Studies on acyl pyrrolidine inhibitors of HCV RNA-dependent RNA polymerase to identify a molecule with replicon antiviral activity

The SAR development is described for a series of N-acyl pyrrolidine inhibitors of the Hepatitis C virus RNA-dependent RNA polymerase, NS5B, from tractable Delta 21 enzyme inhibitors to an example with antiviral activity in a cellular assay (HCV replicon). (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Optimization of novel acyl pyrrolidine inhibitors of hepatitis C virus RNA-dependent RNA polymerase leading to a development candidate

Optimization of a pyrrolidine-based template using structure-based design and physicochemical considerations has provided a development candidate 20b (3082) with submicromolar potency in the HCV replicon and good pharmacokinetic properties.

Discovery of a Potent Boronic Acid Derived Inhibitor of the HCV RNA-Dependent RNA Polymerase

A boronic acid moiety was found to be a critical pharmacophore for enhanced in vitro potency against wild type hepatitis C replicons and known clinical polymorphic and resistant HCV mutant replicons. The synthesis, optimization, and structure-activity relationships associated with inhibition of HCV replication in a sub-genomic replication system for a series of non-nucleoside boron-containing HCV RNA-Dependent RNA Polymerase (NS5B) inhibitors are described. A summary of the discovery of GSK5852 (3), a molecule which entered clinical trials in subjects infected with HCV in 2011, is included.

qPCR utilization for the study of RNA Polymerase I transcription

Ribosome biogenesis is a fundamental cellular process tightly linked to cell growth and proliferation, which requires the coordinated transcription of all three nuclear polymerases. Synthesis of ribosomal RNA (rRNA) by RNA polymerase I (Pol I) has been suggested as a key regulator of ribosome biogenesis, and there is a strong link between transcription of ribosomal RNAs and cellular proliferation. This makes Pol I transcription a valid and attractive target for anticancer therapy. At the moment however there are only a small number of compounds that act as specific inhibitors of Pol I transcription and this makes it very difficult for the development of drugs which would target rRNA transcription and consequently ribosome biogenesis. Therefore, to aid in the development of new inhibitors of Pol I, high-throughput methods to monitor and detect changes in Pol I activity need to be developed. This current study aimed to address the question of whether or not quantitative PCR (qPCR) could be used to detect changes in rRNA production in cells under different conditions that repress Pol I activity i.e. serum starvation and drug treatment. Our results have shown that using primers and a hydrolysis probe designed for the 5’ETS region of the pre-rRNA molecule, rRNA levels in both treated and untreated cells could be determined by using qPCR.
Amplification resulted in formation of a single product and S1 nuclease protection assay confirmed the down-regulation of Pol I transcription. Following serum-starvation and drug treatment there was a dramatic reduction in the amount of 5’ETS transcript quantitated by both Sybr Green chemistry and the use of a fluorescently labelled hydrolysis probe. The optimization of the qPCR strategy will be discussed.

Phosphorylation du CTD de l'ARN polymérase II et impact de l'histone H2A.Z sur le positionnement des nucléosomes chez S. cerevisiae

La phosphorylation du domaine C-terminal de l’ARN polymérase II permet à ce complexe protéique d’exécuter la transcription des gènes, en plus de coupler à la transcription des événements moléculaires comme la maturation des ARNm. Mes résultats montrent que même si cette phosphorylation suit un patron similaire à l’ensemble des gènes, il existe des exceptions pouvant être dues à des mécanismes alternatifs de phosphorylation du CTD. Le présent ouvrage s’intéresse également au rôle qu’occupe la variante d’histone H2A.Z dans l’organisation de la chromatine. Des études précédentes on montré que le positionnement de certains nucléosomes le long de l’ADN serait influencé par H2A.Z et aurait une influence sur la capacité de transcrire les gènes. Par une approche génomique utilisant les puces à ADN, j’ai cartographié l’impact de la délétion de H2A.Z sur la structure des nucléosomes. Enfin, des résultats intéressants sur la dynamique d’incorporation de H2A.Z à la chromatine ont été obtenus.

Analyse de la localisation génomique et identification de nouvelles fonctions des sous-unités Rpb4/Rpb7 de l’ARN polymérase II et des facteurs TFIIF, TFIIS et UBR5

Grâce à un grand nombre d’études biochimiques, génétiques et structurales effectuées dans les dernières années, des avancements considérables ont été réalisés et une nouvelle vision du processus par lequel la machinerie transcriptionnelle de l’ARN polymérase II (Pol II) décode l’information génétique a émergé. De nouveaux indices ont été apportés sur la diversité des mécanismes de régulation de la transcription, ainsi que sur le rôle des facteurs généraux de transcription (GTFs) dans cette diversification. Les travaux présentés dans cette thèse amènent de nouvelles connaissances sur le rôle des GTFs humains dans la régulation des différentes étapes de la transcription. Dans la première partie de la thèse, nous avons analysé la fonction de la Pol II et des GTFs humains, en examinant de façon systématique leur localisation génomique. Les patrons obtenus par immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) des versions de GTFs portant une étiquette TAP (Tandem-Affinity Purification) indiquent de nouvelles fonctions in vivo pour certains composants de cette machinerie et pour des éléments structuraux de la Pol II. Nos résultats suggèrent que TFIIF et l’hétérodimère Rpb4–Rpb7 ont une fonction spécifique pendant l’étape d’élongation transcriptionnelle in vivo. De plus, notre étude amène une première image globale de la fonction des GTFs pendant la réaction transcriptionnelle dans des cellules mammifères vivantes. Deuxièmement, nous avons identifié une nouvelle fonction de TFIIS dans la régulation de CDK9, la sous-unité kinase du facteur P-TEFb (Positive Transcription Elongation Factor b). Nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction pour TFIIS, soit CDK9 et la E3 ubiquitine ligase UBR5. Nous montrons que UBR5 catalyse l’ubiquitination de CDK9 in vitro. De plus, la polyubiquitination de CDK9 dans des cellules humaines est dépendante de UBR5 et TFIIS. Nous montrons aussi que UBR5, CDK9 and TFIIS co-localisent le long du gène  fibrinogen (FBG) et que la surexpression de TFIIS augmente les niveaux d’occupation par CDK9 de régions spécifiques de ce gène, de façon dépendante de UBR5. Nous proposons que TFIIS a une nouvelle fonction dans la transition entre les étapes d’initiation et d’élongation transcriptionnelle, en régulant la stabilité des complexes CDK9-Pol II pendant les étapes précoces de la transcription.

Étude de la variante d’histone H2A.Z et du cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II chez Saccharomyces cerevisiae

La chromatine est plus qu’un système d’empaquetage de l’ADN ; elle est le support de toutes les réactions liées à l’ADN dans le noyau des cellules eucaryotes et participe au contrôle de l’accès de l’ARN polymérase II (ARNPolII) à l’ADN. Responsable de la transcription de tous les ARNm des cellules eucaryotes, l’ARNPolII doit, suivant son recrutement aux promoteurs des gènes, transcrire l’ADN en traversant la matrice chromatinienne. Grâce au domaine C-terminal (CTD) de sa sous-unité Rpb1, elle coordonne la maturation de l’ARNm en cours de synthèse ainsi que les modifications de la chromatine, concomitantes à la transcription. Cette thèse s’intéresse à deux aspects de la transcription : la matrice, avec la localisation de la variante d’histone H2A.Z, et la machinerie de transcription avec le cycle de phosphorylation du CTD de l’ARNPolII. Suivant l’introduction, le chapitre 2 de cette thèse constitue un protocole détaillé et annoté de la technique de ChIP-chip, chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Cette technique phare dans l’étude in vivo des phénomènes liés à l’ADN a grandement facilité l’étude du rôle de la chromatine dans les phénomènes nucléaires, en permettant de localiser sur le génome les marques et les variantes d’histones. Ce chapitre souligne l’importance de contrôles adéquats, spécifiques à l’étude de la chromatine. Au chapitre 3, grâce à la méthode de ChIP-chip, la variante d’histone H2A.Z est cartographiée au génome de la levure Saccharomyces cerevisiae avec une résolution d’environ 300 paires de bases. Nos résultats montrent que H2A.Z orne un à deux nucléosomes au promoteur de la majorité des gènes. L’enrichissement de H2A.Z est anticorrélé à la transcription et nos résultats suggèrent qu’elle prépare la chromatine pour l’activation des gènes. De plus H2A.Z semble réguler la localisation des nucléosomes. Le chapitre suivant s’intéresse à la transcription sous l’angle de la machinerie de transcription en se focalisant sur le cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II. Le domaine C-terminal de sa plus large sous-unité est formé de répétitions d’un heptapeptide YSPTSPS dont les résidus peuvent être modifiés au cours de la transcription. Cette étude localise les marques de phosphorylation des trois résidus sérine de manière systématique dans des souches mutantes des kinases et phosphatases. Nos travaux confirment le profil universel des marques de phosphorylations aux gènes transcrits. Appuyés par des essais in vitro, ils révèlent l’interaction complexe des enzymes impliqués dans la phosphorylation, et identifient Ssu72 comme la phosphatase de la sérine 7. Cet article appuie également la notion de « variantes » des marques de phosphorylation bien que leur étude spécifique s’avère encore difficile. La discussion fait le point sur les travaux qui ont suivi ces articles, et sur les expériences excitantes en cours dans notre laboratoire.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

Factors required for the uridylylation of the foot-and-mouth disease virus 3B1, 3B2, and 3B3 peptides by the RNA-dependent RNA polymerase (3D(pol)) in vitro

The 5' terminus of picornavirus genomic RNA is covalently linked to the virus-encoded peptide 313 (VTg). Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is unique in encoding and using 3 distinct forms of this peptide. These peptides each act as primers for RNA synthesis by the virus-encoded RNA polymerase 3D(pol). To act as the primer for positive-strand RNA synthesis, the 3B peptides have to be uridylylated to form VPgpU(pU). For certain picornaviruses, it has been shown that this reaction is achieved by the 3D(pol) in the presence of the 3CD precursor plus an internal RNA sequence termed a cis-acting replication element (cre). The FMDV ere has been identified previously to be within the 5' untranslated region, whereas all other picornavirus cre structures are within the viral coding region. The requirements for the in vitro uridylylation of each of the FMDV 313 peptides has now been determined, and the role of the FMDV ere (also known as the 3B-uridylylation site, or bus) in this reaction has been analyzed. The poly(A) tail does not act as a significant template for FMDV 3B uridylylation.

Cooperative RNA Polymerase Molecules Behavior on a Stochastic Sequence-Dependent Model for Transcription Elongation

The transcription process is crucial to life and the enzyme RNA polymerase (RNAP) is the major component of the transcription machinery. The development of single-molecule techniques, such as magnetic and optical tweezers, atomic-force microscopy and single-molecule fluorescence, increased our understanding of the transcription process and complements traditional biochemical studies. Based on these studies, theoretical models have been proposed to explain and predict the kinetics of the RNAP during the polymerization, highlighting the results achieved by models based on the thermodynamic stability of the transcription elongation complex. However, experiments showed that if more than one RNAP initiates from the same promoter, the transcription behavior slightly changes and new phenomenona are observed. We proposed and implemented a theoretical model that considers collisions between RNAPs and predicts their cooperative behavior during multi-round transcription generalizing the Bai et al. stochastic sequence-dependent model. In our approach, collisions between elongating enzymes modify their transcription rate values. We performed the simulations in Mathematica® and compared the results of the single and the multiple-molecule transcription with experimental results and other theoretical models. Our multi-round approach can recover several expected behaviors, showing that the transcription process for the studied sequences can be accelerated up to 48% when collisions are allowed: the dwell times on pause sites are reduced as well as the distance that the RNAPs backtracked from backtracking sites. © 2013 Costa et al.