Mycobacterium tuberculosis RecG Protein but Not RuvAB or RecA Protein Is Efficient at Remodeling the Stalled Replication Forks IMPLICATIONS FOR MULTIPLE MECHANISMS OF REPLICATION RESTART IN MYCOBACTERIA

Aberrant DNA replication, defects in the protection, and restart of stalled replication forks are major causes of genome instability in all organisms. Replication fork reversal is emerging as an evolutionarily conserved physiological response for restart of stalled forks. Escherichia coli RecG, RuvAB, and RecA proteins have been shown to reverse the model replication fork structures in vitro. However, the pathways and the mechanisms by which Mycobacterium tuberculosis, a slow growing human pathogen, responds to different types of replication stress and DNA damage are unclear. Here, we show that M. tuberculosis RecG rescues E. coli Delta recG cells from replicative stress. The purified M. tuberculosis RecG (MtRecG) and RuvAB(MtRuvAB) proteins catalyze fork reversal of model replication fork structures with and without a leading strand single-stranded DNA gap. Interestingly, single-stranded DNA-binding protein suppresses the MtRecG- and MtRuvAB-mediated fork reversal with substrates that contain lagging strand gap. Notably, our comparative studies with fork structures containing template damage and template switching mechanism of lesion bypass reveal that MtRecG but not MtRuvAB or MtRecA is proficient in driving the fork reversal. Finally, unlike MtRuvAB, we find that MtRecG drives efficient reversal of forks when fork structures are tightly bound by protein. These results provide direct evidence and valuable insights into the underlying mechanism of MtRecG-catalyzed replication fork remodeling and restart pathways in vivo.

Mammalian RAD51 paralogs protect nascent DNA at stalled forks and mediate replication restart

Mammalian RAD51 paralogs are implicated in the repair of collapsed replication forks by homologous recombination. However, their physiological roles in replication fork maintenance prior to fork collapse remain obscure. Here, we report on the role of RAD51 paralogs in short-term replicative stress devoid of DSBs. We show that RAD51 paralogs localize to nascent DNA and common fragile sites upon replication fork stalling. Strikingly, RAD51 paralogs deficient cells exhibit elevated levels of 53BP1 nuclear bodies and increased DSB formation, the latter being attributed to extensive degradation of nascent DNA at stalled forks. RAD51C and XRCC3 promote the restart of stalled replication in an ATP hydrolysis dependent manner by disengaging RAD51 and other RAD51 paralogs from the halted forks. Notably, we find that Fanconi anemia (FA)-like disorder and breast and ovarian cancer patient derived mutations of RAD51C fails to protect replication fork, exhibit under-replicated genomic regions and elevated micro-nucleation. Taken together, RAD51 paralogs prevent degradation of stalled forks and promote the restart of halted replication to avoid replication fork collapse, thereby maintaining genomic integrity and suppressing tumorigenesis.

Implication de la voie ERK3/4-MK5 dans la phase G2/M du cycle cellulaire

La division cellulaire est influencée par les différents stimuli provenant de l’extérieur ou de l’intérieur de la cellule. Plusieurs réseaux enzymatiques élaborés au cours de l’évolution relayent l’information générée par ces signaux. Les modules MAP kinases sont extrêmement importants au sein de la cellule. Chez l’humain, 14 MAP kinases sont regroupées en sept voies distinctes intervenant dans le contrôle d’une myriade de processus cellulaires. ERK3/4 sont des homologues de ERK1/2 pour lesquelles on ne connaît que très peu de choses concernant leurs fonctions et régulation. Ces MAP kinases sont dites atypiques puisqu’elles ont des particularités structurales et des modes de régulation qui diffèrent des autres MAP kinases classiques. Ainsi, notre laboratoire a démontré que l’activité de ERK3 est régulée par le système ubiquitine-protéasome et qu’elle pourrait avoir un rôle à jouer dans le contrôle de la différenciation et la prolifération cellulaire. La première étude présentée décrit la régulation de ERK3 au cours du cycle cellulaire. Nous avons observé que ERK3 est hyperphosphorylée et s’accumule spécifiquement au cours de la mitose. Des analyses de spectrométrie de masse ont mené à l’identification de quatre sites de phosphorylation situés à l’extrémité du domaine C-terminal. Nous avons pu démontrer que la kinase mitotique CDK1/cycline B phosphoryle ces sites et que les phosphatases CDC14A et CDC14B les déphosphorylent. Finalement, nous démontrons que la phosphorylation mitotique de ERK3 a pour effet de la stabiliser. Au début de mes études doctorales, la kinase MK5 fut identifiée comme premier partenaire et substrat de ERK3. MK5 a très peu de fonctions connues. Des données dans la littérature suggèrent qu’elle peut moduler le cycle cellulaire dans certaines conditions. Par exemple, MK5 a récemment été identifié comme inducteur de la sénescence induite par l’oncogène Ras. Dans la deuxième étude, nous décrivons une nouvelle fonction de MK5 dans le contrôle du cycle cellulaire. Nous démontrons par des expériences de gain et perte de fonction que MK5 ralentit l’entrée en mitose suite à un arrêt de la réplication. Cette fonction est dépendante de l’activité enzymatique de MK5 qui régule indirectement l’activité de CDK1/cycline B. Finalement, nous avons identifié Cdc25A comme un nouveau substrat in vitro de MK5 dont la surexpression supprime l’effet de MK5 sur l’entrée en mitose. En conclusion, nos résultats décrivent un nouveau mécanisme de régulation de ERK3 au cours de la mitose, ainsi qu’une nouvelle fonction pour MK5 dans le contrôle de l’entrée en mitose en réponse à des stress de la réplication. Ces résultats démontrent pour la première fois l’implication de ces protéines au cours de la transition G2/M. Nos travaux établissent de nouvelles pistes d’études pour mieux comprendre les rôles encore peu définis des kinases ERK3/4-MK5.

Etude du rôle de la réponse UV sur le contrôle de la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages à l’ADN : rôle des voies MAPK et de l’ADN polymérase eta

La réponse cellulaire aux ultra-violets (UV), ou réponse UV, est une réponse complexe et spécialisée dans l’adaptation et la tolérance des dommages aux UV. Celle-ci est initiée par un grand nombre d’évènements moléculaires et de signalisation nucléaire mais aussi au niveau de la membrane plasmique ou du cytoplasme. L’importance et l’influence exactes de ces évènements sur la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages UV à l’ADN sont encore mal comprises et doivent encore être méthodiquement démontrées. Dans cette thèse, grâce à l’utilisation d’une méthode sensible d’analyse de la réparation NER basée sur la cytométrie en flux, il est montré, dans un premier temps, que l’activité des voies MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases), qui sont des voies de signalisation de stress UV d’origine cytoplsamique, ne participent pas à l’efficacité de réparation NER des dommages UV dans les cellules humaines. En effet, l’abrogation de la signalisation MAPK, par inhibition pharmacologique, par utilisation de mutants dominant-négatifs ou par inhibition de leur expression endogène, ne révèlent aucun changement de la cinétique de réparation des dommages UV par excision de nucléotides. Cependant, l’utilisation de cette même méthode de réparation, mais cette fois, appliquée pour l’étude de réparation NER en fonction du cycle cellulaire, a permis de mettre en évidence la nécessité fonctionnelle de l’ADN polymérase translésionnelle eta (Pol η) dans la réparation NER des dommages UV, uniquement en phase S. Cette observation fut initialement caractérisée dans les cellules de patients affectés du syndrome variant de xérodermie pigmentaire (XP-V) puis, confirmée ensuite par l’inhibition de l’expression de Pol η endogène ou par la complémentation avec des mutants non-fonctionnels dans les cellules XP-V. Ces résultats indiquent que, contrairement à la réponse UV MAPK cytoplasmique, les évènements nucléaires comme la synthèse translésionnelle, peuvent influencer l’efficacité de réparation NER en phase S. Plus particulièrement, ces données établissent un lien possible entre la réparation NER en phase S et les niveaux de stress réplicatifs, révélé ici par la déficience fonctionnelle Pol η ou ATR. Les observations, présentées dans cette thèse, renforcent un rôle du point de contrôle S aux UV sur l’efficacité de la réparation NER et suggèrent que l’inhibition NER, observée en phase S dans les cellules XP-V, est modulée par le stress réplicatif. Un tel moyen de contrôle pourrait avoir une action plutôt protectrice pendant cette phase critique du cycle cellulaire. Mots clés: UV, translésionnelle, eta, MAPK, NER, CPD, cytométrie, phase-S, tolérance.

Déficience dans la réparation par excision de nucléotides en phase S induite par la séquestration du facteur de réplication RPA

Introduction Les lésions induites par les rayons UV peuvent causer des blocages dans la réplication de l'ADN. Ces dommages sont éliminés par le processus moléculaire très conservé de réparation par excision de nucléotides (NER). Nous avons précédemment démontré que la protéine ATR, une kinase majeure impliquée dans le stress réplicatif, est requise pour une NER efficace, et ce exclusivement durant la phase S. Des résultats subséquents ont suggéré que ce prérequis n’était pas lié à la réponse induite par ATR, mais plutôt d’une conséquence globale causée par la présence de stress réplicatif. En ce sens, nous mettons l’emphase qu’après irradiation UV, le complexe RPA joue un rôle crucial dans l'activation des mécanismes de NER ainsi que dans le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Hypothèses: En général, les mutations qui confèrent une augmentation du stress réplicatif engendrent une séquestration excessive du facteur RPA aux fourches de réplication bloquées ce qui réduit son accessibilité pour le NER. Méthodes et résultats: Le modèle de la levure a été choisi pour vérifier cette hypothèse. Nous avons développé un essai de NER spécifique à chacune des phases du cycle cellulaire pour démontrer que les cellules déficientes en Mec1, l’homologue d’ATR, sont défectives dans la réparation par excision de nucléotides spécifiquement en phase S. De plus, plusieurs autres mutants de levure, caractérisés par un niveau de dommages spontanés élevé, ont aussi exhibé un défaut similaire. Ces mutants ont démontré une fréquence et une intensité de formation de foyers de RPA plus élevée. Finalement, une diminution partielle de RPA dans les levures a induit un défaut significatif dans le NER spécifiquement durant la phase S. Conclusion: Nos résultats supportent la notion que la séquestration de RPA aux fourches de réplication endommagées durant la phase S prévient son utilisation pour la réparation par excision de nucléotides ce qui inhibe fortement l'efficacité de réparation. Cette étude chez la levure facilite l’élucidation du phénomène analogue chez l’humain et, ultimement, comprend des implications majeures dans la compréhension du mécanisme de développement des cancers UV-dépendants.

Déficience dans la réparation par excision de nucléotides en phase S induite par la séquestration du facteur de réplication RPA

Introduction Les lésions induites par les rayons UV peuvent causer des blocages dans la réplication de l'ADN. Ces dommages sont éliminés par le processus moléculaire très conservé de réparation par excision de nucléotides (NER). Nous avons précédemment démontré que la protéine ATR, une kinase majeure impliquée dans le stress réplicatif, est requise pour une NER efficace, et ce exclusivement durant la phase S. Des résultats subséquents ont suggéré que ce prérequis n’était pas lié à la réponse induite par ATR, mais plutôt d’une conséquence globale causée par la présence de stress réplicatif. En ce sens, nous mettons l’emphase qu’après irradiation UV, le complexe RPA joue un rôle crucial dans l'activation des mécanismes de NER ainsi que dans le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Hypothèses: En général, les mutations qui confèrent une augmentation du stress réplicatif engendrent une séquestration excessive du facteur RPA aux fourches de réplication bloquées ce qui réduit son accessibilité pour le NER. Méthodes et résultats: Le modèle de la levure a été choisi pour vérifier cette hypothèse. Nous avons développé un essai de NER spécifique à chacune des phases du cycle cellulaire pour démontrer que les cellules déficientes en Mec1, l’homologue d’ATR, sont défectives dans la réparation par excision de nucléotides spécifiquement en phase S. De plus, plusieurs autres mutants de levure, caractérisés par un niveau de dommages spontanés élevé, ont aussi exhibé un défaut similaire. Ces mutants ont démontré une fréquence et une intensité de formation de foyers de RPA plus élevée. Finalement, une diminution partielle de RPA dans les levures a induit un défaut significatif dans le NER spécifiquement durant la phase S. Conclusion: Nos résultats supportent la notion que la séquestration de RPA aux fourches de réplication endommagées durant la phase S prévient son utilisation pour la réparation par excision de nucléotides ce qui inhibe fortement l'efficacité de réparation. Cette étude chez la levure facilite l’élucidation du phénomène analogue chez l’humain et, ultimement, comprend des implications majeures dans la compréhension du mécanisme de développement des cancers UV-dépendants.

Defining the Role of the Histone Methyltransferase, PR-Set7, in Maintaining the Genome Integrity of Drosophila Melanogaster

The complete and faithful duplication of the genome is essential to ensure normal cell division and organismal development. Eukaryotic DNA replication is initiated at multiple sites termed origins of replication that are activated at different time through S phase. The replication timing program is regulated by the S-phase checkpoint, which signals and repairs replicative stress. Eukaryotic DNA is packaged with histones into chromatin, thus DNA-templated processes including replication are modulated by the local chromatin environment such as post-translational modifications (PTMs) of histones.

One such epigenetic mark, methylation of lysine 20 on histone H4 (H4K20), has been linked to chromatin compaction, transcription, DNA repair and DNA replication. H4K20 can be mono-, di- and tri-methylated. Monomethylation of H4K20 (H4K20me1) is mediated by the cell cycle-regulated histone methyltransferase PR-Set7 and subsequent di-/tri- methylation is catalyzed by Suv4-20. Prior studies have shown that PR-Set7 depletion in mammalian cells results in defective S phase progression and the accumulation of DNA damage, which may be partially attributed to defects in origin selection and activation. Meanwhile, overexpression of mammalian PR-Set7 recruits components of pre-Replication Complex (pre-RC) onto chromatin and licenses replication origins for re-replication. However, these studies were limited to only a handful of mammalian origins, and it remains unclear how PR-Set7 impacts the replication program on a genomic scale. Finally, the methylation substrates of PR-Set7 include both histone (H4K20) and non-histone targets, therefore it is necessary to directly test the role of H4K20 methylation in PR-Set7 regulated phenotypes.

I employed genetic, cytological, and genomic approaches to better understand the role of H4K20 methylation in regulating DNA replication and genome stability in Drosophila melanogaster cells. Depletion of Drosophila PR-Set7 by RNAi in cultured Kc167 cells led to an ATR-dependent cell cycle arrest with near 4N DNA content and the accumulation of DNA damage, indicating a defect in completing S phase. The cells were arrested at the second S phase following PR-Set7 downregulation, suggesting that it was an epigenetic effect that coupled to the dilution of histone modification over multiple cell cycles. To directly test the role of H4K20 methylation in regulating genome integrity, I collaborated with the Duronio Lab and observed spontaneous DNA damage on the imaginal wing discs of third instar mutant larvae that had an alanine substitution on H4K20 (H4K20A) thus unable to be methylated, confirming that H4K20 is a bona fide target of PR-Set7 in maintaining genome integrity.

One possible source of DNA damage due to loss of PR-Set7 is reduced origin activity. I used BrdU-seq to profile the genome-wide origin activation pattern. However, I found that deregulation of H4K20 methylation states by manipulating the H4K20 methyltransferases PR-Set7 and Suv4-20 had no impact on origin activation throughout the genome. I then mapped the genomic distribution of DNA damage upon PR-Set7 depletion. Surprisingly, ChIP-seq of the DNA damage marker γ-H2A.v located the DNA damage to late replicating euchromatic regions of the Drosophila genome, and the strength of γ-H2A.v signal was uniformly distributed and spanned the entire late replication domain, implying stochastic replication fork collapse within late replicating regions. Together these data suggest that PR-Set7-mediated monomethylation of H4K20 is critical for maintaining the genomic integrity of late replicating domains, presumably via stabilization of late replicating forks.

In addition to investigating the function of H4K20me, I also used immunofluorescence to characterize the cell cycle regulated chromatin loading of Mcm2-7 complex, the DNA helicase that licenses replication origins, using H4K20me1 level as a proxy for cell cycle stages. In parallel with chromatin spindown data by Powell et al. (Powell et al. 2015), we showed a continuous loading of Mcm2-7 during G1 and a progressive removal from chromatin through S phase.

SIRT1 Deacetylase Activity and the Maintenance of Protein Homeostasis in Response to Stress: An Overview

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Whole genome RNAi screens reveal a critical role of REV3 in coping with replication stress

REV3, the catalytic subunit of translesion polymerase zeta (polζ), is commonly associated with DNA damage bypass and repair. Despite sharing accessory subunits with replicative polymerase δ, very little is known about the role of polζ in DNA replication. We previously demonstrated that inhibition of REV3 expression induces persistent DNA damage and growth arrest in cancer cells. To reveal determinants of this sensitivity and obtain insights into the cellular function of REV3, we performed whole human genome RNAi library screens aimed at identification of synthetic lethal interactions with REV3 in A549 lung cancer cells. The top confirmed hit was RRM1, the large subunit of ribonucleotide reductase (RNR), a critical enzyme of de novo nucleotide synthesis. Treatment with the RNR-inhibitor hydroxyurea (HU) synergistically increased the fraction of REV3-deficient cells containing single stranded DNA (ssDNA) as indicated by an increase in replication protein A (RPA). However, this increase was not accompanied by accumulation of the DNA damage marker γH2AX suggesting a role of REV3 in counteracting HU-induced replication stress (RS). Consistent with a role of REV3 in DNA replication, increased RPA staining was confined to HU-treated S-phase cells. Additionally, we found genes related to RS to be significantly enriched among the top hits of the synthetic sickness/lethality (SSL) screen further corroborating the importance of REV3 for DNA replication under conditions of RS.

Telomere length and replicative aging in human vascular tissues.

Because repeated injury of the endothelium and subsequent turnover of intimal and medial cells have been implicated in atherosclerosis, we examined telomere length, a marker of somatic cell turnover, in cells from these tissues. Telomere lengths were assessed by Southern analysis of terminal restriction fragments (TRFs) generated by HinfI/Rsa I digestion of human genomic DNA. Mean TRF length decreased as a function of population doublings in human endothelial cell cultures from umbilical veins, iliac arteries, and iliac veins. When endothelial cells were examined for mean TRF length as a function of donor age, there was a significantly greater rate of decrease for cells from iliac arteries than from iliac veins (102 bp/yr vs. 47 bp/yr, respectively, P < 0.05), consistent with higher hemodynamic stress and increased cell turnover in arteries. Moreover, the rate of telomere loss as a function of donor age was greater in the intimal DNA of iliac arteries compared to that of the internal thoracic arteries (147 bp/yr vs. 87 bp/yr, respectively, P < 0.05), a region of the arterial tree subject to less hemodynamic stress. This indicates that the effect is not tissue specific. DNA from the medial tissue of the iliac and internal thoracic arteries showed no significant difference in the rates of decrease, suggesting that chronic stress leading to cellular senescence is more pronounced in the intima than in the media. These observations extend the use of telomere size as a marker for the replicative history of cells and are consistent with a role for focal replicative senescence in cardiovascular diseases.

Does psychological stress mediate social deprivation in tooth loss?

It is unclear which theoretical dimension of psychological stress affects health status. We hypothesized that both distress and coping mediate the relationship between socio-economic position and tooth loss. Cross-sectional data from 2915 middle-aged adults evaluated retention of < 20 teeth, behaviors, psychological stress, and sociodemographic characteristics. Principal components analysis of the Perceived Stress Scale (PSS) extracted 'distress' (a = 0.85) and 'coping' (a =0.83) factors, consistent with theory. Hierarchical entry of explanatory variables into age- and sex-adjusted logistic regression models estimated odds ratios (OR) and 95% confidence intervals [95% CI] for retention of < 20 teeth. Analysis of the separate contributions of distress and coping revealed a significant main effect of coping (OR = 0.7 [95% CI = 0.7-0.8]), but no effect for distress (OR = 1.0 [95% CI = 0.9-1.1]) or for the interaction of coping and distress. Behavior and psychological stress only modestly attenuated socio-economic inequality in retention of < 20 teeth, providing evidence to support a mediating role of coping.

Post-traumatic stress disorder in response to HIV infection

This study investigated the psychological impact of HIV infection through assessment of posttraumatic stress disorder in response to HIV infection. Sixty-one HIV-positive homosexual/bisexual men were assessed for posttraumatic stress disorder in response to HIV infection (PTSD-HIV) using a modified PTSD module of the DIS-III-R. Thirty percent met criteria for a syndrome of posttraumatic stress disorder in response to HIV diagnosis (PTSD-HIV). In over one-third of the PTSD cases, the disorder had an onset greater than 6 months after initial HIV infection diagnosis. PTSD-HIV was associated with other psychiatric diagnoses, particularly the development of first episodes of major depression after HIV infection diagnosis. PTSD-HIV was significantly associated with a pre-HIV history of PTSD from other causes, and other pre-HIV psychiatric disorders and neuroticism scores, indicating a similarity with findings in studies of PTSD from other causes. The findings from this preliminary study suggest that a PTSD response to HIV diagnosis has clinical validity and requires further investigation in this population and other medically ill groups. The results support the inclusion of the diagnosis of life-threatening illness as a traumatic incident that may lead to a posttraumatic stress disorder, which is consistent with the DSM-IV criteria.