Η αδειοδότηση της αντιγραφής αποτελεί μία ιδιαίτερα σημαντική διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής με το σχηματισμό του προ-αντιγραφικού συμπλόκου, που περιλαμβάνει το ORC, το Cdc6, το Cdt1 καθώς και τις MCM 2-7. Η συγκεκριμένη διαδικασία, πραγματοποιείται μία φορά σε κάθε κυτταρικό κύκλο, κατά τη μετάβαση από την M φάση στη G1. Οι παράγοντες που συμμετέχουν υπόκεινται σε εκτεταμένη ρύθμιση προκειμένου να εξασφαλιστεί η απουσία επαναντιγραφής και γονιδιωματικής αστάθειας. Η πρωτεόλυση μορίων που συμμετέχουν στον κυτταρικό κύκλο αποτελεί έναν από τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για τη ρύθμιση των επιπέδων διαφόρων παραγόντων. Το CRL4Cdt2 αποτελεί μία Ε3 λιγάση της ουβικουϊτίνης, η οποία είναι επιφορτισμένη με τη ρύθμιση των επιπέδων του αδειοδοτικού παράγοντα της αντιγραφής Cdt1 κατά την S φάση καθώς και μετά από βλάβες στο γενετικό υλικό. H συγκεκριμένη διαδικασία έχει διαπιστωθεί πως λαμβάνει χώρα σε όλα τα μετάζωα, καθώς και στον σχιζοσακχαρομύκητα. Μεταξύ των υποστρωμάτων του Cdt2 περιλαμβάνονται επίσης το Set8 και το p21. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκε μελέτη των περιοχών της πρωτεΐνης Cdt2 που είναι υπεύθυνες για τη στρατολόγηση της στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης στο γενετικό υλικό. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε καρκινικά κύτταρα MCF7 που υπέστησαν εντοπισμένη βλάβη στο γενετικό υλικό με UV-C ακτινοβόληση και χρήση ειδικών πολυκαρβονικών φίλτρων με μικροπόρους. Για τη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν φορείς που εκφράζουν το αμινο-τελικό (2-417αα) και το καρβοξυ-τελικό (390-730αα) άκρο της πρωτεΐνης, καθώς και ένα μετάλλαγμα ολόκληρης της πρωτεΐνης όπου 6 SQ θέσεις που εντοπίζονται καρβοξυ-τελικά έχουν μεταλλαχθεί σε αλανίνες και δεν μπορούν να φωσφορυλιωθούν από τις ATM/ATR κινάσες. Μετά τη διεξαγωγή των πειραμάτων συσσώρευσης, διαπιστώθηκε πως στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης στρατολογούνται μόνο το Cdt2 6A(SQ) και Cdt2 (390-730). Ωστόσο, η συσσώρευση τους παρουσιάζεται ελαφρώς ασθενέστερη σε σχέση με την πρωτεΐνη αγρίου τύπου. Η συγκεκριμένη παρατήρηση καταδεικνύει πως στην περίπτωση του Cdt2 6A(SQ) η φωσφορυλίωση στις συγκεκριμένες SQ θέσεις είναι σημαντική για τη συσσώρευση της πρωτεΐνης στην περιοχή της βλάβης. Η στρατολόγηση του Cdt2 (390-730) στην περιοχή της βλάβης, συνιστά μία σημαντική παρατήρηση, η οποία υποδεικνύει ότι η πρωτεΐνη Cdt2 διατηρεί την ικανότητα συσσώρευσης στην περιοχή της βλάβης, παρά την απουσία των αλληλουχιών που βρίσκονται στο αμινο-τελικό άκρο και συμμετέχουν στην αλληλεπίδραση με τα υποστρώματα αλλά και στο σχηματισμό του συμπλόκου της λιγάσης. Προκειμένου να μελετηθεί η κινητική στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης των μεταλλαγμάτων που παρουσιάζουν συσσώρευση, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της επαναφοράς φθορισμού μετά από φωτολεύκανση (FRAP). Τα αποτελέσματα, κατέδειξαν πως τόσο στα κύτταρα χωρίς βλάβη, αλλά και σε αυτά με εντοπισμένη βλάβη υπάρχει παρόμοια κινητική μεταξύ της πρωτεΐνης αγρίου τύπου και των δύο μεταλλαγμάτων. Έτσι, η ύπαρξη μεταλλάξεων σε 6 SQ θέσεις στην περίπτωση του Cdt2 6A(SQ), αλλά και η απώλεια των αμινοτελικών αλληλουχιών στο Cdt2 (390-730) δεν μεταβάλλουν την κινητική στην περιοχή της βλάβης. Τέλος, έγινε μελέτη της συμβολής της φωσφορυλίωσης από τις ATM/ATR κινάσες, στη συσσώρευση στην περιοχή της βλάβης. Γι’ αυτό το λόγο έγινε χρήση της καφεΐνης, που αποτελεί αναστολέα των συγκεκριμένων κινασών. Τα αποτελέσματα, κατέδειξαν πως υπάρχει πολύ ασθενέστερη συσσώρευση στη συγκεκριμένη περίπτωση σε σχέση με την πρωτεΐνη αγρίου τύπου και το Cdt2 6A(SQ). Με αυτό τον τρόπο υποδεικνύεται πως η φωσφορυλίωση σε όλες τις SQ θέσεις του μορίου, είναι σημαντική για τη συσσώρευση του στην περιοχή της βλάβης. / Replication licensing is a crucial process which takes place at the origins of replication. It involves the formation of the pre-replicative complex consisting of ORC, Cdc6, Cdt1 and MCM 2-7. This process takes place during the late M to early G1 transition and happens only once per cell cycle. The tight regulation of the factors that participate in replication licensing prevents rereplication and genomic instability. Proteolysis is a central mechanism of the cell cycle which is important for the regulation of several factors. CRL4Cdt2 is an E3 ubiquitin ligase important for the regulation of the licensing factor Cdt1 during S phase and post DNA damage. It is known that the ubiquitination of Cdt1 by Cdt2 happens in all metazoans and in fission yeast. Set8 and p21 are also substrates of Cdt2. In this study, we investigated the domains of Cdt2 which are important for its recruitment at sites of localized DNA damage. To this end, we employed MCF7 cancer cells which were UV irradiated with polycarbonate filters with micropores. We used plasmids containing N-terminal (2-417aa) and C-terminal (390-730aa) constructs of the protein and a mutant of the entire protein containing alanine substitutions in 6 SQ sites located at the C-terminus of the protein which cannot be phosphorylated by the ATM/ATR kinases. The recruitment experiments indicated that only in the case of Cdt2 (390-730) and Cdt2 6A(SQ) there is recruitment at the site of localized DNA damage. However the recruitment in both cases was weaker compared to the wild type protein. In the case of Cdt2 6A(SQ) this observation indicates the importance of the phosphorylation of the six SQ sites for the recruitment of the protein at the site of damage. Cdt2 (390-730) recruitment indicates that Cdt2 can still get recruited at the site of damage even though it lacks motifs important for the recognition of the substrate and the formation of the ligase complex. In order to study the kinetics of the protein constructs that exhibit recruitment at the site of localized DNA damage we employed Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). The results showed that the kinetics of the constructs were similar to the wild type in undamaged cells and in cells with localized damage. This shows that the lack of phosphorylation of 6 SQ sites of Cdt2 6A(SQ) and the loss of the N-terminal motifs of Cdt2 (390-730) are not sufficient to cause any difference in the kinetics at the site of damage. Finally, we wanted to investigate the importance of the phosphorylation by the ATM/ATR kinases for the recruitment of Cdt2 at the sites of localized DNA damage. To this end, we employed the ATM/ATR inhibitor caffeine and we tracked the recruitment at the site of damage. The results showed that the recruitment was weaker compared to the wild type Cdt2 and the Cdt2 6A(SQ). This indicates the importance of the phosphorylation of the 9 SQ sites across the protein for the recruitment at the site of damage.

The E3 ubiquitin ligase \(CRL4^{Cdt2}\) targets proteins for destruction during DNA replication and following DNA damage (Havens and Walter, 2011). Its substrates contain "PIP degrons" that mediate substrate binding to the processivity factor PCNA at replication forks and damage sites. The resulting PCNA-PIP degron complex forms a docking site for \(CRL4^{Cdt2}\), which ubiquitylates the substrate on chromatin. Several \(CRL4^{Cdt2}\) substrates are known, including Cdt1, multiple CDK inhibitors, Drosophila E2f1, human Set8, S. pombe Spd1, and C. elegans \(Pol\eta\) (Havens and Walter, 2011). An emerging theme is that \(CRL4^{Cdt2}\) targets proteins whose presence in S phase is toxic. Here, I used Xenopus egg extract to characterize a new \(CRL4^{Cdt2}\) substrate, thymine DNA glycosylase (TDG). TDG is a base excision repair protein that targets G-U and G-T mispairs, which arise from cytosine and 5-methylcytosine deamination (Cortazar et al., 2007). Thus, TDG may function in epigenetic gene regulation via DNA demethylation, in addition to its canonical DNA repair function. A yet unknown E3 ubiquitin ligase triggers TDG destruction during S phase (Hardeland et al., 2007). Understanding TDG proteolysis in S phase is relevant to the regulation of DNA replication, DNA repair, and epigenetic control of gene expression. I discovered that TDG contains a variant of the "PIP degron" consensus and that TDG is ubiquitylated and destroyed in a PCNA-, Cdt2-, and degron-specific manner during DNA repair and DNA replication in Xenopus egg extract. I further characterized what features of TDG contribute to its proteolysis. Interestingly, I could not identify any defects during DNA replication or during Xenopus embryonic development in response to a non-degradable form of TDG. Additionally, I examined how interactions between \(CRL4^{Cdt2}\) and multiple subunits of the PCNA homotrimer contribute to \(CRL4^{Cdt2}\) function. In a popular model, PCNA functions as a "tool belt" on DNA, binding three separate proteins through its individual subunits to facilitate rapid exchange of DNA replication and repair proteins as they are needed on DNA. To address this model, I generated a single chain polypeptide with three PCNA subunits connected through flexible linker sequences. I used this tool to determine how multiple PCNA subunits contribute to \(CRL4^{Cdt2}\) function. I found that a single wildtype subunit is sufficient for modest destruction of the \(CRL4^{Cdt2}\) substrate Cdt1, but complete Cdt1 destruction requires two separate wildtype subunits. Additionally, a single subunit was sufficient for leading strand elongation, challenging the "tool belt" model during DNA replication. I also discuss implications and future use of the single-chain PCNA.