Molecular and biochemical mechanisms involved in the toxicity of a marine cyanobacteria compound on cancer cell lines

In recent years marine biotechnology has revealed a crucial role in the future of bioindustry. Among the many marine resources, cyanobacteria have shown great potential in the production of bioactive compounds with diverse applicability. The pharmacological potential of these organisms has been one of the most explored areas in particular its antibacterial, antifungal and anticancer potential. This work was based on the assessment of potential anticancer compound E13010 F 5.4 isolated from marine cyanobacteria strain Synechocystis salina LEGE 06099. Thus the aim of this work was to explore molecular and biochemical mechanisms underlying the bioactivity detected in human cancer cells, specifically in lines RKO colon carcinoma and HT-29. The isolation of the compound was performed from biomass obtained by large-scale culture. To obtain the compound fractionation was carried and confirmation and isolation performed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Thin Layer Chromatography (TLC) and High-Performance Liquid Chromatography (HPLC). Cell viability assays were performed based on reduction of 3- (4,5-dimetiltiaziol-2-yl) -2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) to assess the cytotoxic potential of the compound. From the battery of cell lines RKO (colon carcinoma), HT-29 (colorectal adenocarcinoma), MG-63 (osteosarcoma) and T47D (breast carcinoma) the cell lines RKO and HT-29 were selected for elucidation of mechanisms of cytotoxicity. For the elucidation of the mechanisms involved in cytotoxicity the cell lines RKO and HT29 were exposed to the compound. A genomic approach based in the mRNA expression of genes involved in apoptosis and cell cycle by Real-Time PCR and a proteomic approach based on the separation of proteins by two-dimensional electrophoresis (2DGE) was performed. For mRNA expression were selected the genes RPL8, HPRT1, VDAC, SHMT2, CCNE, CCNB1, P21CIP, BCL-2 and BAD and for proteomics isoelectric focussing between 3 – 10 and molecular weight of 19 – 117 kDa separated by polyacrylamide gels (2DGE). The MTT results confirmed the reduction of the cell viability. The RT-PCR results for the expression of genes studied were not yet fully elucidative. For the cell line RKO there was a significant reduction in the expression of the gene P21CIP, and a tendency for reduction in the BAD gene expression and for increased expression of gene CCNB1, pointing to an effort for cell proliferation. In HT-29 cell line, there was a tendency for increase in the expression of P21CIP and BAD, which may explain the reduction in cell viability. The 2DGE results indicate proteomic patterns with differentially altered spots in the treated and control cells with both qualitative and quantitative differences, and differences in response between the RKO and HT-29 cell lines.

Étude fonctionnelle d’un nouveau complexe multi-enzymatique régulant l’épigénome

L’ubiquitination, une modification post-traductionnelle importante pour le contrôle de nombreux processus cellulaires, est une réaction réversible. La réaction inverse, nommée déubiquitination est catalysée par les déubiquitinases (DUB). Nous nous sommes intéressés dans nos travaux à étudier l’ubiquitination de l’histone H2A (H2Aub), au niveau des résidus lysines 118 et 119 (K118/K119), une marque épigénétique impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire et la réparation de l’ADN. Le régulateur transcriptionnel BAP1, une déubiquitinase nucléaire, a été initialement identifié pour sa capacité à promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 forme un complexe multi-protéique avec plusieurs facteurs transcriptionnels et sa fonction principale est la déubiquitination de H2Aub. Plusieurs études ont démontré que BAP1 est un gène suppresseur de tumeurs majeur et qu’il est largement muté et inactivé dans une multitude de cancers. En effet, BAP1 émerge comme étant la DUB la plus mutée au niveau des cancers. Cependant, le ou les mécanismes d’action et de régulation du complexe BAP1 restent très peu connus. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des partenaires protéiques de BAP1. De manière significative nous avons caractérisé un mécanisme unique de régulation entre deux composants majeurs du complexe BAP1 à savoir, HCF-1 et OGT. En effet, nous avons démontré que HCF-1 est requis pour maintenir le niveau protéique de OGT et que cette dernière est indispensable pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant son clivage par O-GlcNAcylation, une signalisation cellulaire nécessaire au bon fonctionnement de HCF-1. Également, nous avons découvert un nouveau mécanisme de régulation de BAP1 par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. En effet, UBE2O agit comme un régulateur négatif de BAP1 puisque l’ubiquitination de ce dernier induit sa séquestration dans le cytoplasme et l’inhibition de sa fonction suppressive de tumeurs. D’autre part nous nous sommes penchés sur la caractérisation de l’association de BAP1 avec deux facteurs de la famille des protéines Polycombes nommés ASXL1 et ASXL2 (ASXL1/2). Nous avons investigué le rôle de BAP1/ASXL1/2, particulièrement dans les mécanismes de déubiquitination et suppression de tumeurs. Nous avons démontré que BAP1 interagit directement iii via son domaine C-terminale avec le même domaine ASXM de ASXL1/2 formant ainsi deux complexes mutuellement exclusifs indispensables pour induire l’activité déubiquitinase de BAP1. De manière significative, ASXM s’associe avec BAP1 pour créer un nouveau domaine composite de liaison à l’ubiquitine. Ces interactions BAP1/ASXL1/2 régulent la progression harmonieuse du cycle cellulaire. De plus, la surexpression de BAP1 et de ASXL2 au niveau des fibroblastes induit la sénescence de manière dépendante de leurs interactions. D’autre part, nous avons identifié des mutations de cancers au niveau de BAP1 le rendant incapable de lier ASXL1/2, d’exercer sa fonction d’autodéubiquitination et de ce fait d’agir comme suppresseur de tumeurs. Ainsi nous avons révélé un lien étroit entre le gène suppresseur de tumeurs BAP1, son activité déubiquitinase et le contrôle de la prolifération cellulaire.

The bacterial chromosome segregation protein Spo0J spreads along DNA from parS nucleation sites

Regulation of chromosome inheritance is essential to ensure proper transmission of genetic information. To accomplish accurate genome segregation, cells organize their chromosomes and actively separate them prior to cytokinesis. In Bacillus subtilis the Spo0J protein is required for accurate chromosome segregation and it regulates the developmental switch from vegetative growth to sporulation. Spo0J is a DNA-binding protein that recognizes at least eight identified parS sites located near the origin of replication. As judged by fluorescence microscopy, Spo0J forms discrete foci associated with the oriC region of the chromosome throughout the cell cycle. In an attempt to determine the mechanisms utilized by Spo0J to facilitate productive chromosome segregation, we have investigated the DNA binding activity of Spo0J. In vivo we find Spo0J associates with several kilobases of DNA flanking its specific binding sites (parS) through a parS-dependent nucleation event that promotes lateral spreading of Spo0J along the chromosome. Using purified components we find that Spo0J has the ability to coat non-specific DNA substrates. These 'Spo0J domains' provide large structures near oriC that could potentially demark, organize or localize the origin region of the chromosome.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Caractérisation structurale de Miz-1 dans le cadre de la répression génique causée par le complexe c-Myc/Miz-1

Résumé : c-Myc est un facteur de transcription (FT) dont les niveaux cellulaires sont dérégulés dans la majorité des cancers chez l’homme. En hétérodimère avec son partenaire obligatoire Max, c-Myc lie préférentiellement les séquences E-Box (CACGTG) et cause l’expression de gènes impliqués dans la biosynthèse des protéines et des ARNs, dans le métabolisme et dans la prolifération cellulaire. Il est maintenant bien connu que c-Myc exerce aussi son potentiel mitogène en liant et inhibant différents FTs impliqués dans l’expression de gènes cytostatiques. Entre autres, c-Myc est en mesure d’inhiber Miz-1, un FT comportant 13 doigts de zinc de type Cys2-His2 (ZFs) impliqué dans l’expression de plusieurs gènes régulateurs du cycle cellulaire comprenant les inhibiteurs de CDK p15[indice supérieur INK4], p21[indice supérieur CIP1] et p57[indice supérieur KIP2]. Plus récemment, il fut démontré qu’en contrepartie, Miz-1 est aussi en mesure de renverser les fonctions activatrices de c-Myc et de prévenir la prolifération de cellules cancéreuses dépendantes de c-Myc. Ces différentes observations ont mené à la suggestion de l’hypothèse intéressante que la balance des niveaux de Miz-1 et c-Myc pourrait dicter le destin de la cellule et a permis d’établir Miz-1 comme nouvelle cible potentielle pour le développement d’agents anti-cancéreux. Malgré le fait que ces deux protéines semblent centrales à la régulation du cycle cellulaire, les mécanismes moléculaires leur permettant de s’inhiber mutuellement ainsi que les déterminants moléculaires permettant leur association spécifique demeurent assez peu documentés pour le moment. De plus, la biologie structurale de Miz-1 demeure à être explorée puisque qu’aucune structure de ses 13 ZFs, essentiels à sa liaison à l’ADN, n’a été déterminée pour l’instant. Les travaux réalisés dans le cadre cette thèse visent la caractérisation structurale et biophysique de Miz-1 dans le contexte de la répression génique causée par le complexe c-Myc/Miz-1. Nous présentons des résultats d’éxpériences in vitro démontrant que Miz-1 interagit avec c-Myc via un domaine contenu entre ses ZFs 12 et 13. De plus, nous démontrons que Miz-1 et Max sont en compétition pour la liaison de c-Myc. Ces résultats suggèrent pour la permière fois que Miz-1 inhibe les activités de c-Myc en prévenant son interaction avec son partenaire obligatoire Max. De plus, ils laissent présager que que Miz-1 pourrait servir de référence pour le développement d’inhibiteurs peptidiques de c-Myc. Finalement, nous avons réalisé la caractérisation structurale et dynamique des ZFs 1 à 4 et 8 à 10 de Miz-1 et avons évalué leur potentiel de liaison à l’ADN. Les résultats obtenus, couplés à des analyses bio-informatiques, nous permettent de suggérer un modèle détaillé pour la liaison spécifique de Miz-1 à son ADN consensus récemment identifié.

Using induced pluripotent stem cells (IPSCS) as a replacement for in vivo models to screen novel therapies in chronic myeloid leukaemia (CML)

Tyrpsine kinase inhibitors (TKIs) effectively target progenitors and mature leukaemic cells but prove less effective at eliminating leukaemic stem cells (LSCs) in patients with chronic myeloid leukaemia (CML). Several reports indicate that the TGFβ superfamily pathway is important for LSC survival and quiescence. We conducted extensive microarray analyses to compare expression patterns in normal haemopoietic stem cells (HSC) and progenitors with CML LSC and progenitor populations in chronic phase (CP), accelerated phase (AP) and blast crisis (BC) CML. The BMP/SMAD pathway and downstream signalling molecules were identified as significantly deregulated in all three phases of CML. The changes observed could potentiate altered autocrine signalling, as BMP2, BMP4 (p<0.05), and ACTIVIN A (p<0.001) were all down regulated, whereas BMP7, BMP10 and TGFβ (p<0.05) were up regulated in CP. This was accompanied by up regulation of BMPRI (p<0.05) and downstream SMADs (p<0.005). Interestingly, as CML progressed, the profile altered, with BC patients showing significant over-expression of ACTIVIN A and its receptor ACVR1C. To further characterise the BMP pathway and identify potential candidate biomarkers within a larger cohort, expression analysis of 42 genes in 60 newly diagnosed CP CML patient samples, enrolled on a phase III clinical trial (www.spirit-cml.org) with greater than 12 months follow-up data on their response to TKI was performed. Analysis revealed that the pathway was highly deregulated, with no clear distinction when patients were stratified into good, intermediate and poor response to treatment. One of the major issues in developing new treatments to target LSCs is the ability to test small molecule inhibitors effectively as it is difficult to obtain sufficient LSCs from primary patient material. Using reprogramming technologies, we generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from CP CML patients and normal donors. CML- and normal-derived iPSCs were differentiated along the mesodermal axis to generate haemopoietic and endothelial precursors (haemangioblasts). IPSC-derived haemangioblasts exhibited sensitivity to TKI treatment with increased apoptosis and reduction in the phosphorylation of downstream target proteins. 4 Dual inhibition studies were performed using BMP pathway inhibitors in combination with TKI on CML cell lines, primary cells and patient derived iPSCs. Results indicate that they act synergistically to target CML cells both in the presence and absence of BMP4 ligand. Inhibition resulted in decreased proliferation, irreversible cell cycle arrest, increased apoptosis, reduced haemopoietic colony formation, altered gene expression pattern, reduction in self-renewal and a significant reduction in the phosphorylation of downstream target proteins. These changes offer a therapeutic window in CML, with intervention using BMP inhibitors in combination with TKI having the potential to prevent LSC self-renewal and improve outcome for patients. By successfully developing and validating iPSCs for CML drug screening we hope to substantially reduce the reliance on animal models for early preclinical drug screening in leukaemia.

Cellular senescence and longevity of osteophyte-derived mesenchymal stem cells compared to patient-matched bone marrow stromal cells

This study aimed to determine the cellular aging of osteophyte-derived mesenchymal cells (oMSCs) in comparison to patient-matched bone marrow stromal cells (bMSCs). Extensive expansion of the cell cultures was performed and early and late passage cells (passages 4 and 9, respectively) were used to study signs of cellular aging, telomere length, telomerase activity, and cell-cycle-related gene expression. Our results showed that cellular aging was more prominent in bMSCs than in oMSCs, and that oMSCs had longer telomere length in late passages compared with bMSCs, although there was no significant difference in telomere lengths in the early passages in either cell type. Telomerase activity was detectable only in early passage oMSCs and not in bMSCs. In osteophyte tissues telomerase-positive cells were found to be located perivascularly and were Stro-1 positive. Fifteen cell-cycle regulator genes were investigated and only three genes (APC, CCND2, and BMP2) were differentially expressed between bMSC and oMSC. Our results indicate that oMSCs retain a level of telomerase activity in vitro, which may account for the relatively greater longevity of these cells, compared with bMSCs, by preventing replicative senescence. J. Cell. Biochem. 108: 839-850, 2009. (c) 2009 Wiley-Liss, Inc.

Recent advances in cancer therapy targeting proteins involved in DNA double-strand break repair

Damage to genetic material represents a persistent and ubiquitous threat to genomic stability. Once DNA damage is detected, a multifaceted signaling network is activated that halts the cell cycle, initiates repair, and in some instances induces apoptotic cell death. In this article, we will review DNA damage surveillance networks, which maintain the stability of our genome, and discuss the efforts underway to identify chemotherapeutic compounds targeting the core components of DNA double-strand breaks (DSB) response pathway. The majority of tumor cells have defects in maintaining genomic stability owing to the loss of an appropriate response to DNA damage. New anticancer agents are exploiting this vulnerability of cancer cells to enhance therapeutic indexes, with limited normal tissue toxicity. Recently inhibitors of the checkpoint kinases Chk1 and Chk2 have been shown to sensitize tumor cells to DNA damaging agents. In addition, the treatment of BRCA1- or BRCA2-deficient tumor cells with poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors also leads to specific tumor killing. Due to the numerous roles of p53 in genomic stability and its defects in many human cancers, therapeutic agents that restore p53 activity in tumors are the subject of multiple clinical trials. In this article we highlight the proteins mentioned above and catalog several additional players in the DNA damage response pathway, including ATM, DNA-PK, and the MRN complex, which might be amenable to pharmacological interventions and lead to new approaches to sensitize cancer cells to radio- and chemotherapy. The challenge is how to identify those patients most receptive to these treatments.

Single-stranded DNA-binding protein hSSB1 is critical for genomic stability

Single-strand DNA (ssDNA)-binding proteins (SSBs) are ubiquitous and essential for a wide variety of DNA metabolic processes, including DNA replication, recombination, DNA damage detection and repair1. SSBs have multiple roles in binding and sequestering ssDNA, detecting DNA damage, stimulating nucleases, helicases and strand-exchange proteins, activating transcription and mediating protein–protein interactions. In eukaryotes, the major SSB, replication protein A (RPA), is a heterotrimer1. Here we describe a second human SSB (hSSB1), with a domain organization closer to the archaeal SSB than to RPA. Ataxia telangiectasia mutated (ATM) kinase phosphorylates hSSB1 in response to DNA double-strand breaks (DSBs). This phosphorylation event is required for DNA damage-induced stabilization of hSSB1. Upon induction of DNA damage, hSSB1 accumulates in the nucleus and forms distinct foci independent of cell-cycle phase. These foci co-localize with other known repair proteins. In contrast to RPA, hSSB1 does not localize to replication foci in S-phase cells and hSSB1 deficiency does not influence S-phase progression. Depletion of hSSB1 abrogates the cellular response to DSBs, including activation of ATM and phosphorylation of ATM targets after ionizing radiation. Cells deficient in hSSB1 exhibit increased radiosensitivity, defective checkpoint activation and enhanced genomic instability coupled with a diminished capacity for DNA repair. These findings establish that hSSB1 influences diverse endpoints in the cellular DNA damage response.

Phosphorylation of Exo1 modulates homologous recombination repair of DNA double-strand breaks

DNA double-strand break (DSB) repair via the homologous recombination pathway is a multi-stage process, which results in repair of the DSB without loss of genetic information or fidelity. One essential step in this process is the generation of extended single-stranded DNA (ssDNA) regions at the break site. This ssDNA serves to induce cell cycle checkpoints and is required for Rad51 mediated strand invasion of the sister chromatid. Here, we show that human Exonuclease 1 (Exo1) is required for the normal repair of DSBs by HR. Cells depleted of Exo1 show chromosomal instability and hypersensitivity to ionising radiation (IR) exposure. We find that Exo1 accumulates rapidly at DSBs and is required for the recruitment of RPA and Rad51 to sites of DSBs, suggesting a role for Exo1 in ssDNA generation. Interestingly, the phosphorylation of Exo1 by ATM appears to regulate the activity of Exo1 following resection, allowing optimal Rad51 loading and the completion of HR repair. These data establish a role for Exo1 in resection of DSBs in human cells, highlighting the critical requirement of Exo1 for DSB repair via HR and thus the maintenance of genomic stability.

Multiscale analysis of protein functions and stochastic modelling of gene transcriptional regulatory networks

Genomic and proteomic analyses have attracted a great deal of interests in biological research in recent years. Many methods have been applied to discover useful information contained in the enormous databases of genomic sequences and amino acid sequences. The results of these investigations inspire further research in biological fields in return. These biological sequences, which may be considered as multiscale sequences, have some specific features which need further efforts to characterise using more refined methods. This project aims to study some of these biological challenges with multiscale analysis methods and stochastic modelling approach. The first part of the thesis aims to cluster some unknown proteins, and classify their families as well as their structural classes. A development in proteomic analysis is concerned with the determination of protein functions. The first step in this development is to classify proteins and predict their families. This motives us to study some unknown proteins from specific families, and to cluster them into families and structural classes. We select a large number of proteins from the same families or superfamilies, and link them to simulate some unknown large proteins from these families. We use multifractal analysis and the wavelet method to capture the characteristics of these linked proteins. The simulation results show that the method is valid for the classification of large proteins. The second part of the thesis aims to explore the relationship of proteins based on a layered comparison with their components. Many methods are based on homology of proteins because the resemblance at the protein sequence level normally indicates the similarity of functions and structures. However, some proteins may have similar functions with low sequential identity. We consider protein sequences at detail level to investigate the problem of comparison of proteins. The comparison is based on the empirical mode decomposition (EMD), and protein sequences are detected with the intrinsic mode functions. A measure of similarity is introduced with a new cross-correlation formula. The similarity results show that the EMD is useful for detection of functional relationships of proteins. The third part of the thesis aims to investigate the transcriptional regulatory network of yeast cell cycle via stochastic differential equations. As the investigation of genome-wide gene expressions has become a focus in genomic analysis, researchers have tried to understand the mechanisms of the yeast genome for many years. How cells control gene expressions still needs further investigation. We use a stochastic differential equation to model the expression profile of a target gene. We modify the model with a Gaussian membership function. For each target gene, a transcriptional rate is obtained, and the estimated transcriptional rate is also calculated with the information from five possible transcriptional regulators. Some regulators of these target genes are verified with the related references. With these results, we construct a transcriptional regulatory network for the genes from the yeast Saccharomyces cerevisiae. The construction of transcriptional regulatory network is useful for detecting more mechanisms of the yeast cell cycle.

Modeling prostate cancer: a perspective on transgenic mouse models

Despite considerable success in treatment of early stage localized prostate cancer (PC), acute inadequacy of late stage PC treatment and its inherent heterogeneity poses a formidable challenge. Clearly, an improved understanding of PC genesis and progression along with the development of new targeted therapies are warranted. Animal models, especially, transgenic immunocompetent mouse models, have proven to be the best ally in this respect. A series of models have been developed by modulation of expression of genes implicated in cancer-genesis and progression; mainly, modulation of expression of oncogenes, steroid hormone receptors, growth factors and their receptors, cell cycle and apoptosis regulators, and tumor suppressor genes have been used. Such models have contributed significantly to our understanding of the molecular and pathological aspects of PC initiation and progression. In particular, the transgenic mouse models based on multiple genetic alterations can more accurately address the inherent complexity of PC, not only in revealing the mechanisms of tumorigenesis and progression but also for clinically relevant evaluation of new therapies. Further, with advances in conditional knockout technologies, otherwise embryonically lethal gene changes can be incorporated leading to the development of new generation transgenics, thus adding significantly to our existing knowledge base. Different models and their relevance to PC research are discussed.