Thesis (Ph. D.)--Miami University, Dept. of Botany, 2008. / Title from second page of PDF document. Includes bibliographical references.

Les protéines sont les macromolécules les plus polyvalentes de la cellule. Elles jouent un rôle fondamental dans la majorité des processus biologiques à travers la formation de complexes multi-protéiques. Durant la transcription, une multitude de facteurs sont impliquées dans le contrôle de l’activité des complexes ARN polymérases. Notre laboratoire s’est intéressé au réseau d’interaction de la machinerie de transcription des ARN polymérases nucléaires, dans le but de mieux comprendre leurs mécanismes de régulation. Pour ce faire, une procédure protéomique comprenant la purification de complexes protéiques par affinité couplée à la spectrométrie de masse et à l’analyse bioinformatique a été développée. La méthode de purification TAP (Tandem Affinity Purification) a été adaptée pour permettre la purification de complexes protéiques solubles assemblés in vivo à partir de cellules humaines. L’objectif de mon projet de maîtrise était de purifier le complexe de l’ARN Pol I ainsi que de poursuivre l’expansion du réseau d’interactions protéine-protéine de la machinerie de transcription de l’ARN Pol II humaine. À l’aide des protéines POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 et PDCD5 étiquetées (TAP-tag) exprimées dans des lignées cellulaires ECR-293, plusieurs complexes protéiques solubles ont été purifiés et analysés par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques ont été triées et validées bioinformatiquement pour donner en final une liste d’interactions ayant un haut degré de confiance à partir de laquelle des réseaux d’interactions protéine-protéine ont été créés. Le réseau créé au cours de ce projet connecte plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle tels que les ARN Pol I, II et III, les complexes RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CCT, Mi-2/NuRD et des facteurs de transcription et de réparation de l’ADN. Ce type d’analyse nous a permis d’identifier et de caractériser de nouveaux régulateurs de la machinerie de transcription de l’ARN Pol I et II et de mieux comprendre son fonctionnement. / Proteins are the most versatile macromolecules of the cell. They play a fundamental role in the majority of biological processes through the formation of multiprotein complexes. During transcription, a multitude of factors are involved in the control of activity of RNA polymerases. Our laboratory was interested in defining the nuclear RNA polymerases transcription machinery interaction network to better understand their regulatory mechanisms. To do so, a proteomic procedure that allows affinity purification of protein complexes coupled to mass spectrometry and computational data analysis was developed. The tandem affinity purification procedure has been adapted for the purification of soluble protein complexes as they likely exist in live mammalian cells. The aim of my master project was to purify the RNA Pol I complex as well as to further pursue the expansion of the protein-protein interaction network of the human RNA Pol II transcription machinery. By using POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 and PDCD5 TAP – tagged proteins expressed in EcR-293 cell lines, multiple soluble protein complexes were purified and analyzed by mass spectrometry. Protein interactions have been sorted and validated computationally. High-confidence dataset of interactions were used to build the protein-protein interaction networks. The network created for this project connects several components of the transcriptional machinery such as RNA Pol I, II and III, RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CTC, Mi-2/NuRD complexes and DNA repair and transcription factors. This type of analysis allowed us to identify and characterize new regulators of RNA Pol I and II transcription machinery and to better understand its functioning.

Les protéines sont les macromolécules les plus polyvalentes de la cellule. Elles jouent un rôle fondamental dans la majorité des processus biologiques à travers la formation de complexes multi-protéiques. Durant la transcription, une multitude de facteurs sont impliquées dans le contrôle de l’activité des complexes ARN polymérases. Notre laboratoire s’est intéressé au réseau d’interaction de la machinerie de transcription des ARN polymérases nucléaires, dans le but de mieux comprendre leurs mécanismes de régulation. Pour ce faire, une procédure protéomique comprenant la purification de complexes protéiques par affinité couplée à la spectrométrie de masse et à l’analyse bioinformatique a été développée. La méthode de purification TAP (Tandem Affinity Purification) a été adaptée pour permettre la purification de complexes protéiques solubles assemblés in vivo à partir de cellules humaines. L’objectif de mon projet de maîtrise était de purifier le complexe de l’ARN Pol I ainsi que de poursuivre l’expansion du réseau d’interactions protéine-protéine de la machinerie de transcription de l’ARN Pol II humaine. À l’aide des protéines POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 et PDCD5 étiquetées (TAP-tag) exprimées dans des lignées cellulaires ECR-293, plusieurs complexes protéiques solubles ont été purifiés et analysés par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques ont été triées et validées bioinformatiquement pour donner en final une liste d’interactions ayant un haut degré de confiance à partir de laquelle des réseaux d’interactions protéine-protéine ont été créés. Le réseau créé au cours de ce projet connecte plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle tels que les ARN Pol I, II et III, les complexes RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CCT, Mi-2/NuRD et des facteurs de transcription et de réparation de l’ADN. Ce type d’analyse nous a permis d’identifier et de caractériser de nouveaux régulateurs de la machinerie de transcription de l’ARN Pol I et II et de mieux comprendre son fonctionnement. / Proteins are the most versatile macromolecules of the cell. They play a fundamental role in the majority of biological processes through the formation of multiprotein complexes. During transcription, a multitude of factors are involved in the control of activity of RNA polymerases. Our laboratory was interested in defining the nuclear RNA polymerases transcription machinery interaction network to better understand their regulatory mechanisms. To do so, a proteomic procedure that allows affinity purification of protein complexes coupled to mass spectrometry and computational data analysis was developed. The tandem affinity purification procedure has been adapted for the purification of soluble protein complexes as they likely exist in live mammalian cells. The aim of my master project was to purify the RNA Pol I complex as well as to further pursue the expansion of the protein-protein interaction network of the human RNA Pol II transcription machinery. By using POLR1E, TWISTNB, POLR2E, PFDN4, MBD2, XPA, CAND1 and PDCD5 TAP – tagged proteins expressed in EcR-293 cell lines, multiple soluble protein complexes were purified and analyzed by mass spectrometry. Protein interactions have been sorted and validated computationally. High-confidence dataset of interactions were used to build the protein-protein interaction networks. The network created for this project connects several components of the transcriptional machinery such as RNA Pol I, II and III, RPAP3/R2TP/prefoldin-like, TRiC/CTC, Mi-2/NuRD complexes and DNA repair and transcription factors. This type of analysis allowed us to identify and characterize new regulators of RNA Pol I and II transcription machinery and to better understand its functioning.

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription. / Genomes encode most of the functions necessary for cell growth and differentiation. Gene transcription, RNA processing, and chromatin remodeling are central processes in the interpretation of the information contained in genomic DNA. Although many protein complexes forming the cellular machinery that interprets mammalian genomes have been studied, a number of additional complexes remain to be identified and characterized. Using proteomic approaches, Dr. Benoit Coulombe’s laboratory purified many components of the RNAPII transcription machinery using tandem affinity purification (TAP), a procedure that allows the isolation of protein complexes as they likely exist in live mammalian cells, and the identification of interaction partners using mass spectrometry. High confidence interactions were selected computationally and used to draw the map of a network connecting many components of the mRNA transcriptional machinery. By applying this procedure, our lab has identified, for the first time, a group of proteins, that interacts both physically and functionally with human RNAPII, and whose properties suggest a role in the assembly of multi-subunit complexes, acting as RNAPII-specific scaffolding proteins and chaperones. The aim of my project was to continue the characterization of the network of protein complexes involving transcription factors, and thus, further pursuing our survey of protein complexes in whole cell extracts. Eight novel RNAPII interaction partners (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 and CCT5) were purified using the tandem affinity purification (TAP) method, and their interaction partners were identified by mass spectrometry. Over the years, our lab’s analysis of transcriptional regulation and mechanisms has contributed novel and important knowledge that provided better understanding of mRNA synthesis. This knowledge is paramount to the development of therapeutics that will target transcriptional mechanisms.

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription. / Genomes encode most of the functions necessary for cell growth and differentiation. Gene transcription, RNA processing, and chromatin remodeling are central processes in the interpretation of the information contained in genomic DNA. Although many protein complexes forming the cellular machinery that interprets mammalian genomes have been studied, a number of additional complexes remain to be identified and characterized. Using proteomic approaches, Dr. Benoit Coulombe’s laboratory purified many components of the RNAPII transcription machinery using tandem affinity purification (TAP), a procedure that allows the isolation of protein complexes as they likely exist in live mammalian cells, and the identification of interaction partners using mass spectrometry. High confidence interactions were selected computationally and used to draw the map of a network connecting many components of the mRNA transcriptional machinery. By applying this procedure, our lab has identified, for the first time, a group of proteins, that interacts both physically and functionally with human RNAPII, and whose properties suggest a role in the assembly of multi-subunit complexes, acting as RNAPII-specific scaffolding proteins and chaperones. The aim of my project was to continue the characterization of the network of protein complexes involving transcription factors, and thus, further pursuing our survey of protein complexes in whole cell extracts. Eight novel RNAPII interaction partners (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 and CCT5) were purified using the tandem affinity purification (TAP) method, and their interaction partners were identified by mass spectrometry. Over the years, our lab’s analysis of transcriptional regulation and mechanisms has contributed novel and important knowledge that provided better understanding of mRNA synthesis. This knowledge is paramount to the development of therapeutics that will target transcriptional mechanisms.

[EN] ABSTRACT Abscisic acid (ABA) signaling plays a critical role in regulating root growth and root system architecture. ABA-mediated growth promotion and root tropic response under water stress are key responses for plant survival under limiting water conditions. In this work, we have explored the role of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) PYR/PYL/RCAR receptors (PYRABACTIN RESISTANCE1 (PYR1)/PYR1 LIKE (PYL)/REGULATORY COMPONENTS OF ABA RECEPTORS) for root ABA signaling. As a result, we discovered that PYL8 plays a nonredundant role for the regulation of root ABA sensitivity. Unexpectedly, given the multigenic nature and partial functional redundancy observed in the PYR/PYL family, the single pyl8 mutant showed reduced sensitivity to ABA-mediated root growth inhibition. This effect was due to the lack of PYL8-mediated inhibition of several clade A phosphatases type 2C (PP2Cs), since PYL8 interacted in vivo with at least five PP2Cs, namely HYPERSENSITIVE TO ABA1 (HAB1), HAB2, ABAINSENSITIVE1 (ABI1), ABI2, and PP2CA/ABA-HYPERSENSITIVE GERMINATION3 as revealed by tandem affinity purification and mass spectrometry proteomic approaches. Membrane-delimited abscisic acid (ABA) signal transduction plays a critical role in early ABA signaling, but the molecular mechanisms linking core signaling components to the plasma membrane are unclear. We show that transient calciumdependent interactions of PYR/PYL/RCAR ABA receptors with membranes are mediated through a 10-member family of C2-domain ABA-related (CAR) proteins in Arabidopsis thaliana. Specifically, we found that PYL4 interacted in an ABA-independent manner with CAR1 in both the plasma membrane and nucleus of plant cells. CAR1 belongs to a plant-specific gene family encoding CAR1 to CAR10 proteins, and bimolecular fluorescence complementation and coimmunoprecipitation assays showed that PYL4-CAR1 as well as other PYR/PYL-CAR pairs interacted in plant cells. The crystal structure of CAR4 was solved, which revealed that, in addition to a classical calcium-dependent lipid binding C2 domain, a specific CAR signature is likely responsible for the interaction with PYR/PYL/RCAR receptors and their recruitment to phospholipid vesicles. This interaction is relevant for PYR/PYL/RCAR function and ABA signaling, since different car triple mutants affected in CAR1, CAR4, CAR5, and CAR9 genes showed reduced sensitivity to ABA in seedling establishment and root growth assays. In summary, we identified PYR/PYL/RCAR-interacting partners that mediate a transient Ca2+-dependent interaction with phospholipid vesicles, which affects PYR/PYL/RCAR subcellular localization and positively regulates ABA signaling. / [ES] RESUMEN La señalización por la hormona vegetal ácido abscísico (ABA) desempeña un papel crítico en la regulación del crecimiento de la raíz y en la arquitectura del sistema radical. La promoción de crecimiento de la raíz en condiciones de estrés hídrico mediada por ABA es clave para la supervivencia de las plantas bajo condiciones limitantes de agua. En este trabajo, hemos explorado el papel de los receptores PYR/PYL/RCAR (PYRABACTIN RESISTANCE1 (PYR1)/PYR1 LIKE (PYL)/ REGULATORY COMPONENTS OF ABA RECEPTORS) de Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) en la ruta de señalización de ABA en raíz. Así, hemos descubierto que el receptor de ABA PYL8 juega un papel no redundante en la regulación de la percepción de ABA en raíz. Inesperadamente, dada la naturaleza multigénica y la redundancia funcional parcial observada en la familia PYR/PYL/RCAR, el mutante pyl8 fue el único mutante sencillo de pérdida de función de los receptores PYR/PYL/RCAR que mostraba una sensibilidad reducida a la inhibición del crecimiento mediada por ABA en raíz. Este efecto se debe a la falta de inhibición mediada por PYL8 de varias fosfatasas del grupo A tipo 2C (PP2Cs), ya que PYL8 es capaz de interactuar in vivo con al menos cinco PP2Cs, denominadas HYPERSENSITIVE TO ABA1 (HAB1), HAB2, ABAINSENSITIVE1 (ABI1), ABI2, and PP2CA/ABA-HYPERSENSITIVE GERMINATION3 según lo han revelado la purificación por afinidad en tándem (TAP por sus siglas en inglés) y estudios proteómicos de espectrometría de masas. La transducción de la señal del ABA localizada en la membrana plasmática celular juega un papel crucial en los pasos iniciales de la señalización de la fitohormona, pero los mecanismos moleculares que unen los componentes básicos de la señalización y la membrana plasmática no están claros. Estudiando las interacciones de los receptores del ABA PYR/PYL/RCAR con la membrana plasmática hemos encontrado que éstos pueden interaccionar transitoriamente con ella de forma dependiente de calcio gracias a una familia de proteínas con dominios C2 relacionadas con la ruta de señalización de ABA (denominadas C2-domain ABA-related (CAR) proteins). Específicamente, se encontró que PYL4 interacciona de manera independiente de ABA con CAR1 tanto en la membrana plasmática como en el núcleo de las células vegetales. La proteína CAR1 pertenece a una familia multigénica constituida por 10 miembros en Arabidopsis thaliana, desde CAR1 hasta CAR10, y que solo se encuentra en plantas. Los ensayos de complementación bi-molecular de fluorescencia y de co-immunoprecipitación confirmaron la interacción en células vegetales tanto de PYL4-CAR1 como de otras parejas de PYR/PYL-CAR. La cristalización de la proteína CAR4 reveló que, además de un dominio C2 clásico de unión a lípidos dependiente de calcio, las proteínas de la familia CAR presentan un dominio específico que probablemente es responsable de la interacción con los receptores PYR/PYL/RCAR y de su posterior reclutamiento a las vesículas de fosfolípidos. Esta interacción es relevante para la función de los receptores PYR/PYL/RCAR en la señalización del ABA, ya que diferentes mutantes triples car de pérdida de función, que tienen afectados los genes CAR1, CAR4, CAR5, y CAR9, demostraron una reducción de la sensibilidad al ABA en ensayos de establecimiento de plántula y crecimiento de la raíz. En resumen, hemos identificado nueva familia de proteínas que son capaces mediar las interacciones transitorias dependientes de Ca2+ con vesículas de fosfolípidos, lo que a su vez afecta localización de PYR/PYL/RCAR y regula positivamente la señalización de ABA. / [CA] RESUM La senyalització per l'hormona vegetal àcid abcíssic (ABA) exerceix un paper crític en la regulació del creixement de l'arrel i també en l'arquitectura del sistema radical. La promoció del creixement de l'arrel en condicions d'estrés hídric, regulada per ABA és clau per la supervivència de les plantes sota condicions limitants d'aigua. Amb aquest treball, hem investigat el paper dels receptors PYR/PYL/RCAR (PYRABACTIN RESISTANCE1 (PYR1)/PYR1 LIKE (PYL)/ REGULATORY COMPONENTS OF ABA RECEPTORS) d'Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) en el camí de senyalització d'ABA en arrel. Així, hem descobert que el receptor d'ABA PYL8 exerceix un paper no redundant en la regulació de la percepció d'ABA en arrel. Inesperadament, donada la naturalesa multigènica i la redundància funcional parcial que s'observa en la família PYR/PYL/RCAR, el mutant pyl8 va ser l'únic mutant senzill de pèrdua de funció dels receptors PYR/PYL/RCAR que mostrava una sensibilitat reduïda a la inhibició del creixement mitjançada per l'ABA en l'arrel. Doncs aquest efecte es deu a la falta d'inhibició regulada per PYL8 de diverses fosfatases del grup A tipus 2C (PP2Cs), ja que PYL8 té la capacitat d'interactuar in vivo almenys amb cinc PP2Cs, anomenades HYPERSENSITIVE TO ABA1 (HAB1), HAB2, ABAINSENSITIVE1 (ABI1), ABI2, and PP2CA/ABAHYPERSENSITIVE GERMINATION3 segons ho han revelat per una banda la purificació per afinitat en tàndem (TAP són les seues sigles en anglés) i per altra banda, estudis proteòmics d'espectrometria de masses. Pel que fa a la transducció del senyal del l'ABA, la qual es localitza en la membrana plasmàtica cel¿lular, juga un paper molt important en els primers instants de la senyalització de la fitohormona, no obstant això els mecanismes moleculars que uneixen els components bàsics d'aquesta senyalització amb la membrana plasmàtica, no es troben del tot clars. Per tant, s'han estudiat les interaccions que tenen els receptors del ABA PYR/PYL/RCAR amb la membrana plasmàtica, i hem trobat que aquests tenen la capacitat d'interaccionar transitòriament amb la membrana de forma dependent al calci, gràcies a una família de proteïnes amb domini C2, les quals es troben relacionades amb la ruta de senyalització d'ABA(anomenades C2domain ABArelated (CAR) proteins).Específicament, es va trobar que PYL4 interacciona d'una manera independent al ABA amb CAR1, tant en la membrana plasmàtica, com en el nucli de les cèl¿lules vegetals. La proteïna CAR1 pertany a la família multigènica constituïda per 10 components en Arabidopsis thaliana, des de CAR1 fins CAR10, que tan sols es troba en plantes. Els assajos de complementació bimolecular de fluorescència i de co-immunoprecipitació, van confirmar la interacció en cèl¿lules vegetals, tant de PYL4CAR1 com d'altres parelles de PYR/PYL-CAR. La cristal¿lització de la proteïna CAR4 va revelar que, a més d'un domini C2 clàssic de unió a lípids dependent del calci, les proteïnes de la família CAR presenten un domini PYR/PYL/RCAR, i del seu posterior reclutament a les vesícules fosfolipídiques. Doncs, aquesta interacció és rellevant en la funció dels receptors PYR/PYL/RCAR, ja que participa en la senyalització del l'ABA. Aquesta interacció es clau per a la funció dels receptors, ja que diferents mutants triples car de pèrdua de funció, els quals posseïxen afectats els gens CAR1, CAR4, CAR5 i CAR9, van mostrar una reducció de la sensibilitat a l'ABA en assajos d'establiment de plàntula i creixement de l'arrel. En conclusió, hem identificat una nova família de proteïnes amb la capacitat d'organitzar les interaccions transitòries dependents del calci amb vesícules de fosfolípids, fet que al seu torn afecta la localització de PYR/PYL/RCAR i regula positivament la senyalització d'ABA. / Rodríguez Solovey, LN. (2015). IDENTIFICATION OF TARGETS AND AUXILIARY PROTEINS OF PYR/PYL/RCAR ABA RECEPTORS: PROTEIN PHOSPHATASES TYPE 2C (PP2Cs) AND C2-DOMAIN ABA-RELATED PROTEINS (CARs) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58862