Characterization of the AP endonuclease enzyme APN-1 from C. elegans

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Uracil excision repair in Mycobacterium tuberculosis cell-free extracts

Uracil excision repair is ubiquitous in all domains of life and initiated by uracil DNA glycosylases (UDGs) which excise the promutagenic base, uracil, from DNA to leave behind an abasic site (AP-site). Repair of the resulting AP-sites requires an AP-endonuclease, a DNA polymerase, and a DNA ligase whose combined activities result in either short-patch or long-patch repair. Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, has an increased risk of accumulating uracils because of its G + C-rich genome, and its niche inside host macrophages where it is exposed to reactive nitrogen and oxygen species, two major causes of cytosine deamination (to uracil) in DNA. In vitro assays to study DNA repair in this important human pathogen are limited. To study uracil excision repair in mycobacteria, we have established assay conditions using cell-free extracts of M. tuberculosis and M. smegmatis (a fast-growing mycobacterium) and oligomer or plasmid DNA substrates. We show that in mycobacteria, uracil excision repair is completed primarily via long-patch repair. In addition, we show that M. tuberculosis UdgB, a newly characterized family 5 UDG, substitutes for the highly conserved family 1 UDG, Ung, thereby suggesting that UdgB might function as backup enzyme for uracil excision repair in mycobacteria. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The in vivo characterization of the DNA repair gene apn-1 in the model organism Caenorhabditis elegans

Les sites apuriniques/apyrimidinique (AP) représentent une forme de dommage à l’ADN hautement mutagène et ce type de dommage peut survenir spontanément ou être induit par une variété d’agents. Afin de préserver la stabilité génomique, deux familles d’endonucléases de type AP, endo-IV et exo-III, sont nécessaires pour contrecarrer les effets mutagènes des sites AP. Malgré l’identification de membres des deux familles dans plusieurs organismes unicellulaire tels que E.coli et S. cerevisiae, aucun membre de la famille endo-IV n’a été identifié chez les organismes multicellulaires à l’exception de C. elegans et de C. briggsae. Nous avons donc décidé d’investiguer l’importance biologique de APN-1 chez C. elegans par l’utilisation d’une approche de knockdown du gène. Dans notre étude, nous avons montré que le knockdown du gène apn-1 chez C. elegans, en utilisant des ARN d’interférence (ARNi), cause une accumulation de mutations spontanées et induites par des drogues résultant en un délai de l’éclosion des œufs ainsi que par une diminution de la survie et de la longévité des vers adultes. De plus, nous avons montré que cette accumulation de mutations mène à un délai dans la progression du cycle cellulaire durant l’embryogénèse, représentant possiblement une explication du délai dans l’éclosion des œufs. Nous avons montré qu’il y avait une augmentation du niveau de mutations dans la gorge des vers, sans toutefois pouvoir confirmer la distribution de APN-1 qui possède une étiquette GFP. Les animaux transgéniques APN-1-GFP n’exprimaient pas suffisamment de la protéine de fusion pour permettre une visualisation à l’aide d’un microscope à fluorescence, mais la protéine a été détectée par immunobuvardage de type western. Les animaux transgéniques APN-1-GFP étaient instables et avaient des phénotypes concordants avec les défauts génétiques. En conclusion, il semble que C. elegans aie évolué afin de retenir un niveau de base de APN-1 jouant ainsi un rôle versatile afin de maintenir l’intégrité génétique d’autant plus que cet organisme semble manquer plusieurs enzymes de la voie de réparation par excision de base.

The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Caractérisation des transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV et étude comparative des fonctions des protéines traduites à partir de ces transcrits antisens

Le premier membre de la famille des rétrovirus humains HTLV (Virus T-lymphotropique Humain), HTLV-1, a été découvert en 1980 et l’on estime aujourd’hui à plus de 10 millions le nombre d’individus infectés à travers le monde. Après une période de latence d’environ 40 ans, 5% des individus infectés développent des leucémies, des lymphomes adultes de lymphocytes T (ATLL) ou encore une myélopathie associée à HTLV-1/ paraparésie spastique tropicale (HAM/TSP). L’apparition de la maladie serait en grande partie orchestrée par deux protéines virales, soit Tax et HTLV-1 bZIP factor (HBZ). L’expression du génome viral se fait à partir d’un transcrit sens de pleine longueur suite à un épissage alternatif, à l’exception du gène HBZ. HBZ est produite à partir d’un transcrit antisens initié dans la séquence terminale longue répétée (LTR)’3. Elle a été décrite comme étant capable de réguler négativement la transcription virale dépendante de Tax en se dimérisant avec des facteurs de transcription cellulaires tels que CREB-2 et certains membres de la famille Jun. HBZ a aussi un pouvoir prolifératif et bien que nous ne sachions toujours pas le mécanisme moléculaire menant à l’oncogenèse par HBZ, nous savons qu’elle module une multitude de voies de transduction de signaux, dont AP-1. Nous avons récemment mis en évidence un transcrit antisens nommé Antisense Protein of HTLV-2 (APH-2) chez HTLV-2 qui n’est associé qu’à une myélopathie apparentée au HAM/TSP. Ce n’est qu’en 2005 que HTLV-3 et HTLV-4 se sont rajoutés au groupe HTLV. Cependant, aucune corrélation avec le développement d’une quelconque maladie n’a été montrée jusqu’à ce jour. Le premier volet de ce projet de doctorat avait pour objectif de détecter et caractériser les transcrits antisens produits par HTLV-3 et HTLV-4 et d’étudier les protéines traduites à partir de ces transcrits pour ainsi évaluer leurs similitudes et/ou différences avec HBZ et APH-2. Nos études de localisation cellulaire réalisées par microscopie confocale ont montré que APH-3 et APH-4 sont des protéines nucléaires, se retrouvant sous la forme de granules et, dans le cas d’APH-3, partiellement cytoplasmique. Ces granules co-localisent en partie avec HBZ. Les analyses à l’aide d’un gène rapporteur luciférase contenant le LTR 5’ de HTLV-1 ont montré que APH-3 et APH-4 peuvent aussi inhiber la transactivation du LTR 5’ par Tax. Aussi, des études faisant appel au gène rapporteur précédé d’un promoteur de collagénase (site AP-1), ont montré que ces deux protéines, contrairement à HBZ, activent la transcription dépendante de tous les membres des facteurs de transcription de la famille Jun. De plus, les mutants ont montré que le motif fermeture éclair (LZ) atypique de ces protéines est impliqué dans cette régulation. En effet, APH-3 et APH-4 modulent la voie Jun-dépendante en se dimérisant via leur LZ atypique avec la famille Jun et semblent activer la voie par un mécanisme ne faisant pas par d’un domaine activateur autonome. Dans un deuxième volet, nous avions comme objectif d’approfondir nos connaissances sur la localisation nucléolaire de HBZ. Lors de nos analyses, nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction, B23 et la nucléoline, qui semblent être associés à sa localisation nucléolaire. En effet, ces interactions sont plus fortes suivant une délétion des domaines AD et bZIP de HBZ qui dans ce cas est localisée strictement au nucléole. De plus, bien que APH-3 et APH-4 puissent se localiser aux nucléoles, HBZ est la seule protéine traduite à partir d’un transcrit antisens pouvant interagir avec B23. Finalement, ces travaux ont clairement mis en évidence que HTLV-3 et HTLV-4 permettent la production de transcrits antisens comme chez d’autres rétrovirus. Les protéines traduites à partir de ces transcrits antisens jouent d’importants rôles dans la réplication rétrovirale mais semblent avoir des fonctions différentes de celles de HBZ au niveau de la régulation de la transcription de la voie Jun. HBZ semble aussi jouer un rôle unique dans le nucléole en ciblant les protéines nucléolaires de la cellule. Ces études démontrent que les protéines produites à partir de transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV partagent plusieurs ressemblances, mais démontrent aussi des différences. Ainsi, les APH pourraient, en tant qu’outil comparatif, aider à mieux cibler les mécanismes moléculaires importants utilisés par HBZ pour induire la pathogénèse associée à une infection par HTLV.

3CAPS – a structural AP-site analogue as a tool to investigate DNA base excision repair

Abasic sites (AP-sites) are frequent DNA lesions, arising by spontaneous base hydrolysis or as intermediates of base excision repair (BER). The hemiacetal at the anomeric centre renders them chemically reactive, which presents a challenge to biochemical and structural investigation. Chemically more stable AP-site analogues have been used to avoid spontaneous decay, but these do not fully recapitulate the features of natural AP-sites. With its 3′-phosphate replaced by methylene, the abasic site analogue 3CAPS was suggested to circumvent some of these limitations. Here, we evaluated the properties of 3CAPS in biochemical BER assays with mammalian proteins. 3CAPS-containing DNA substrates were processed by APE1, albeit with comparably poor efficiency. APE1-cleaved 3CAPS can be extended by DNA polymerase β but repaired only by strand displacement as the 5′-deoxyribophosphate (dRP) cannot be removed. DNA glycosylases physically and functionally interact with 3CAPS substrates, underlining its structural integrity and biochemical reactivity. The AP lyase activity of bifunctional DNA glycosylases (NTH1, NEIL1, FPG), however, was fully inhibited. Notably, 3CAPS-containing DNA also effectively inhibited the activity of bifunctional glycosylases on authentic substrates. Hence, the chemically stable 3CAPS with its preserved hemiacetal functionality is a potent tool for BER research and a potential inhibitor of bifunctional DNA glycosylases.

Fos and Jun bend the AP-1 site: effects of probe geometry on the detection of protein-induced DNA bending.

The effect of Fos and Jun binding on the structure of the AP-1 recognition site is controversial. Results from phasing analysis and phase-sensitive detection studies of DNA bending by Fos and Jun have led to opposite conclusions. The differences between these assays, the length of the spacer between two bends and the length of the sequences flanking the bends, are investigated here using intrinsic DNA bend standards. Both an increase in the spacer length as well as a decrease in the length of flanking sequences resulted in a reduction in the phase-dependent variation in electrophoretic mobilities. Probes with a wide separation between the bends and short flanking sequences, such as those used in the phase-sensitive detection studies, displayed no phase-dependent mobility variation. This shape-dependent variation in electrophoretic mobilities was reproduced by complexes formed by truncated Fos and Jun. Results from ligase-catalyzed cyclization experiments have been interpreted to indicate the absence of DNA bending in the Fos-Jun-AP-1 complex. However, truncated Fos and Jun can alter the relative rates of inter- and intramolecular ligation through mechanisms unrelated to DNA bending, confounding the interpretation of cyclization data. The analogous phase- and shape-dependence of the electrophoretic mobilities of the Fos-Jun-AP-1 complex and an intrinsic DNA bend confirm that Fos and Jun bend DNA, which may contribute to their functions in transcription regulation.

Fos and Jun do not bend the AP-1 recognition site.

We have used a solution-based DNA cyclization assay and a gel-phasing method to show that contrary to previous reports [Kerppola, T. K. & Curran, T. (1991) Cell 66, 317-326], basic region leucine zipper proteins Fos and Jun do not significantly bend their AP-1 recognition site. We have constructed two sets of DNA constructs that contain the 7-bp 5'-TGACTCA-3' AP-1 binding site, from either the yeast or the human collagenase gene, which is well separated from and phased by 3-4 helical turns against an A tract-directed bend. The cyclization probabilities of DNAs with altered phasings are not significantly affected by Fos-Jun binding. Similarly, Fos-Jun and Jun-Jun bound to differently phased DNA constructs show insignificant variations in gel mobilities. Both these methods independently indicate that Fos and Jun bend their AP-1 target site by <5 degrees, an observation that has important implications in understanding their mechanism of transcriptional regulation.

Variabilité, stase et régionalisation stylistiques : la céramique du site Hector-Trudel et du Nord-Est américain au sylvicole moyen tardif (500 à 1000 ap. J.-C.)

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

Variabilité, stase et régionalisation stylistiques : la céramique du site Hector-Trudel et du Nord-Est américain au sylvicole moyen tardif (500 à 1000 ap. J.-C.)

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

Evaluation of the cost-effectiveness of strategies claiming to reduce the risk of surgical site infections following primary total hip arthroplasty

Background Total hip arthroplasty (THA) is a commonly performed procedure and numbers are increasing with ageing populations. One of the most serious complications in THA are surgical site infections (SSIs), caused by pathogens entering the wound during the procedure. SSIs are associated with a substantial burden for health services, increased mortality and reduced functional outcomes in patients. Numerous approaches to preventing these infections exist but there is no gold standard in practice and the cost-effectiveness of alternate strategies is largely unknown. Objectives The aim of this project was to evaluate the cost-effectiveness of strategies claiming to reduce deep surgical site infections following total hip arthroplasty in Australia. The objectives were: 1. Identification of competing strategies or combinations of strategies that are clinically relevant to the control of SSI related to hip arthroplasty 2. Evidence synthesis and pooling of results to assess the volume and quality of evidence claiming to reduce the risk of SSI following total hip arthroplasty 3. Construction of an economic decision model incorporating cost and health outcomes for each of the identified strategies 4. Quantification of the effect of uncertainty in the model 5. Assessment of the value of perfect information among model parameters to inform future data collection Methods The literature relating to SSI in THA was reviewed, in particular to establish definitions of these concepts, understand mechanisms of aetiology and microbiology, risk factors, diagnosis and consequences as well as to give an overview of existing infection prevention measures. Published economic evaluations on this topic were also reviewed and limitations for Australian decision-makers identified. A Markov state-transition model was developed for the Australian context and subsequently validated by clinicians. The model was designed to capture key events related to deep SSI occurring within the first 12 months following primary THA. Relevant infection prevention measures were selected by reviewing clinical guideline recommendations combined with expert elicitation. Strategies selected for evaluation were the routine use of pre-operative antibiotic prophylaxis (AP) versus no use of antibiotic prophylaxis (No AP) or in combination with antibiotic-impregnated cement (AP & ABC) or laminar air operating rooms (AP & LOR). The best available evidence for clinical effect size and utility parameters was harvested from the medical literature using reproducible methods. Queensland hospital data were extracted to inform patients’ transitions between model health states and related costs captured in assigned treatment codes. Costs related to infection prevention were derived from reliable hospital records and expert opinion. Uncertainty of model input parameters was explored in probabilistic sensitivity analyses and scenario analyses and the value of perfect information was estimated. Results The cost-effectiveness analysis was performed from a health services perspective using a hypothetical cohort of 30,000 THA patients aged 65 years. The baseline rate of deep SSI was 0.96% within one year of a primary THA. The routine use of antibiotic prophylaxis (AP) was highly cost-effective and resulted in cost savings of over $1.6m whilst generating an extra 163 QALYs (without consideration of uncertainty). Deterministic and probabilistic analysis (considering uncertainty) identified antibiotic prophylaxis combined with antibiotic-impregnated cement (AP & ABC) to be the most cost-effective strategy. Using AP & ABC generated the highest net monetary benefit (NMB) and an incremental $3.1m NMB compared to only using antibiotic prophylaxis. There was a very low error probability that this strategy might not have the largest NMB (<5%). Not using antibiotic prophylaxis (No AP) or using both antibiotic prophylaxis combined with laminar air operating rooms (AP & LOR) resulted in worse health outcomes and higher costs. Sensitivity analyses showed that the model was sensitive to the initial cohort starting age and the additional costs of ABC but the best strategy did not change, even for extreme values. The cost-effectiveness improved for a higher proportion of cemented primary THAs and higher baseline rates of deep SSI. The value of perfect information indicated that no additional research is required to support the model conclusions. Conclusions Preventing deep SSI with antibiotic prophylaxis and antibiotic-impregnated cement has shown to improve health outcomes among hospitalised patients, save lives and enhance resource allocation. By implementing a more beneficial infection control strategy, scarce health care resources can be used more efficiently to the benefit of all members of society. The results of this project provide Australian policy makers with key information about how to efficiently manage risks of infection in THA.

Surgical site infection prevention following total hip arthroplasty in Australia : a cost-effectiveness analysis

Background: Surgical site infection (SSI) is associated with substantial costs for health services, reduced quality of life, and functional outcomes. The aim of this study was to evaluate the cost-effectiveness of strategies claiming to reduce the risk of SSI in hip arthroplasty in Australia. Methods: Baseline use of antibiotic prophylaxis (AP) was compared with no antibiotic prophylaxis (no AP), antibiotic-impregnated cement (AP þ ABC), and laminar air operating rooms (AP þ LOR). A Markov model was used to simulate long-term health and cost outcomes of a hypothetical cohort of 30,000 total hip arthroplasty patients from a health services perspective. Model parameters were informed by the best available evidence. Uncertainty was explored in probabilistic sensitivity and scenario analyses. Results: Stopping the routine use of AP resulted in over Australian dollars (AUD) $1.5 million extra costs and a loss of 163 quality-adjusted life years (QALYs). Using antibiotic cement in addition to AP (AP þ ABC)generated an extra 32 QALYs while saving over AUD $123,000. The use of laminar air operating rooms combined with routine AP (AP þ LOR) resulted in an AUD $4.59 million cost increase and 127 QALYs lost compared with the baseline comparator. Conclusion: Preventing deep SSI with antibiotic prophylaxis and antibiotic-impregnated cement has shown to improve health outcomes among hospitalized patients, save lives, and enhance resource allocation. Based on this evidence, the use of laminar air operating rooms is not recommended.

Free and ATP-bound structures of Ap(4)A hydrolase from Aquifex aeolicus V5

Asymmetric diadenosine tetraphosphate (Ap(4)A) hydrolases degrade the metabolite Ap(4)A back into ATP and AMP. The three-dimensional crystal structure of Ap(4)A hydrolase (16 kDa) from Aquifex aeolicus has been determined in free and ATP-bound forms at 1.8 and 1.95 angstrom resolution, respectively. The overall three-dimensional crystal structure of the enzyme shows an alpha beta alpha-sandwich architecture with a characteristic loop adjacent to the catalytic site of the protein molecule. The ATP molecule is bound in the primary active site and the adenine moiety of the nucleotide binds in a ring-stacking arrangement equivalent to that observed in the X-ray structure of Ap(4)A hydrolase from Caenorhabditis elegans. Binding of ATP in the active site induces local conformational changes which may have important implications in the mechanism of substrate recognition in this class of enzymes. Furthermore, two invariant water molecules have been identified and their possible structural and/or functional roles are discussed. In addition, modelling of the substrate molecule at the primary active site of the enzyme suggests a possible path for entry and/or exit of the substrate and/or product molecule.

Standardizing clinical trials workflow representation in UML for international site comparison.

BACKGROUND: With the globalization of clinical trials, a growing emphasis has been placed on the standardization of the workflow in order to ensure the reproducibility and reliability of the overall trial. Despite the importance of workflow evaluation, to our knowledge no previous studies have attempted to adapt existing modeling languages to standardize the representation of clinical trials. Unified Modeling Language (UML) is a computational language that can be used to model operational workflow, and a UML profile can be developed to standardize UML models within a given domain. This paper's objective is to develop a UML profile to extend the UML Activity Diagram schema into the clinical trials domain, defining a standard representation for clinical trial workflow diagrams in UML. METHODS: Two Brazilian clinical trial sites in rheumatology and oncology were examined to model their workflow and collect time-motion data. UML modeling was conducted in Eclipse, and a UML profile was developed to incorporate information used in discrete event simulation software. RESULTS: Ethnographic observation revealed bottlenecks in workflow: these included tasks requiring full commitment of CRCs, transferring notes from paper to computers, deviations from standard operating procedures, and conflicts between different IT systems. Time-motion analysis revealed that nurses' activities took up the most time in the workflow and contained a high frequency of shorter duration activities. Administrative assistants performed more activities near the beginning and end of the workflow. Overall, clinical trial tasks had a greater frequency than clinic routines or other general activities. CONCLUSIONS: This paper describes a method for modeling clinical trial workflow in UML and standardizing these workflow diagrams through a UML profile. In the increasingly global environment of clinical trials, the standardization of workflow modeling is a necessary precursor to conducting a comparative analysis of international clinical trials workflows.

Identifying Barriers and Practical Solutions to Conducting Site-Based Research in North America: Exploring Acute Heart Failure Trials As a Case Study.

Although the prognosis of ambulatory heart failure (HF) has improved dramatically there have been few advances in the management of acute HF (AHF). Despite regional differences in patient characteristics, background therapy, and event rates, AHF clinical trial enrollment has transitioned from North America and Western Europe to Eastern Europe, South America, and Asia-Pacific where regulatory burden and cost of conducting research may be less prohibitive. It is unclear if the results of clinical trials conducted outside of North America are generalizable to US patient populations. This article uses AHF as a paradigm and identifies barriers and practical solutions to successfully conducting site-based research in North America.