Chromosomal structure: a selectable trait for evolution

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

Functional differentiation of tbf1 orthologues in fission and budding yeasts.

In Saccharomyces cerevisiae, TBF1, an essential gene, influences telomere function but also has other roles in the global regulation of transcription. We have identified a new member of the tbf1 gene family in the mammalian pathogen Pneumocystis carinii. We demonstrate by transspecies complementation that its ectopic expression can provide the essential functions of Schizosaccharomyces pombe tbf1 but that there is no rescue between fission and budding yeast orthologues. Our findings indicate that an essential function of this family of proteins has diverged in the budding and fission yeasts and suggest that effects on telomere length or structure are not the primary cause of inviability in S. pombe tbf1 null strains.

Les patrons d’expression de gènes : ont-ils évolué avec la complexité des organismes?

La régulation de la transcription est l‟un des processus cellulaires des plus fondamentaux et constitue la première étape menant à l‟expression protéique. Son altération a des effets sur l‟homéostasie cellulaire et est associée au développement de maladies telles que le cancer. Il est donc crucial de comprendre les règles fondamentales de la fonction cellulaire afin de mieux cibler les traitements pour les maladies. La transcription d‟un gène peut se produire selon l‟un des deux modes fondamentaux de transcription : en continu ou en burst. Le premier est décrit comme un processus aléatoire et stochastique qui suit une distribution de Poisson. À chaque initiation de la transcription, indépendante de la précédente, un seul transcrit est produit. L‟expression en burst se produit lorsque le promoteur est activé pour une courte période de temps pendant laquelle plusieurs transcrits naissants sont produits. Apportant la plus grande variabilité au sein d‟une population isogénique, il est représenté par une distribution bimodale, où une sous-population n‟exprime pas le gène en question, alors que le reste de la population l‟exprime fortement. Les gènes des eucaryotes inférieurs sont pour la plupart exprimés de manière continuelle, alors que les gènes des eucaryotes supérieurs le sont plutôt en burst. Le but de ce projet est d‟étudier comment l‟expression des gènes a évolué et si la transcription aléatoire, ou de Poisson, est une propriété des eucaryotes inférieurs et si ces patrons ont changé avec la complexité des organismes et des génomes. Par la technique de smFISH, nous avons étudié de manière systématique quatre gènes évolutivement conservés (mdn1+, PRP8/spp42+, pol1+ et cdc13+) qui sont continuellement transcrits dans la levure S. cerevisiae. Nous avons observé que le mode d‟expression est gène-et-organisme spécifique puisque prp8 est exprimé de manière continuelle dans la levure S. pombe, alors que les autres gènes seraient plutôt exprimés en légers burst.

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 cons��quent, 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 s��quençage 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) utilis��s 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.

Biologische Funktionsanalyse und Identifizierung neuer Substrate der Methyltransferase Dnmt2

Obwohl die DNA Methyltransferase 2 (Dnmt2) hoch konserviert ist und zu der am weitesten verbreiteten eukaryotischen MTase-Familie gehört, ist ihre biologische Funktion nach wie vor unklar. Nachdem lange Zeit keine DNA Methylierungsaktivität nachgewiesen werden konnte, wurde vor einigen Jahren über geringe Mengen an 5-Methylcytosin (5mC) in Retroelementen der “Dnmt2-only”-Organismen D. melanogaster, D. discoideum und E. histolytica berichtet (Kunert et al. 2003; Fisher et al. 2004; Kuhlmann et al. 2005; Phalke et al. 2009). Als kurze Zeit später robuste Methylierung der tRNAAsp durch humane Dnmt2 gezeigt wurde (Goll et al. 2006), wurde zunächst eine Dualspezifität des Enzyms vorgeschlagen (Jeltsch et al. 2006). Neuere Daten zum 5mC-Status verschiedener „Dnmt2-only“-Organismen bilden Anlass für kontroverse Diskussionen über Ausmaß und Bedeutung der DNA Methyltransferaseaktivität von Dnmt2 (Schaefer et al. 2010a; Krauss et al. 2011). Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung neuer RNA Substrate des Dnmt2-Homologs DnmA aus D. discoideum sowie die biologische Bedeutung der tRNA-Methylierung durch Dnmt2. Wie in anderen Organismen beschrieben, fungiert auch DnmA als tRNAAsp(GUC) MTase in vitro und in vivo. Zus��tzlich konnte in vitro tRNAGlu(UUC) als neues Substrat der Dnmt2-Homologe aus D. discoideum und dem Menschen identifiziert werden. In einem Kooperationsprojekt wurde außerdem auch tRNAAsp-Methylierungsaktivität für das Dnmt2-Homolog aus S. pombe (Pmt1) nachgewiesen. Crosslink-RNA-Immunopräzipitationen (RNA-CLIP) mit anschließender Next-Generation-Sequenzierung der mit DnmA assoziierten RNAs zeigen, dass DnmA mit tRNA Fragmenten interagiert, die sich vom Anticodonloop bis in den T-loop erstrecken. Neben der tRNAAsp(GUC) und tRNAGlu(UUC/CUC) sind Fragmente der tRNAGly(GCC) verstärkt angereichert. Inwiefern diese Fragmente eine biologische Funktion haben oder spezifische Degradationsprodukte darstellen, ist noch ungeklärt. Interessanterweise sind von einigen tRNAs wenige Sequenzen von antisense-Fragmenten in den RNA-CLIP Daten zu finden, die etwas kürzer, jedoch exakt komplementär zu den genannten sense-Fragmenten sind. Besonders stark sind diese Fragmente der tRNAGlu(UUC) vertreten. In einem weiteren RNA-CLIP Experiment wurden U-snRNAs, snoRNA und intergenische Sequenzen mit DnmA angereichert. Bei nachfolgenden in vitro Methylierungsstudien konnte ausschließlich die U2-snRNA als potentielles Nicht-tRNA-Substrat der hDnmt2 und DnmA identifiziert werden. Da tRNA Modifikationen im Anticodonloop die Codonerkennung beeinflussen können, wurde ein System etabliert um die Translationseffizienz eines GFP-Reportergens in Wildtyp- und dnmAKO-Zellen zu messen. In D. discoideum wird das Aspartat-Codon GAU ca. zehnmal häufiger genutzt als das GAC Codon, allerdings ist nur eine tRNAAsp(GUC) im Genom der Amöbe kodiert. Aus diesem Grund wurde zus��tzlich die Frage adressiert, inwiefern die DnmA-abhängige Methylierung dieser tRNA das „Wobbling“ beeinflusst. Dazu wurde dem Reportergen jeweils eine (GAU)5- und (GAC)5-Leadersequenz vorgeschaltet. Entgegen der Annahme wurde der (GAC)5-Leader in beiden Stämmen etwas effizienter translatiert. Insgesamt zeigte der dnmAKO-Stamm eine leicht erhöhte Translationseffizienz der Reportergene. Vergleichende Analysen zur Aufnahme von Fremd-DNA zeigten signifikant reduzierte Transformationseffizienzen mit einem integrierenden Plasmid in dnmAKO-Zellen. Ein weiterer dnmAKO-Stamm zeigte diesen Effekt jedoch nicht, wobei bei derselben Mutante eine deutlich reduzierte Aufnahme eines extrachromosomalen Plasmids zu verzeichnen war. Untersuchungen zum Einfluss von DnmA auf die Regulation des Retroelements skipper ergaben keinen Zusammenhang zwischen der Generierung kleiner RNAs und der erhöhten Transkription des Retrotransposons in dnmAKO-Zellen (Kuhlmann et al. 2005). Durch Kompensationsversuche sowie Experimente mit einer weiteren dnmAKO-Mutante konnte die Mobilisierung des Retrotransposons nicht eindeutig als DnmA-Funktion eingeordnet werden. In einem weiteren Projekt wurden die Bindung des m5C-bindenden Proteins EhMLBP aus E. histolytica an DNA mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet (Lavi et al. 2006). Neben vermutlich unspezifischen Endbindungsereignissen konnte eine bevorzugte Bindungsstelle des Proteins an LINE DNA (long intersperesed nuclear element) identifiziert werden. Möglicherweise fällt diese mit einem von zwei A/T-reichen Bereichen der LINE DNA zusammen, von denen vermutet wird, dass diese für die Bindung von EhMLBP an DNA von Bedeutung sind. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit die tRNAAsp Methylierungsaktivität als konservierte Dnmt2-Funktion. Darüber hinaus erweitern sie das Substratspektrum der Dnmt2-Methyltransferasen im Bereich der tRNA. Außerdem wird erstmals ein potentielles Nicht-tRNA Substrat vorgeschlagen. Zus��tzlich geben neu entdeckte Phänotypen Hinweise auf vielfältige zelluläre Dnmt2-Funktionen.

PIGOK: linking protein identity to gene ontology and function

Here we introduce a computer database that allows for the rapid retrieval of physicochemical properties, Gene Ontology, and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes information about a protein or a list of proteins. We applied PIGOK analyzing Schizosaccharomyces pombe proteins displaying differential expression under oxidative stress and identified their biological functions and pathways. The database is available on the Internet at http://pc4-133.ludwig.ucl.ac.uk/pigok.html.

Regulation of cell cycle and stress responses to hydrostatic pressure in fission yeast

We have investigated the cellular responses to hydrostatic pressure by using the fission yeast Schizosaccharomyces pombe as a model system. Exposure to sublethal levels of hydrostatic pressure resulted in G2 cell cycle delay. This delay resulted from Cdc2 tyrosine-15 (Y-15) phosphorylation, and it was abrogated by simultaneous disruption of the Cdc2 kinase regulators Cdc25 and Wee1. However, cell cycle delay was independent of the DNA damage, cytokinesis, and cell size checkpoints, suggesting a novel mechanism of Cdc2-Y15 phosphorylation in response to hydrostatic pressure. Spc1/Sty1 mitogen-activated protein (MAP) kinase, a conserved member of the eukaryotic stress-activated p38, mitogen-activated protein (MAP) kinase family, was rapidly activated after pressure stress, and it was required for cell cycle recovery under these conditions, in part through promoting polo kinase (Plo1) phosphorylation on serine 402. Moreover, the Spc1 MAP kinase pathway played a key role in maintaining cell viability under hydrostatic pressure stress through the bZip transcription factor, Atf1. Further analysis revealed that prestressing cells with heat increased barotolerance, suggesting adaptational cross-talk between these stress responses. These findings provide new insight into eukaryotic homeostasis after exposure to pressure stress.

Heterologous expression in Escherichia coli of Neurospora crassa neutral trehalase as an active enzyme

Neutral trehalase from Neurospora crassa was expressed in Escherichia coli as a polypeptide of similar to 84 kDa in agreement with the theoretical size calculated from the corresponding cDNA. The recombinant neutral trehalase, purified by affinity chromatography exhibited a specific activity of 80-150 mU/mg protein. Optima of pH and temperature were 7.0 and 30 degrees C, respectively. The enzyme was absolutely specific for trehalose, and was quite sensitive to incubation at 40 degrees C. The recombinant enzyme was totally dependent on calcium, and was inhibited by ATP, copper, silver, aluminium and cobalt. K(M) was 42 mM, and V(max) was 30.6 nmol of glucose/min. The recombinant protein was phosphorylated by cAMP-dependent protein kinase, but not significantly activated. Immunoblotting with polyclonal antiserum prepared against the recombinant protein showed that neutral trehalase protein levels increased during exponential phase of N. crassa growth and dropped at the stationary phase. This is the first report of a neutral trehalase produced in E. coli with similar biochemical properties described for fungi native neutral trehalases, including calcium-dependence. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Trypanosoma cruzi: identification and characterization of a novel ribosomal protein L27 (TcrL27) that cross-reacts with an affinity-purified anti-Sm antibody

Small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs)are involved in trans-splicing processing of pre-mRNA in Trypanosoma cruzi. To clone T. cruzi snRNPs we screened an epimastigote cDNA library with a purified antibody raised against the Sm-binding site of a yeast sequence. A clone was obtained containing a 507 bp-insert with an ORF of 399 bp and coding for a protein of 133 amino acids. Sequence analysis revealed high identity with the L27 ribosomal proteins from different species including: Canis familiaris, Homo sapiens, Schizosaccharomyces pombe and Saccharomyces cerevisiae. This protein has not been previously described in the literature and seems to be a new ribosomal protein in T. cruzi and was given the code TcrL27. To express this recombinant T. cruzi L27 ribosomal protein in E. coli, the insert was subcloned into the pET32a vector and a 26 kDa recombinant protein was purified. Immunoblotting studies demonstrated that this purified recombinant protein was recognized by the same anti-Sm serum used in the library screening as well as by chagasic and systemic lupus erythemathosus (SLE) sera. Our results suggest that the T. cruzi L27 ribosomal protein may be involved in autoimmunity of Chagas disease.

Non-conventional yeasts

In the beginning there was yeast, and it raised bread, brewed beer, and made wine. After many not days but centuries and even millenia later, it was named Saccharomyces cerevisiae. After more years and centuries there was another yeast, and it was named Schizo-saccharomyces pombe; now there were two stars in the yeast heaven. In only a few more years there were other yeasts, and then more, and more, and more. The era of the non-conventional yeasts had begun.

Caracterização funcional de fatores de transcrição hipotéticos de Neurospora crassa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação de fitases microbianas em dietas de frangos de corte

Pós-graduação em Zootecnia - FCAV

Bioprospecção de leveduras fermentadoras de xilose visando a produção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Signaling via cAMP in Fungi: Interconnections with Mitogen-Activated Protein Kinase Pathways

The cAMP signal transduction pathway controls a wide variety of processes in fungi. For example, considerable progress has been made in describing the involvement of cAMP pathway components in the control of morphogenesis in Saccharomyces cerevisiae, Ustilago maydis, and Magnaporthe grisea. These morphological processes include the establishment of filamentous growth in S. cerevisiae and U. maydis, and the differentiation of an appressorial infection structure in M. grisea. The discovery that appressorium formation requires cAMP signaling provides an immediate connection to fungal virulence. This connection may have broader implications among fungal pathogens because recent work indicates that cAMP signaling controls the expression of virulence traits in the human pathogen Cryptococcus neoformans. In this fungus, cAMP also influences mating, as has been found for Schizosaccharomyces pombe and as may occur in U. maydis. Finally, cAMP and mitogen- activated protein kinase pathways appear to function coordinately to control the response of certain fungi, e.g., Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, to environmental stress. There are clues that interconnections between these pathways may be common in the control of many fungal processes.

Ctp1CtIP and Rad32Mre11 nuclease activity are required for Rec12Spo11 removal, but Rec12Spo11 removal is dispensable for other MRN-dependent meiotic functions

The evolutionarily conserved Mre11/Rad50/Nbs1 (MRN) complex is involved in various aspects of meiosis. Whereas available evidence suggests that the Mre11 nuclease activity might be responsible for Spo11 removal in Saccharomyces cerevisiae, this has not been confirmed experimentally. This study demonstrates for the first time that Mre11 (Schizosaccharomyces pombe Rad32(Mre11)) nuclease activity is required for the removal of Rec12(Spo11). Furthermore, we show that the CtIP homologue Ctp1 is required for Rec12(Spo11) removal, confirming functional conservation between Ctp1(CtIP) and the more distantly related Sae2 protein from Saccharomyces cerevisiae. Finally, we show that the MRN complex is required for meiotic recombination, chromatin remodeling at the ade6-M26 recombination hot spot, and formation of linear elements (which are the equivalent of the synaptonemal complex found in other eukaryotes) but that all of these functions are proficient in a rad50S mutant, which is deficient for Rec12(Spo11) removal. These observations suggest that the conserved role of the MRN complex in these meiotic functions is independent of Rec12(Spo11) removal.