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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22333号 / 医博第4574号 / 新制||医||1041(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 朝長 啓造, 教授 萩原 正敏, 教授 齊藤 博英 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Molecular dynamics (MD) is a powerful tool that can be applied to protein folding and protein structure. MD allows for the calculation of movement, and final position, of atoms in a biomolecule. These movements can be used to investigate the pathways that allow proteins to fold into energetically favorable structures. While MD is very useful, it still has its limitations. Most notable, computing power and time are of constant concern. Protein structure is inherently important due to the direct link between the structure of a protein and its function. One of the four levels of protein structure, the secondary structure, is the first level to accommodate for the three-dimensional shape of a protein. The main driving force behind secondary structure is hydrogen bonding, which occurs between the carboxyl oxygen and the amine hydrogen of the backbone of a peptide. Determining a greater link between hydrogen bond patterns and types of secondary structure can provide more insight on how proteins fold. Because molecular dynamics allows for an atomic level view of the dynamics behind protein folding/unfolding, it becomes very useful in observing the effects of particular hydrogen bond patterns on the folding pathway and final structure formed of a protein. Using molecular dynamic simulations, a series of experiments in an attempt to alter structure, hydrogen bonding, and folding patterns, can be performed. This information can be used to better understand the driving force of secondary structure, and use the knowledge gained to manipulate these simulations to force folding events, and with that, desired secondary structure features.

Le régulateur transcriptionnel BAP1 est une déubiquitinase nucléaire (DUB) dont le substrat est l’histone H2A modifiée par monoubiquitination au niveau des residus lysines 118 et 119 (K118/K119). Depuis les dernières années, BAP1 emerge comme un gene suppresseur de tumeur majeur. En effet, BAP1 est inactivé dans un plethore de maladies humaines héréditaires et sporadiques. Cependant, malgré l’accumulation significative des connaissances concernant l’occurrence, la pénétrance et l’impact des défauts de BAP1 sur le développement de cancers, ses mécanismes d’action et de régulation restent très peu compris. Cette étude est dédiée à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle du complexe multi-protéique de BAP1 et se présente parmi les premiers travaux décrivant sa régulation par des modifications post-traductionnelles. D’abord, nous avons défini la composition du corps du complexe BAP1 ainsi que ses principaux partenaires d’interaction. Ensuite, nous nous sommes spécifiquement intéressés a investiguer d’avantage deux principaux aspects de la régulation de BAP1. Nous avons d’abord décrit l’inter-régulation entre deux composantes majeures du complexe BAP1, soit HCF-1 et OGT. D’une manière très intéressante, nous avons trouvé que le cofacteur HCF-1 est un important régulateur des niveaux protéiques d’OGT. En retour, OGT est requise pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant sa protéolyse par O-GlcNAcylation, un processus de régulation très important pour le bon fonctionnement de HCF-1. D’autre part, nous avons découvert un mécanisme unique de régulation de BAP1 médiée par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. en effet, UBE2O se caractérise par le fait qu’il s’agit aussi bien d’une ubiquitine conjuratrice et d’une ubiquitine ligase. UBE2O, multi-monoubiquitine BAP1 au niveau de son domaine NLS et promeut son exclusion du noyau, le séquestrant ainsi dans le cytoplasme. De façon importante, nos travaux ont permis de mettre de l’emphase sur le rôle de l’activité auto-catalytique de chacune de ces enzymes, soit l’activité d’auto-déubiquitination de BAP1 qui est requise pour la maintenance de sa localisation nucléaire ainsi que l’activité d’auto-ubiquitination d’UBE2O impliquée dans son transport nucléo-cytoplasmique. De manière significative, nous avons trouvé que des défauts au niveau de l’auto-déubiquitination de BAP1 due à des mutations associées à certains cancers indiquent l’importance d’une propre regulation de cette déubiquitinase pour les processus associés à la suppression de tumeurs. / BAP1 is a nuclear deubiquitinating enzyme (DUB) that acts as a transcription regulator and a DUB of nucleosomal histone H2AK119. In the recent years, it has become clear that BAP1 is a major tumor suppressor, inactivated in a plethora of hereditary and sporadic human malignancies. Although, we now accumulated a significant body of knowledge in respect to the occurrence, penetrance and impact of BAP1 disruption in cancer, its mechanism of action and regulation remained poorly defined. This work is dedicated to the biochemical and functional characterization of the BAP1 multiprotein complex and presents one of the first cases regarding its regulation by post-translational modifications. First, we defined the initial composition of the BAP1 complex and its main interacting components. Second, we specifically focused on two aspects of BAP1 regulation. We described the cross regulation between the two major components of the complex namely HCF-1 and OGT. We found that HCF-1 is important for the maintenance of the cellular levels of OGT. OGT, in turn, is required for the proper maturation of HCF-1 by promoting O-GlcNAcylation-mediated limited proteolysis of its precursor. Third, we discovered an intricate regulatory mechanism of BAP1 mediated by the atypical ubiquitin ligase UBE2O. UBE2O multi-monoubiquitinates BAP1 on its NLS and promotes its exclusion from the nucleus. Importantly, our work emphasises the role of the autocatalytic activity of both enzymes namely the auto-deubiquitination activity of BAP1, required for the maintenance of nuclear BAP1 and the auto-ubiquitination of UBE2O implicated in its nucleocytoplasmic transport. Significantly, we found that auto-deubiquitination of BAP1 is disrupted by cancer-associated mutations, indicating the involvement of this process in tumor suppression.