A SERINE KINASE REGULATES INTRACELLULAR-LOCALIZATION OF SPLICING FACTORS IN THE CELL CYCLE

Small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs) and non-snRNP splicing factors containing a serine/arginine-rich domain (SR proteins) concentrate in 'speckles' in the nucleus of interphase cells(1). It is believed that nuclear speckles act as storage sites for splicing factors while splicing occurs on nascent transcripts(2). Splicing factors redistribute in response to transcription inhibition(3,4) or viral infection(5), and nuclear speckles break down and reform as cells progress through mitosis(6). We have now identified and cloned a kinase, SRPK1, which is regulated by the cell cycle and is specific for SR proteins; this kinase is related to a Caenorhabditis elegans kinase and to the fission yeast kinase Dsk1 (ref. 7). SRPK1 specifically induces the disassembly of nuclear speckles, and a high level of SRPK1 inhibits splicing in vitro. Our results indicate that SRPK1 mag have a central role in the regulatory network for splicing, controlling the intranuclear distribution of splicing factors in interphase cells, and the reorganization of nuclear speckles during mitosis.

Functional characterization of a Kar3/Vik1-like Kinesin-14 heterodimer from the filamentous multinucleate fungus Ashbya gossypii

Kinesins are motor proteins that convert chemical energy from ATP hydrolysis into mechanical energy used to generate force along microtubules, transporting organelles, vesicles, and proteins within the cell. Kar3 kinesins are microtubule minus-end-directed motors with pleiotropic functions in mating and mitosis of budding and fission yeast. In Saccharomyces cerevisiae, Kar3 is multifunctionalized by two non-catalytic companion proteins, Vik1 and Cik1. A Kar3-like kinesin and a single Vik1/Cik1 ortholog are also expressed by the filamentous fungus Ashbya gossypii, which exhibits different nuclear movement challenges and unique microtubule dynamics from its yeast relatives. We hypothesized that these differences in A. gossypii physiology could translate into interesting and novel differences in its versions of Kar3 and Vik1/Cik1. Presented here is a structural and functional analysis of recombinantly expressed and purified forms of these motor proteins. Compared to the previously published S. cerevisiae Kar3 motor domain structure (ScKar3MD), AgKar3MD displays differences in the conformation of the ATPase pocket. Perhaps it is not surprising then that we observed the maximal microtubule-stimulated ATPase rate (kcat) of AgKar3MD to be approximately 3-fold slower than ScKar3MD, and that the affinity of AgKar3MD for microtubules (Kd,MT) was lower than ScKar3MD. This may suggest that elements that compose the ATPase pocket and that participate in conformational changes required for efficient ATP hydrolysis or products release work differently for AgKar3 and ScKar3. There are also subtle structural differences in the disposition of the secondary structural elements in the small lobe (B1a, B1b, and B1c) at the edge of the motor domain of AgKar3 that may reflect the enhanced microtubule-depolymerization activity that we observed for this motor, or they could relate to its interactions with a different regulatory companion protein than its budding yeast counterpart. Although we were unable to gain experimentally determined high-resolution information of AgVik1, the results of Phyre2-based bioinformatics analyses may provide a structural explanation for the limited microtubule-binding activity we observed. These and other fundamental differences in AgKar3/Vik1 could explain divergent functionalities from the ScKar3/Vik1 and ScKar3/Cik1 motor assemblies.

Suppressing mitotic catastrophe: identifying mcs3 in Schizosaccharomyces pombe

In Schizosaccharomyces pombe (fission yeast), the transition from G2 phase of the cell cycle to mitosis is under strict regulation. The activation of Cdc2, a cyclin dependent serine/threonine protein kinase, is the critical control step in this process. The Cdc2/Cyclin-B (Cdc13) complex is regulated by Wee1 tyrosine kinase and Cdc25 tyrosine phosphatase, which work antagonistically to control progression into mitosis. Hyperactivation of the Cdc2/Cdc13 complex by phosphorylation results in premature mitosis, and as a consequence leads to genome instability. This is referred to as mitotic catastrophe, a lethal phenotype associated with chromosomal segregation abnormalities including chromosome breakage. Six mitotic catastrophe loci were found, five of which have been characterized and identified as various activators and repressors of the core mitotic control. The locus for mcs3 remains unknown. I used tetrad analysis in this study to determine the linkage distance between three genes suspected of flanking the region in which mcs3 is located. Linkage distances obtained in this study confirm that the SPBC428.10 and met17, as well as SPBC428.10 and wpl1 are tightly linked, suggesting this is an area of low recombination. Further linkage analysis should be conducted to determine the precise location of mcs3-12.

The role of Schizosaccharomyces pombe Cdc2 phosphorylation sites on Cdc25 in mitotic timing

Cell size control and mitotic timing in Schizosaccharomyces pombe is coupled to the environment through several signal transduction pathways that include stress response, checkpoint and nutritional status impinging on Cdc25 tyrosine phosphatase and Wee1 tyrosine kinase. These in turn regulate Cdc2 (Cdk1) activity and through a double feedback loop, further activates Cdc25 on 12 possible phosphorylation sites as well as inhibiting Wee1. Phosphomutants of the T89 Cdc2 phosphorylation site on Cdc25, one with a glutamate substitution (T89E) which is known to phosphomimetically activate proteins and an alanine substitution (T89A), which is known to block phosphorylation, exhibit a small steady-state cell size (semi-wee phenotype), a known hallmark for aberrant mitotic control. To determine whether the T89 phosphorylation site plays an integral role in mitotic timing, the phosphomutants were subjected to nitrogen shifts to analyze their transient response in the context of nutritional control. Results for both up and downshifts were replicated for the T89E phosphomutant, however, for the T89A phosphomutant, only a nutritional downshift has been completed so far. We found that the steady-state cell size of both phosphomutants was significantly smaller than the wild-type and in the context of nutritional control. Furthermore, the constitutively activated T89E phosphomutant exhibits residual mitotic entry, whereas the wild-type undergoes a complete mitotic suppression with mitotic recovery also occurring earlier than the wild-type. In response to downshifts, both phosphomutants exhibited an identical response to the wild-type. Further characterization of the other Cdc2 phosphorylation sites on Cdc25 are required before conclusions can be drawn, however T89 remains a strong candidate for being important in activating Cdc25.

The C-Terminal Variable Region Specifies the Dynamic Properties of Arabidopsis Microtubule-Associated Protein MAP65 Isotypes

The microtubule-associated protein, MAP65, is a member of a family of divergent microtubule-associated proteins from different organisms generally involved in maintaining the integrity of the central spindle in mitosis. The dicotyledon Arabidopsis thaliana and the monocotyledon rice (Oryza sativa) genomes contain 9 and 11 MAP65 genes, respectively. In this work, we show that the majority of these proteins fall into five phylogenetic clades, with the greatest variation between clades being in the C-terminal random coil domain. At least one Arabidopsis and one rice isotype is within each clade, indicating a functional specification for the C terminus. In At MAP65-1, the C-terminal domain is a microtubule binding region (MTB2) harboring the phosphorylation sites that control its activity. The At MAP65 isotypes show differential localization to microtubule arrays and promote microtubule polymerization with variable efficiency in a MTB2-dependent manner. In vivo studies demonstrate that the dynamics of the association and dissociation of different MAP65 isotypes with microtubules can vary up to 10-fold and that this correlates with their ability to promote microtubule polymerization. Our data demonstrate that the C-terminal variable region, MTB2, determines the dynamic properties of individual isotypes and suggest that slower turnover is conditional for more efficient microtubule polymerization.

Chromosomal structure: a selectable trait for evolution

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Evolutionary Biology

Caractérisation moléculaire et fonctionnelle de Cif1p, une protéine orpheline impliquée dans le phénomène épigénétique de viabilité de la levure S. pombe en absence de la chaperone calnexine.

Le repliement des protéines est un processus cellulaire crucial impliquant plusieurs protéines dont la calnexine, une chaperone du réticulum endoplasmique. Notre laboratoire et un autre groupe avons démontré que la calnexine est essentielle à la viabilité de la levure Schizosaccharomyces pombe. Dans le cadre d’études structure-fonction portant sur cette protéine, nous avons découvert un phénomène permettant la viabilité des cellules en absence de la calnexine. Cet état, nommé Cin pour calnexine independence, est induit par un mutant de la calnexine dépourvu du domaine central hautement conservé (Δhcd_Cnx1p). La caractérisation de l’état Cin a révélé plusieurs caractéristiques particulières telle la dominance, sa transmission de façon non-Mendélienne à la progéniture méïotique et sa transmission par des extraits protéiques dépourvus d’acides nucléiques. Toutes ces propriétés suggèrent donc que l’état Cin est médié via un élément de type prion. Le gène cif1+, pour calnexin independence factor, a été isolé lors de criblages visant à identifier des gènes impliqués dans l’état Cin. Il encode pour une protéine orpheline dont la surexpression induit de façon stable un état de viabilité en l’absence de la calnexine. Cet état diffère génétiquement et phénotypiquement de l’état Cin induit par le mutant Δhcd_Cnx1p préalablement caractérisé, ce qui suggère deux voies parallèles de signalisation du phénomène Cin. Une caractérisation exhaustive de Cif1p a permis de démontrer qu’il ne s’agissait pas du prion responsable de l’état Cin, malgré que cette protéine possède certaines propriétés typiques des prions in vitro. Finalement, Cif1p est une protéine nucléolaire dont la bonne localisation est essentielle à sa capacité à induire l’état Cin. Ceci suggère une interaction entre la fonction essentielle de la calnexine et une fonction exécutée dans le nucléole. Lors d’études visant à élucider la fonction cellulaire de Cif1p, il a été établi qu’elle interagissait avec certaines protéines de la grosse sous-unité du ribosome telle la protéine L3. Cependant, Cif1p ne co-sédimente pas avec des sous-unités ribosomales assemblées, des ribosomes ou des polysomes. De plus, des cellules contenant une délétion génomique de cif1 voient leur contenu en ribosomes perturbé lors de la phase stationnaire. Il semble donc que Cif1p joue un rôle dans la biosynthèse des ribosomes lors de la phase stationnaire. Ce rôle spécifique à cette phase de croissance coincide avec un clivage de la portion N-terminale de Cif1p, clivage qui a lieu lors de l’entrée des cellules en phase stationnaire. De plus, des études effectuées récemment dans notre laboratoire proposent que la calnexine joue un rôle important dans la signalisation de l’apoptose, et ce particulièrement en phase stationnaire. Ainsi, une voie impliquant Cif1p, sa fonction nucléolaire dans la biosynthèse des ribosomes en phase stationnaire, la calnexine et la médiation de l’apoptose semble se dessiner. D’autres travaux, notamment sur la fonction exacte de Cif1p, le rôle de son clivage et les autres composantes impliquées dans le phénomène Cin nous permettront de dessiner un portrait plus complet de cette voie cellulaire inédite.

Le vieillissement chronologique de Schizosaccharomyces pombe : Implication des voies de détection du glucose

La première augmentation de la longévité en laboratoire fût observée à la suite d’une intervention nutritionnelle consistant en une réduction de l’apport alimentaire chez le rat. Plus tard, ce phénomène a été reproduit dans de très nombreuses espèces et référé en tant que restriction calorique. Le développement des techniques de biologie moléculaire moderne a permis de montrer dans des organismes modèles simples que cette flexibilité du processus de vieillissement était régulée par des facteurs génétiques. De fait, plusieurs mécanismes cellulaires ont alors pu être identifiés comme responsables de ce contrôle du vieillissement. Ces voies de régulation ont révélées être conservées entre les espèces, depuis les levures jusqu’aux organismes multicellulaires tels que le nématode, la mouche ou la souris, suggérant l’existence d’un programme universel de vieillissement dans le vivant. La levure s’est avéré à plusieurs reprises être un modèle puissant et fiable pour la découverte de gènes impliqués dans ce phénomène. Mon étude a consisté au développement d’un nouveau modèle unicellulaire d’étude du vieillissement à travers l’espèce Schizosaccharomyces pombe appelée aussi levure à fission. La première étape de mon travail a montré que les voies de détection des nutriments gouvernées par la sérine/thréonine protéine kinase A (Pka1) et la sérine/thréonine kinase Sck2 contrôlent le vieillissement chronologique de ces cellules comme il était connu dans la levure Saccharomyces cerevisiae. Ceci permit de valider l’utilisation de la levure à fission pour l’étude du vieillissement. Ensuite, nous avons analysé plus en détail l’effet pro-vieillissement du glucose en étudiant le rôle de sa détection par le récepteur membranaire Git3 couplé à la protéine G (Gpa2) en amont de la kinase Pka1. La perte du signal du glucose par la délétion de Git3 imite partiellement l’effet d’augmentation de longévité obtenu par baisse de la concentration en glucose dans le milieu. De plus, l’effet néfaste du signal du glucose est maintenu en absence de tout métabolisme du glucose suite à la mutation des hexokinases, premières enzymes de la glycolyse. L’ensemble de ces résultats suggèrent que la signalisation du glucose est prédominante sur son métabolisme pour son effet pro-vieillissement. D’autre part, à la fois la suppression de cette signalisation et la baisse de niveau de glucose disponible allongent la durée de vie en corrélation avec une augmentation de la résistance au stress, une hausse d’activité mitochondriale et une baisse de production de radicaux libres. Finalement, le criblage d’une banque de surexpression d’ADNc a permis d’identifier plusieurs gènes candidats responsables de ces effets en aval de la voie de signalisation Git3/PKA. La recherche sur les mécanismes moléculaires du vieillissement propose une nouvelle approche, un nouvel angle de vue, pour la compréhension des fonctions cellulaires et promet d’apporter de précieuses clefs pour mieux comprendre certaines maladies. En effet, le vieillissement est la première cause d’apparition de nombreuses affections comme les cancers, les maladies cardiovasculaires et métaboliques ou les maladies neurodégénératives tels que les syndromes d’Alzheimer et de Parkinson.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

The COP9 signalosome counteracts the accumulation of cullin SCF ubiquitin E3 RING ligases during fungal development

Defects in the COP9 signalosome (CSN) impair multicellular development, including embryonic plant or animal death or a block in sexual development of the fungus Aspergillus nidulans. CSN deneddylates cullin-RING ligases (CRLs), which are activated by covalent linkage to ubiquitin-like NEDD8. Deneddylation allows CRL disassembly for subsequent reassembly. An attractive hypothesis is a consecutive order of CRLs for development, which demands repeated cycles of neddylation and deneddylation for reassembling CRLs. Interruption of these cycles could explain developmental blocks caused by csn mutations. This predicts an accumulation of neddylated CRLs exhibiting developmental functions when CSN is dysfunctional. We tested this hypothesis in A. nidulans, which tolerates reduced levels of neddylation for growth. We show that only genes for CRL subunits or neddylation are essential, whereas CSN is primarily required for development. We used functional tagged NEDD8, recruiting all three fungal cullins. Cullins are associated with the CSN1/CsnA subunit when deneddylation is defective. Two CRLs were identified which are specifically involved in differentiation and accumulate during the developmental block. This suggests that an active CSN complex is required to counteract the accumulation of specific CRLs during development.

The end1 gene of Schizosaccharomyces pombe coding for a DNase is identical with the pnu1 gene coding for an RNase

The DNA nuclease activity encoded by the end1 gene, and its inactivation by mutation, was described in connection with the characterization of DNA topoisomerases in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe (Uemura and Yanagida, 1984). Subsequently, end1 mutant strains were used for the preparation of cell extracts for the study of enzymes and intermediates involved in DNA metabolism. The molecular identification of the end1 gene and its identity with the pnu1 gene is presented. The end1-458 mutation alters glycine to glutamate in the conserved motif TGPYLP. The pnu1 gene codes for an RNase that is induced by nitrogen starvation (Nakashima et al., 2002b). Thus, the End1/Pnu1 protein, like related mitochondrial proteins in other organisms, is an example of a sugar-non-specific nuclease. The analysis of strains carrying a pnu1 deletion revealed no defects in meiotic recombination and spore viability.

Cloning and genetic characterization of Skb1: A novel regulator of Shk1 and mitosis in Schizosaccharomyces pombe

A partial skb1 gene was originally isolated in a yeast two-hybrid screen for Shk1-interacting polypeptides. Shk1 is one of two Schizosaccharomyces pombe p21Cdc42/Rac-activated kinases (PAKs) and is an essential component of the Ras1-dependent signal transduction pathways regulating cell morphology and mating responses in fission yeast. After cloning the skb1 gene we found the Skb1 gene product to be a novel, nonessential protein lacking homology to previously characterized proteins. However the identification of Skb1 homologs in C. elegans, S. cerevisiae, and H. sapiens reveals evolution has conserved the skb1 gene. Fission yeast cells carrying a deletion of skb1 exhibit a defect in cell size but not mating abilities. This defect is suppressed by high copy shk1. Fission yeast overexpressing skb1 were found to undergo cell division at a length 1.5X greater than normal. In the two-hybrid system, Skb1 interacts with a subdomain of the Shk1 regulatory region distinct from that with which Cdc42 interacts, and forms a ternary complex with Shk1 and Cdc42. By use of yeast genetics, we have established a role for Skb1 as a positive regulator of Shk1. Co-overexpression of shk1 with skb1 was found to suppress the morphology defect, but not the sterility, of ras1Δ fission yeast. Thus, the function of Skb1 is restricted to a morphology control pathway. We determined that Skb1 functions as a negative regulator of mitosis and does this through a Shk1-dependent mechanism. The mitotic regulatory function of Skb1 and Shk1 was also partially dependent upon Wee1, a direct negative regulator of the cyclin-dependent kinase Cdc2. The role for Skb1 and Shk1 as mitotic regulators is the first connection from a PAK protein to control of the cell cycle. Furthermore, Skb1 is the first non-Cdc42/Rac PAK modulator to be identified. ^

Possible involvement of plant ABC transporters in cadmium detoxification: a cDNA sub-microarray approach

As a nontolerant plant to a large number of toxic compounds, Arabidopsis thaliana is a suitable model to study regulation of genes involved in response to heavy metals. Using a cDNA-microarray approach, we identified some ABC transporters that are differentially regulated after cadmium treatments, making them putative candidates for being involved in Cd sequestration and redistribution in plants. Regarding yeast and fission yeast, in which Cd is able to form complexes either with glutathione (GSH) or phytochelatins (PC) subsequently transported into vacuoles via ABC transporters, it is also very likely that some plant ABC transporters are able to transport GS2–Cd or PC–Cd complexes into subcellular compartments or outside of the cell. The characterization of such transporters is of great interest for developing molecular biology approaches in phytoremediation.

Investigation of cell fate decision in Schizosaccharomyces pombe by ncRNA annotation and statistical analyses

Studies in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe (S. pombe) have done much to inform the view of heterochromatin and its control by the RNA interference (RNAi) machinery. Using cDNA synthesised from poly(A)-enriched RNA samples, numerous novel ncRNA loci were discovered, and the 50 and 30 ends of many other genes were refined in previous studies. Although some of these transcripts may encode novel proteins the function of the majority is yet to be determined. The authors have used strand-specific deep sequencing of RNA, irrespective of poly(A) status, to reveal a highly structured antisense programme that modulates gene expression to dictate cell fate decisions during sexual differentiation. They show that an extensive and elaborate array of ncRNA production accompanies sexual differentiation in the fission yeast S. pombe. Experimental manipulation suggests that these transcripts specifically regulate the function of the target genes.

A human Cds1-related kinase that functions downstream of ATM protein in the cellular response to DNA damage

Checkpoints maintain the order and fidelity of the eukaryotic cell cycle, and defects in checkpoints contribute to genetic instability and cancer. Much of our current understanding of checkpoints comes from genetic studies conducted in yeast. In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe (Sp), SpRad3 is an essential component of both the DNA damage and DNA replication checkpoints. The SpChk1 and SpCds1 protein kinases function downstream of SpRad3. SpChk1 is an effector of the DNA damage checkpoint and, in the absence of SpCds1, serves an essential function in the DNA replication checkpoint. SpCds1 functions in the DNA replication checkpoint and in the S phase DNA damage checkpoint. Human homologs of both SpRad3 and SpChk1 but not SpCds1 have been identified. Here we report the identification of a human cDNA encoding a protein (designated HuCds1) that shares sequence, structural, and functional similarity to SpCds1. HuCds1 was modified by phosphorylation and activated in response to ionizing radiation. It was also modified in response to hydroxyurea treatment. Functional ATM protein was required for HuCds1 modification after ionizing radiation but not after hydroxyurea treatment. Like its fission yeast counterpart, human Cds1 phosphorylated Cdc25C to promote the binding of 14-3-3 proteins. These findings suggest that the checkpoint function of HuCds1 is conserved in yeast and mammals.