Crystallization and preliminary X-ray diffraction studies of FHA domains of Dun1 and Rad53 protein kinases

Forkhead-associated (FHA) domains are modular protein–protein interaction domains of ~130 amino acids present in numerous signalling proteins. FHA-domain-dependent protein interactions are regulated by phosphorylation of target proteins and FHA domains may be multifunctional phosphopeptide-recognition modules. FHA domains of the budding yeast cell-cycle checkpoint protein kinases Dun1p and Rad53p have been crystallized. Crystals of the Dun1-FHA domain exhibit the symmetry of the space group P6122 or P6522, with unit-cell parameters a = b = 127.3, c = 386.3 Å; diffraction data have been collected to 3.1 Å resolution on a synchrotron source. Crystals of the N-terminal FHA domain (FHA1) of Rad53p diffract to 4.0 Å resolution on a laboratory X-ray source and have Laue-group symmetry 4/mmm, with unit-cell parameters a = b = 61.7, c = 104.3 Å.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

DRC1, DNA replication and checkpoint protein 1, functions with DPB11 to control DNA replication and the S-phase checkpoint in Saccharomyces cerevisiae

In addition to DNA polymerase complexes, DNA replication requires the coordinate action of a series of proteins, including regulators Cdc28/Clb and Dbf4/Cdc7 kinases, Orcs, Mcms, Cdc6, Cdc45, and Dpb11. Of these, Dpb11, an essential BRCT repeat protein, has remained particularly enigmatic. The Schizosaccharomyces pombe homolog of DPB11, cut5, has been implicated in the DNA replication checkpoint as has the POL2 gene with which DPB11 genetically interacts. Here we describe a gene, DRC1, isolated as a dosage suppressor of dpb11–1. DRC1 is an essential cell cycle-regulated gene required for DNA replication. We show that both Dpb11 and Drc1 are required for the S-phase checkpoint, including the proper activation of the Rad53 kinase in response to DNA damage and replication blocks. Dpb11 is the second BRCT-repeat protein shown to control Rad53 function, possibly indicating a general function for this class of proteins. DRC1 and DPB11 show synthetic lethality and reciprocal dosage suppression. The Drc1 and Dpb11 proteins physically associate and function together to coordinate DNA replication and the cell cycle.

The anaphase inhibitor of Saccharomyces cerevisiae Pds1p is a target of the DNA damage checkpoint pathway

Inhibition of DNA replication and physical DNA damage induce checkpoint responses that arrest cell cycle progression at two different stages. In Saccharomyces cerevisiae, the execution of both checkpoint responses requires the Mec1 and Rad53 proteins. This observation led to the suggestion that these checkpoint responses are mediated through a common signal transduction pathway. However, because the checkpoint-induced arrests occur at different cell cycle stages, the downstream effectors mediating these arrests are likely to be distinct. We have previously shown that the S. cerevisiae protein Pds1p is an anaphase inhibitor and is essential for cell cycle arrest in mitosis in the presence DNA damage. Herein we show that DNA damage, but not inhibition of DNA replication, induces the phosphorylation of Pds1p. Analyses of Pds1p phosphorylation in different checkpoint mutants reveal that in the presence of DNA damage, Pds1p is phosphorylated in a Mec1p- and Rad9p-dependent but Rad53p-independent manner. Our data place Pds1p and Rad53p on parallel branches of the DNA damage checkpoint pathway. We suggest that Pds1p is a downstream target of the DNA damage checkpoint pathway and that it is involved in implementing the DNA damage checkpoint arrest specifically in mitosis.

Ataxia telangiectasia-mutated phosphorylates Chk2 in vivo and in vitro

The protein kinase Chk2, the mammalian homolog of the budding yeast Rad53 and fission yeast Cds1 checkpoint kinases, is phosphorylated and activated in response to DNA damage by ionizing radiation (IR), UV irradiation, and replication blocks by hydroxyurea (HU). Phosphorylation and activation of Chk2 are ataxia telangiectasia-mutated (ATM) dependent in response to IR, whereas Chk2 phosphorylation is ATM-independent when cells are exposed to UV or HU. Here we show that in vitro, ATM phosphorylates the Ser-Gln/Thr-Gln (SQ/TQ) cluster domain (SCD) on Chk2, which contains seven SQ/TQ motifs, and Thr68 is the major in vitro phosphorylation site by ATM. ATM- and Rad3-related also phosphorylates Thr68 in addition to Thr26 and Ser50, which are not phosphorylated to a significant extent by ATM in vitro. In vivo, Thr68 is phosphorylated in an ATM-dependent manner in response to IR, but not in response to UV or HU. Substitution of Thr68 with Ala reduced the extent of phosphorylation and activation of Chk2 in response to IR, and mutation of all seven SQ/TQ motifs blocked all phosphorylation and activation of Chk2 after IR. These results suggest that in vivo, Chk2 is directly phosphorylated by ATM in response to IR and that Chk2 is regulated by phosphorylation of the SCD.

Functions of the DNA damage response pathway target Ho endonuclease of yeast for degradation via the ubiquitin-26S proteasome system

Ho endonuclease of Saccharomyces cerevisiae is a homing endonuclease that makes a site-specific double-strand break in the MAT gene in late G1. Here we show that Ho is rapidly degraded via the ubiquitin-26S proteasome system through two ubiquitin-conjugating enzymes UBC2Rad6 and UBC3Cdc34. UBC2Rad6 is complexed with the ring finger DNA-binding protein Rad18, and we find that Ho is stabilized in rad18 mutants. We show that the Ho degradation pathway involving UBC3Cdc34 goes through the Skp1/Cdc53/F-box (SCF) ubiquitin ligase complex and identify a F-box protein, Yml088w, that is required for Ho degradation. Components of a defined pathway of the DNA damage response, MEC1, RAD9, and CHK1, are also necessary for Ho degradation, whereas functions of the RAD24 epistasis group and the downstream effector RAD53 have no role in degradation of Ho. Our results indicate a link between the endonuclease function of Ho and its destruction.

Rfc5, a small subunit of replication factor C complex, couples DNA replication and mitosis in budding yeast.

The inhibition of DNA synthesis prevents mitotic entry through the action of the S phase checkpoint. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, an essential protein kinase, Spk1/Mec2/Rad53/Sad1, controls the coupling of S phase to mitosis. In an attempt to identify genes that genetically interact with Spk1, we have isolated a temperature-sensitive mutation, rfc5-1, that can be suppressed by overexpression of SPK1. The RFC5 gene encodes a small subunit of replication factor C complex. At the restrictive temperature, rfc5-1 mutant cells entered mitosis with unevenly separated or fragmented chromosomes, resulting in loss of viability. Thus, the rfc5 mutation defective for DNA replication is also impaired in the S phase checkpoint. Overexpression of POL30, which encodes the proliferating cell nuclear antigen, suppressed the replication defect of the rfc5 mutant but not its checkpoint defect. Taken together, these results suggested that replication factor C has a direct role in sensing the state of DNA replication and transmitting the signal to the checkpoint machinery.