Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Propidium monoazide (PMA) and ethidium bromide monoazide(EMA) improve DNA array and high-throughput sequencing ofporcine reproductive and respiratory syndrome virus identification

Pan-viral DNA array (PVDA) and high-throughput sequencing (HTS) are useful tools to identify novel viruses of emerging diseases. However, both techniques have difficulties to identify viruses in clinical samples because of the host genomic nucleic acid content (hg/cont). Both propidium monoazide (PMA) and ethidium bromide monoazide (EMA) have the capacity to bind free DNA/RNA, but are cell membrane-impermeable. Thus, both are unable to bind protected nucleic acid such as viral genomes within intact virions. However, EMA/PMA modified genetic material cannot be amplified by enzymes. In order to assess the potential of EMA/PMA to lower the presence of amplifiable hg/cont in samples and improve virus detection, serum and lung tissue homogenates were spiked with porcine reproductive and respiratory virus (PRRSV) and were processed with EMA/PMA. In addition, PRRSV RT-qPCR positive clinical samples were also tested. EMA/PMA treatments significantly decreased amplifiable hg/cont and significantly increased the number of PVDA positive probes and their signal intensity compared to untreated spiked lung samples. EMA/PMA treatments also increased the sensitivity of HTS by increasing the number of specific PRRSV reads and the PRRSV percentage of coverage. Interestingly, EMA/PMA treatments significantly increased the sensitivity of PVDA and HTS in two out of three clinical tissue samples. Thus, EMA/PMA treatments offer a new approach to lower the amplifiable hg/cont in clinical samples and increase the success of PVDA and HTS to identify viruses.

Kinetic Parameters of Thymidine Kinase and DNA Synthesis During Liver Regeneration: Role Ofthyroid Hormones

The role of thyroid hormones in DNA synthesis and in the activity of Thymidille kinase (TK), a key regulatory enzyme of DNA synthesis was studied in proliferating hepatocytes in vivo. Liver regeneration after partial hepatectomy was used as a model for controlled cell division in rats having different thyroid status - euthyroid, hypothyroid and 3,3',5'-triiodo-L-thyronine (T))-heated hypothyroid. Partial hepatectomy caused a significant elevation of DNA synthesis (p<0.01) in all the three groups compared to their sham-operated counterparts. Hypothyroid liepatectomised animals showed significantly lower (p<0.01) level of DNA synthesis than euthyroid hepatectomised animals. A single subcutaneous close of 1'3 to hypothyroid shamoperated animals resulted in a significant increase (p<0.01) of DNA synthesis in the intact liver. 17tis was comparable to the level of DNA synthesis occurring in regenerating liver of euthyroid animals. In hypothyroid hepatectomised animals, "1'3 showed an additive effect on l)NA synthesis and this group exhibited maximum level of DNA synthesis (p<0.0I ). Studies of the kinetic parameters of TK show that the Michelis-Menten constant, (K111) of TK for thymidine was altered by the thyroid status. K11 increased significantly (p<0.01) in untreated hypothyroid animals when compared to the euthyroid rats. '13 treatment of hypothyroid animals reversed this effect and this group showed the lowest value for K111 (p<0.01). Thus our results indicate that thyroid hormones can influence DNA synthesis during liver regeneration and they may regulate the activity of enzymes such as 17rymidine kinase which are important for DNA synthesis and hence cell division.

Effect Insulin on DNA Synthesis and Kinetic Parameters of Thymidine Kinase During Liver Regenaration

The effect of insulin on cell proliferation in vivo has been studied in hepatectomised streptozotocin- diabetic rats. The extent of cell proliferation in sham and hepatectomized- control, diabetic and insulin treated rats were monitored by determining DNA content and [3H]thymidine incorporation into DNA. The kinetic parameters of thymidine kinase a regulatory enzyme for DNA synthesis was also studied in these groups. The rate of DNA synthesis in liver of streptozotocin -diabetic rats was significantly higher 24 hrs post-hepatectomy compared to control and insulin treated diabetic groups. Kinetic studies of thymidine kinase revealed that there was no change in the Michaelis -Menten constant (Km) whereas maximum velocity (Vmax) was elevated in the diabetic hepatectomized groups compared to control and insulin treated hepatectomized groups. Thus our study elucidates the role of insulin in thymidine kinase activity and DNA synthesis.

DNA polymorphism in Cab locus of tomato induced by tissue culture

Plants were regenerated from callus induced from leaf disc explants of a tomato F, hybrid heterozygous for three marker loci (a), without anthocyanin (aw), and hairless (hl). Regenerants were studied for somaclonal variation at the phenotypic level by scoring for variation in the marker loci, and at the DNA level by probing geomic DNA blots with a chlorophyll a/b binding protein (Cab-3C) cDNA sequence. While no variation was observed at the phenotypic level in over 950 somaclones studied, DNA polymorphism for the Cab locus could be detected in two out of 17 somaclones tested. Tissue culture induced variation at the phenotypic level for specific loci is very low (less than 0.001 for a, awor hl) but DNA sequence changes are induced at much greater frequency (- 0.1 for a multicopy gene family such as Cab).

Investigations on the cation induced liquid crystalline phases of high molecular weight DNA

Liquid Crystalline DNA is emerging as an active area of research, due to its potential applications in diverse fields, ranging from nanoelectronics to therapeutics. Since, counter ion neutralization is an essential requirement for the expression of LC DNA, and the present level of understanding on the LC phase behavior of high molecular weight DNA is inadequate, a thorough investigation is required to understand the nature and stability of these phases under the influence of various cationic species. The present study is, therefore mainly focused on a comparative investigation of the effect of metal ions of varying charge, size, hydration and binding modes on the LC phase behavior of high molecular weight DNA. The main objectives of the works are investigations on the induction and stabilization of LC phases of high molecular weight DNA by alkali metal ions, investigations on the induction and stabilization of LC phases of high molecular weight DNA by alkaline earth metal ions, effects of multivalent, transition and heavy metal ions on the LC phase behavior of high molecular weight DNA and investigations on spermine induced LC behavior of high molecular weight DNA in the presence of alkali and alkaline earth metal ions. The critical DNA concentration (CD) required for the expression of LC phases, phase transitions and their stability varied considerably when the binding site of the metal ions changed from phosphate groups to the nitrogenous bases of DNA, with Li+ giving the highest stability. Multiple LC phases with different textures, sometimes diffused and unstable or otherwise mainly distinct and clear, were observed on mixing metal ions with DNA solutions, which in turn depended on the charge, size, hydration factor, binding modes, concentration of the metal ions and time. Molecular modeling studies on binding of selected metal ions to DNA supported the experimental findings

DNA Interaction and Catalytic Activity Studies of Some New Transition Metal Complexes of Schiff Bases Derived from Quinoxaline

In this thesis we report the synthsis and characterisation of new transition metal complexes of Pd(II),Cu(II),Ru(II) and Ir(III) of Schiff bases derived from quinoxaline-2-carboxaldehyde/3-hydroxyquinoxaline-2-carboxaldehyde and 5-aminoindazole.6-aminoindazole or 8-aminoquinoline.The complexes have been characterised by spectral and analytical data.Pd(II) and Cu(II) form square planar complexes and Ru(III) and Ir(III) form ctahedral complexes with these Schiff bases.The DNA binding properties of theses synthesised complexes have been studied by various methods including electronic absoption spectroscopy,cyclic voltammetry,different pulse voltammetry and circular dichroism spectra were used.Gel electrophoresis experiments were also performed to investigate the DNA cleavage of theses complexes.Furthermore Ru(III) and Ir(III) complexes find application as oxidation and hydogenation catalsts. The studies on catalytic activities has been presented.The metal complexes presented in this thesis assure significance as they contribute to the development of new DNA binding agents and antibacterial and anticancer drugs.

Selective mode excitation in dye-doped DNA polyvinyl alcohol thin film

A solid-state laser based on a dye-doped deoxyribonucleic acid (DNA) matrix is described. A thin solid film of DNA has been fabricated by treating with polyvinyl alcohol (PVA) and used as a host for the laser dye Rhodamine 6G. The edge emitted spectrum clearly indicated the existence of laser modes and amplified spontaneous emission. Lasing was obtained by pumping with a frequency-doubled Nd:YAG laser at 532 nm. For a pump energy of 10 mJ/pulse, an intense line with FWHM ≈0.2 nm was observed at 566 nm due to selective mode excitation.

Adrenergic and serotonergic function in dna synthesis during rat liver regeneration and in hepatocyte cultures

The adult mammalian liver is predominantly in a quiescent state with respect to cell division. This quiescent state changes dramatically, however, if the liver is injured by toxic, infectious or mechanic agents (Ponder, 1996). Partial hepatectomy (PH) which consists of surgical removal of two-thirds of the liver, has been used to stimulate hepatocyte proliferation (Higgins & Anderson 1931). This experimental model of liver regeneration has been the target of many studies to probe the mechanisms responsible for liver cell growth control (Michalopoulos, 1990; Taub, 1996). After PH most of the remaining cells in the renmant liver respond with co-ordinated waves of DNA synthesis and divide in a process called compensatory hyperplasia. Hence, liver regeneration is a model of relatively synchronous cell cycle progression in vivo. In contrast to hepatomas, cell division is terminated under some intrinsic control when the original cellular mass has been regained. This has made liver regeneration a useful model to dissect the biochemical and molecular mechanisms of cell division regulation. The liver is thus, one of the few adult organs that demonstrates a physiological growth rewonse (Fausto & Mead, 1989; Fausto & Webber, 1994). The regulation of liver cell proliferation involves circulating or intrahepatic factors that are involved in either the priming of hepatocytes to enter the cell cycle (Go to G1) or progression through the cell cycle. In order to understand the basis of liver regeneration it is mandatory to define the mechanisms which (a) trigger division, (b) allow the liver to concurrently grow and maintain dilferentiated fimction and (c) terminate cell proliferation once the liver has reached the appropriate mass. Studies on these aspects of liver regeneration will provide basic insight of cell growth and dilferentiation, liver diseases like viral hepatitis, toxic damage and liver transplant where regeneration of the liver is essential. In the present study, Go/G1/S transition of hepatocytes re-entering the cell cycle after PH was studied with special emphasis on the involvement of neurotransmitters, their receptors and second messenger function in the control of cell division during liver regeneration

“Curcumin and its derivatives as Antioxidants and DNA Intercalators

The scope of the work was to synthesis few biologically active derivatives of curcumin. The derivatives were prepared by altering the keto-enol centre of curcumin by various reagents. This particular reaction centre for preparing derivative was selected keeping in mind the controversy regarding the major site responsible for antioxidant mechanism of curcumin. Most of the mechanistic study done earlier was by varying the constituents in one or both of the phenol ring present in the curcumin. The alterations at the keto-enol moiety may throw an insight into the role of the diketo moiety towards the antioxidant mechanism. Since recently curcumin has been suggested as a chemotherapeutic agent for various ailments, we also decided to check the DNA intercalating property of the derivatives synthesised.

Multifactorial interaction of growth factors on Penaeus monodon lymphoid cells and the impact of IGFs in DNA synthesis and metabolic activity in vitro

Development of continuous cell lines from shrimp is essential to investigate viral pathogens. Unfortunately, there is no valid cell line developed from crustaceans in general and shrimps in particular to address this issue. Lack of information on the requirements of cells in vitro limits the success of developing a cell line, where the microenvironment of a cell culture, provided by the growthmedium, is of prime importance. Screening and optimization of growth medium components based on statistical experimental designs have been widely used for improving the efficacy of cell culture media. Accordingly, we applied Plackett–Burman design and response surface methodology to study multifactorial interactions between the growth factors in shrimp cell culture medium and to identify the most important ones for growth of lymphoid cell culture from Penaeus monodon. The statistical screening and optimization indicated that insulin like growth factor-I (IGF-I) and insulin like growth factor-II (IGF-II) at concentrations of 100 and 150 ng ml-1, respectively, could significantly influence the metabolic activity and DNA synthesis of the lymphoid cells. An increase of 53 % metabolic activity and 24.8 % DNA synthesis could be obtained, which suggested that IGF-I and IGFII had critical roles in metabolic activity and DNA synthesis of shrimp lymphoid cells