Η χρήση της βιοπληροφορικής σε βιολογικά δεδομένα υψηλής απόδοσης είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για τη δημιουργία νέα γνώσης. Στην παρούσα εργασία αναλύεται ένα σύνολο δεδομένων που αφορά στα σημεία έναρξης της αντιγραφής (αφετηρίες) στο ζυμομύκητα Schizosaccharomyces pombe, όπως αναγνωρίστηκαν από πειράματα μικροσυστοιχιών που κάλυπταν όλο το μήκος του γονιδιώματος του οργανισμού (full genome). Οι αντιγραφή ξεκινάει από μεγάλο αριθμό αφετηριών οι οποίες βρίσκονται διάσπαρτες σε όλο το γονιδίωμα και μέχρι τώρα οι περισσότερες μελέτες των χαρακτηριστικών των αφετηρίων είχαν πραγματοποιηθεί για περιορισμένο αριθμό αυτών. Στην εργασία αυτή αναλύονται για πρώτη φορά τα χαρακτηριστικά του συνόλου των αφετηριών του S. pombe με σκοπό να διαπιστωθεί ποια χαρακτηριστικά καθορίζουν πότε μια περιοχή του γονιδιώματος μπορεί να δράσει ως αφετηρία αντιγραφής. Από την ανάλυση αυτή προκύπτει ότι: 1. Οι αφετηρίες έχουν υψηλότερο μέγιστο περιεχόμενο ΑΤ από άλλες γονιδιωματικές περιοχές. 2. Οι αφετηρίες εντοπίζονται κατά προτίμηση σε μεγάλες διαγονιδιακές περιοχές ανάμεσα σε αποκλίνουσες μεταγραφικές μονάδες. 3. Η ασυμμετρία κατανομής Α και Τ ενδέχεται να αποτελεί δείκτη των αφετηριών. 4. Η απόδοση έχει συσχέτιση με το περιεχόμενο ΑΤ. / Use of Bioinformatics in high-throughput biological data is a promising approach for creation of new knowledge. In this work we analyze a dataset that concerns origins of DNA replication initiation in the yeast Schizosaccharomyces pombe, that were identified through full genome microarray experiments. DNA replication starts from a large number of origins that span the entire genome and until recently most studies of origins of replication have been carried out only for a limited number of them. Here we analyze for the first time the properties of the entire dataset of origins of replication in S. pombe in order to find out which specific properties define which genomic location can function as an origin of replication. From this analysis we found that: 1. Origins of replication have higher maximum AT (adenine-thymine) content than other genomic locations. 2. Origins of replication are found preferentially in large genomic locations between divergent transcriptional units. 3. AT asymmetry might be a marker of origins of replication. 4. The origin of replication firing efficiency is correlated with AT content.

Η διατήρηση της γονιδιωματικής ακεραιότητας είναι απαραίτητη για την επιβίωση των κυττάρων και κατ’ επέκταση των οργανισμών. Δύο είναι οι κύριοι παράγοντες που συμβάλλουν στην διαφύλαξη της σταθερότητας του γονιδιώματος: η ορθή διεξαγωγή της αντιγραφής, που είναι σημαντική για την, χωρίς λάθη, μεταβίβαση του γενετικού υλικού από γενιά σε γενιά και η ανάπτυξη μηχανισμών επιδιόρθωσής του σε περίπτωση παρουσίας βλαβών. Ανάμεσα στα μόρια που συμμετέχουν στις δύο παραπάνω κυτταρικές διεργασίες, συγκαταλέγεται και ένα από τα πέντε μέλη της εξελικτικά συντηρημένης οικογένειας των RecQ ελικασών, η RecQ4 ελικάση. Η RecQ4 είναι συνδεδεμένη με την εμφάνιση του συνδρόμου προγηρίας Rothmund-Thomson και ξεχωρίζει από τα άλλα μέλη της οικογένειας στο ότι, πέραν του ρόλου της στην επιδιόρθωση του γενετικού υλικού, είναι απαραίτητη για την έναρξη της αντιγραφής του DNA. Η μελέτη του συγκεκριμένου μορίου στον άνθρωπο παρουσιάζει δυσκολίες λόγω της περιπλοκότητας του συστήματος. Στον Σχιζοσακχαρομύκητα, η ομόλογη πρωτεΐνη της RecQ4, Hrq1, αναγνωρίστηκε πρόσφατα και τα δεδομένα που έχουμε για την δράση της είναι περιορισμένα. Η μελέτη της Hrq1 στο απλούστερο σύστημα του Σχιζοσακχαρομύκητα θα διαλευκάνει τον άγνωστο, μέχρι στιγμής, ρόλο της στον οργανισμό αυτό ενώ παράλληλα θα βοηθήσει στην κατανόηση του ακριβή ρόλου του ανθρώπινου ομολόγου της. Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας μελετήθηκε ο ρόλος της Hrq1 ελικάσης στη διαδικασία της αντιγραφής, μέσω παρατήρησης φαινοτυπικών αλλαγών που παρουσιάζουν τα κύτταρα που φέρουν απαλοιφή της ελικάσης σε σχέση με κύτταρα αγρίου τύπου. Επίσης, διερευνήθηκαν αλληλεπιδράσεις της Hrq1 με μόρια που σχετίζονται με την διαδικασία της αντιγραφής στον Σχιζοσακχαρομύκητα, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της συνανοσοκατακρήμνησης. Στο δεύτερο μέρος, μελετήθηκε η δράση της ελικάσης στη διαδικασία της επιδιόρθωσης και πιο συγκεκριμένα στην επιδιόρθωση βλαβών που προκαλούνται από το αντικαρκινικό φάρμακο cisplatin, χρησιμοποιώντας και πάλι φαινοτυπική ανάλυση. Τέλος, ελέγχθηκαν πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις της Hrq1, που μπορεί να σχετίζονται με τη ρύθμιση της έκφρασής της in vivo. / The maintenance of genome integrity is essential for cell survival and therefore for survival of the organism. There are two major factors contributing to the preservation of genome stability: acurate DNA replication, which is important for the intact transfer of the genome to the next generation and DNA repair mechanisms, which act in the presence of DNA damage.There are many different molecules involved in the aforementioned cellular processes, including a helicase called, RecQ4. This enzyme belongs to the evolutionarily conserved family of RecQ helicases and is one of the five members of the family, in humans. RecQ4 is linked to Rothmund-Thomson premature aging syndrome and it is unique amongst RecQ helicases in being required for the normal initiation of DNA replication. Studying RecQ4 in humans has difficulties, because of the complexity of the system. In fission yeast, the RecQ4 homologue, called Hrq1, has been recently recognized as a member of the family and there is limited evidence, concerning its function. The study of Hrq1 in a model system, like fission yeast, will not only elucidate its role in this organism, but will also assist in understanding the role of its human orthologue. In the first part of this study we determined the role of Hrq1 helicase in DNA replication, by observing phenotypic changes in cells bearing the helicase deletion, compared to wild-type cells. We, also, investigated protein-protein interactions between Hrq1 and molecules related to the process of DNA replication in Schizosaccharomyces pombe, using co-immunoprecipitation. In the second part, the role of Hrq1 in DNA damage repair was investigated. Specifically, we examined how Hrq1 affects the cellular response to cisplatin, using phenotypic analysis. Finally, we looked into protein-protein interactions of Hrq1, that are related to the regulation of its expression in vivo.

Η αδειοδότηση της αντιγραφή του DNA συνίσταται στη συγκρότηση προαντιγραφικών συμπλόκων στη χρωματίνη, στα οποία μετέχουν οι πρωτεΐνες ORC, Cdt1, Cdc6 και MCM2-7. Η πρωτεΐνη Cdt1 αποικοδομείται μετά από βλάβη στο DNA και ενδέχεται να συνδέει το σύστημα αδειοδότησης και το σύστημα απόκρισης σε βλάβη στο DNA. Στη διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των συστημάτων αδειοδότησης και απόκρισης σε βλάβη στο DNA με μεθόδους λειτουργικής μικροσκοπίας σε ανθρώπινα κύτταρα, εστιάζοντας στους παράγοντες αδειοδότησης Cdt1 και MCM4. Ο παράγοντας Cdt1 μελετήθηκε μετά από καθολική και εντοπισμένη έκθεση ανθρώπινων κυττάρων σε υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Δείχθηκε ότι ακτινοβόληση με UV οδηγεί στην αποικοδόμηση του παράγοντα Cdt1 σε διαφορετικές κυτταρικές σειρές. Ο χρόνος αποικοδόμησης της πρωτεΐνης Cdt1 όμως διαφοροποιείται σημαντικά ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο και συγκεκριμένα παρουσιάζει καθυστέρηση στην κυτταρική σειρά καρκινώματος μαστού MCF7 σε σχέση με άλλες καρκινικές σειρές (HeLa, U2OS) και φυσιολογικούς ανθρώπινους ινοβλάστες. Μελέτη της πρωτεΐνης Cdt1 στο χώρο μετά από εντοπισμένη ακτινοβόληση μιας μικρής υποπεριοχής του πυρήνα έδειξε ότι η πρωτεΐνη Cdt1 συσσωρεύεται στην περιοχή της βλάβης από υπεριώδη ακτινοβολία πριν από την αποικοδόμηση της. Παράλληλα, παρατηρήθηκε συσσώρευση στην περιοχή της βλάβης από UV των πρωτεϊνών PCNA, Cdt2 (συστατικό του Cul4-DDB1Cdt2 συστήματος ουβικουιτίνωσης, που είναι υπεύθυνο για την αποικοδόμηση του παράγοντα Cdt1), καθώς και της πρωτεΐνης p21 που στοχεύεται από το ίδιο σύστημα. Πειράματα επαναφοράς φθορισμού σε ζωντανά κύτταρα (Fluorescence Recovery After Photobleaching, FRAP) έδειξαν ότι στις περιοχές εντοπισμένης ακτινοβόλησης με UV οι πρωτεΐνες Cdt1, Cdt2, PCNA και p21 εμφανίζουν τροποποιημένη κινητική συμπεριφορά. Πειράματα αποσιώπησης της έκφρασης της πρωτεΐνης Cdt1 ανέδειξαν έναν ανασταλτικό ρόλο για το Cdt1 στο μονοπάτι επιδιόρθωσης διπλών θραύσεων με ομόλογο ανασυνδυασμό κατά τη διάρκεια της G1 φάσης. Στο δεύτερο μέρος αυτής της εργασίας, εισάγαμε μια νέα in vivo μέθοδο μελέτης της αδειοδότησης που στηρίζεται στην εφαρμογή της FRAP τεχνικής σε MCF7 κύτταρα σταθερά διαμολυσμένα με την πρωτεΐνη MCM4 σημασμένη με την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη GFP (GFP-MCM4). Η μέθοδος αυτή επιτρέπει τη μελέτη της κινητικής συμπεριφοράς της πρωτεΐνης MCM4 σε ζωντανά κύτταρα και σε πραγματικό χρόνο. Δείχθηκε ότι το σύστημα αναπαράγει τη λειτουργία της ενδογενούς MCM4 πρωτεΐνης και μπορεί να διακρίνει επιτυχώς μεταξύ αδειοδοτημένης και μη κατάστασης. Ακολούθως, το σύστημα χρησιμοποιήθηκε για να μελετηθεί η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας στην αδειοδότηση της χρωματίνης για αντιγραφή. Διαπιστώθηκε ότι επίδραση με υπεριώδη ακτινοβολία οδηγεί σε μείωση του κλάσματος της MCM4 που είναι προσδεδεμένο στη χρωματίνη. Περαιτέρω μέλετη έδειξε ότι η μείωση αυτή παρουσιάζεται στη φάση G1 του κυτταρικού κύκλου και περιορίζεται στην περιοχή της βλάβης, δείχνοντας ότι αποτελεί εντοπισμένη απόκριση του κυττάρου στην ύπαρξη βλάβης. Συμπερασματικά, η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή ανέδειξε την αλληλεπίδραση των συστημάτων αδειοδότησης της αντιγραφής του DNA και της κυτταρικής απόκρισης σε βλάβη στο DNA και εισήγαγε μια νέα μέθοδο μελέτης της αδειοδότησης της αντιγραφής του DNA. Μελετήθηκαν οι παράγοντες του συστήματος αδειοδότησης Cdt1 και MCM4, οι οποίοι αποκρίνονται στη βλάβη στο DNA, με το Cdt1 να παίζει ρόλο στην επιλογή επιδιορθωτικού μηχανισμού μετά από πρόκληση βλάβης διπλών θραύσεων του DNA και την πρωτεΐνη MCM4 να εμφανίζει μειωμένη πρόσδεση στη χρωματίνη στην περιοχή της βλάβης μετά από ακτινοβόληση με UV. / Licensing DNA for replication involves the formation of pre-replicative complexes on chromatin, consisting of the proteins ORC, Cdt1, Cdc6 and MCM2-7. Cdt1 is degraded following DNA damage and this suggests a regulatory crosstalk between DNA licensing and DNA damage response (DDR) systems. Here the molecular interplay between these two systems was studied in human cell cultures. The kinetics of Cdt1 degradation in response to UV irradiation was shown to differ in different human cell lines, exhibiting a delay in MCF7 cells in comparison to HeLa, U2OS and human fibroblasts, which implies a difference in the DDR sensitivity of these cells. By studying the spatial regulation of Cdt1 in response to localized DNA damage, the accumulation of Cdt1 in UV irradiated sites prior to its degradation was recorded. Proteins participating in the degradation of Cdt1 through ubiquitin dependent proteolysis (PCNA and Cdt2), as well as protein p21 which is targeted by the same ubiquitin ligase following DNA damage, were also shown to accumulate at UV irradiated sites. Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) experiments showed that Cdt1, Cdt2, PCNA and p21 exhibit altered kinetics at UV irradiated sites. Silencing of Cdt1 expression revealed an inhibitory role of Cdt1 in the repair of double strand breaks through homologous recombination during the G1 phase of the cell cycle. In the second part of this thesis, we introduced an in vivo licensing assay based on FRAP in MCF7 cells stably expressing MCM4 tagged with the Green Fluorescent Protein (GFP). This assay allows the study of the kinetic behaviour of MCM4 in live cells and in real time. A plasmid expressing GFP-MCM4 was constructed and MCF7 cells stably expressing this plasmid were produced. The GFP-MCM4 cell line was further characterized to ensure a correct cell cycle profile, GFP-MCM4 levels, subcellular localization, interactions with other MCM proteins and binding to chromatin. FRAP experiments on the stable GFP-MCM4 cells verified that the assay could successfully distinguish between licensed and unlicensed state. Using this assay, the effect of UV irradiation on MCM4 kinetics was studied. UV irradiation led to a decrease in the fraction of MCM4 binding to chromatin. This effect was more profound in middle G1 phase and was restricted to the site of UV irradiation. In conclusion, this thesis addressed the interaction of DNA licensing and DNA damage response systems and introduced an in vivo DNA licensing assay. Licensing proteins Cdt1 and MCM4 were shown to respond to DNA damage, with Cdt1 affecting the double strand break repair choice pathway and MCM4 exhibiting reduced chromatin binding following UV irradiation.