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DNA double strand breaks (DSB) are the most toxic of all types of DNA lesions. In Saccharomyces cerevisiae, DNA DSBs are predominantly repaired by the homologous recombination repair (HRR) pathway. The initial step of HRR requires extensive processing of DNA ends from the 5' to 3' direction by specific endo-exonuclease(s) (EE) at the DSB sites, but no endo-exonuclease(s) has yet been conclusively determined for such processing of DSBs. S. cerevisiae TRM2/RNC1 is a candidate endo-exonuclease that was previously implicated for its role in the HRR pathway and was also shown to have methyl transferase activity primarily located at its c-terminus. / In this dissertation, we provided compelling biochemical and genetic evidence that linked TRM2/RNC1 to the DNA end processing role in HRR. Trm2/Rnc1p purified with a small calmodulin binding peptide (CBP) tag displayed single strand (ss) specific endonuclease and double strand (ds) specific 5' to 3' exonuclease activity characteristic of endo-exonucleases involved in HRR. Intriguingly, purified Trm2/Rnc1p deleted for its C-terminal methyl transferase domain retained its nuclease activity but not the methyl transferase activity indicating that the C-terminal part responsible for its methyl transferase function is not required for its nuclease activity. / Our genetic and functional studies with S. cerevisiae trm2/rnc1 single mutants alone or in combination with other DNA DSB repair mutants after treatment with the DNA damaging drug methyl methane sulfonate (MMS) or IR that is believed to produce DSBs, or with specific induction of DNA DSBs at the MAT locus by HO-endonuclease demonstrated an epistatic relationship of TRM2/RNC1 with the major recombination factor RAD52. These studies suggested that TRM2/RNC1 probably acts at an earlier step than RAD52 in the HRR pathway. The genetic evidence also indicated a possible functional redundancy with the bona fide endo-exonuclease EXO1 in the processing of DNA ends at the DSB sites. / In a recent report, the immuno-purified mouse homologue of TRM2/RNC1 exhibited similar enzymatic properties as the endo-exonucleases involved in HRR. A small molecular inhibitor pentamidine specifically inhibited the nuclease activity of the mouse EE and sensitized various cancer cells to DNA damaging agents commonly used in cancer chemotherapy. We specifically suppressed expression of the mouse EE using small interfering RNA (siRNA) that conferred sensitivity of B16F10 melanoma cells to a variety of DNA damaging drugs often used in cancer treatment. This further validated our earlier claim of the endo-exonuclease as a potential therapeutic target in treating cancer.

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Thesis (Ph.D. in Biochemistry) -- University of Colorado, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 153-171). Free to UCDHSC affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;

Vivant à des températures supérieures à 80°C, les archées hyperthermophiles ont démontré une capacité étonnante à se remettre de dommages dans leur ADN, suggérant la présence de gardiens du génome particulièrement efficaces. Ces gardiens, des protéines relativement similaires entre archées et eucaryotes, agissent et interagissent dans un ballet savamment orchestré par la cellule. Chez les archées, plusieurs protéines impliquées dans des voies essentielles à la réparation de I'ADN manquent à I'appel. Précédemment au laboratoire un réseau impliquant les protéines de la maintenance génomique de Pyrococcus abyssi a dévoilé de nouvelles interactions protéine-protéine. Décrire l'interaction pour mieux comprendre sa fonction, voici la démarche suivie et présentée dans ce manuscrit pour les duos: PCNA/Mrell-Rad50 et MCM/XPD. Pour la première fois chez Pyrococcus furiostts une interaction physique et fonctionnelle a été démontrée entre PCNA, le maestro de la réplication, et Mrell-Rad50, le complexe de la recombinaison. Pour la seconde étude, la caractérisation de l'hélicase réplicative MCM de P. abyssi a été menée via une approche biophysique basée sur des techniques de fluorescence. Les difficultés rencontrées durant la production de son partenaire potentiel XPD, n'ont toutefois pu permettre la caractérisation de leur interaction. Plus généralement ces interactions s'inscrivent dans un contexte où le couplage de la réplication avec des processus de réparation trouve son importance particulièrement chez les archées de l'extrême, archées qui se révèlent être de passionnants modèles pour l'étude des mécanismes de la maintenance génomique. / Living at temperatures above 80°C, hyperthermophilic Archaea demonstrated amazing capacity to recover from DNA damages, suggesting they arguably have efficient genome guardians. These guardians, proteins which are relatively similar between Archaea and eukaryotes, act and interact like a ballet orchestrated by the cell. Several proteins involved in essential repair pathway in eukaryotes are missing in Archaea. To gain insights into archaeal genome maintenance processes, a previous work proposed a protein-protein interaction network based on Pyrococcus abyssi proteins. Through this network, new interactions involving proteins from DNA replication and proteins from DNA repair were highlighted. To describe interactions for a better understanding of their functions, was the aim of the work presented here for two protein interactions: PCNA/Mrell-Rad50 and MCM/XPD. For the first time in Pyrococcusfuriosus, we demonstrated both physical and functional interplay between PCNA, the replication maestro, and Mrell-Rad50, a complex involved in recombination process. For the second studied interaction, we used a biophysics approach based on fluorescent technics to characterise helicase activity of P.abyssi MCM. As several problems were encountered for XPD production, we did not characterise the helicase interaction. These two interactions are part of a more general context, where combined DNA replication and DNA repair processes could be important, especially for extremophile Archaea, Archaea which are amazing study models for understanding molecular processes ensuring genome integrity.

Les archées hyperthermophiles ont une température optimale de croissance supérieure à 80°C.Les cellules exposées à un stress thermique subissent une augmentation de la sensibilité aux agents induisant des cassures double brin de l’ADN. Les études sur les eucaryotes et bactéries ont démontré que la recombinaison homologue joue un rôle essentiel non seulement dans la réparation de l’ADN, mais aussi dans le redémarrage des arrêts de la fourche de réplication. Les enzymes associées aux étapes initiales de la recombinaison homologue chez les archées sont homologues à celles des eucaryotes, et différentes des analogues bactériens. De plus, plusieurs études ont démontré que les protéines impliquées dans la recombinaison homologue sont essentielles chez les archées hyperthermophiles, soulignant l’importance biologique de cette voie de réparation chez ces organismes particuliers. Le rôle de la recombinaison homologue pour la stabilité génomique a été bien étudié chez les eucaryotes et les bactéries, cependant, peu de ses propriétés fonctionnelles ont été étudiées chez les archées hyperthermophiles. Pour mieux comprendre le mécanisme de recombinaison homologue impliquée au niveau de la maintenance génomique chez les archées, un réseau d’interactions protéine-protéines a été révélé précédemment au laboratoire à partir des protéines de Pyrococcus abyssi. Ces travaux ont démontré de nouvelles interactions où interviennent les protéines de la réplication et les protéines de la recombinaison de l’ADN. L’objet de cette étude de thèse est de présenter deux interactions : PCNA/Mre11-rad50 (MR) complexe et Primase/RadA. Pour la première fois chez P. furiosus, une interaction physique et fonctionnelle a été démontrée entre le PCNA et le complexe MR (l’initiateur de HR). Un motif, situé en position Cterminale de Mre11, permet l’interaction avec PCNA.PCNA stimule l’activité endonucléase du complexe MR à distance proche de l’extrémité 5’ d’une cassure double brin. Cette propriété est en accord avec l’intervention ultérieure des enzymes assurant la suite du mécanisme de réparation par recombinaison homologue. Par ailleurs, les protéines RadA, Primase et P41 ont été produites et purifiées. Leurs fonctions enzymatiques ont été confirmées. Cependant, nous n’avons pas pu caractériser la fonction de l’association de RadA/Primase. / Hyperthermophilic archaea (HA) are found in high-temperature environments and grow optimally above 80°C. Usually, cells exposed to heat stress display an increased sensitivity to agents inducing double-stranded DNA breaks (DSBs). Studies in Eukaryotes and Bacteria have revealed that homologous recombination (HR) plays a crucial role not only in DNA DSBs repair, but also in the collapsed/stalled DNA replication fork restart.Recombinase and various HR-associated enzymes in archaea specifically resemble the eukaryotic homologues, rather than bacterial homologues.Furthermore, several studies have demonstrated the necessity of HR proteins in HA, suggesting that, HR is an important mechanism in HA. HR influencing genome stability has been well studied in Eukaryotes andBacteria, however, few of its functional properties have been studied in HA.To better understand how HR mechanism is involved in the archaeal genome maintenance process, a previous work proposed a protein-protein interaction network based on Pyrococcus abyssi proteins. Through the network, new interactions involving proteins from DNA replication and DNA recombination were highlighted. The targets of the study presented here for two protein interaction are: PCNA/Mre11-rad50 complex (MR complex) and Primase/RadA. For the first time in P. furiosus, we showed both physical and functional interactions between PCNA (Maestro in DNA replication) and MR complex (initiator of HR). We have identified a PCNA-interaction motif (PIP) located in the C-terminal of Mre11, and shown that PCNA stimulated MR complex endonuclease cleavage proximal to the s’ strand of DNA DSBs at physiological ionic strength. For the second interaction, we have purified the proteins PabRadA/PfuRadA, PabPrimase and PabP41, and confirmed its enzymatic functions. However, we were not able to characterize the function of Primase/RadA association.