Cell Cycle Proteins and Retinal Degeneration: Evidences of New Potential Therapeutic Targets.

During different forms of neurodegenerative diseases, including the retinal degeneration, several cell cycle proteins are expressed in the dying neurons from Drosophila to human revealing that these proteins are a hallmark of neuronal degeneration. This is true for animal models of Alzheimer's, and Parkinson's diseases, Amyotrophic Lateral Sclerosis and for Retinitis Pigmentosa as well as for acute injuries such as stroke and light damage. Longitudinal investigation and loss-of-function studies attest that cell cycle proteins participate to the process of cell death although with different impacts, depending on the disease. In the retina, inhibition of cell cycle protein action can result to massive protection. Nonetheless, the dissection of the molecular mechanisms of neuronal cell death is necessary to develop adapted therapeutic tools to efficiently protect photoreceptors as well as other neuron types.

Snail blocks the cell cycle and confers resistance to cell death

The Snail zinc-finger transcription factors trigger epithelial-mesenchymal transitions (EMTs), endowing epithelial cells with migratory and invasive properties during both embryonic development and tumor progression. During EMT, Snail provokes the loss of epithelial markers, as well as changes in cell shape and the expression of mesenchymal markers. Here, we show that in addition to inducing dramatic phenotypic alterations, Snail attenuates the cell cycle and confers resistance to cell death induced by the withdrawal of survival factors and by pro-apoptotic signals. Hence, Snail favors changes in cell shape versus cell division, indicating that with respect to oncogenesis, although a deregulation/increase in proliferation is crucial for tumor formation and growth, this may not be so for tumor malignization. Finally, the resistance to cell death conferred by Snail provides a selective advantage to embryonic cells to migrate and colonize distant territories, and to malignant cells to separate from the primary tumor, invade, and form metastasis.

A role for homologous recombination proteins in cell cycle regulation.

Eukaryotic cells respond to DNA breaks, especially double-stranded breaks (DSBs), by activating the DNA damage response (DDR), which encompasses DNA repair and cell cycle checkpoint signaling. The DNA damage signal is transmitted to the checkpoint machinery by a network of specialized DNA damage-recognizing and signal-transducing molecules. However, recent evidence suggests that DNA repair proteins themselves may also directly contribute to the checkpoint control. Here, we investigated the role of homologous recombination (HR) proteins in normal cell cycle regulation in the absence of exogenous DNA damage. For this purpose, we used Chinese Hamster Ovary (CHO) cells expressing the Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicators (Fucci). Systematic siRNA-mediated knockdown of HR genes in these cells demonstrated that the lack of several of these factors alters cell cycle distribution, albeit differentially. The knock-down of MDC1, Rad51 and Brca1 caused the cells to arrest in the G2 phase, suggesting that they may be required for the G2/M transition. In contrast, inhibition of the other HR factors, including several Rad51 paralogs and Rad50, led to the arrest in the G1/G0 phase. Moreover, reduced expression of Rad51B, Rad51C, CtIP and Rad50 induced entry into a quiescent G0-like phase. In conclusion, the lack of many HR factors may lead to cell cycle checkpoint activation, even in the absence of exogenous DNA damage, indicating that these proteins may play an essential role both in DNA repair and checkpoint signaling.

Cell cycle control in Alphaproteobacteria.

NlmCategory="UNASSIGNED">Alphaproteobacteria include many medically and environmentally important organisms. Despite the diversity of their niches and lifestyles, from free-living to host-associated, they usually rely on very similar mechanisms to control their cell cycles. Studies on Caulobacter crescentus still lay the foundation for understanding the molecular details of pathways regulating DNA replication and cell division and coordinating these two processes with other events of the cell cycle. This review highlights recent discoveries on the regulation and the mode of action of conserved global regulators and small molecules like c-di-GMP and (p)ppGpp, which play key roles in cell cycle control. It also describes several newly identified mechanisms that modulate cell cycle progression in response to stresses or environmental conditions.

Erythrocytes modulate cell cycle progression but not the baseline frequency of sister chromatid exchanges in pig lymphocytes

The effect of co-culturing varying concentrations of pig and human red blood cells (RBCs) on the baseline frequency of sister chromatid exchanges (SCEs) and cell-cycle progression in pig plasma (PLCs) and whole blood leukocyte cultures (WBCs) was studied. No variation in SCE frequency was observed between pig control WBC and PLC. Addition of pig and human RBCs to pig PLCs did not modify the baseline frequency of SCEs. On the other hand, cell proliferation was slower in PLCs than in WBCs. The addition of pig or human RBCs to PLCs accelerated the cell-cycle progression of pig lymphocytes. When RBCs were added to PLCs the concentration and time sequence of RBC incorporation affected the cell-cycle progression of swine lymphocytes. When doses of pig or human RBCs equivalent to those present in WBCs were added immediately after PLC stimulation, the cell-cycle kinetics were similar to those of WBCs. Shorter co-incubation periods or a reduction in the dose of RBCs made cell-cycle progression intermediate between PLC and WBC values. Thus, pig and human RBCs modulated the in vitro cell-cycle progression of pig lymphocytes in a time- and dose-dependent manner, and the low baseline frequency of SCEs of pig lymphocytes is independent of the presence or absence of erythrocytes in culture

Control of the adrenocortical cell cycle: interaction between FGF2 and ACTH

FGF2 elicits a strong mitogenic response in the mouse Y-1 adrenocortical tumor cell line, that includes a rapid and transient activation of the ERK-MAPK cascade and induction of the c-Fos protein. ACTH, itself a very weak mitogen, blocks the mitogenic response effect of FGF2 in the early and middle G1 phase, keeping both ERK-MAPK activation and c-Fos induction at maximal levels. Probing the mitogenic response of Y-1 cells to FGF2 with ACTH is likely to uncover reactions underlying the effects of this hormone on adrenocortical cell growth.

Efficient retrovirus-mediated transfer of cell-cycle control genes to transformed cells

The use of gene therapy continues to be a promising, yet elusive, alternative for the treatment of cancer. The origins of cancer must be well understood so that the therapeutic gene can be chosen with the highest chance of successful tumor regression. The gene delivery system must be tailored for optimum transfer of the therapeutic gene to the target tissue. In order to accomplish this, we study models of G1 cell-cycle control in both normal and transformed cells in order to understand the reasons for uncontrolled cellular proliferation. We then use this information to choose the gene to be delivered to the cells. We have chosen to study p16, p21, p53 and pRb gene transfer using the pCL-retrovirus. Described here are some general concepts and specific results of our work that indicate continued hope for the development of genetically based cancer treatments.

NFAT transcription factors: from cell cycle to tumor development

The nuclear factor of activated T cells (NFAT) family of transcription factors has been primarily identified in immune cells; however, these proteins have been recently found to be functionally active in several other non-immune cell types. NFAT proteins are activated upon different stimuli that lead to increased intracellular calcium levels. Regardless of their widely known cytokine gene expression properties, NFATs have been shown to regulate other genes related to cell cycle progression, cell differentiation and apoptosis, revealing a broader role for these proteins in normal cell physiology. Several reports have addressed the participation of NFATs in many aspects of malignant cell transformation and tumorigenic processes. In this review, we will discuss the involvement of the different NFAT family members in the regulation of cell cycling, differentiation and tumor formation, and also its implications on oncogenesis. Better understanding the mechanisms by which NFATs regulate cell cycle and tumor-related events should be relevant for the development of rational anti-cancer therapies.

Protein-energy malnutrition halts hemopoietic progenitor cells in the G0/G1 cell cycle stage, thereby altering cell production rates

Protein energy malnutrition (PEM) is a syndrome that often results in immunodeficiency coupled with pancytopenia. Hemopoietic tissue requires a high nutrient supply and the proliferation, differentiation and maturation of cells occur in a constant and balanced manner, sensitive to the demands of specific cell lineages and dependent on the stem cell population. In the present study, we evaluated the effect of PEM on some aspects of hemopoiesis, analyzing the cell cycle of bone marrow cells and the percentage of progenitor cells in the bone marrow. Two-month-old male Swiss mice (N = 7-9 per group) were submitted to PEM with a low-protein diet (4%) or were fed a control diet (20% protein) ad libitum. When the experimental group had lost about 20% of their original body weight after 14 days, we collected blood and bone marrow cells to determine the percentage of progenitor cells and the number of cells in each phase of the cell cycle. Animals of both groups were stimulated with 5-fluorouracil. Blood analysis, bone marrow cell composition and cell cycle evaluation was performed after 10 days. Malnourished animals presented anemia, reticulocytopenia and leukopenia. Their bone marrow was hypocellular and depleted of progenitor cells. Malnourished animals also presented more cells than normal in phases G0 and G1 of the cell cycle. Thus, we conclude that PEM leads to the depletion of progenitor hemopoietic populations and changes in cellular development. We suggest that these changes are some of the primary causes of pancytopenia in cases of PEM.

REGγ is a strong candidate for the regulation of cell cycle, proliferation and the invasion by poorly differentiated thyroid carcinoma cells

REGγ is a proteasome activator that facilitates the degradation of small peptides. Abnormally high expression of REGγ has been observed in thyroid carcinomas. The purpose of the present study was to explore the role of REGγ in poorly differentiated thyroid carcinoma (PDTC). For this purpose, small interfering RNA (siRNA) was introduced to down-regulate the level of REGγ in the PDTC cell line SW579. Down-regulation of REGγ at the mRNA and protein levels was confirmed by RT-PCR and Western blot analyses. FACS analysis revealed cell cycle arrest at the G1/S transition, the MTT assay showed inhibition of cell proliferation, and the Transwell assay showed restricted cell invasion. Furthermore, the expression of the p21 protein was increased, the expression of proliferating cell nuclear antigen (PCNA) protein decreased, and the expression of the p27 protein was unchanged as shown by Western blot analyses. REGγ plays a critical role in the cell cycle, proliferation and invasion of SW579 cells. The alteration of p21 and PCNA proteins related to the down-regulation of REGγ suggests that p21 and PCNA participate in the process of REGγ regulation of cell cycle progression and cell proliferation. Thus, targeting REGγ has a therapeutic potential in the management of PDTC patients.

A phthalide derivative isolated from endophytic fungiPestalotiopsis photiniae induces G1 cell cycle arrest and apoptosis in human HeLa cells

MP [4-(3′,3′-dimethylallyloxy)-5-methyl-6-methoxyphthalide] was obtained from liquid culture of Pestalotiopsis photiniaeisolated from the Chinese Podocarpaceae plant Podocarpus macrophyllus. MP significantly inhibited the proliferation of HeLa tumor cell lines. After treatment with MP, characteristic apoptotic features such as DNA fragmentation and chromatin condensation were observed in DAPI-stained HeLa cells. Flow cytometry showed that MP induced G1 cell cycle arrest and apoptosis in a dose-dependent manner. Western blotting and real-time reverse transcription-polymerase chain reaction were used to investigate protein and mRNA expression. MP caused significant cell cycle arrest by upregulating the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 protein and p21CIP1 mRNA levels in HeLa cells. The expression of p73 protein was increased after treatment with various MP concentrations. mRNA expression of the cell cycle-related genes, p21CIP1, p16INK4a and Gadd45α, was significantly upregulated and mRNA levels demonstrated significantly increased translation ofp73, JunB, FKHR, andBim. The results indicate that MP may be a potential treatment for cervical cancer.

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.

Régulation dépendante du cycle cellulaire de la réparation par excision de nucléotides

La réparation par excision de nucléotides (NER) est une voie critique chez l'homme pour enlever des lésions qui déforment l’hélice d'ADN et qui bloquent à la fois la réplication et la transcription. Parmi ces lésions, il y a les dimères cyclobutyliques de pyrimidines (CPDs) et les adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4PPs) induient par les rayons ultraviolets. L'importance physiologique de la NER est mise en évidence par l’existence de la maladie Xeroderma pigmentosum (XP), causée par des mutations affectant des gènes impliqués dans cette voie de réparation. Les personnes atteintes sont caractérisées par une photosensibilité extrême et une forte prédisposition à développer des tumeurs cutanées (plus de 1000 fois). Les patients atteints du type variant de la maladie Xeroderma pigmentosum (XPV), apparemment compétents en réparation, portent plutôt des mutations dans le gène codant pour l'ADN polymérase η (polη). Polη est une ADN polymérase translésionnelle capable de contourner avec une grande fidélité certaines lésions telles que les CPDs, qui autrement bloquent les polymérases réplicatives. Ainsi, la polη prévient la formation de mutations et permet la reprise de la synthèse d'ADN. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer le rôle potentiel de voies de signalisation majeures dans la régulation de la NER, dont celles régulées par la kinase ATR (Ataxia Télangiectasia and Rad3-related kinase). Suite à l'irradiation UV, ATR est rapidement activée et phosphoryle des centaines de protéines qui régulent les points de contrôle du cycle cellulaire et joue un rôle notoire dans le maintient de la stabilité génomique. Nous avons postulé qu’ATR puisse réguler la NER de manière dépendante du cycle cellulaire. Cependant, tester cette hypothèse représente un grand défi car, pour des raisons techniques, les méthodes conventionnelles n’ont pas à ce jour été adaptées pour l'évaluation de la cinétique de réparation au cours des différentes phases du cycle cellulaire. Nous avons donc développé une méthode novatrice basée sur la cytométrie en flux permettant de quantifier avec grande précision la cinétique de réparation des 6-4PPs et CPDs dans chacune des phases G0/G1, S et G2/M. Avec cette nouvelle méthode, nous avons pu démontrer que l'inhibition d'ATR ou polη résulte en une très forte inhibition de la NER exclusivement durant la phase S du cycle cellulaire. Ces études ont révélé, pour la première fois, une fonction critique pour ces protéines dans le retrait des lésions qui bloquent la réplication. En outre, nous avons démontré que la synthèse d'ADN est indispensable pour l’inhibition de la réparation en phase-S, reflétant un lien potentiel entre la NER et la réplication. Curieusement, nous avons également montré que parmi six lignées cellulaires tumorales choisies aléatoirement, trois présentent une abrogation totale de la NER uniquement pendant la phase S, ce qui indique que de nombreux cancers humains pourraient être caractérisés par un tel défaut. Nos observations pourraient avoir d'importantes implications pour le traitement du cancer. En effet, le statut de la NER semble constituer un déterminant majeur dans la réponse clinique aux médicaments chimiothérapeutiques tels que le cisplatine, qui inhibent la croissance des cellules cancéreuses via l'induction de lésions à l’ADN.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

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.