Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Histone H2A exogène induit à différenciation et la sénescence des cellules cancéreuses

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Study of histone H3 lysine 56 deacetylation in saccharomyces cerevisiae

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, l'acétylation de l'histone H3 sur la lysine 56 (H3K56ac) est présente sur les histones néo-synthétisées déposées derrière les fourches de réplication et est essentielle pour préserver la viabilité cellulaire en réponse au dommage à l'ADN. La désacétylation d'H3K56 sur l'ensemble du génome catalysée par Hst3 et Hst4 et a lieu en phase G2 ou M. H3K56ac est une lame à double tranchant. L'absence d'H3K56ac rend les cellules sensibles aux dommages à l'ADN. En revanche, un excès d'acétylation d'H3K56 dans un mutant hst3Δ hst4Δ a des conséquences encore plus sévères tels que la thermo-sensibilité, l'hypersensibilité aux agents génotoxiques, l'instabilité génomique ainsi qu'une courte durée de vie réplicative. Les désacétylases Hst3 et Hst4 sont étroitement régulées au cours du cycle cellulaire afin de permettre à l'H3K56ac d'exercer son rôle en réponse aux dommages à l'ADN tout en évitant les conséquences néfastes de l'hyperacétylation d'H3K56. Dans cette thèse, nous avons identifié la machinerie moléculaire responsable de la dégradation de Hst3. De plus, nous avons exploré les raisons pour lesquelles l'absence de désacétylation donne lieu aux phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ. Au chapitre 2, nous démontrons que la dégradation d'Hst3 peut être complétée avant l'anaphase. Ceci suggère que la désacétylation de H3K56 a lieu durant une courte fenêtre du cycle cellulaire se situant entre la complétion de la phase S et la métaphase. De plus, nous avons identifié deux sites de phosphorylation d'Hst3 par la kinase cycline-dépendante 1 (Cdk1) et démontré que ces évènements de phosphorylation conduisent à la dégradation d'Hst3 in vivo. Nous avons aussi démontré que l'ubiquityltransférase Cdc34 et l'ubiquitine ligase SCFCdc4 sont requises pour la dégradation d'Hst3. Finalement, nous avons montré que la phosphorylation d'Hst3 par la kinase mitotique Clb2-Cdk1 peut directement entraîner l'ubiquitylation d'Hst3 par SCFCdc4 in vitro. Au chapitre 3, nous avons étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la sensibilité extrême du mutant hst3Δ hst4Δ aux agents qui endommagent l'ADN. Nous avons établi qu'en raison de la présence anormale d'H3K56ac devant les fourches de réplication, le mutant hst3Δ hst4Δ exhibe une forte perte de viabilité lorsqu'exposé au méthyl méthanesulfonate (MMS) durant un seul passage à travers la phase S. Nous avons aussi découvert que, malgré le fait que le point de contrôle de réponse aux dommages à l'ADN est activé normalement dans le mutant hst3Δ hst4Δ, ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN et d'inactiver le point de contrôle pour une longue période de temps après exposition transitoire au MMS. L'ensemble de nos résultats suggère que les lésions à l'ADN induites par le MMS dans le mutant hst3Δ hst4Δ causent une forte perte de viabilité parce que ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN après une exposition transitoire au MMS. Dans la deuxième section du chapitre 3, nous avons employé une approche génétique afin d'identifier de nouveaux mécanismes de suppression de deux phénotypes prononcés du mutant hst3Δ hst4Δ. Nous avons découvert que la délétion de plusieurs gènes impliqués dans la formation de frontières entre l'hétérochromatine et de l'euchromatine atténue les phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ sans réduire l'hyperacétylation d'H3K56. Nos résultats indiquent aussi que l'abondante acétylation de l'histone H4 sur la lysine 16 (H4K16ac) est néfaste au mutant hst3Δ hst4Δ. Ce résultat suggère un lien génétique intriguant entre l'acétylation d'H3K56 et celle d'H4K16. L'existence de ce lien était jusqu'à présent inconnu. Nous avons identifié un groupe de suppresseurs spontanés où H3K56ac est indétectable, mais la majorité de nos suppresseurs ne montrent aucune réduction flagrante d'H3K56ac ou d'H4 K16ac par rapport aux niveaux observés dans le mutant hst3Δ hst4Δ. Une étude plus approfondie de ce groupe de suppresseurs est susceptible de mener à la découverte de nouveaux mécanismes génétiques ou épigénétiques permettant d'éviter les conséquences catastrophiques de l'hyperacétylation d'H3K56 chez le mutant hst3Δ hst4Δ. En résumé, cette thèse identifie la machinerie moléculaire responsable de la dégradation d'Hst3 (une désacétylase d'H3K56) durant une fenêtre de temps situées entre la fin de la phase S et la métaphase. Nos résultats permettent aussi d'expliquer pourquoi la dégradation d'Hst3 précède le début de la phase S durant laquelle l'acétylation d'H3K56 s'accumule derrière les fourches de réplication afin d'exercer son rôle de mécanisme de défense contre le dommage à l'ADN. De plus, nous avons identifié plusieurs suppresseurs qui permettent de contourner le rôle important d'Hst3 et Hst4 en réponse au dommage à l'ADN. Plusieurs suppresseurs révèlent un lien génétique inattendu entre deux formes abondantes d'acétylation des histones chez Saccharomyces cerevisiae, soit H3K56ac et H4K16ac.

Histone H2B-R95A mutant identifies the pheromone pathway that signals cell cycle arrest during rapamycin response

La rapamycine est un immunosuppresseur utilisé pour traiter plusieurs types de maladies dont le cancer du rein. Son fonctionnement par l’inhibition de la voie de Tor mène à des changements dans des processus physiologiques, incluant le cycle cellulaire. Chez Saccharomyces cerevisiae, la rapamycine conduit à une altération rapide et globale de l’expression génique, déclenchant un remodelage de la chromatine. Nous proposons que les modifications des histones peuvent jouer un rôle crucial dans le remodelage de la chromatine en réponse à la rapamycine. Notre objectif principal est d’identifier d’une banque de mutants d’histone les variantes qui vont échouer à répondre à la rapamycine dans une tentative de réaliser une caractérisation des modifications d’histone critiques pour la réponse à cette drogue. Ainsi, nous avons réalisé un criblage d’une banque de mutants d’histone et identifié plusieurs mutants d‘histone dont la résistance à la rapamycine a été altérée. Nous avons caractérisé une de ces variantes d’histone, à savoir H2B, qui porte une substitution de l’alanine en arginine en position 95 (H2B-R95A) et démontré que ce mutant est extrêmement résistant à la rapamycine, et non à d’autres drogues. Des immunoprécipitations ont démontré que H2B-R95A est défectueux pour former un complexe avec Spt16, un facteur essentiel pour la dissociation de H2A et H2B de la chromatine, permetant la réplication et la transcription par les ADN et ARN polymérases, respectivement. Des expériences de ChIP-Chip et de micropuce ont démontré que l’arginine 95 de H2B est requise pour recruter Spt16 afin de permettre l’expression d’une multitude de gènes, dont certains font partie de la voie des phéromones. Des évidences seront présentées pour la première fois démontrant que la rapamycine peut activer la voie des phéromones et qu’une défectuosité dans cette voie cause la résistante à cette drogue.

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.

Characterization of Histone H2A Derived Antimicrobial Peptides, Harriottins, from Sicklefin Chimaera Neoharriotta pinnata (Schnakenbeck, 1931) and Its Evolutionary Divergence with respect to CO1 and Histone H2A

Antimicrobial peptides (AMPs) are humoral innate immune components of fishes that provide protection against pathogenic infections. Histone derived antimicrobial peptides are reported to actively participate in the immune defenses of fishes. Present study deals with identification of putative antimicrobial sequences from the histone H2A of sicklefin chimaera, Neoharriotta pinnata. A 52 amino acid residue termed Harriottin-1, a 40 amino acid Harriottin-2, and a 21 mer Harriottin-3 were identified to possess antimicrobial sequence motif. Physicochemical properties andmolecular structure ofHarriottins are in agreement with the characteristic features of antimicrobial peptides, indicating its potential role in innate immunity of sicklefin chimaera. The histone H2A sequence of sicklefin chimera was found to differ from previously reported histone H2A sequences. Phylogenetic analysis based on histone H2A and cytochrome oxidase subunit-1 (CO1) gene revealed N. pinnata to occupy an intermediate position with respect to invertebrates and vertebrates

Histone H4 gene expression and morphological changes on shoot apices of strawberry (Fragaria x ananassa Duch.) during floral induction

To investigate flower induction in June-bearing strawberry plants, morphological changes in shoot apices and Historic H4 expression in the central zone during flower initiation were observed. Strawberry plants were placed under flower inducible, short-day conditions (23 degrees C/17 degrees C, 10 h day length) for differing number of days (8, 16, 20, 24 or 32 days) and then these plants were transferred to non-inducible, long-day conditions (25 degrees C/20 degrees C, 14 h day length). The shoot apices of plants placed under short-day conditions for 8 days were flat, similar to shoot apices of plants in the vegetative phase of development, and Histone H4 was not expressed in the central zone during the experimental period. On the other hand, the shoot apices of plants placed under short-day conditions for 16 days remained flat, similar to shoot apices of plants placed under short-day conditions for 8 days, but Histone H4 was expressed in the central zone at the end of the short-day treatment. Morphological changes in the shoot apices of these plants were observed 8 days after the change in day-length. These plants developed differentiated flower organs after they were grown for another 30 days under long-day conditions. These results indicate that changes in the expression pattern of the Histone H4 gene occur before morphological changes during flower induction and that the expression of the gene in the central zone can be used as one of the indicators of the flowering process in strawberries. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Diallyl disulfide-induced apoptosis in a breast-cancer cell line (MCF-7) may be caused by inhibition of histone de-acetylation

The health benefits of garlic have been proven by epidemiological and experimental studies. Diallyl disulphide (DADS), the major organosulfur compound found in garlic oil, is known to lower the incidence of breast cancer both in vitro and in vivo. The studies reported here demonstrate that DADS induces apoptosis in the MCF-7 breast-cancer cell line through interfering with cell-cycle growth phases in a way that increases the sub-G0 population and substantially halts DNA synthesis. DADS also induces phosphatidylserine (PS) translocation from the inner to the outer leaflet of the plasma membrane and activates caspase-3. Further studies revealed that DADS modulates the cellular levels of Bax, Bcl-2, Bcl-xL and Bcl-w in a dose-dependent manner, suggesting the involvement of Bcl-2 family proteins in DADS induced apoptosis. Histone deacetylation inhibitors (HDACi) are known to suppress cancer growth and induce apoptosis in cancer cells. Here it is shown that DADS has HDACi properties in MCF-7 cells as it lowers the removal of an acetyl group from an acetylated substrate and induces histone-4 (H4) hyper-acetylation. The data thus indicate that the HDACi properties of DADS may be responsible for the induction of apoptosis in breast cancer cells.

Changes in histone acetylation and methylation that are important for persistent but not transient expression of CCR4 in human CD4(+) T cells

Although regulation of CXCR3 and CCR4 is related to Th1 and Th2 differentiation, respectively, many CXCR3(+) and CCR4(+) cells do not express IFN-gamma and/or IL-4, suggesting that the chemokine receptor genes might be inducible by mechanisms that are lineage-independent. We investigated the regulation of CXCR3 versus IFNG, and CCR4 versus IL4 in human CD4(+) T cells by analyzing modifications of histone H3. In naive cord-blood cells, under nonpolarizing conditions not inducing IL4, CCR4 was induced to high levels without many of the activation-associated changes in promoter histone H3 found for both IL4 and CCR4 in Th2 cells. Importantly, CCR4 expression was stable in Th2 cells, but fell in nonpolarized cells after the cells were rested; this decline could be reversed by increasing histone acetylation using sodium butyrate. Patterns of histone H3 modifications in CXCR3(+) CCR4(-) and CXCR3(-) CCR4(+) CD4(+) T-cell subsets from adult blood matched those in cells cultured under polarizing conditions in vitro. Our data show that high-level lineage-independent induction of CCR4 can occur following T-cell activation without accessibility-associated changes in histone H3, but that without such changes expression is transient rather than persistent.

A new genotype of Trypanosoma cruzi associated with bats evidenced by phylogenetic analyses using SSU rDNA, cytochrome b and Histone H2B genes and genotyping based on ITS1 rDNA

We characterized 15 Trypanosoma cruzi isolates from bats captured in the Amazon, Central and Southeast Brazilian regions. Phylogenetic relationships among T. cruzi lineages using SSU rDNA, cytochrome b, and Histone H2B genes positioned all Amazonian isolates into T. cruzi I (TCI). However, bat isolates from the other regions, which had been genotyped as T. cruzi II (TC II) by the traditional genotyping method based on mini-exon gene employed in this study, Were not nested within any of the previously defined TCII sublineages, constituting a new genotype designated as TCbat. Phylogenetic analyses demonstrated that TCbat indeed belongs to T. cruzi and not to other closely related bat trypanosomes of the subgenus Schizotrypanum, and that although separated by large genetic distances TO-tat is closest to lineage TCI. A genotyping method targeting ITS1 rDNA distinguished TCbat from established T. cruzi lineages, and from other Schizotrypanum species. In experimentally infected mice, TCbat lacked virulence and yielded loss parasitaemias. Isolates of TCbat presented distinctive morphological features and behaviour in triatomines. To date, TCbat genotype wall found only in bats from anthropic environments of Central and Southeast Brazil. Our findings indicate that the complexity of T. cruzi is larger than currently known, and confirmed bats as important reservoirs and potential source of T. cruzi infections to humans.

Photochemical N-demethylation of Alkaloids

Certain alkaloids were observed to undergo N-demethylation processes under photochemical conditions. Tropine, acetyltropine, tropinone, and atropine were cleanly N-demethylated upon treatment with tetraphenylporphin, oxygen, and light. Dextromethorphan also underwent a N-demethylation reaction, but reacted further to afford an imine. In contrast, 14-acyloxycodeinones underwent a photochemically induced tandem N-demethylation–acyl migration.

AMP-activated protein kinase regulates GLUT4 transcription by phosphorylating histone deacetylase 5

Objective: Insulin resistance associated with obesity and diabetes is ameliorated by specific overexpression of GLUT4 in skeletal muscle. The molecular mechanisms regulating skeletal muscle GLUT4 expression remain to be elucidated. The purpose of this study was to examine these mechanisms.

Research Design and Methods and Results: Here, we report that AMP-activated protein kinase (AMPK) regulates GLUT4 transcription through the histone deacetylase (HDAC)5 transcriptional repressor. Overexpression of HDAC5 represses GLUT4 reporter gene expression, and HDAC inhibition in human primary myotubes increases endogenous GLUT4 gene expression. In vitro kinase assays, site-directed mutagenesis, and site-specific phospho-antibodies establish AMPK as an HDAC5 kinase that targets S259 and S498. Constitutively active but not dominant-negative AMPK and 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-d-ribonucleoside (AICAR) treatment in human primary myotubes results in HDAC5 phosphorylation at S259 and S498, association with 14-3-3 isoforms, and H3 acetylation. This reduces HDAC5 association with the GLUT4 promoter, as assessed through chromatin immunoprecipitation assays and HDAC5 nuclear export, concomitant with increases in GLUT4 gene expression. Gene reporter assays also confirm that the HDAC5 S259 and S498 sites are required for AICAR induction of GLUT4 transcription.

Conclusions: These data reveal a signal transduction pathway linking cellular energy charge to gene transcription directed at restoring cellular and whole-body energy balance and provide new therapeutic targets for the treatment and management of insulin resistance and type 2 diabetes.

Exercise-induced histone modifications in human skeletal muscle

Skeletal muscle adaptations to exercise confer many of the health benefits of physical activity and occur partly through alterations in skeletal muscle gene expression. The exact mechanisms mediating altered skeletal muscle gene expression in response to exercise are unknown. However, in recent years, chromatin remodelling through epigenetic histone modifications has emerged as a key regulatory mechanism controlling gene expression in general. The purpose of this study was to examine the effect of exercise on global histone modifications that mediate chromatin remodelling and transcriptional activation in human skeletal muscle in response to exercise. In addition, we sought to examine the signalling mechanisms regulating these processes. Following 60 min of cycling, global histone 3 acetylation at lysine 9 and 14, a modification associated with transcriptional initiation, was unchanged from basal levels, but was increased at lysine 36, a site associated with transcriptional elongation. We examined the regulation of the class IIa histone deacetylases (HDACs), which are enzymes that suppress histone acetylation and have been implicated in the adaptations to exercise. While we found no evidence of proteasomal degradation of the class IIa HDACs, we found that HDAC4 and 5 were exported from the nucleus during exercise, thereby removing their transcriptional repressive function. We also observed activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK) and the calcium–calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in response to exercise, which are two kinases that induce phosphorylation-dependent class IIa HDAC nuclear export. These data delineate a signalling pathway that might mediate skeletal muscle adaptations in response to exercise.

Histone modifications and skeletal muscle metabolic gene expression

1.      Skeletal muscle oxidative function and metabolic gene expression are co-ordinately downregulated in metabolic diseases such as insulin resistance, obesity and Type 2 diabetes. Altering skeletal muscle metabolic gene expression to favour enhanced energy expenditure is considered a potential therapy to combat these diseases.

2.      Histone deacetylases (HDACs) are chromatin-remodelling enzymes that repress gene expression. It has been shown that HDAC4 and 5 co-operatively regulate a number of genes involved in various aspects of metabolism. Understanding how HDACs are regulated provides insights into the mechanisms regulating skeletal muscle metabolic gene expression.

3.      Multiple kinases control phosphorylation-dependent nuclear export of HDACs, rendering them unable to repress transcription. We have found a major role for the AMP-activated protein kinase (AMPK) in response to energetic stress, yet metabolic gene expression is maintained in the absence of AMPK activity. Preliminary evidence suggests a potential role for protein kinase D, also a Class IIa HDAC kinase, in this response.

4.      The HDACs are also regulated by ubiquitin-mediated proteasomal degradation, although the exact mediators of this process have not been identified.

5.      Because HDACs appear to be critical regulators of skeletal muscle metabolic gene expression, HDAC inhibition could be an effective therapy to treat metabolic diseases.

6.      Together, these data show that HDAC4 and 5 are critical regulators of metabolic gene expression and that understanding their regulation could provide a number of points of intervention for therapies designed to treat metabolic diseases, such as insulin resistance, obesity and Type 2 diabetes.