Les R-loops et leurs conséquences sur l'expression génique chez Escherichia coli.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus.

Interaction entre la RNase HI et la RNase E dans le métabolisme des R-loops et la dégradation des ARNms chez Escherichia coli.

Chez la bactérie Escherichia coli, la topoisomérase I et la gyrase représentent deux topoisomérases majeures qui participent à la régulation du surenroulement de l’ADN. Celles-ci sont codées respectivement par les gènes topA et par gyrA et gyrB. Chez les mutants topA, l’excès de surenroulement négatif qui est généré en amont de la polymérase ARN lors de la phase d’élongation de la transcription de l’ADN, entraine la formation de R-loops. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui in vivo sont formés lorsque l’ARN nouvellement transcrit forme un hybride avec le brin d’ADN matrice, le brin d’ADN complémentaire demeurant sous forme simple brin. La RNase HI est une endoribonucléase codée par le gène rnhA. Elle dégrade l’ARN de R-loops, entre autres, pour empêcher l’initiation de la réplication à des sites autres que l’origine normale, oriC. Chez les mutants rnhA, on observe une réplication indépendante de l’origine oriC. Ce type de réplication appelé cSDR, pourrait donc expliquer, du moins en partie, l’inhibition de la croissance de doubles mutants topA rnhA. A l’aide de la mutagenèse au transposon Tn5, il a été possible d’isoler des suppresseurs extragéniques qui permettaient la croissance des doubles mutants topA rnhA. Plusieurs de ces suppresseurs ont le transposon inséré dans le gène codant pour la RNase E, l’endoribonucléase principale impliquée dans la dégradation des ARNms chez E. coli. La majorité des insertions se retrouvent dans la partie C-terminale de la protéine qui est impliquée dans l’assemblage d’un complexe multiprotéique appelé l’ARN dégradosome. Les résultats obtenus démontrent que ces suppresseurs diminuent le cSDR ainsi que la réponse SOS induite constitutivement en l’absence de la RNase HI. Sachant que la RNase HI est une endoribonucléase tout comme la RNase E, une collaboration entre les deux enzymes suggère que la RNase E pourrait également jouer un rôle potentiel dans le contrôle de la formation des R-loops et bien évidemment de leur retrait au sein de la cellule. À l’opposé, il est possible que la RNase HI puisse avoir comme autre fonction la prise en charge de la maturation et de la dégradation des molécules d’ARNs.

Senataxin plays an essential role with DNA damage response proteins in meiotic recombination and gene silencing

Senataxin, mutated in the human genetic disorder ataxia with oculomotor apraxia type 2 (AOA2), plays an important role in maintaining genome integrity by coordination of transcription, DNA replication, and the DNA damage response. We demonstrate that senataxin is essential for spermatogenesis and that it functions at two stages in meiosis during crossing-over in homologous recombination and in meiotic sex chromosome inactivation (MSCI). Disruption of the Setx gene caused persistence of DNA double-strand breaks, a defect in disassembly of Rad51 filaments, accumulation of DNA:RNA hybrids (R-loops), and ultimately a failure of crossing-over. Senataxin localised to the XY body in a Brca1-dependent manner, and in its absence there was incomplete localisation of DNA damage response proteins to the XY chromosomes and ATR was retained on the axial elements of these chromosomes, failing to diffuse out into chromatin. Furthermore persistence of RNA polymerase II activity, altered ubH2A distribution, and abnormal XY-linked gene expression in Setx⁻/⁻ revealed an essential role for senataxin in MSCI. These data support key roles for senataxin in coordinating meiotic crossing-over with transcription and in gene silencing to protect the integrity of the genome.

Senataxin controls meiotic silencing through ATR activation and chromatin remodeling

Senataxin, defective in ataxia oculomotor apraxia type 2, protects the genome by facilitating the resolution of RNA–DNA hybrids (R-loops) and other aspects of RNA processing. Disruption of this gene in mice causes failure of meiotic recombination and defective meiotic sex chromosome inactivation, leading to male infertility. Here we provide evidence that the disruption of Setx leads to reduced SUMOylation and disruption of protein localization across the XY body during meiosis. We demonstrate that senataxin and other DNA damage repair proteins, including ataxia telangiectasia and Rad3-related protein-interacting partner, are SUMOylated, and a marked downregulation of both ataxia telangiectasia and Rad3-related protein-interacting partner and TopBP1 leading to defective activation and signaling through ataxia telangiectasia and Rad3-related protein occurs in the absence of senataxin. Furthermore, chromodomain helicase DNA-binding protein 4, a component of the nucleosome remodeling and deacetylase chromatin remodeler that interacts with both ataxia telangiectasia and Rad3-related protein and senataxin was not recruited efficiently to the XY body, triggering altered histone acetylation and chromatin conformation in Setx−/− pachytene-staged spermatocytes. These results demonstrate that senataxin has a critical role in ataxia telangiectasia and Rad3-related protein- and chromodomain helicase DNA-binding protein 4-mediated transcriptional silencing and chromatin remodeling during meiosis providing greater insight into its critical role in gene regulation to protect against neurodegeneration.

Snaps and mends: DNA breaks and chromosomal translocations

Integrity in entirety is the preferred state of any organism. The temporal and spatial integrity of the genome ensures continued survival of a cell. DNA breakage is the first step towards creation of chromosomal translocations. In this review, we highlight the factors contributing towards the breakage of chromosomal DNA. It has been well-established that the structure and sequence of DNA play a critical role in selective fragility of the genome. Several non-B-DNA structures such as Z-DNA, cruciform DNA, G-quadruplexes, R loops and triplexes have been implicated in generation of genomic fragility leading to translocations. Similarly, specific sequences targeted by proteins such as Recombination Activating Genes and Activation Induced Cytidine Deaminase are involved in translocations. Processes that ensure the integrity of the genome through repair may lead to persistence of breakage and eventually translocations if their actions are anomalous. An insufficient supply of nucleotides and chromatin architecture may also play a critical role. This review focuses on a range of events with the potential to threaten the genomic integrity of a cell, leading to cancer.

Gene enrichment using antibodies to DNA/RNA hybrids : mapping the ribosomal DNA of slime mold and rat

A novel method for gene enrichment has been developed and applied to mapping the rRNA genes of two eucaryotic organisms. The method makes use of antibodies to DNA/RNA hybrids prepared by injecting rabbits with the synthetic hybrid poly(rA)•poly(dT). Antibodies which cross-react with non-hybrid nucleic acids were removed from the purified IgG fraction by adsorption on columns of DNA-Sepharose, oligo(dT)-cellulose, and poly(rA)-Sepharose. Subsequent purification of the specific DNA/RNA hybrid antibody was carried out on a column of oligo(dT)-cellulose to which poly(rA) was hybridized. Attachment of these antibodies to CNBr-activated Sepharose produced an affinity resin which specifically binds DNA/RNA hybrids.

In order to map the rDNA of the slime mold Dictyostelium discoideum, R-loops were formed using unsheared nuclear DNA and the 178 and 268 rRNAs of this organism. This mixture was passed through a column containing the affinity resin, and bound molecules containing R- loops were eluted by high salt. This purified rDN A was observed directly in the electron microscope. Evidence was obtained that there is a physical end to Dictyostelium rDN A molecules approximately 10 kilobase pairs (kbp) from the region which codes for the 268 rRNA. This finding is consistent with reports of other investigators that the rRNA genes exist as inverse repeats on extra-chromosomal molecules of DNA unattached to the remainder of the nuclear DNA in this organism.

The same general procedure was used to map the rRNA genes of the rat. Molecules of DNA which contained R-loops formed with the 188 and 288 rRNAs were enriched approximately 150- fold from total genomal rat DNA by two cycles of purification on the affinity column. Electron microscopic measurements of these molecules enabled the construction of an R-loop map of rat rDNA. Eleven of the observed molecules contained three or four R-loops or else two R-loops separated by a long spacer. These observations indicated that the rat rRNA genes are arranged as tandem repeats. The mean length of the repeating units was 37.2 kbp with a standard deviation of 1.3 kbp. These eleven molecules may represent repeating units of exactly the same length within the errors of the measurements, although a certain degree of length heterogeneity cannot be ruled out. If significantly shorter or longer repeating units exist, they are probably much less common than the 37.2 kbp unit.

The last section of the thesis describes the production of antibodies to non-histone chromosomal proteins which have been exposed to the ionic detergent sodium dodecyl sulfate (SDS). The presence of low concentrations of SDS did not seem to affect either production of antibodies or their general specificity. Also, a technique is described for the in situ immunofluorescent detection of protein antigens in polyacrylamide gels.

DNA-mediated charge transport signaling within the cell

DNA possesses the curious ability to conduct charge longitudinally through the π-stacked base pairs that reside within the interior of the double helix. The rate of charge transport (CT) through DNA has a shallow distance dependence. DNA CT can occur over at least 34 nm, a very long molecular distance. Lastly, DNA CT is exquisitely sensitive to disruptions, such as DNA damage, that affect the dynamics of base-pair stacking. Many DNA repair and DNA-processing enzymes are being found to contain 4Fe-4S clusters. These co-factors have been found in glycosylases, helicases, helicase-nucleases, and even enzymes such as DNA polymerase, RNA polymerase, and primase across the phylogeny. The role of these clusters in these enzymes has remained elusive. Generally, iron-sulfur clusters serve redox roles in nature since, formally, the cluster can exist in multiple oxidation states that can be accessed within a biological context. Taken together, these facts were used as a foundation for the hypothesis that DNA-binding proteins with 4Fe-4S clusters utilize DNA-mediated CT as a means to signal one another to scan the genome as a first step in locating the subtle damage that occurs within a sea of undamaged bases within cells.

Herein we describe a role for 4Fe-4S clusters in DNA-mediated charge transport signaling among EndoIII, MutY, and DinG, which are from distinct repair pathways in E. coli. The DinG helicase is an ATP-dependent helicase that contains a 4Fe-4S cluster. To study the DNA-bound redox properties of DinG, DNA-modified electrochemistry was used to show that the 4Fe-4S cluster of DNA-bound DinG is redox-active at cellular potentials, and shares the 80 mV vs. NHE redox potential of EndoIII and MutY. ATP hydrolysis by DinG increases the DNA-mediated redox signal observed electrochemically, likely reflecting better coupling of the 4Fe-4S cluster to DNA while DinG unwinds DNA, which could have interesting biological implications. Atomic force microscopy experiments demonstrate that DinG and EndoIII cooperate at long range using DNA charge transport to redistribute to regions of DNA damage. Genetics experiments, moreover, reveal that this DNA-mediated signaling among proteins also occurs within the cell and, remarkably, is required for cellular viability under conditions of stress. Knocking out DinG in CC104 cells leads to a decrease in MutY activity that is rescued by EndoIII D138A, but not EndoIII Y82A. DinG, thus, appears to help MutY find its substrate using DNA-mediated CT, but do MutY or EndoIII aid DinG in a similar way? The InvA strain of bacteria was used to observe DinG activity, since DinG activity is required within InvA to maintain normal growth. Silencing the gene encoding EndoIII in InvA results in a significant growth defect that is rescued by the overexpression of RNAseH, a protein that dismantles the substrate of DinG, R-loops. This establishes signaling between DinG and EndoIII. Furthermore, rescue of this growth defect by the expression of EndoIII D138A, the catalytically inactive but CT-proficient mutant of EndoIII, is also observed, but expression of EndoIII Y82A, which is CT-deficient but enzymatically active, does not rescue growth. These results provide strong evidence that DinG and EndoIII utilize DNA-mediated signaling to process DNA damage. This work thus expands the scope of DNA-mediated signaling within the cell, as it indicates that DNA-mediated signaling facilitates the activities of DNA repair enzymes across the genome, even for proteins from distinct repair pathways.

In separate work presented here, it is shown that the UvrC protein from E. coli contains a hitherto undiscovered 4Fe-4S cluster. A broad shoulder at 410 nm, characteristic of 4Fe-4S clusters, is observed in the UV-visible absorbance spectrum of UvrC. Electron paramagnetic resonance spectroscopy of UvrC incubated with sodium dithionite, reveals a spectrum with the signature features of a reduced, [4Fe-4S]+1, cluster. DNA-modified electrodes were used to show that UvrC has the same DNA-bound redox potential, of ~80 mV vs. NHE, as EndoIII, DinG, and MutY. Again, this means that these proteins are capable of performing inter-protein electron transfer reactions. Does UvrC use DNA-mediated signaling to facilitate the repair of its substrates?

UvrC is part of the nucleotide excision repair (NER) pathway in E. coli and is the protein within the pathway that performs the chemistry required to repair bulky DNA lesions, such as cyclopyrimidine dimers, that form as a product of UV irradiation. We tested if UvrC utilizes DNA-mediated signaling to facilitate the efficient repair of UV-induced DNA damage products by helping UvrC locate DNA damage. The UV sensitivity of E. coli cells lacking DinG, a putative signaling partner of UvrC, was examined. Knocking out DinG in E. coli leads to a sensitivity of the cells to UV irradiation. A 5-10 fold reduction in the amount of cells that survive after irradiation with 90 J/m2 of UV light is observed. This is consistent with the hypothesis that UvrC and DinG are signaling partners, but is this signaling due to DNA-mediated CT? Complementing the knockout cells with EndoIII D138A, which can also serve as a DNA CT signaling partner, rescues cells lacking DinG from UV irradiation, while complementing the cells with EndoIII Y82A shows no rescue of viability. These results indicate that there is cross-talk between the NER pathway and DinG via DNA-mediated signaling. Perhaps more importantly, this work also establishes that DinG, EndoIII, MutY, and UvrC comprise a signaling network that seems to be unified by the ability of these proteins to perform long range DNA-mediated CT signaling via their 4Fe-4S clusters.

Effet de la RNase HI sur l’expression génique et sur le surenroulement de l’ADN chez Escherichia coli

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes.

Rôle de la topoisomérase I dans la stabilité du génome chez Escherichia coli

Les topoisomérases (topos) de type IA jouent un rôle primordial dans le maintien et l’organisation du génome. Cependant, les mécanismes par lesquels elles contrôlent cette stabilité génomique sont encore à approfondir. Chez E. coli, les deux principales topoisomérases de type IA sont la topo I (codée par le gène topA) et la topo III (codée par le gène topB). Il a déjà été montré que les cellules dépourvues des topos I et III formaient de très longs filaments dans lesquels les chromosomes ne sont pas bien séparés. Comme ces défauts de ségrégation des chromosomes sont corrigés par l’inactivation de la protéine RecA qui est responsable de la recombinaison homologue, il a été émis comme hypothèse que les topoisomérases de type IA avaient un rôle dans la résolution des intermédiaires de recombinaison afin de permettre la séparation des chromosomes. D’autre part, des études réalisées dans notre laboratoire démontrent que le rôle majeur de la topoisomérase I est d’empêcher la formation des R-loops durant la transcription, surtout au niveau des opérons rrn. Ces R-loops on été récemment identifiés comme des obstacles majeurs à l’avancement des fourches de réplication, ce qui peut provoquer une instabilité génomique. Nous avons des évidences génétiques montrant qu’il en serait de même chez nos mutants topA. Tout récemment, des études ont montré le rôle majeur de certaines hélicases dans le soutien aux fourches de réplication bloquées, mais aussi une aide afin de supprimer les R-loops. Chez E. coli, ces hélicases ont été identifiées et sont DinG, Rep et UvrD. Ces hélicases jouent un rôle dans la suppression de certains obstacles à la réplication. Le but de ce projet était de vérifier l’implication de ces hélicases chez le mutant topA en utilisant une approche génétique. Étonnamment, nos résultats montrent que la délétion de certains de ces gènes d’hélicases a pour effet de corriger plutôt que d’exacerber des phénotypes du mutants topA qui sont liés à la croissance et à la morphologie des nucléoides et des cellules. Ces résultats sont interprétés à la lumière de nouvelles fonctions attribuées aux topoisomérases de types IA dans la stabilité du génome.

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.

Interactions of G-quadruplex binders and Topoisomerase I inhibitors in cancer cells

Top1-DNA cleavage complexes (Top1ccs) trigger an accumulation of antisense RNAPII transcripts specifically at active divergent CpG-island promoters in a replication independent and Top1 dependent manner, leading to transcription-dependent genome instability and altered transcription regulation. Using different cancer cell lines of colon and osteo origins, we show that they display different sensitivity to CPT and G4 binder that is independent from Top1 level. To look at the interactions between Top1 and G4, we show that co-treatment with G4 binders potentiate the cell cytotoxicity of CPT regardless of the treatment sequences. Potentiation is indicated by a reduced inhibition concentration (IC50) with a more profound cytotoxicity in CPT-resistant cell lines, HCT15 and U2OS, hence, indicating an interaction between Top1inhibitor and G4 binders. Moreover, computational analysis confirmed the present of G4 motifs in genes with CPT-induced antisense transcription. G4 motifs are present mostly 5000 bp upstream from transcription start site and notably lower in genes. Comparisons between genes with no antisense transcription and genes with antisense transcription show that G4 motifs in this region are notably lower in the genes with antisense transcripts. Since CPT increases negative supercoils at promoters of intermediate activity, the formation of G4 is also increased in CPT-treated cells. Suprisingly, formation of G4 is regulated in parallel to the transient stabilization of R-loops, indicating a role in response to CPT-induced stress. G4 formation is highly elevated in Pyridostatin treated cells, which previous study shows increased formation of γH2Ax foci. This effect is also seen in the CPT-resistant cell lines, HCT15, indicating that the formation is a general event in response to CPT. We also show that R-loop formation is greatly increased in Pyridostatin treated cells. In order to study the role of R-loops and G4 structures in Top1cc-dependant repair pathway, we inhibited tyrosyl-phosphodiestrase 1 (TDP-1) using a TDP-1 inhibitor.

Natural compounds Camptothecin and Triptolide: highly specific enzyme inhibitors and tools to dissect transcriptional functions

With this work I elucidated new and unexpected mechanisms of two strong and highly specific transcription inhibitors: Triptolide and Campthotecin. Triptolide (TPL) is a diterpene epoxide derived from the Chinese plant Trypterigium Wilfoordii Hook F. TPL inhibits the ATPase activity of XPB, a subunit of the general transcription factor TFIIH. In this thesis I found that degradation of Rbp1 (the largest subunit of RNA Polymerase II) caused by TPL treatments, is preceded by an hyperphosphorylation event at serine 5 of the carboxy-terminal domain (CTD) of Rbp1. This event is concomitant with a block of RNA Polymerase II at promoters of active genes. The enzyme responsible for Ser5 hyperphosphorylation event is CDK7. Notably, CDK7 downregulation rescued both Ser5 hyperphosphorylation and Rbp1 degradation triggered by TPL. Camptothecin (CPT), derived from the plant Camptotheca acuminata, specifically inhibits topoisomerase 1 (Top1). We first found that CPT induced antisense transcription at divergent CpG islands promoter. Interestingly, by immunofluorescence experiments, CPT was found to induce a burst of R loop structures (DNA/RNA hybrids) at nucleoli and mitochondria. We then decided to investigate the role of Top1 in R loop homeostasis through a short interfering RNA approach (RNAi). Using DNA/RNA immunoprecipitation techniques coupled to NGS I found that Top1 depletion induces an increase of R loops at a genome-wide level. We found that such increase occurs on the entire gene body. At a subset of loci R loops resulted particularly stressed after Top1 depletion: some of these genes showed the formation of new R loops structures, whereas other loci showed a reduction of R loops. Interestingly we found that new peaks usually appear at tandem or divergent genes in the entire gene body, while losses of R loop peaks seems to be a feature specific of 3’ end regions of convergent genes.

Bacteriophage T4 gene 41 helicase and gene 59 helicase-loading protein: A versatile couple with roles in replication and recombination

Bacteriophage T4 uses two modes of replication initiation: origin-dependent replication early in infection and recombination-dependent replication at later times. The same relatively simple complex of T4 replication proteins is responsible for both modes of DNA synthesis. Thus the mechanism for loading the T4 41 helicase must be versatile enough to allow it to be loaded on R loops created by transcription at several origins, on D loops created by recombination, and on stalled replication forks. T4 59 helicase-loading protein is a small, basic, almost completely α-helical protein whose N-terminal domain has structural similarity to high mobility group family proteins. In this paper we review recent evidence that 59 protein recognizes specific structures rather than specific sequences. It binds and loads the helicase on replication forks and on three- and four-stranded (Holliday junction) recombination structures, without sequence specificity. We summarize our experiments showing that purified T4 enzymes catalyze complete unidirectional replication of a plasmid containing the T4 ori(uvsY) origin, with a preformed R loop at the position of the R loop identified at this origin in vivo. This replication depends on the 41 helicase and is strongly stimulated by 59 protein. Moreover, the helicase-loading protein helps to coordinate leading and lagging strand synthesis by blocking replication on the ori(uvsY) R loop plasmid until the helicase is loaded. The T4 enzymes also can replicate plasmids with R loops that do not have a T4 origin sequence, but only if the R loops are within an easily unwound DNA sequence.

Rôle de la topoisomérase I dans l'expression génique chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des mécanismes de surenroulement de l'ADN induit par la transcription chez Escherichia coli

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.