Η δημιουργία του εγκεφαλικού φλοιού στηρίζεται στη διαδοχική εμφάνιση πληθυσμών προγονικών κυττάρων, οι οποίοι δίνουν γένεση σε νευρικά και γλοιακά κύτταρα. Πρόκειται για μία διαδικασία που απαιτεί το συγχρονισμό των διεργασιών αυτο-ανανέωσης και διαφοροποίησης των προγονικών νευρικών κυττάρων, και διαμεσολαβείται από τον ταυτόχρονο έλεγχο των διαδικασιών κυτταρικού κύκλου, μεταγραφικής ρύθμισης και αναδιαμόρφωσης της δομής της χρωματίνης. Η πρωτεΐνη Geminin έχει προταθεί ως ένα μόριο που ρυθμίζει τόσο τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό όσο και την κυτταρική διαφοροποίηση. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι η πρωτεΐνη Geminin και ο μοριακός της συνεργάτης Cdt1 εκφράζονται στα προγονικά νευρικά κύτταρα της κοιλιακής και υποκοιλιακής ζώνης του αναπτυσσόμενου φλοιού του μυός. Στα προκαθορισμένα προς νευρωνική διαφοροποίηση πρόδρομα κύτταρα που εκφράζουν τις προνευρικές bHLH πρωτεΐνες Mash1 και Neurogenin2 η έκφρασή τους μειώνεται. Επίσης δείχνουμε ότι οι παράγοντες Geminin και Cdt1 επιδεικνύουν ένα περιοδικό πρότυπο έκφρασης στα προγονικά νευρικά κύτταρα του φλοιού του μυός που εξαρτάται από τη φάση του κυτταρικού κύκλου. Προκειμένου να διερευνηθεί ο ρόλος της πρωτεΐνης Geminin in vivo στις διαδικασίες αυτο-ανανέωσης, διαδοχής και διαφοροποίησης των προγονικών νευρικών κυττάρων του φλοιού, πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπερέκφρασης και αποσιώπησης του γονιδίου της Geminin στον αναπτυσσόμενο εγκεφαλικό φλοιό του μυός. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι η απουσία της Geminin αυξάνει τον αριθμό των προγονικών κυττάρων της κοιλιακής ζώνης του φλοιού, μεταβάλλοντας τον ρυθμό κυτταρικής διαίρεσης που εμφανίζουν τα παραπάνω κύτταρα κατά τα πρώιμα στάδια της φλοιϊκής νευρογένεσης. Η Geminin ρυθμίζει επίσης τον καθορισμό των βασικών πρόδρομων κυττάρων της υποκοιλιακής ζώνης, ενός πληθυσμού προγονικών νευρικών κυττάρων που δίνει κυρίως γένεση σε διαφοροποιημένα νευρικά κύτταρα. Επιπλέον, η υπερέκφραση της Geminin αυξάνει τον πληθυσμό των προκαθορισμένων προς νευρωνική διαφοροποίηση πρόδρομων κυττάρων καθώς και τον αριθμό των φλοιϊκών νευρώνων προάγοντας την έξοδο από τον κυτταρικό κύκλο. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν ότι η Geminin συμμετέχει στη ρύθμιση του πληθυσμού των προγονικών κυττάρων του φλοιού και στη μετάβαση μεταξύ των διαδοχικών προγονικών πληθυσμών ρυθμίζοντας τελικά την παραγωγή των φλοιϊκών νευρώνων. Τα αποτελέσματά μας επομένως προσδίδουν στη Geminin ένα φυσιολογικό ρόλο στο σχηματισμό του φλοιού των θηλαστικών. / Cortical development is a highly ordered process, involving the timely orchestration of the appearance of different neural progenitor lineages, which succeed one another in order to generate the neurons and glia comprising the cortex. It is a process requiring coordination of proliferation and differentiation which in turn depends upon the precise control of cell cycle parameters, chromatin remodeling and transcriptional activity. Geminin has been shown to regulate cell proliferation, fate determination and organogenesis, representing a potential link between these processes. We show here that Geminin and its binding partner Cdt1 are expressed by neural progenitor cells of the ventricular and subventricular zone of the developing mouse cortex. However, the majority of the Geminin and Cdt1 expressing cells are distinct from fate-restricted precursor cells expressing the bHLH proneural proteins Mash1 and Neurogenin2. Importantly, BrdU incorporation experiments show a cell cycle specific expression pattern of Geminin and Cdt1 in neural progenitors of the mouse cortex. In order to investigate Geminin in vivo role in the self-renewal, maintenance, lineage commitment and differentiation of cortical neural progenitors, we have specifically over-expressed and deleted Geminin in the developing cortex. Our results showed that Geminin function in the developing mouse cortex regulates the number of the apical progenitors. Interestingly, this impact on progenitor number is the consequence of the accelerated cell cycle that these apical progenitors exhibit during early stages of cortical development. Moreover, Geminin deletion and over-expression in the cortex also regulated the fate specification of the basal cortical progenitors of the subventricular zone. Furthermore, our results demonstrated that Geminin affects the population of the committed neural precursors, the rate of cell cycle exit and, subsequently, the numbers of cortical neurons. Our study assigns Geminin with a role in regulating the progenitor cell number, the timing of lineage transition, the progenitor neuronal commitment and the subsequent neuron generation.

Η απορρύθμιση του συστήματος αδειοδότησης της αντιγραφής εμπλέκεται στη γονιδιωματική αστάθεια, η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα των καρκινικών κυττάρων. Η απορρύθμιση των επιπέδων έκφρασης των Cdt1 και Geminin, είτε λόγω υπερέκφρασης του Cdt1, είτε λόγω αποσιώπησης της Geminin, οδηγεί σε εκτοπική επανέναρξη της αντιγραφής και υπερδιπλασιασμό του DNA, θέτοντας έτσι σε κίνδυνο τη γονιδιωματική ακεραιότητα του κυττάρου. Υπερέκφραση των δύο πρωτεϊνών έχει παρατηρηθεί τόσο σε καρκινικές κυτταρικές σειρές όσο και σε περιπτώσεις καρκίνου στον άνθρωπο. Ιδιαίτερη σημασία έχει επίσης το γεγονός ότι η διαταραχή της ισορροπίας των Cdt1 και Geminin, μέσω της απορρύθμισης της έκφρασής τους, μπορεί να προκαλέσει διαφορετική απόκριση στα καρκινικά κύτταρα έναντι των φυσιολογικών. / Misregulation of the replication licensing system is involved in genomic instability, which is a whole-mark of cancer cells. Particularly, Cdt1 overexpression or silencing of Geminin can lead to DNA over-replication and thus jeopardize the genomic integrity of the cell. Both proteins have been found to be over-expressed in cancer-derived cell lines and human tumor specimens. Notably, cancer and normal cells respond differently to the disturbance of Geminin-Cdt1 balance, caused by misregulation of their expression.

Η Geminin είναι μία πρωτεΐνη με διττό ρόλο καθώς συμμετέχει τόσο στον κυτταρικό κύκλο όσο και την κυτταρική διαφοροποίηση. Στον κυτταρικό κύκλο αλληλεπιδρά και απενεργοποιεί τον παράγοντα αδειοδότησης της αντιγραφής Cdt1, εξασφαλίζοντας με αυτόν τον τρόπο ότι το γονιδίωμα θα αντιγραφεί μόνο μια φορά κατά τη διάρκεια κάθε κυτταρικού κύκλου. Ο ρόλος της Geminin στην κυτταρική διαφοροποίηση εγκαθιδρύεται από πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις με μεταγραφικούς παράγοντες και παράγοντες αναδιάταξης της χρωματίνης. Έχει προταθεί ότι η Geminin, μέσα από ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις, δρα σαν ρυθμιστής της κυτταρικής απόφασης για πολλαπλασιασμό ή διαφοροποίηση. Βασικό δομικό χαρακτηριστικό της Geminin αποτελεί ένα κεντρικά τοποθετημένο σπειροειδές σπείραμα το οποίο είναι απαραίτητο για τις περισσότερες αλληλεπιδράσεις της Geminin. Στην παρούσα εργασία περιγράφουμε τη λειτουργία μιας νέας πρωτεΐνης με σημαντική ομολογία για το σπειροειδές σπείραμα της Geminin, την οποία ονομάσαμε Idas (Ξάδελφος των Διόσκουρων (Gemini) στην αρχαία ελληνική μυθολογία). Από προηγούμενες μελέτες μας γνωρίζαμε ότι ο Idas αλληλεπιδρά με τη Geminin και όχι με το Cdt1, σε επίπεδο εξωγενώς εκφραζόμενων πρωτεϊνών. Δείχτηκε ότι η ενδογενής Geminin και ο ενδογενής Idas αλληλεπιδρούν στα κύτταρα και χαρακτηρίστηκε η λειτουργική δράση του συμπλόκου Geminin:Idas κατά την αντιγραφή του DNA. Χρησιμοποιώντας ένα ελεύθερο κυττάρων σύστημα αδειοδότησης στο Xenopus δείχθηκε ότι όταν ο Idas είναι σε σύμπλοκο με τη Geminin, η Geminin χάνει την ανασταλτική της δράση επί της αντιγραφής του γενετικού υλικού. Η ανασταλτική δράση του Idas επί της Geminin φάνηκε και σε πειράματα in vivo σε κυτταρικές σειρές, στα οποία η υπερέκφραση του Idas οδηγεί σε υπερδιπλασιασμό του γενετικού υλικού, φαινότυπος ο οποίος διασώζεται από ταυτόχρονη υπερέκφραση της Geminin. Για τον καλύτερο χαρακτηρισμό της δράσης του Idas κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, έγινε απoσιώπηση της έκφρασης του σε κύτταρα σε καλλιέργεια. Απουσία έκφρασης του Idas παρεμποδίζεται η πρόοδος του κυτταρικού κύκλου καθώς αυξάνεται σημαντικά ο πληθυσμός των κυττάρων που βρίσκονται σε φάση S. Τα κύτταρα στα οποία απενεργοποιείται η έκφραση του Idas αδυνατούν να ολοκληρώσουν ορθά τη φάση S και να προχωρήσουν στη μίτωση και τη G1 που ακολουθεί. Επιπλέον, μελετήθηκε η έκφραση του Idas κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου με τη χρήση μίας σταθερά διαμολυσμένης κυτταρικής σειράς. Βρέθηκε ότι τα πρωτεϊνικά επίπεδα του Idas μειώνονται κατά την ανάφαση της μίτωσης και επανέρχονται νωρίς με την είσοδο στη G1. H σημασία του Idas για τη σωστή διέλευση από τη μίτωση φαίνεται από πειράματα υπερέκφρασής του στα οποία παρατηρείται αυξημένος αριθμός κυττάρων με ανώμαλου σχήματος πολύ-πολικές μιτωτικές ατράκτους. Στην προσπάθεια για εύρεση και άλλων πρωτεϊνών με ομολογία για τoν Idas και τη Geminin, εντοπίσαμε ένα νέο γενετικό τόπο ο οποίος κωδικοποιεί για μία πρωτεΐνη που αποτελεί το κοντινότερο παράλογο του Idas στα σπονδυλωτά καθώς μοιράζεται δύο περιοχές ομολογίας με τον Idas, στο σπειροειδές σπείραμα και στο καρβολυτελικό άκρο των πρωτεϊνών. Λόγω αυτής της ομοιότητας ονομάσαμε την πρωτεΐνη Lynkeas (Δίδυμος αδελφός του Idas στην αρχαία ελληνική μυθολογία). Ο Lynkeas αλληλεπιδρά με τον Idas και τη Geminin αλλά όχι με το Cdt1. Τα παραπάνω δεδομένα προτείνουν ότι ισορροπημένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των Geminin, Idas και Lynkeas είναι πιθανό να ρυθμίζουν χρονικά την πυροδότηση των αφετηριών της αντιγραφής. Παράλληλα με τη μελέτη της δράσης του Idas στον κυτταρικό κύκλο έγινε μελέτη της πιθανής εμπλοκής του στη διαφοροποίηση με τη χρήση οργανισμών μοντέλων. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε το πρότυπο έκφρασης του σε τομές εμβρύων μυός και συγκρίθηκε με αυτό του παραλόγου του Lynkeas. Oι Ιdas και Lynkeas εμφανίζουν ένα ειδικό και σημαντικά αλληλεπικαλυπτόμενο πρότυπο έκφρασης σε αναπτυσσόμενα κροσσωτά επιθήλια όπως το αναπνευστικό και του χοριοειδούς πλέγματος, μαρτυρώντας την πιθανή εμπλοκή τους στη διαφοροποίησή τους. Προκαταρκτικές μελέτες του Idas έγιναν και σε άλλα συστήματα και οργανισμούς μοντέλα. Σε ολικά πρωτεϊνικά εκχυλίσματα από αυγά Xenopus επιβεβαιώθηκε η αλληλεπίδραση του Ιdas με τη Geminin. Επίσης, εντοπίστηκε και μελετήθηκε η έκφραση του ορθολόγου του Idas στον ιχθύ Danio rerio. Τέλος, έμβρυα Danio rerio χρησιμοποιήθηκαν σαν ετερόλογο σύστημα για προκαταρκτική μελέτη in vivo της υπερέκφρασης ανθρώπινης πρωτεΐνης Idas και μεταλλαγμένων μορφών αυτής. Τα παραπάνω αποτελέσματα μαρτυρούν ότι η Geminin, o Idas και o Lynkeas ανήκουν σε μία υπεροικογένεια η οποία αποτελείται από πρωτεΐνες με όμοια σπειροειδή σπειράματα. Τα μέλη της υπεροικογένειας της Geminin, μέσα από ισορροπημένες αλληλεπιδράσεις συμμετέχουν στη ρύθμιση τόσο του κυτταρικού κύκλου όσο και της κυτταρικής διαφοροποίησης και πιθανά στο συντονισμό αυτών των δύο διαδικασιών. / Geminin is a bifunctional protein which participates both in cell cycle and development. Geminin regulates the cell cycle by directly binding and inhibiting the licensing factor Cdt1, thus ensuring once per cell cycle DNA replication. Geminin also interacts with transcriptional regulators of differentiation and chromatin remodelling factors, thus affecting cell cycle decisions. It has been proposed that Geminin’s balanced interactions are implicated in proliferation – differentiation decisions. Geminin possesses s a central coiled coil region which mediates the majority of Geminin’s interactions. Herein, we describe a novel protein named Ιdas which exhibits homology to Geminin’s coiled coil. In previous studies from our lab it was shown that Idas and Geminin interact in cells when ectopically expressed. In this study we generated and used a specific polyclonal antibody against Idas to study endogenous Geminin:Idas interaction. Moreover we functionally characterized the Geminin:Idas complex in DNA replication. Using a Xenopus in vitro licensing system it was shown that Geminin, when in complex with Idas loses it’s inhibitory activity on DNA replication. Idas inhibitory function over Geminin was also revealed by ectopic expression of Idas in cell lines: Idas overexpression causes DNA over-replication a phenotype rescued by Geminin’s concomitant ectopic expression. To better characterize Ιdas’s function, we depleted Idas from cells. Idas ablation affects cell cycle progression and cells accumulate in S phase. Idas depleted cells show a reduced ability to normally proceed through the cell cycle to Mitosis and G1. To study Idas protein levels throughout the cell cycle we generated a cell line stably expressing IdasGFP. In this cell line Idas protein levels were found to be reduced in anaphase of Mitosis and increase again upon entry to G1. The importance of Idas for normal passage through Mitosis was revealed by ectopic expression experiments: An increased number of cells with abnormal multipollar spindle formation was evident when Idas was ectopically expressed. By searching for other proteins with homology to Idas and Geminin, we found another genomic locus that encodes for a protein that shares two homology regions with Idas: the coiled coil region and the C-terminal region. This protein is the closest prologue of Idas in vertebrates and we named it Lynkeas (Lynkeas being the twin brother of Idas in ancient Greek mythology). Lynkeas interacts with Geminin and Idas but not Cdt1. The above suggest that competing interactions between Idas, Lynkeas Geminin and Cdt1 may provide a switch regulating the timing of DNA replication. Moreover, we studied Idas during differentiation and development. Idas expression pattern was assessed during mouse embryonic development and compared to the expression pattern of Idas prologue, Lynkeas. Idas and Lynkeas exhibit a specific and overlapping expression pattern in the developing ciliated epithelia and specifically in the choroid plexus and respiratory epithelium, indicating their possible implication in the differentiation of motile cilia. The function of Idas was also determined in other systems and model organism. Endogenous Idas was studied in total extracts from Xenopus eggs where it was shown to interact with Geminin. Danio rerio was used as a model organism to study Idas’s function during development. We identified the orthologue of Idas in Danio rerio and examined it’s expression pattern during embryogenesis of Danio rerio. Danio rerio was also used as a heterologous system in preliminary studies for the ectopic expression of human Idas and it’s mutanst during zebrafish development. The above results indicate that Geminin, Idas and Lynkeas consistute a superfamily of proteins with similar coiled coils. Through balanced interactions Geminin, Idas and Lynkeas participate in cell cycle and cell differentiation and could balance these two processes.

Η διαδικασία της αδειοδότησης της αντιγραφής του DNA περιλαμβάνει αρχικά το σχηματισμό του προ-αντιγραφικού συμπλόκου στις αφετηρίες της αντιγραφής, με τελικό αποτέλεσμα την προσέλκυση των ελικασών MCM2-7 (Mini Chromosome Maintenance Complex) και την έναρξη της αντιγραφής. Ο παράγοντας Cdt1 διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία αδειοδότησης και για τον λόγο αυτό ρυθμίζεται αυστηρά κατά την διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Στους ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, εκτός από την αποικοδόμησή του, υπάρχει ένας επιπλέον τρόπος ρύθμισής του, μέσω της πρωτεΐνης της Geminin. Η Geminin προσδένεται στο Cdt1 και με αυτόν τον τρόπο αναστέλλει τη στρατολόγηση των MCM2-7 στη χρωματίνη και επομένως, την αδειοδότηση της αντιγραφής. Εκτός από την δράση της στην ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου, η Geminin παίζει σημαντικό ρόλο και στην κυτταρική διαφοροποίηση, αλληλεπιδρώντας με μεταγραφικούς παράγοντες και πρωτεϊνικά σύμπλοκα αναδιοργάνωσης της δομής της χρωματίνης. Η γονιδιωματική αστάθεια είναι χαρακτηριστικό των καρκινικών κυττάρων, στην οποία συντελεί απορύθμισης παραγόντων του συστήματος αδειοδότησης της αντιγραφής και συγκεκριμένα των κύριων ρυθμιστών του, Geminin και Cdt1. Η υπερέκφραση του Cdt1 οδηγεί σε επαναντιγραφή και, συνεπώς, υπερδιπλασιασμό του DNA, ενώ την ίδια επίπτωση εμφανίζει και η αποσιώπηση της Geminin. Η σημαντικότητα της αλληλεπίδρασης των δυο αυτών μορίων οδήγησε στην αναζήτηση συνθετικών χημικών ουσιών με την ικανότητα διάσπασης του συμπλόκου Geminin-Cdt1. Οι συνθετικές αυτές χημικές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μοριακά εργαλεία για την περαιτέρω μελέτη της in vivo αλληλεπίδρασης των Geminin και Cdt1 στις διαδικασίες του κυτταρικού πολλαπλασιασμού και διαφοροποίησης, καθώς επίσης και ως φαρμακολογικές ουσίες με πιθανή αντικαρκινική δράση. Η παρούσα εργασία εστιάστηκε στη μελέτη της συνθετικής χημικής ένωσης XIV, η οποία είχε ταυτοποιηθεί σε έναν προηγούμενο μαζικό έλεγχο υψηλής απόδοσης (High throughput Screening - HTS). Αρχικά καθορίστηκαν τα επίπεδα κυτταροτοξικότητάς της. Στη συνέχεια μελετήθηκε η ικανότητά της να μεταβάλλει την ενδοκυτταρική κατανομή της Geminin και τέλος, εξετάστηκε η επίδρασή της στον κυτταρικό κύκλο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συνθετική χημική ένωση XIV παρουσιάζει περιορισμένη κυτταροτοξικότητα. Επιπλέον, αυξάνει τον πυρηνικό εντοπισμό της εξωγενώς εκφρασμένης Geminin, υποδεικνύοντας ότι μπορεί να ανταγωνίζεται το Cdt1 για την πρόσδεσή του στη Geminin. Πειράματα ανοσοφθορισμού και ανάλυσης περιεχομένου του DNA, μέσω FACS, έδειξαν ότι η συνθετική χημική ένωση XIV προκαλεί αναστολή του κυτταρικού κύκλου των καρκινικών κυττάρων κατά τα αρχικά στάδια της S φάσης. Συμπερασματικά, η συνθετική χημική ένωση XIV ενδέχεται να επηρεάζει την αλληλεπίδραση των Geminin και Cdt1. Χημικές ενώσεις ικανές να παρεμβαίνουν στην ειδικότητα αλληλεπίδρασης των δυο αυτών μορίων και συνεπώς στο σύστημα αδειοδότησης της αντιγραφής, μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για την ανάπτυξη μια νέας γενιάς αντικαρκινικών φαρμάκων με βελτιστοποιημένες ιδιότητες. / The replication licensing begins with the formation of the pre-Replicative Complex (preRC) on the origins of replication (ori), leading to the recruitment of the MCM2-7 helicases onto chromatin and the initiation of DNA replication. Cdt1 plays a crucial role in the licensing and is therefore strictly regulated during the cell cycle. Cdt1 is primarily regulated via proteolytic degradation, while in higher eukaryotes, is also negatively regulated by Geminin. Geminin’s binding to Cdt1 inhibits the loading of the MCMs to chromatin and thus licensing of DNA replication. Geminin also has an additional role in differentiation processes by multiple interactions with transcriptional factors and chromatin remodeling complexes. Cancer cells are characterized by genomic instability. Deregulation of the components of the licensing system and especially of Geminin and Cdt1, leads to genomic instability and promotes malignant transformation. Geminin and Cdt1 complex could be used as could serve as target for the identification of chemical compounds that would be able to modulate proliferation. These chemical compounds can be used as molecular tools for further studying the in vivo interaction of these two molecules during the processes of cellular proliferation and differentiation, and ultimately serve as potential pharmacological agents with anti-cancer properties. In this study, we aimed to characterize the chemical compound XIV, which was identified in a previous High Throughput Screening (HTS). Specifically, we examined compound XIV in cellular assays in order to determine cytotoxity, its ability to alter the subcellular localization of Geminin and cell cycle profile of cancer cells. Our results, suggest that the chemical compound XIV exhibits limited cytotoxicity. It increases the nuclear localization of transiently expressed Geminin, suggesting that it might act by antagonizing Cdt1 for the binding of Geminin. Additionally, immunofluorescence and FACS experiments showed that chemical compound XIV causes cell cycle arrest during early S phase. Overall, in this study we propose that chemical compound XIV interferes with the Geminin and Cdt1 complex and affects proliferation of tumorigenic cells.

No description available.

No description available.

<p>To ensure genomic integrity, the genome must be accurately duplicated once and only once per cell division. DNA replication is tightly regulated by replication licensing mechanisms which ensure that origins only initiate replication once per cell cycle. Disruption of replication licensing mechanisms may lead to re-replication and genomic instability. </p><p>DNA licensing involves two steps including the assembly of the pre-replicative compelx at origins in G1 and the activation of pre-RC in S-phase. Cdt1, also known as Double-parked (Dup) in <italic> Drosophila Menalogaster </italic>, is a key regulator of the assembly of pre-RC and its activity is strictly limited to G1 by multiple mechanisms including Cul4<super>Ddb1</super> mediated proteolysis and inhibitory binding by geminin. Previous studies have indicated that when the balance between Cdt1 and geminin is disrupted, re-replication occurs but the genome is only partially re-replicated. The exact sequences that are re-replicated and the mechanisms contributing to partial re-replication are unknown. To address these two questions, I assayed the genomic consequences of deregulating the replication licensing mechanisms by either RNAi depletion of geminin or Dup over-expression in cultured Drosophila Kc167 cells. In agreement with previously reported re-replication studies, I found that not all sequences were sensitive to geminin depletion or Dup over-expression. Microarray analysis and quantitative PCR revealed that heterochromatic sequences were preferentially re-replicated when Dup was deregulated either by geminin depletion or Dup over-expression. The preferential re-activation of heterochromatic replication origins was unexpected because these origins are typically the last sequences to be duplicated during normal S-phase. </p><p>In the case of geminin depletion, immunofluorescence studies indicated that the re-replication of heterochromatin was regulated not at the level of pre-RC activation, but rather due to the restricted formation of the pre-RC to the heterochromatin. Unlike the global assembly of the pre-RC that occurs throughout the genome in G1, in the absence of geminin, limited pre-RC assembly was restricted to the heterochromatin. Elevated cyclin A-CDK activity during S-phase could be one mechanism that prevents pre-RC reassembly at euchromatin when geminin is absent. These results suggest that there are chromatin and cell cycle specific controls that regulate the re-assembly of the pre-RC outside of G1.</p><p>In contrast to the specific re-replication of heterochromatin when geminin is absent, re-replication induced by Dup over-expression is not restricted to heterochromatin but rather includes re-activation of origins throughout the genome, although there is a slight preference for heterochromatin when re-replication is initiated. Surprisingly, Dup over-expression in G2 arrested cells result in a complete endoreduplication. In contrast to the ordered replication of euchromatin and heterochromatin during early and late S-phase respectively, endoreduplication induced by Dup over-expression does not exhibit any temporal order of replication initiation from these two types of chromatin, suggesting replication timing program may be uncoupled from local chromatin environment. Taken together, these findings suggest that the maintenance of proper levels of Dup protein is critical for genome integrity.</p> / Dissertation

Η ακρίβεια και η πιστότητα της διαδικασίας διπλασιασμού του γονιδιώματος είναι μείζωνος σημασίας για την κυτταρική επιβίωση. Τυχόν ανωμαλίες όπως μεταλλάξεις ή χρωμοσωμικές ανωμαλίες είναι δυνατόν να οδηγήσουν στην εμφάνιση κακοήθειας ή σε πρόωρο κυτταρικό θάνατο. Τα παραπάνω συνηγορούν στη μεγάλη σημασία που έχει η άρτια λειτουργία και ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου. Δύο πρωτεϊνες, οι geminin και cdt1, κατέχουν πολύ σημαντικό ρόλο κατά τη διαδικασία ρύθμισης του κυτταρικού κύκλου. Πιο συγκεκριμένα, η cdt1 αποτελεί έναν βασικό παράγοντα αδειοδότησης της αντιγραφής. Δρα συνεργατικά με την πρωτεϊνη Cdc6 προκειμένου να γίνει η πρόσδεση του εξαμερούς συμπλόκου MCM2-7 στο προ-αντιγραφικό σύμπλοκο (pre-RC), διασφαλίζοντας με τον τρόπο αυτό τις απαραίτητες συνθήκες για τη διαδικασία αδειοδότησης της αντιγραφής (Maiorano D. et al., 2000). Η geminin συνιστά τον φυσικό αναστολέα της cdt1 στα μετάζωα. Προσδένεται ισχυρά στην τελευταία μετά την έναρξη της σύνθεσης του DNA, παρεμποδίζοντας με αυτόν τον τρόπο την επαναπρόσδεσή της στο προ-αντιγραφικό σύμπλοκο (Tada S. et al., 2001; Wohlschlegel J.A. et al., 2000). Η διαδικασία αδειοδότησης της αντιγραφής παρουσιάζει ανωμαλίες σε περιπτώσεις καρκινικών κυττάρων. Πιο συγκεκριμένα, έχει δειχθεί σταθερή υπερέκφραση της cdt1 σε καρκινικές κυτταρικές σειρές, τόσο σε πρωτεϊνικό όσο και σε μεταγραφικό επίπεδο (Xouri G. et al., 2004). Παρομοίως, αυξημένη έκφραση της cdt1 έχει παρατηρηθεί και σε περιπτώσεις καρκίνου του παχέος εντέρου καθώς και πρώιμου καρκίνου του πνεύμονα, στον άνθρωπο (Bravou V. et al., 2005; Karakaidos P. et al., 2004). Τα παραπάνω αποτελέσματα έχουν προκύψει κατόπιν μελέτης, η οποία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριό μας. Αναφορικά με τη geminin, αυξημένα επίπεδα έκφρασής της έχουν συσχετιστεί με καρκινώματα παχέος εντέρου καθώς και με τη διαίρεση κακοηθών κυττάρων, γενικότερα (Gonzalez M.A. et al., 2005; Wohlschlegel J.A. et al., 2002). Επιπροσθέτως, η geminin βρίσκει εφαρμογή ως ανεξάρτητος δείκτης σε περιπτώσεις επιθετικού καρκίνου του μαστού (Gonzalez M.A. et al., 2004). Βασιζόμενοι στα παραπάνω, θεωρούμε ότι το σύμπλοκο geminin-cdt1 συνιστά έναν ιδανικό στόχο για το σχεδιασμό νέων αντικαρκινικών φαρμάκων. Το πρώτο βήμα προς αυτήν την κατεύθυνση αποτελεί ο μαζικός έλεγχος συνθετικών συστατικών, τα οποία να έχουν την ικανότητα διάσπασης του συμπλόκου. Ενδεχόμενη εύρεση τέτοιων συνθετικών συστατικών καθώς και μετέπειτα φυσικοχημική βελτιστοποίησή τους είναι δυνατόν να οδηγήσει στη δημιουργία ενός νέου αντικαρκινικού φαρμάκου. Η ολοκλήρωση της χαρτογράφησης του ανθρώπινου γονιδιώματος συνέβαλε στην ταυτοποίηση νέων πρωτεϊνικών μορίων στόχων, τα οποία εμπλέκονται στο μοριακό μηχανισμό διαφόρων ασθενειών. Με βάση τις εξελίξεις των τελευταίων χρόνων στον τομέα της φαρμακοβιομηχανίας, η αξιοποίηση αυτής της γνώσης συνδέεται με το μαζικό έλεγχο συνθετικών συστατικών έναντι αυτών των μορίων στόχων. Απώτερο στόχο αποτελεί η αναγνώριση κατάλληλων συνθετικών συστατικών τα οποία θα έχουν την ικανότητα να αλληλεπιδρούν με το μόριο-στόχος και κατ’επέκταση να μεταβάλλουν τον τρόπο λειτουργίας του, προκειμένου να έχουμε το επιθυμητό φαρμακολογικό αποτέλεσμα. Αποφασιστικής σημασίας στην παραπάνω διαδικασία, αποτελεί η σωστή επιλογή της κατάλληλης μεθόδου μαζικού ελέγχου των νέων υποψήφιων φαρμάκων – συνθετικών συστατικών – έναντι του μορίου στόχου. Στην παρούσα διπλωματική, επιλέχθηκε προς εφαρμογή η μέθοδος FRET. Ένα από τα βασικά της πλεονεκτήματα είναι η υψηλή αναλογία ‘σήματος-θορύβου’ που εμφανίζει καθώς και η υψηλή ποιότητα των δεδομένων που παρέχει. Αν και αποτελεί μία σχετικά καινούρια τεχνική, εντούτοις αποτελεί μία από τις πιο βασικές μεθόδους της σύγχρονης φαρμακοβιομηχανίας λόγω της αξιοπιστίας που την χαρακτηρίζει και επιπλέον της συμβατότητάς της με αυτοματοποιημένες τεχνικές. Ασφαλώς, απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή της συγκεκριμένης μεθόδου αποτελεί η απομόνωση της υπό μελέτη πρωτεϊνης. Η έκφραση του πρωτεϊνικού συμπλόκου geminin-cdt1 πραγματοποιήθηκε με τη χρήση βακτηριακών συστημάτων έκφρασης ετερόλογων πρωτεϊνών. Επίσης, ο καθαρισμός του συμπλόκου υπήρξε επιτυχής και βασίστηκε στην εφαρμογή των τεχνικών της χρωματογραφίας συγγένειας και της χρωματογραφίας διήθησης σε πηκτή. Το επόμενο βήμα ήταν να διαπιστώσουμε εάν η μέθοδος FRET καθιστά δυνατή την ανίχνευση σχηματισμού του συμπλόκου. Πράγματι, κάτι τέτοιο ήταν εφικτό καθώς σε συγκέντρωση 60-80nM του συμπλόκου, παρατηρήθηκε αύξηση του σήματος σχεδόν κατά πέντε φορές υψηλότερα από το επίπεδο “θορύβου”. Το αποτέλεσμα αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς συνεπάγεται ότι με τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι εφικτός ο μαζικός έλεγχος συνθετικών συστατικών, τα οποία θα έχουν την ικανότητα διάσπασης του συμπλόκου. Οι λόγοι που συντελούν στην καταλληλότητα της μεθόδου για αυτό το σκοπό έγκεινται αφενός στην ευαισθησία την οποία εμφανίζει (αύξηση του σήματος μέχρι και πέντε φορές) και αφετέρου στην ειδικότητα και την αξιοπιστία της, όπως έχει δειχθεί και με τα αντίστοιχα πειράματα. Σημαντικό επίσης πλεονέκτημα αποτελεί και η μικρή σχετικά ποσότητα πρωτεϊνης (60-80nM), η οποία απαιτείται. Σύμφωνα με τα δεδομένα που έχουν προκύψει από την παρούσα διπλωματική , το FRET assay συνιστά μία ιδανική μέθοδο για την πραγματοποίηση μαζικού ελέγχου συνθετικών συστατικών, τα οποία θα έχουν την ικανότητα διάσπασης του συμπλόκου geminin-cdt1. Δεδομένης της πολύ ισχυρής αλληλεπίδρασης του συγκεκριμένου συμπλόκου, πραγματοποιήθηκαν μεταλλαγές σε τρία υψηλά συντηρημένα κατάλοιπα της cdt1, τα οποία κατέχουν κυρίαρχο ρόλο στην αλληλεπίδραση με τη geminin, σύμφωνα με κρυσταλλογραφικά δεδομένα (Lee C. et al., 2004). Οι μεταλλαγές αυτές ενδέχεται να συμβάλλουν σε ένα πολύ πιο εύκολα διασπάσιμο σύμπλοκο, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην ευκολότερη και γρηγορότερη ταυτοποίηση υποψήφιων συνθετικών συστατικών. / The accurate and timely duplication of the genome is vital for cell survival. Mutations rearrangements or loss of chromosomes can be detrimental to a single cell as well as to the whole organism, causing malignant cell growth or death. Origins of replication are licensed by a multi-subunit complex (pre-replicative complex: pre-RC) during G1 (Lei M & Tye B.K., 2001). Pre-RC assembly is an ordered, sequential process in which the Origin Recognition Complex (ORC) first binds to each replication origin and then recruits two other proteins: Cdc6 and Cdt1 (Bell S.P. & Dutta A., 2002). These two proteins function synergistically to load the six mini-chromosome maintenance helicase proteins (MCM2-7) onto the pre-RC, establishing the conditions for DNA licensing (Maiorano D. et al., 2000). The prevention of ectopically induced re-replication is accomplished by functionally redundant mechanisms, including sequestration of MCM by Crm1 (Yamaguchi R. & Newport J., 2003), inactivation and export from the nucleus of Cdc6 (Delmolino L.M. et al., 2001; Jiang W. et al., 1999; Pelizon C. et al., 2000) and degradation of Cdt1 (Nishitani H. et al., 2001). Metazoans, have evolved an additional system for preventing re-replication: Geminin, which was originally identified in Xenopus as essential factor to exit from mitosis (McGarry T.J. & Kirschner M.W., 1998), binds tightly to Cdt1 and prevents Cdt1 assembly onto pre-RC (Tada S. et al., 2001; Wohlschlegel J.A. et al., 2000). Licensing system members are misregulated in cancer cells and differential expression of licensing components could be used for the diagnosis and prognosis of cancer (Shreeram S. & Blow J.J., 2003). Over-expression of Cdt1 can predispose cells to a malignant transformation. It has been shown that Cdt1 is consistently over-expressed in cancer cell lines at both the protein and RNA level (Xouri G. et al., 2004). Moreover, Cdt1 protein is highly expressed in cases of human colon cancer and primary human lung carcinomas (Bravou V. et al., 2005; Karakaidos P. et al., 2004). Similarly, Geminin is also over-expressed in colon carcinomas and its expression levels were directly related to the cellular proliferation index in proliferating malignant cells (Gonzalez M.A. et al., 2005; Wohlschlegel J.A. et al., 2002). Furthermore, expression of Geminin is considered as an independent indicator of adverse prognosis in cases of invasive breast cancer (Gonzalez M.A. et al., 2004). Given the crucial role of the Geminin-Cdt1 complex in cell cycle regulation and cancer, this complex could serve as target for the discovery and development of novel anti-cancer drugs. This requires the screening of compounds that are capable of disrupting the geminin-cdt1 complex. For that purpose we performed a HTP (high-throughput)-compatible assay, called FRET-assay. The acronym FRET stands for Fluorescence Resonance Energy transfer. The principle of the assay is based on the radiationless transfer of energy from an excited donor fluorophore (Europium Cryptate) to a suitable acceptor fluorophore (XL665). The first step was the expression and purification of the geminin-cdt1 complex. The complex was expressed by using E. coli bacterial cells and purified by metal affinity chromatography on a Ni+2 column. As soon as the complex was ready to use, we next tried to investigate whether the formation of the complex was detectable by using the FRET assay. Indeed, at the complex concentration of 60nM and 80nM, the signal was about 5 times above background. This was a first indication that the Geminin-Cdt1 complex can be used successfully for energy transfer based assays. Given the very high binding affinity of the two proteins (Lee C. et al., 2004), it could be quite unlikely to find a compound that can disrupt the complex. To overcome that obstacle, three single mutations were made at the highly conserved Geminin-contacting residues of hCdt1, Y170, F173 and L176. The mutation of these residues to alanine can possibly provide a more easily disruptable complex, which could be of importance concerning the faster and easier identification of any candidate compounds. Our data suggest that hGeminin-Cdt1 complex can be considered as a promising target for compound screening. Given the high importance of Geminin-Cdt1 balance for maintaining genomic stability integrity and that both proteins have been correlated with cases of cancer, that screening could hopefully lead to the discovery and development of lead compounds towards anti-cancer drugs.

Η ορθή και απρόσκοπτη διαδοχή των φάσεων του κυτταρικού κύκλου εξασφαλίζει την πιστότητα στην αντιγραφή του γενετικού υλικού και τη μεταφορά αμιγώς της γενετικής πληροφορίας στα θυγατρικά κύτταρα. Το κύτταρο διαθέτει μια σειρά από μηχανισμούς ελέγχου που διασφαλίζουν ότι η αντιγραφή του γενετικού υλικού πραγματοποιείται μόνο μια φορά κατά τη διάρκεια της φάσης S και μόνο εφόσον το κύτταρο εξέλθει από τη φάση της μίτωσης. Οποιαδήποτε απορύθμιση στους μηχανισμούς ελέγχου του κυττάρου, μπορεί να οδηγήσει σε γενετική αστάθεια, βασικό γνώρισμα των καρκινικών κυττάρων. Ένα σημαντικό σημείο ελέγχου στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς αποτελεί η μετάβαση από τη φάση G1 στη φάση S. Η μετάβαση αυτή ελέγχεται από το σχηματισμό του προ-αντιγραφικό σύμπλοκο στις αφετηρίες έναρξης της αντιγραφής με σκοπό την ορθή τοπικά και χρονικά έναρξη της αντιγραφής, μέσα από μια διαδικασία που ονομάζεται ‘αδειοδότηση της αντιγραφής’. Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες του προ-αντιγραφικού συμπλόκου είναι ο Cdt1, που εμφανίζεται εξελικτικά συντηρημένος από το ζυμομύκητα μέχρι τον άνθρωπο. Στους ανώτερους οργανισμούς, ο παράγοντας Cdt1 υφίσταται αυστηρή ρύθμιση κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, ενώ η υπερέκφρασή του δύναται να οδηγήσει σε καρκινική εξαλλαγή, γεγονός που υποδηλώνει τον κεντρικό ρόλο που κατέχει στην αδειοδότηση της αντιγραφής. Πρόσφατα βρέθηκε ο μοριακός αναστολέας του Cdt1, Geminin, ο οποίος πιστεύεται ότι παρέχει ένα επιπρόσθετο επίπεδο ρύθμισης του Cdt1 στους ανώτερους εξελικτικά οργανισμούς. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, το ενδιαφέρον μας εστιάστηκε στη μελέτη του παράγοντα Cdt1, καθώς και του αναστολέα αυτού, Geminin, σε ανθρώπινα κύτταρα. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η ρύθμιση που υφίστανται οι ενδογενείς παράγοντες Cdt1 και Geminin κατά την μετάβαση στη φάση ηρεμίας, καθώς και τα επίπεδα έκφρασης τους σε καρκινικές κυτταρικές σειρές και καρκινικούς ιστούς. Τα πειράματα αυτά υποδεικνύουν ότι οι παράγοντες Cdt1 και Geminin ελέγχονται σε μεταγραφικό επίπεδο κατά τη μετάβαση από και προς τη φάση ηρεμίας G0, αφού τα επίπεδα της πρωτεΐνης και του mRNA τους μειώνονται αισθητά κατά τη μετάβαση στη φάση ηρεμίας και συσσωρεύονται σταδιακά κατά την επαναφορά στον κυτταρικό κύκλο. Επιπλέον, οι παράγοντες Cdt1 και Geminin βρέθηκαν να υπερεκφράζονται σε όλες τις καρκινικές κυτταρικές σειρές και καρκινικούς ιστούς που εξετάστηκαν σε σύγκριση με τα αντίστοιχα φυσιολογικά δείγματα. Εν συνεχεία η μελέτη προσανατολίστηκε στη διερεύνηση του τρόπου δράσης του παράγοντα Cdt1 στη διαδικασία αδειοδότησης της αντιγραφής in vivo, με χρήση σύγχρονων τεχνικών μικροσκοπίας σε ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα σε καλλιέργεια. Για τις μελέτες αυτές δημιουργήθηκε σταθερά διαμολυσμένη κυτταρική σειρά που εκφράζει την πρωτεΐνη Cdt1 σε σύντηξη με την πράσινη φθορίζουσα πρωτεϊνη GFP (Cdt1GFP)σε φυσιολογικά επίπεδα. Πειράματα ανοσοφθορισμού και πειράματα μικροσκοπίας time-lapse έδειξαν ότι η πρωτεΐνη Cdt1GFP συμπεριφέρεται όπως η ενδογενής τόσο ως προς τον ενδοκυτταρικό εντοπισμό της, όσο και ως προς τη ρύθμιση κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Τα πειράματα αυτά οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η κύρια μορφή ρύθμισης του παράγοντα Cdt1 κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου λαμβάνει χώρα σε μετα-μεταφραστικό επίπεδο και ότι η σύντηξη με την GFP δε φαίνεται να επηρεάζει τη ρύθμιση αυτή. Πειράματα Επαναφοράς Φθορισμού μετά από Φωτολεύκανση (FRAP) σε ζωντανά κύτταρα έδειξαν ότι η πρωτεΐνη Cdt1GFP διαχέεται ελεύθερα κατά το μεγαλύτερο μέρος της μίτωσης, ενώ η αλληλεπίδραση με τη χρωματίνη αρχίζει στη φάση της τελόφασης και συνεχίζεται μέχρι και το τέλος της φάσης G1. Η πρόσδεση του παράγοντα Cdt1 στη χρωματίνη έχει ιδιαίτερα δυναμικό χαρακτήρα, υποδηλώνοντας ότι η δημιουργία του προ-αντιγραφικού συμπλόκου δεν είναι στατική, αλλά επαναπροσδιορίζεται καθ’ όλη τη διάρκεια της φάσης G1. Πειράματα FRAP σε ζωντανά κύτταρα που εξέφραζαν μεταλλαγμένες μορφές του παράγοντα Cdt1 επιπλέον επέτρεψαν την in vivo χαρτογράφηση των περιοχών που χρειάζονται για τη δέσμευση του παράγοντα στη χρωματίνη και κατέδειξαν το αμινοτελικό άκρο και τη θηλιά 2 ως περιοχές απαραίτητες για τη δέσμευση του παράγοντα στη χρωματίνη. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι περιοχές που συμβάλλουν στην κύρια αλληλεπίδραση με τη Geminin, δεν συμβάλλουν στη δέσμευση του παράγοντα Cdt1 με τη χρωματίνη, σε αντίθεση με ότι είχε προταθεί από in vitro πειράματα. Με σκοπό να ανιχνεύσουμε αλληλεπίδραση του παράγοντα Cdt1 με τον αναστολέα αυτού Geminin σε συγκεκριμένο χώρο και χρόνο σε ζωντανά κύτταρα εφαρμόσαμε μικροσκοπία FLIM. Ειδική αλληλεπίδραση ανιχνεύθηκε σε όλο τον πυρήνα. Αντίθετα, μια μορφή της Geminin μεταλλαγμένη στην περιοχή επαφής με το Cdt1 εμφάνισε σαφώς μειωμένη ικανότητα αλληλεπίδρασης. Ποσοτικοποίηση της αλληλεπίδρασης με μικροσκοπία FLIM επέτρεψε την εκτίμηση της σχετικής συνάφειας (affinity) των δύο βιομορίων στο ζωντανό κύτταρο Πειράματα FRAP υποδηλώνουν ότι η παρουσία της Geminin δεν επηρεάζει τη δέσμευση του Cdt1 στη χρωματίνη. Αντίθετα, ο Cdt1 προσελκύει τη Geminin στη χρωματίνη και επομένως η αναστολή της αδειοδότησης της αντιγραφής πραγματοποιείται στη χρωματίνη. Τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας παρέχουν μια νέα εικόνα του τρόπου με τον οποίο πραγματοποιείται η διαδικασία της αδειοδότηση της αντιγραφής φυσιολογικά καθώς και πώς θα μπορούσε να ανασταλεί η διαδικασία αυτή in vivo. / The correct order of cell cycle phases ensures precise duplication of the genome and division of the genetic material to the two daughter cells. The cell has developed several control mechanisms which ensure once per cell cycle DNA replication. Any defects in the regulation of the cell cycle could lead either to genetic aberrations or to the continuous cell division that characterizes cancer cells. In higher eukaryotes, a major control concerns the transition from G1 to S phase. This transition is regulated through the formation of the pre-replicative complex onto the origins of replications and ensures the timely initiation of replication, through a process called Licensing. A crucial component of this complex is Cdt1, which is conserved from yeasts to mammals. In higher eukaryotes, Cdt1 is strictly regulated during the cell cycle as to be present only in G1 phase, while its ectopic expression potentiates over-replication, indicating that plays a key role in S-phase onset. Recently, a molecular inhibitor of Cdt1, called Geminin, has been identified in higher eukaryotes, which is believed to provide an additional level of control over Cdt1. During this research, we focused our interest in the study of Cdt1 and Geminin in human cells. Our first aim was to study the regulation of the endogenous proteins as cells enter quiescence (G0 phase), as well their expression levels in cancer cell lines and cancer tissues. Cdt1 and Geminin appeared to be controlled at the transcription level, as in this transition protein and mRNAs levels for both factors are decreased when cells enter quiescence and gradually re-accumulate as cells re-enter the cell cycle. In addition, Cdt1 and Geminin mRNA and protein accumulate to much higher levels in cancer cells versus normal diploid cells. In the second part of this work we employed advanced microscopy techniques which permit imaging of molecular processes in live cells, in order to study the role of Cdt1 in the process of licensing in vivo. To this end, a human cell line stably expressing physiologically relevant levels of the fusion protein Cdt1GFP was generated. Immunofluorescence and time-lapse experiments revealed that Cdt1GFP recapitulates the behaviour of the endogenous protein in respect to subcellular localization and regulation through the cell cycle. Our data show that post-transcriptional regulation is sufficient to ensure correct cell cycle behaviour of Cdt1 and that GFP does not interfere with function. FRAP experiments showed that Cdt1GFP though most of mitosis is able to diffuse freely, while is transiently bound onto chromatin during telophase and up to the end of G1 phase. The Cdt1-DNA interaction is highly dynamic, indicating that the pre-replicative complex is not stably bound onto chromatin but re-establishes itself throughout the G1 phase. These experiments also allowed in vivo mapping of the Cdt1 domains necessary for DNA binding. Both the amino-terminus and loop 2 domains are necessary for the binding of Cdt1 to chromatin. In contrary to suggestion based on in vitro experiments, domains that contribute to the main interaction with Geminin do not affect the binding of Cdt1 to chromatin. By using Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), interactions between Cdt1 and its inhibitor, Geminin, were detected in living cells. This interaction was abolished when a form of Geminin mutated in the Cdt1 binding domain was used. Quantitation of FLIM experiments allowed an assessment of the relative binding affinity of Cdt1 to Geminin within the living cell. FRAP experiments in cells co-expressing Cdt1 and Geminin indicate that Geminin does not affect Cdt1’s binding to chromatin; on the contrary, Cdt1 recruits Geminin onto chromatin and therefore the inhibition of Licensing by Geminin is likely to take place on chromatin. Taken together, our data allow an insight into how Licensing normally takes place and how it can be inhibited in the living cell.

Η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο, αρχικά, τη δημιουργία υβριδικών μορφών της πρωτεΐνης Geminin- ενός αρνητικού ρυθμιστή του κυτταρικού κύκλου- με το φθορίζον μόριο GFP (Green Fluorescent Protein). Πραγματοποιήθηκε τόσο αμινοτελική όσο και καρβοξυτελική σύντηξη της Geminin με το μόριο-ιχνηθέτη, έτσι ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά του νέου, υβριδικού μορίου και στις δύο περιπτώσεις και να εξεταστεί εάν ο προσανατολισμός της GFP πρωτεΐνης δύναται να μεταβάλλει το χαρακτήρα της σημασμένης πρωτεΐνης. Ακολούθησε ανίχνευση και παρακολούθηση καθενός υβριδικού μορίου σε ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα μετά από διαμόλυνση για μικρό (παροδική διαμόλυνση διάρκειας 22 ωρών) ή μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (σταθερά διαμολυσμένες κυτταρικές σειρές). Ο χαρακτηρισμός των φθοριζουσών μορφών της Geminin περιελάμβανε μελέτη τόσο του υποκυτταρικού εντοπισμού όσο και της χρονικής έκφρασης των μορίων και σύγκριση με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά του ενδογενούς μορίου. Ανάλυση του ενδοκυτταρικού εντοπισμού τόσο της καρβοξυτελικής όσο και της αμινοτελικής σύντηξης της Geminin με τη GFP, αποκάλυψε, εκτός του πυρηνικού φαινοτύπου, που παρατηρείται φυσιολογικά για το ενδογενές μόριο, σημαντικό ποσοστό παροδικά διαμολυσμένων κυττάρων με τα υβριδικά μόρια εκτός του πυρηνικού διαμερίσματος. Ο φαινότυπος αυτός εμφανίζεται – σε μικρότερο ποσοστό- ακόμη και στην περίπτωση σταθερά διαμολυσμένων κυττάρων, όπου τα επίπεδα έκφρασης της πρωτεΐνης Geminin-GFP είναι παρόμοια με τα αντίστοιχα του ενδογενούς μορίου. Στη σειρά αυτή, το μεγαλύτερο ποσοστό κυττάρων, παρά την ισχυρή μεταγραφική δραστηριότητα που προσδίδει ο CMV υποκινητής, εκφράζει το εξωγενές μόριο σύμφωνα με το πρότυπο που παρουσιάζει η ενδογενής Geminin, δηλαδή κατά τις φάσεις S και G1. Επομένως, η ρύθμιση της Geminin-GFP υβριδικής πρωτεΐνης πραγματοποιείται σε μεγάλο βαθμό σε μετα-μεταγραφικό επίπεδο. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η αλλαγή στην ενδοκυτταρική κατανομή του υβριδικού μορίου δεν παρουσιάζει τυχαία χρονική εμφάνιση. Το γεγονός ότι εμφανίζεται αποκλειστικά σε αρνητικά για κυκλίνη Α κύτταρα, φανερώνει την ύπαρξη συσχέτισης με τη φάση του κυτταρικού κύκλου και μάλιστα υποδηλώνει την επιλεκτική έξοδό της από τον πυρήνα κατά τη φάση G1. Πιθανόν, η έξοδος της Geminin από τον πυρήνα κατά τη φάση αυτή, να διασφαλίζει τη διεκπεραίωση της διαδικασίας της αδειοδότησης του γενετικού υλικού –αναστολέας της oποίας είναι η Geminin και κατ’ επέκταση την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου Το φαινόμενο αυτό χρήζει περαιτέρω διερεύνησης μιας και η αλλαγή στην ενδοκυτταρική κατανομή πολλών ρυθμιστικών μορίων αποτελεί έναν αποδοτικό τρόπο ελέγχου της γονιδιακής έκφρασης στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, ενώ παράλληλα φαίνεται να επηρεάζει πολλές ζωτικής σημασίας λειτουργίες. / The aim of the present study was the construction of fused forms of Geminin- a negative cell cycle regulator-with GFP (Green Fluorescent Protein). Amino- and carboxy terminal fusions of Geminin and GFP were performed, in order to study the behaviour of the hybrid molecule in both cases and to examine if the orientation of the reporter gene can interfere with the character of the new molecule. Each fused molecule was either transiently or stably transfected in human cancer cells and its behaviour was studied. The characterization of the fluorescent molecules of Geminin was performed at the level of subcellular localization and regulation throughout the cell cycle and was compared to the endogenous characteristics. Analysis of the subcellular distribution of both fused forms, revealed -apart from the nuclear phenotype, normally observed- a significant percentage of transiently transfected cells, where the hybrid molecules were excluded from the nucleus. This phenotype was observed- though less strongly- in the case of stably transfected cells, where the expression levels of Geminin-GFP protein are similar to the endogenous molecule. The majority of these cells, despite the strong CMV driven transcriptional activity, express Geminin-GFP during S and G1 phase, like the endogenous protein, suggesting that the regulation of Geminin-GFP is performed mainly at post-transcriptional level. This nuclear exclusion was observed according to a cell cycle- dependent manner. The phenomenon of nucleocytoplasmic shuttling of many proteins seems to be a very efficient way of controlling gene expression in eukaryotes. In order to elucidate the role of sucellular distribution of Geminin-GFP in cell cycle regulation, further examination of this phenomenon is needed.