绊根草重金属抗性相关基因的克隆及其功能分析及可耐受偏二甲肼的芦苇变异株系的筛选

本研究利用酵母功能互补方法和RACE的方法从具有较强抗逆能力的绊根草中克隆了9个与重金属抗性相关的克隆，并对部分基因的表达调控及功能进行了初步研究。同时还利用细胞工程技术筛选到了具有较强的耐受火箭推进齐-偏二甲肼(UDMH)的芦苇的变异株系，为以后用人工湿地系统处理受偏二甲肼污染的废水奠定了基础。 本研究通过酵母功能互补法克隆到了五个基因，分别为CdSRP、CdTETH、 CdASP、CdMT2和CdTER1。CdSRP可能是一种衰老相关基因;CdTETH编码的产物可能是组成TRAPP复合体的一个亚基;CdASP是一个功能未知的基因;CdMT2是一个编码Type Ⅱ型金属硫蛋白基因;CdTER1可能是编码一个TERl-like家族蛋白成员的基因。用这五个基因分别转化因Acr基因缺失而对As敏感的酵母菌株FD236-6A，所获得的转化子对As的抗性均有提高，其中以CdMT2、CdTER1和CdASP的作用最为明显。这些基因的表达调控方式以及与其它重金属抗性的关系正在研究中。 本研究还利用RACE的方法克隆了一个谷胱甘肽S-转移酶基因，CdGSTFl;两个植物络合素合酶基因，CdPCSI和CdPCSⅡ，和一个TypeⅠ型金属硫蛋白基因CdMT1。CdGSTF1属于phi类GST基因，Northern-blotting分析表明，CdGSTF1在绊根草根部的表达受Cd2+的诱导，暗示其可能具有解除氧自由基或氢过氧化物的毒性的作用。CdPCSI和CdPCSⅡ的同源性较高，表明绊根草含有两个以上的PCs合酶的基因。参照前人的方法对CdPCSI和CdPCSII的氨基酸序列进行分析，发现它们含有六个非常相近的Cd2+结合位点，这两个基因的功能及其调控方式有何差异尚需进一步的研究。cdMT1与用酵母功能互补法克隆到的CdMT2属于不同类型的MT基因，对它们之间很可能存在的功能、组织特异性等方面的差异性进行了讨论。 四氧化二氮／偏二甲肼是常用的航天器双组元液体推进剂。偏二甲肼易挥发，有致癌、致畸、致突变的毒性。在推进剂贮存、运输、转注、火箭发动机试车、火箭发射、管道及设备冲洗中产生的含有偏二甲肼的废水能够对卫星发射基地的地下水源和空气造成污染。因此迫切需要培育能够净化偏二甲肼污水的植物。 本研究利用生长在卫星发射基地的野生芦苇的种子诱导愈伤组织，进而通过逐步提高偏二甲肼筛选压力的方式从中筛选出具有较强抗性的愈伤组织，然后诱导其分化。目前已经得到能够在含有1.63 mmol/L和3.26 mmol/L偏二甲肼的分化培养基中生长良好的芦苇再生苗，并已成功转移至温室中。抗性分化苗对污水的处理效果和耐受偏二甲肼的机理正在研究中。

Ribosomal 18S RNA processing by the IGF-I-responsive WDR3 protein is integrated with p53 function in cancer cell proliferation.

Insulin-like growth factor-I (IGF-I) signaling is strongly associated with cell growth and regulates the rate of synthesis of the rRNA precursor, the first and the key stage of ribosome biogenesis. In a screen for mediators of IGF-I signaling in cancer, we recently identified several ribosome-related proteins, including NEP1 (nucleolar essential protein 1) and WDR3 (WD repeat 3), whose homologues in yeast function in ribosome processing. The WDR3 gene and its locus on chromosome 1p12-13 have previously been linked with malignancy. Here we show that IGF-I induces expression of WDR3 in transformed cells. WDR3 depletion causes defects in ribosome biogenesis by affecting 18 S rRNA processing and also causes a transient down-regulation of precursor rRNA levels with moderate repression of RNA polymerase I activity. Suppression of WDR3 in cells expressing functional p53 reduced proliferation and arrested cells in the G1 phase of the cell cycle. This was associated with activation of p53 and sequestration of MDM2 by ribosomal protein L11. Cells lacking functional p53 did not undergo cell cycle arrest upon suppression of WDR3. Overall, the data indicate that WDR3 has an essential function in 40 S ribosomal subunit synthesis and in ribosomal stress signaling to p53-mediated regulation of cell cycle progression in cancer cells.

Caractérisation de la sous-unité bêta du translocon chez la levure Schizosaccharomyces pombe

La sécrétion des protéines est un processus essentiel à la vie. Chez les eucaryotes, les protéines sécrétées transitent dans le réticulum endoplasmique par le pore de translocation. Le translocon est composé de trois sous-unités fondamentales nommées Sec61α, β et γ chez les mammifères, ou Sec61p, Sbh1p et Sss1p chez les levures. Tandis que le rôle des sous-unités α et γ est bien connu, celui de la sous-unité β demeure énigmatique. Plusieurs phénotypes distincts sont associés à cette protéine dans différents organismes, mais le haut niveau de conservation de séquence suggère plutôt une fonction universelle conservée. Récemment, Feng et al. (2007) ont montré que le domaine transmembranaire (TMD) de Sbh1p était suffisant pour complémenter plusieurs phénotypes associés à la délétion du gène chez Saccharomyces cerevisiae, suggérant un rôle important de cette région. L’objectif de mon projet de recherche consiste à étudier la fonction biologique de la sous-unité β du translocon et de son TMD chez Schizosaccharomyces pombe. Dans cette levure, j’ai découvert que le gène sbh1+ n’était pas essentiel à la viabilité à 30oC, mais qu’il était requis pour la croissance à basse température. La délétion de sbh1+ entraîne une sensibilité aux stress de la paroi cellulaire et une diminution de la sécrétion des protéines à 23oC. La surexpression de Sbh1p diminue elle aussi la sécrétion des protéines et altère la morphologie cellulaire. Ces phénotypes sont distincts de ceux observés chez S. cerevisiae, où la délétion des deux paralogues de Sec61β entraîne une sensibilité à haute température plutôt qu’à basse température. Malgré cela, les homologues de Sec61β de S. pombe et de S. cerevisiae sont tout deux capables de complémenter la thermosensibilité respective de chaque levure. La complémentation est possible même avec l’homologue humain de Sec61β, indiquant la conservation d’une fonction de Sec61β de la levure à l’homme. Remarquablement, le TMD de Sec61β de S. pombe, de S. cerevisiae et de l’humain sont suffisants pour complémenter la délétion génomique autant chez la levure à fission que chez la levure à bourgeons. Globalement, ces observations indiquent que le TMD de Sec61β exerce une fonction cellulaire conservée à travers les espèces.

Plant ion channels: gene families, physiology, and functional genomics analyses

Distinct potassium, anion, and calcium channels in the plasma membrane and vacuolar membrane of plant cells have been identified and characterized by patch clamping. Primarily owing to advances in Arabidopsis genetics and genomics, and yeast functional complementation, many of the corresponding genes have been identified. Recent advances in our understanding of ion channel genes that mediate signal transduction and ion transport are discussed here. Some plant ion channels, for example, ALMT and SLAC anion channel subunits, are unique. The majority of plant ion channel families exhibit homology to animal genes; such families include both hyperpolarization- and depolarization-activated Shaker-type potassium channels, CLC chloride transporters/channels, cyclic nucleotide-gated channels, and ionotropic glutamate receptor homologs. These plant ion channels offer unique opportunities to analyze the structural mechanisms and functions of ion channels. Here we review gene families of selected plant ion channel classes and discuss unique structure-function aspects and their physiological roles in plant cell signaling and transport.

Profilin Binding to Poly-l-Proline and Actin Monomers along with Ability to Catalyze Actin Nucleotide Exchange Is Required for Viability of Fission Yeast

We tested the ability of 87 profilin point mutations to complement temperature-sensitive and null mutations of the single profilin gene of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. We compared the biochemical properties of 13 stable noncomplementing profilins with an equal number of complementing profilin mutants. A large quantitative database revealed the following: 1) in a profilin null background fission yeast grow normally with profilin mutations having >10% of wild-type affinity for actin or poly-l-proline, but lower affinity for either ligand is incompatible with life; 2) in the cdc3-124 profilin ts background, fission yeast function with profilin having only 2–5% wild-type affinity for actin or poly-l-proline; and 3) special mutations show that the ability of profilin to catalyze nucleotide exchange by actin is an essential function. Thus, poly-l-proline binding, actin binding, and actin nucleotide exchange are each independent requirements for profilin function in fission yeast.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

Cloning the human and mouse MMS19 genes and functional complementation of a yeast mms19 deletion mutant

The MMS19 gene of the yeast Saccharomyces cerevisiae encodes a polypeptide of unknown function which is required for both nucleotide excision repair (NER) and RNA polymerase II (RNAP II) transcription. Here we report the molecular cloning of human and mouse orthologs of the yeast MMS19 gene. Both human and Drosophila MMS19 cDNAs correct thermosensitive growth and sensitivity to killing by UV radiation in a yeast mutant deleted for the MMS19 gene, indicating functional conservation between the yeast and mammalian gene products. Alignment of the translated sequences of MMS19 from multiple eukaryotes, including mouse and human, revealed the presence of several conserved regions, including a HEAT repeat domain near the C-terminus. The presence of HEAT repeats, coupled with functional complementation of yeast mutant phenotypes by the orthologous protein from higher eukaryotes, suggests a role of Mms19 protein in the assembly of a multiprotein complex(es) required for NER and RNAP II transcription. Both the mouse and human genes are ubiquitously expressed as multiple transcripts, some of which appear to derive from alternative splicing. The ratio of different transcripts varies in several different tissue types.

Complementation of the beige mutation in cultured cells by episomally replicating murine yeast artificial chromosomes.

Chédiak-Higashi syndrome in man and the beige mutation of mice are phenotypically similar disorders that have profound effects upon lysosome and melanosome morphology and function. We isolated two murine yeast artificial chromosomes (YACs) that, when introduced into beige mouse fibroblasts, complement the beige mutation. The complementing YACs exist as extrachromosomal elements that are amplified in high concentrations of G418. When YAC-complemented beige cells were fused to human Chédiak-Higashi syndrome or Aleutian mink fibroblasts, complementation of the mutant phenotype also occurred. These results localize the beige gene to a 500-kb interval and demonstrate that the same or homologous genes are defective in mice, minks, and humans.

An Arabidopsis syntaxin homologue isolated by functional complementation of a yeast pep12 mutant.

The syntaxin family of integral membrane proteins are thought to function as receptors for transport vesicles, with different isoforms of this family localized to various membranes throughout the cell. The yeast Pep12 protein is a syntaxin homologue which may function in the trafficking of vesicles from the trans-Golgi network to the vacuole. We have isolated an Arabidopsis thaliana cDNA by functional complementation of a yeast pep12 mutant. The Arabidopsis cDNA (aPEP12) potentially encodes a 31-kDa protein which is homologous to yeast Pep12 and to other members of the syntaxin family, indicating that this protein may function in the docking or fusion of transport vesicles with the vacuolar membrane in plant cells. Northern blot analysis indicates that the mRNA is expressed in all tissues examined, although at a very low level in leaves. The mRNA is found in all cell types in roots and leaves, as shown by in situ hybridization experiments. The existence of plant homologues of proteins of the syntaxin family indicates that the basic vesicle docking and fusion machinery may be conserved in plants as it is in yeast and mammals.

The complementation of yeast with human or Plasmodium falciparum Hsp90 confers differential inhibitor sensitivities

Developing novel drugs against the unicellular parasite Plasmodium is complicated by the paucity of simple screening systems. Heat-shock proteins are an essential class of proteins for the parasite's cyclical life style between different cellular milieus and temperatures. The molecular chaperone Hsp90 assists a large variety of proteins, but its supporting functions for many proteins that are important for cancer have made it into a well-studied drug target. With a better understanding of the differences between Hsp90 of the malarial parasite and Hsp90 of its human host, new therapeutic options might become available. We have generated a set of isogenic strains of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae where the essential yeast Hsp90 proteins have been replaced with either of the two human cytosolic isoforms Hsp90 alpha or Hsp90 beta, or with Hsp90 from Plasmodium falciparum (Pf). All strains express large amounts of the Flag-tagged Hsp90 proteins and are viable. Even though the strain with Pf Hsp90 grows more poorly, it provides a tool to reconstitute additional aspects of the parasite Hsp90 complex and its interactions with substrates in yeast as a living test tube. Upon exposure of the set of Hsp90 test strains to the two Hsp90 inhibitors radicicol (Rd) and geldanamycin (GA), we found that the strain with Pf Hsp90 is relatively more sensitive to GA than to Rd compared to the strains with human Hsp90's. This indicates that this set of yeast strains could be used to screen for new Pf Hsp90 inhibitors with a wider therapeutic window.

Interactions between the budding yeast IQGAP homologue Iqg1p and its targets revealed by a split-EGFP bimolecular fluorescence complementation assay.

A split-EGFP based bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assay has been used to detect interactions between the Saccharomyces cerevisiae cytoskeletal scaffolding protein Iqg1p and three targets: myosin essential light chain (Mlc1p), calmodulin (Cmd1p) and the small GTPase Cdc42p. The format of the BiFC assay used ensures that the proteins are expressed at wild type levels thereby avoiding artefacts due to overexpression. This is the first direct in vivo detection of these interactions; in each case, the complex is localised to discrete regions of the yeast cytoplasm. The labelling with EGFP fragments results in changes in growth kinetics, cell size and budding frequency. This is partly due to the reassembled EGFP locking the complexes into essentially permanent interactions. The consequences of this for Iqg1p interactions and BiFC assays in general are discussed. (c) 2008 International Federation for Cell Biology. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

eIF5A has a function in the elongation step of translation in yeast

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)