible de dire que la metformine permet une forme de protection contre les rayons UVC et UVA.

Trypanosome Prereplication Machinery Contains a Single Functional Orc1/Cdc6 Protein, Which Is Typical of Archaea

In unicellular eukaryotes, such as Saccharomyces cerevisiae, and in multicellular organisms, the replication origin is recognized by the heterohexamer origin recognition complex (ORC) containing six proteins, Orc1 to Orc6, while in members of the domain Archaea, the replication origin is recognized by just one protein, Orc1/Cdc6; the sequence of Orc1/Cdc6 is highly related to those of Orc1 and Cdc6. Similar to Archaea, trypanosomatid genomes contain only one gene encoding a protein named Orc1. Since trypanosome Orc1 is also homologous to Cdc6, in this study we named the Orc1 protein from trypanosomes Orc1/Cdc6. Here we show that the recombinant Orc1/Cdc6 from Trypanosoma cruzi (TcOrc1/Cdc6) and from Trypanosoma brucei (TbOrc1/Cdc6) present ATPase activity, typical of prereplication machinery components. Also, TcOrc1/Cdc6 and TbOrc1/Cdc6 replaced yeast Cdc6 but not Orc1 in a phenotypic complementation assay. The induction of Orc1/Cdc6 silencing by RNA interference in T. brucei resulted in enucleated cells, strongly suggesting the involvement of Orc1/Cdc6 in DNA replication. Orc1/Cdc6 is expressed during the entire cell cycle in the nuclei of trypanosomes, remaining associated with chromatin in all stages of the cell cycle. These results allowed us to conclude that Orc1/Cdc6 is indeed a member of the trypanosome prereplication machinery and point out that trypanosomes carry a prereplication machinery that is less complex than other eukaryotes and closer to archaea.

Efeitos da concentração dos compostos fenólicos no mosto da fermentação alcoólica

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Verificação da formação de complexos protéicos nos telômeros de L. amazonensis

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Avaliação do teste de aglutinação com partículas de látex sensibilizadas com exoantígeno bruto de Paracoccidioides brasiliensis no sorodiagnóstico da Paracoccidioidomicose

Paracoccidioidomicose (PCM), uma micose sistêmica granulomatosa causada pelo fungo dimórfico Paracoccidioides brasiliensis, é endêmica na América do Sul. Conídios provavelmente agem como propágulos infectantes e são inalados para os pulmões, onde ocorre a transformação à forma leveduriforme patogênica. Duas principais formas clínicas são consideradas: a forma aguda ou subaguda (tipo juvenil) e a forma crônica (tipo adulto). O diagnóstico definitivo da PCM inclui a observação direta da levedura multibrotante característica em fluidos biológicos e secções teciduais ou isolamento do fungo de materiais clínicos. Na PCM, testes sorológicos, além de auxílio diagnóstico, têm a função de acompanhamento durante e pós-tratamento. Portanto, a técnica utilizada precisa aliar sensibilidade e especificidade, para que o valor preditivo seja máximo e reprodutível. O propósito deste estudo foi avaliar um teste de aglutinação com látex (LA) para detectar anticorpos anti-P.brasiliensis contra antígeno bruto do fungo. Cinqüenta e uma (51) amostras de soro de pacientes com PCM foram testadas. Positividade foi observada em 84,31% (43/51), cujos padrões de aglutinação variaram de 1+ a 4+. Reatividade dessas amostras foi verificada em títulos variando entre 1:2 e 1:64. Reatividade cruzada foi observada com outras doenças fúngicas (aspergilose e histoplasmose), e com doenças não fúngicas. Amostras de soro humano normal não foram reativas. A sensibilidade, especificidade e valores preditivos, positivo e negativo, produzidos pelo teste LA foram 84,31%, 81,05%, 70,49% e 90,59%, respectivamente. Em conclusão, estes resultados mostram que o teste LA é instrumento útil no sorodiagnóstico da PCM, além de vantagens como baixo custo e rápida execução, a despeito de outros testes, tais como ID e Western blotting.

Whole-genome sequencing of the efficient industrial fuel-ethanol fermentative Saccharomyces cerevisiae strain CAT-1

The Saccharomyces cerevisiae strains widely used for industrial fuel-ethanol production have been developed by selection, but their underlying beneficial genetic polymorphisms remain unknown. Here, we report the draft whole-genome sequence of the S. cerevisiae strain CAT-1, which is a dominant fuel-ethanol fermentative strain from the sugarcane industry in Brazil. Our results indicate that strain CAT-1 is a highly heterozygous diploid yeast strain, and the similar to 12-Mb genome of CAT-1, when compared with the reference S228c genome, contains similar to 36,000 homozygous and similar to 30,000 heterozygous single nucleotide polymorphisms, exhibiting an uneven distribution among chromosomes due to large genomic regions of loss of heterozygosity (LOH). In total, 58 % of the 6,652 predicted protein-coding genes of the CAT-1 genome constitute different alleles when compared with the genes present in the reference S288c genome. The CAT-1 genome contains a reduced number of transposable elements, as well as several gene deletions and duplications, especially at telomeric regions, some correlated with several of the physiological characteristics of this industrial fuel-ethanol strain. Phylogenetic analyses revealed that some genes were likely associated with traits important for bioethanol production. Identifying and characterizing the allelic variations controlling traits relevant to industrial fermentation should provide the basis for a forward genetics approach for developing better fermenting yeast strains.

Constraint-based analysis of gene interactions using restricted boolean networks and time-series data

Abstract Background A popular model for gene regulatory networks is the Boolean network model. In this paper, we propose an algorithm to perform an analysis of gene regulatory interactions using the Boolean network model and time-series data. Actually, the Boolean network is restricted in the sense that only a subset of all possible Boolean functions are considered. We explore some mathematical properties of the restricted Boolean networks in order to avoid the full search approach. The problem is modeled as a Constraint Satisfaction Problem (CSP) and CSP techniques are used to solve it. Results We applied the proposed algorithm in two data sets. First, we used an artificial dataset obtained from a model for the budding yeast cell cycle. The second data set is derived from experiments performed using HeLa cells. The results show that some interactions can be fully or, at least, partially determined under the Boolean model considered. Conclusions The algorithm proposed can be used as a first step for detection of gene/protein interactions. It is able to infer gene relationships from time-series data of gene expression, and this inference process can be aided by a priori knowledge available.

Alternative carbon metabolism: Virulence and regulation in Candida albicans

The interaction between C. albicans and innate immune cells is a key determinant to disease progression. Transcriptional profiling showed that C. albicans responds to macrophage phagocytosis by inducing pathways required for alternative carbon metabolism (beta-oxidation, the glyoxylate cycle, and gluconeogenesis), suggesting these pathways are important for virulence of C. albicans. ^ We have shown that deleting key genes (FOX2, FBP1) in these pathways results in virulence defects in an in vivo mouse model for systemic infection. Like icl1Δ/Δ mutants, fbp1Δ/Δ mutants are severely attenuated and fox2Δ/Δ mutants are mildly but significantly attenuated, indicating that carbon starvation is a relevant stress in vivo. ^ However, fox2Δ/Δ mutants also had unexpected phenotypes on certain carbon sources, unlike the case in Saccharomyces cerevisiae, suggesting these pathways are regulated differently in C. albicans. To test this, we identified the C. albicans regulators of these pathways based on those from S. cerevisiae and Aspergillus nidulans. ^ C. albicans has a partly conserved framework, but lacks two regulators (Oaf1p, Pip2p) controlling peroxisome biogenesis and beta-oxidation genes in yeast. Instead, C. albicans has a homolog, CTF1, of the A. nidulans fatty acid catabolism regulators FarA and FarB. We have shown that CTF1 is needed for growth on oleate (like FarA and FarB), expression of beta-oxidation and glyoxylate cycle genes, and full virulence. No function for CTF1 has previously been identified in C. albicans. Our data demonstrate a role for alternative carbon metabolism in the virulence of C. albicans and suggest that the regulation of these pathways is a mixture of the filamentous fungi and budding yeast systems. ^

Human CUL1 forms an evolutionarily conserved ubiquitin ligase complex (SCF) with SKP1 and an F-box protein

The SCF ubiquitin ligase complex of budding yeast triggers DNA replication by catalyzing ubiquitination of the S phase cyclin-dependent kinase inhibitor SIC1. SCF is composed of three proteins—ySKP1, CDC53 (Cullin), and the F-box protein CDC4—that are conserved from yeast to humans. As part of an effort to identify components and substrates of a putative human SCF complex, we isolated hSKP1 in a two-hybrid screen with hCUL1, the closest human homologue of CDC53. Here, we show that hCUL1 associates with hSKP1 in vivo and directly interacts with both hSKP1 and the human F-box protein SKP2 in vitro, forming an SCF-like particle. Moreover, hCUL1 complements the growth defect of yeast cdc53ts mutants, associates with ubiquitination-promoting activity in human cell extracts, and can assemble into functional, chimeric ubiquitin ligase complexes with yeast SCF components. Taken together, these data suggest that hCUL1 functions as part of an SCF ubiquitin ligase complex in human cells. Further application of biochemical assays similar to those described here can now be used to identify regulators/components of hCUL1-based SCF complexes, to determine whether the hCUL2–hCUL5 proteins also are components of ubiquitin ligase complexes in human cells, and to screen for chemical compounds that modulate the activities of the hSKP1 and hCUL1 proteins.

Changes of telomere length cause reciprocal changes in the lifespan of mother cells in Saccharomyces cerevisiae

Budding yeast cells divide asymmetrically, giving rise to a mother and its daughter. Mother cells have a limited division potential, called their lifespan, which ends in proliferation-arrest and lysis. In this report we mutate telomerase in Saccharomyces cerevisiae to shorten telomeres and show that, rather than shortening lifespan, this leads to a significant extension in lifespan. This extension requires the product of the SIR3 gene, an essential component of the silencing machinery which binds to telomeres. In contrast, longer telomeres in a genotypically wild-type strain lead to a decrease in lifespan. These findings suggest that the length of telomeres dictates the lifespan by regulating the amount of the silencing machinery available to nontelomeric locations in the yeast genome.

The polo-box-dependent induction of ectopic septal structures by a mammalian polo kinase, Plk, in Saccharomyces cerevisiae

Members of the polo subfamily of protein kinases play pivotal roles in cell-cycle control and proliferation. In addition to a high degree of sequence similarity in the kinase domain, polo kinases contain a strikingly conserved motif termed “polo-box” in the noncatalytic C-terminal domain. We have previously shown that the mammalian polo-like kinase Plk is a functional homolog of Saccharomyces cerevisiae Cdc5. Here, we show that, in a polo-box- and kinase activity-dependent manner, ectopic expression of Plk in budding yeast can induce a class of cells with abnormally elongated buds. In addition to localization at spindle poles and cytokinetic neck filaments, Plk induces and localizes to ectopic septin ring structures within the elongated buds. In contrast, mutations in the polo-box abolish both localization to, and induction of, septal structures. Consistent with the polo-box-dependent subcellular localization, the C-terminal domain of Plk, but not its polo-box mutant, is sufficient for subcellular localization. Our data suggest that Plk may contribute a signal to initiate or promote cytokinetic event(s) and that an intact polo-box is required for regulation of these cellular processes.