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.

Simultaneous cell morphometry and refractive index measurement with dual-wavelength digital holographic microscopy and dye-enhanced dispersion of perfusion medium.

Digital holographic microscopy (DHM) allows optical-path-difference (OPD) measurements with nanometric accuracy. OPD induced by transparent cells depends on both the refractive index (RI) of cells and their morphology. This Letter presents a dual-wavelength DHM that allows us to separately measure both the RI and the cellular thickness by exploiting an enhanced dispersion of the perfusion medium achieved by the utilization of an extracellular dye. The two wavelengths are chosen in the vicinity of the absorption peak of the dye, where the absorption is accompanied by a significant variation of the RI as a function of the wavelength.

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.

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

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

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.

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.

Caracterização funcional de fatores de transcrição hipotéticos de Neurospora crassa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

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.

Second Annual Kansas State–Nebraska Biochemical Engineering Symposium (April 29, 1972)

This booklet contains abstracts of papers presented at a biochemical engineering symposium conducted at the University of Nebraska-Lincoln on April 29, 1972. This was the second annual symposium on this subject, the first having been held at Kansas State University on June 4, 1971. It is expected that future symposia will alternate between the two campuses. ContentsS.H. Lin, Kansas State University, "Enzyme Reaction in a Tubular Reactor with Laminar Flow" Gregory C. Martin, University of Nebraska, "Estimation of Parameters in Population Models for Schizosaccharomyces pombe from Chemostat Data" Jaiprakash S. Shastry and Prakash N. Mishra, Kansas State University, "Immobilized Enzymes: Analysis of Ultrafiltration Reactors" Mark D. Young, University of Nebraska, "Modelling Unsteady-State Two-Species Data Using Ramkrishna's Staling Model" G.C.Y. Chu, Kansas State University, "Optimization of Step Aeration Waste Treatment Systems Using EVOP" Shinji Goto, University of Nebraska, "Growth of the Blue-Green Alga Microcytis aeruginosa under Defined Conditions" Prakash N. Mishra and Thomas M.C. Kuo, Kansas State University, "Digital Computer Simulation of the Activated Sludge System: Effect of Primary Clarifier on System Performance" Mark D. Young, University of Nebraska, "Aerobic Fermentation of Paunch Liquor"