Purification and characterization of DNA-dependent RNA polymerase II from Candida utilis

DNA-dependent RNA polymerase II from Candida utilis has been purified to near homogeneity. The purified enzyme resolved into three subforms, viz. IIO, IIA and IIB. On SDS-PAGE the enzyme showed ten polypeptides with molecular weights in the range of 205 kDa to 14 kDa. By two dimensional electrophoresis (IEF followed by SDS-PAGE) the presence of basic and acidic polypeptides has been demonstrated. The enzyme showed Km values of 5, 5.6 and 8 mu M for GTP, CTP and ATP, respectively, and the activity was inhibited by low levels of oc-amanitin and antibodies raised against bovine RNA polymerase II. By Western blot analysis the enzyme was found to cross-react with antibodies to bovine RNA polymerase II. RNA polymerase II from G. utilis is a phosphoprotein, the subunits RPB1 and RPB10 were found to be phosphorylated. Analysis of carboxy-terminal domain indicated that it was functionally redundant at least in case of nonspecific transcription, implicating its role in other nuclear processes, such as promoter specific initiation or transcription activation or RNA processing.

Yeast screens identify the RNA polymerase II CTD and SPT5 as relevant targets of BRCA1 interaction.

BRCA1 has been implicated in numerous DNA repair pathways that maintain genome integrity, however the function responsible for its tumor suppressor activity in breast cancer remains obscure. To identify the most highly conserved of the many BRCA1 functions, we screened the evolutionarily distant eukaryote Saccharomyces cerevisiae for mutants that suppressed the G1 checkpoint arrest and lethality induced following heterologous BRCA1 expression. A genome-wide screen in the diploid deletion collection combined with a screen of ionizing radiation sensitive gene deletions identified mutants that permit growth in the presence of BRCA1. These genes delineate a metabolic mRNA pathway that temporally links transcription elongation (SPT4, SPT5, CTK1, DEF1) to nucleopore-mediated mRNA export (ASM4, MLP1, MLP2, NUP2, NUP53, NUP120, NUP133, NUP170, NUP188, POM34) and cytoplasmic mRNA decay at P-bodies (CCR4, DHH1). Strikingly, BRCA1 interacted with the phosphorylated RNA polymerase II (RNAPII) carboxy terminal domain (P-CTD), phosphorylated in the pattern specified by the CTDK-I kinase, to induce DEF1-dependent cleavage and accumulation of a RNAPII fragment containing the P-CTD. Significantly, breast cancer associated BRCT domain defects in BRCA1 that suppressed P-CTD cleavage and lethality in yeast also suppressed the physical interaction of BRCA1 with human SPT5 in breast epithelial cells, thus confirming SPT5 as a relevant target of BRCA1 interaction. Furthermore, enhanced P-CTD cleavage was observed in both yeast and human breast cells following UV-irradiation indicating a conserved eukaryotic damage response. Moreover, P-CTD cleavage in breast epithelial cells was BRCA1-dependent since damage-induced P-CTD cleavage was only observed in the mutant BRCA1 cell line HCC1937 following ectopic expression of wild type BRCA1. Finally, BRCA1, SPT5 and hyperphosphorylated RPB1 form a complex that was rapidly degraded following MMS treatment in wild type but not BRCA1 mutant breast cells. These results extend the mechanistic links between BRCA1 and transcriptional consequences in response to DNA damage and suggest an important role for RNAPII P-CTD cleavage in BRCA1-mediated cancer suppression.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Investigating the role of the isomerase Rrd1/PTPA : from yeast to human

Chez Saccharomyces cerevisiae, les souches mutantes pour Rrd1, une protéine qui possède une activité de peptidyl prolyl cis/trans isomérase, montrent une résistance marquée à la rapamycine et sont sensibles au 4-nitroquinoline 1-oxide, un agent causant des dommages à l’ADN. PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères, est reconnu en tant qu’activateur de protéine phosphatase 2A. Notre laboratoire a précédemment démontré que la surexpression de PTPA mène à l’apoptose de façon indépendante des protéines phosphatase 2A. La fonction moléculaire de Rrd1/PTPA était encore largement inconnue au départ de mon projet de doctorat. Mes recherches ont d’abord montré que Rrd1 est associé à la chromatine ainsi qu’à l’ARN polymérase II. L’analyse in vitro et in vivo par dichroïsme circulaire a révélé que Rrd1 est responsable de changements au niveau de la structure du domaine C-terminal de la grande sous-unité de l’ARN polymérase II, Rpb1, en réponse à la rapamycine et au 4-nitroquinoline 1-oxide. Nous avons également démontré que Rrd1 est requis pour modifier l’occupation de l’ARN polymérase II sur des gènes répondant à un traitement à la rapamycine. Finalement, nous avons montré que suite à un traitement avec la rapamycine, Rrd1 médie la dégradation de l’ARN polymérase II et que ce mécanisme est indépendant de l’ubiquitine. La dernière partie de mon projet était d’acquérir une meilleure connaissance de la fonction de PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères. Nos résultats montrent que le «knockdown» de PTPA n’affecte pas la sensibilité des cellules à différentes drogues telles que la rapamycine, le 4-nitroquinoline 1-oxide ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Nous avons également tenté d’identifier des partenaires protéiques pour PTPA grâce à la méthode TAP, mais nous ne sommes pas parvenus à identifier de partenaires stables. Nous avons démontré que la surexpression de la protéine PTPA catalytiquement inactive n’induisait pas l’apoptose indiquant que l’activité de PTPA est requise pour produire cet effet. Finalement, nous avons tenté d’étudier PTPA dans un modèle de souris. Dans un premier lieu, nous avons déterminé que PTPA était exprimé surtout au niveau des tissus suivants : la moelle osseuse, le thymus et le cerveau. Nous avons également généré avec succès plusieurs souris chimères dans le but de créer une souris «knockout» pour PTPA, mais l’allèle mutante ne s’est pas transférée au niveau des cellules germinales. Mes résultats ainsi que ceux obtenus par mon laboratoire sur la levure suggèrent un rôle général pour Rrd1 au niveau de la régulation des gènes. La question demeure toujours toutefois à savoir si PTPA peut effectuer un rôle similaire chez les mammifères et une vision différente pour déterminer la fonction de cette protéine sera requise pour adresser adéquatement cette question dans le futur.

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.

Molecular phylogeny resolves a taxonomic misunderstanding and places Geisleria close to Absconditella s. str. (Ostropales: Stictidaceae)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Transcriptional functions of DNA Topoisomerases at a genome-wide scale and a single gene levels

The DNA topology is an important modifier of DNA functions. Torsional stress is generated when right handed DNA is either over- or underwound, producing structural deformations which drive or are driven by processes such as replication, transcription, recombination and repair. DNA topoisomerases are molecular machines that regulate the topological state of the DNA in the cell. These enzymes accomplish this task by either passing one strand of the DNA through a break in the opposing strand or by passing a region of the duplex from the same or a different molecule through a double-stranded cut generated in the DNA. Because of their ability to cut one or two strands of DNA they are also target for some of the most successful anticancer drugs used in standard combination therapies of human cancers. An effective anticancer drug is Camptothecin (CPT) that specifically targets DNA topoisomerase 1 (TOP 1). The research project of the present thesis has been focused on the role of human TOP 1 during transcription and on the transcriptional consequences associated with TOP 1 inhibition by CPT in human cell lines. Previous findings demonstrate that TOP 1 inhibition by CPT perturbs RNA polymerase (RNAP II) density at promoters and along transcribed genes suggesting an involvement of TOP 1 in RNAP II promoter proximal pausing site. Within the transcription cycle, promoter pausing is a fundamental step the importance of which has been well established as a means of coupling elongation to RNA maturation. By measuring nascent RNA transcripts bound to chromatin, we demonstrated that TOP 1 inhibition by CPT can enhance RNAP II escape from promoter proximal pausing site of the human Hypoxia Inducible Factor 1 (HIF-1) and c-MYC genes in a dose dependent manner. This effect is dependent from Cdk7/Cdk9 activities since it can be reversed by the kinases inhibitor DRB. Since CPT affects RNAP II by promoting the hyperphosphorylation of its Rpb1 subunit the findings suggest that TOP 1inhibition by CPT may increase the activity of Cdks which in turn phosphorylate the Rpb1 subunit of RNAP II enhancing its escape from pausing. Interestingly, the transcriptional consequences of CPT induced topological stress are wider than expected. CPT increased co-transcriptional splicing of exon1 and 2 and markedly affected alternative splicing at exon 11. Surprisingly despite its well-established transcription inhibitory activity, CPT can trigger the production of a novel long RNA (5’aHIF-1) antisense to the human HIF-1 mRNA and a known antisense RNA at the 3’ end of the gene, while decreasing mRNA levels. The effects require TOP 1 and are independent from CPT induced DNA damage. Thus, when the supercoiling imbalance promoted by CPT occurs at promoter, it may trigger deregulation of the RNAP II pausing, increased chromatin accessibility and activation/derepression of antisense transcripts in a Cdks dependent manner. A changed balance of antisense transcripts and mRNAs may regulate the activity of HIF-1 and contribute to the control of tumor progression After focusing our TOP 1 investigations at a single gene level, we have extended the study to the whole genome by developing the “Topo-Seq” approach which generates a map of genome-wide distribution of sites of TOP 1 activity sites in human cells. The preliminary data revealed that TOP 1 preferentially localizes at intragenic regions and in particular at 5’ and 3’ ends of genes. Surprisingly upon TOP 1 downregulation, which impairs protein expression by 80%, TOP 1 molecules are mostly localized around 3’ ends of genes, thus suggesting that its activity is essential at these regions and can be compensate at 5’ ends. The developed procedure is a pioneer tool for the detection of TOP 1 cleavage sites across the genome and can open the way to further investigations of the enzyme roles in different nuclear processes.

RNA polymerase subunit RPB5 plays a role in transcriptional activation

A mutation in RPB5 (rpb5–9), an essential RNA polymerase subunit assembled into RNA polymerases I, II, and III, revealed a role for this subunit in transcriptional activation. Activation by GAL4-VP16 was impaired upon in vitro transcription with mutant whole-cell extracts. In vivo experiments using inducible reporter plasmids and Northern analysis support the in vitro data and demonstrate that RPB5 influences activation at some, but not all, promoters. Remarkably, this mutation maps to a conserved region of human RPB5 implicated by others to play a role in activation. Chimeric human-yeast RPB5 containing this conserved region now can function in place of its yeast counterpart. The defects noted with rpb5–9 are similar to those seen in truncation mutants of the RPB1-carboxyl terminal domain (CTD). We demonstrate that RPB5 and the RPB1-CTD have overlapping roles in activation because the double mutant is synthetically lethal and has exacerbated activation defects at the GAL1/10 promoter. These studies demonstrate that there are multiple activation targets in RNA polymerase II and that RPB5 and the CTD have similar roles in activation.

(Table 2) Collection sites and number of specimens of Usnea subgenus Neuropogon species

Usnea species of the Neuropogon group are amongst the most widespread and abundant macrolichens in Antarctic regions. Four principal species, U. antarctica, U. aurantiaco-atra, U. sphacelata and U. subantarctica, have been described on morphological grounds. However, identification to species level is often difficult and atypical morphologies frequently arise. Over 400 specimens were collected on the Antarctic Peninsula and Falkland Islands. Both morphological and molecular characters (ITS and RPB1) were used to compare samples to clarify taxonomic relationships. Morphological characteristics used included presence of apothecia, apothecial rays, soredia, papillae, fibrils, pigmentation and the diameter of the central axis as a proportion of branch diameter. Results revealed a very close relationship between U. antarctica and U. aurantiaco-atra, suggesting that they might constitute a species pair or be conspecific. Usnea sphacelata was comprised of at least two genetically distinct groups with no clear differences in morphology. One group included the first reported fertile specimen of this species. Usnea subantarctica was phylogenetically distinct from the other main Antarctic Usnea species, but clustered with U. trachycarpa. Genetic variation was evident within all species although there was no clear correlation between geographic origin and genetic relatedness. Phylogenetic analyses indicated that species circumscription in the Neuropogon group needs revision, with the principal species being non-monophyletic. None of the morphological characters, or groups of characters, used in this study proved to be completely unambiguous markers for a single species. However, axis thickness was supported as being informative for the identification of monophyletic lineages within the group.

Étude du rôle biologique de l'activateur de phosphatase Rrd 1 chez la levure Saccharomyces cerevisiae

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

Étude du rôle biologique de l'activateur de phosphatase Rrd 1 chez la levure Saccharomyces cerevisiae

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