Au cours de mon travail de thèse, j’ai étudié la structure des deux complexes de protéines, le complexe FANCD2/FANCI et la Phosphorylase kinase (PhK). Les deux complexes ont été étudiés en utilisant la cryo-microscopie électronique combinée à l’analyse d'image. La voie anémie de Fanconi (FA) a été reconnue comme jouant un rôle important dans la réparation de liaisons inter-brin de l'ADN. Dans cette voie, les protéines FANCD2 et FANCI sont des acteurs clés. Dans mon travail de thèse, j’ai calculé la structurale du complexe FANCD2/FANCI humaine. La structure montre une cavité intérieure, assez grande pour accueillir une hélice d'ADN double brin. Nous avons aussi mis en évidence un domaine en forme de tour. Notre collaborateur (M. Cohn, Oxford) a montré que celui-ci est essentiel pour le recrutement du complexe sur l'ADN. La PhK est l'une des kinases les plus complexes. Elle est composée de quatre sous-unités (αβγδ)4. PhK régule le métabolisme du glycogène, intègre divers signaux pour catalyser la conversion du glycogène phosphorylase b (GP) vers la GP a (actif), et la dégradation ultérieure de glycogène. En utilisant un microscope performant et une caméra de détection d'électrons directe puis après plusieurs étapes de traitement d’image, de correction de mouvement de films induits par les faisceaux d'électrons, j’ai obtenu une structure du complexe en 7Å (FSC gold standard). / During my thesis work, I have investigated the structure of two protein complexes, the FANCD2/FANCI complex and the Phosphorylase Kinase complex (PhK). Both complexes were studied using cryo electron microscopy combined with image analysis. The Fanconi Anemia (FA) pathway has been implied to play a significant role in DNA interstrand crosslink repair and may be the coordinator between different DNA damage repair pathways. Within the FA pathway, the FANCD2 and FANCI proteins are key players. In my thesis work, I have calculated the structure of the human FANCD2/FANCI complex. It possesses an inner cavity, large enough to accommodate a double stranded DNA helix. We also discovered a protruding tower domain, which our collaborator (M. Cohn, Oxford) has shown to be critical for the recruitment of the complex to DNA. PhK is one of the most complex kinases. It is composed of four subunits (αβγδ)4. PhK regulates glycogenolysis, it integrates various signals to catalyze the conversion of glycogen phosphorylase (GP) b to GP a (active), and the subsequent breakdown of glycogen. PhK is a potential target for glycemic control in diseases such as diabetes. Using state of the art electron microscope with a direct electron detection camera, after multiple image processing steps and correction of beams induced motion of films, I obtained a structure of the complexe at 7Å (FSC gold standard).

Fanconi anaemia (FA) is an inherited disorder characterized by bone marrow failure, cancer predisposition and congenital abnormalities. The 12 known FA genes have been implicated in homologous recombination (HR), a process involved in telomere maintenance. A complex of at least 7 FA proteins promotes FANCD2 monoubiquitination and nuclear foci formation. FANCD2 colocalizes and interacts with HR proteins, however the role of FANCD2 in HR is unclear. Telomeres in dividing human somatic cells shorten until they reach a critical length, triggering most cells to undergo senescence or apoptosis. Rare immortal cells escape this crisis by expressing telomerase, or activating the Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) pathway, which involves HR. FA core complex proteins and FANCD2 colocalize with telomeric foci in ALT, but not telomerase positive cells. Localization of FANCD2 to ALT telomeric foci requires monoubiquitination by the FA core complex, but is independent of ATM and ATR. FANCD2 primarily colocalizes with ALT telomeric DNA within ALT-associated PML bodies (APBs). Electron spectroscopic imaging and FISH experiments show that APBs contain extra-chromosomal telomeric repeat (ECTR) DNA that is non-nucleosomal. Depletion of FANCD2 causes marked increases in ECTR in ALT, but not telomerase positive cells. Overexpression of BLM, the helicase mutated in Bloom syndrome, also causes an ALT-specific increase in ECTR DNA. FANCD2 coimmunoprecipitates with BLM in ALT cells, and FANCD2 localization to ALT telomeric foci requires BLM expression. FANCD2-depleted ALT cells have reduced viability, signs of mitotic catastrophe, and multiple types of telomeric abnormalities, including increases in telomeric recombination, entanglements, colocalization with DNA repair proteins, and expression of fragile site characteristics. SiRNA depletion of FANCD2 does not cause overexpression of BLM, however codepletion of BLM with FANCD2 suppresses the telomere phenotypes caused by FANCD2 knockdown. Together this suggests that FANCD2 regulates BLM-dependent recombination and amplification of telomeric DNA within ALT cells.

Fanconi anaemia (FA) is an inherited disorder characterized by bone marrow failure, cancer predisposition and congenital abnormalities. The 12 known FA genes have been implicated in homologous recombination (HR), a process involved in telomere maintenance. A complex of at least 7 FA proteins promotes FANCD2 monoubiquitination and nuclear foci formation. FANCD2 colocalizes and interacts with HR proteins, however the role of FANCD2 in HR is unclear. Telomeres in dividing human somatic cells shorten until they reach a critical length, triggering most cells to undergo senescence or apoptosis. Rare immortal cells escape this crisis by expressing telomerase, or activating the Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) pathway, which involves HR. FA core complex proteins and FANCD2 colocalize with telomeric foci in ALT, but not telomerase positive cells. Localization of FANCD2 to ALT telomeric foci requires monoubiquitination by the FA core complex, but is independent of ATM and ATR. FANCD2 primarily colocalizes with ALT telomeric DNA within ALT-associated PML bodies (APBs). Electron spectroscopic imaging and FISH experiments show that APBs contain extra-chromosomal telomeric repeat (ECTR) DNA that is non-nucleosomal. Depletion of FANCD2 causes marked increases in ECTR in ALT, but not telomerase positive cells. Overexpression of BLM, the helicase mutated in Bloom syndrome, also causes an ALT-specific increase in ECTR DNA. FANCD2 coimmunoprecipitates with BLM in ALT cells, and FANCD2 localization to ALT telomeric foci requires BLM expression. FANCD2-depleted ALT cells have reduced viability, signs of mitotic catastrophe, and multiple types of telomeric abnormalities, including increases in telomeric recombination, entanglements, colocalization with DNA repair proteins, and expression of fragile site characteristics. SiRNA depletion of FANCD2 does not cause overexpression of BLM, however codepletion of BLM with FANCD2 suppresses the telomere phenotypes caused by FANCD2 knockdown. Together this suggests that FANCD2 regulates BLM-dependent recombination and amplification of telomeric DNA within ALT cells.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19269号 / 医博第4033号 / 新制||医||1011(附属図書館) / 32271 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 岩井 一宏, 教授 髙折 晃史, 教授 山田 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21646号 / 医博第4452号 / 新制||医||1034(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 武田 俊一, 教授 萩原 正敏, 教授 滝田 順子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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L’anémie de Fanconi (AF) est une maladie génétique récessive caractérisée par des anomalies congénitales, une défaillance progressive de la moelle osseuse, une hypersensibilité aux pontages inter-brins de l’ADN (ICLs) et une susceptibilité à développer le cancer. La voie AF implique au minimum 20 gènes FANC (FANCA-FANCU) et les protéines encodées par ces gènes interagissent également dans une voie cellulaire connue permettant la résistance des cellules aux ICLs de l’ADN. Les agents pontants qui génèrent les ICLs lient de manière covalente les deux brins de l’ADN, créant de ce fait une obstruction physique aux processus cellulaires qui nécessitent le déroulement des deux brins d’ADN tels que la réplication de l’ADN et la transcription. La monoubiquitination de FANCI et FANCD2 par la E3 ubiquitine ligase FANCL est l’évènement culminant de l’activation de la voie AF. Ce processus est dépendant des protéines FANC ayant un rôle en amont de cette étape. Le complexe moléculaire formé par FANCI et FANCD2 coordonne plusieurs événements de la voie AF à la suite de sa monoubiquitination. Tout au long de mon travail de doctorat, nous avons étudié différents aspects de la voie de l’anémie de Fanconi. Nous avons montré deux importants domaines de liaison à l’ADN dans FANCD2 dans lesquels se trouvent six acides aminés polaires, principalement des résidus lysines, très conservés à travers l’évolution. Ces domaines contribuent de manière importante à la liaison à l’ADN dépendante des charges spécifiques. Un de ces domaines de liaison à l’ADN s’avère être également une séquence de localisation nucléaire (NLS) dont la mutation empêche la localisation nucléaire de FANCD2. Les mutants cytoplasmiques de FANCD2 ont aboli leur monoubiquitination et furent incapables de promouvoir la monoubiquitination de FANCI, de même que l’association à la chromatine. Lorsque les défauts de transport nucléaire sont complémentés par un NLS hétérologue, il en résulte une réduction de la monoubiquitination de FANCD2. Ainsi, nos résultats suggèrent que le domaine de liaison à l’ADN et le NLS identifiés dans cette étude soient des régions cruciales de FANCD2. Les cassures double-brins de l’ADN (CDB) sont un autre aspect de la voie de AF qui a fait l’objet de nos études. Les CDB sont des structures intermédiaires formées au moment du décrochage (« unhooking ») du pont inter-brin lors du processus de résolution des ICLs. Nous avons attribué de nouvelles fonctions pour la protéine FANCG dans l’inhibition de la résection des extrémités d’ADN générées par la CDB, affectant ainsi le choix de la voie de réparation de l’ADN. Cette fonction de FANCG est indépendante des autres protéines FANC ayant un rôle en amont, à l’exception de la protéine FANCA. Nous avons également mis en lumière de nouvelles fonctions pour les protéines AF/cancer du sein BRCA2 et PALB2 aux fourches de réplication bloquées. Puis, nous avons également montré qu’un rôle pour ces protéines consiste en la stimulation de la polymérase eta (Polη) afin d’initier la synthèse de l’ADN. En effet, BRCA2 et PALB2 interagissent avec Polη et sont requises pour le recrutement de cette polymérase aux fourches de réplication bloquées. De plus, elles stimulent la synthèse d’ADN dans la D-Loop via la stimulation de la Polη, un élément essentiel à ce processus. Nous concluons donc que PALB2 et BRCA2, en plus de leurs fonctions dans la stimulation de la formation de la D-Loop par RAD51, jouent un rôle crucial dans la synthèse d’ADN associée à la recombinaison via la réparation de l’ADN régulée par la Polη. / Fanconi anemia (FA) is a recessive genetic disorder characterized by congenital abnormalities, progressive bone marrow failure, DNA interstrand cross-links (ICLs) hypersensitivity, and cancer susceptibility. The FA pathway consists of at least 20 FANC genes (FANCA-FANCU), and the encoded protein products interact in a common cellular pathway to gain resistance against DNA ICLs. The ICL-producing agents covalently cross-link two DNA strands and thus, are obstructions to processes which requires unwinding of the two DNA strands such as DNA replication, and transcription. FA pathway activation culminates in the monoubiquitination of FANCD2 and FANCI proteins by E3 ubiquitin ligase FANCL, a process dependent on other upstream FA proteins. The molecular complex formed by FANCI and FANCD2 coordinates multiple events in the FA pathway upon its monoubiquitination. Throughout my doctoral work, we studied various aspects of the FA pathway. We have demonstrated two major DNA binding motifs (DBMs) in FANCD2, comprising of six evolutionally conserved polar amino acids predominantly consisting of lysine, which contributed to the specific charge dependent DNA binding. One of the DBM also consisted of a nuclear localization sequence (NLS), disruption of which abrogated the nuclear localization of FANCD2. The cytoplasmic mutants of FANCD2 had abolished monoubiquitination and were unable to promote FANCI monoubiquitination and chromatin association. Complementation of the nuclear transport defect by a heterologous NLS resulted in the reduction of FANCD2 monoubiquitination. Our results suggest that the DNA binding and NLS identified in this study are crucial regions of FANCD2. DNA double-strand breaks (DSB) are produced as one of the structural intermediates upon ICL unhooking step. We assigned novel functions to the FA protein FANCG in limiting the DNA end-resection, and thus it affects the repair pathway choice. This function of FANCG is independent of other upstream FA proteins except FANCA. We also reveal new functions for FA/breast cancer proteins BRCA2 and PALB2 at blocked replication forks and show a role for these proteins in stimulating polymerase eta (Polη) to initiate DNA synthesis. PALB2 and BRCA2 interact with Polη, and are required to sustain the recruitment of Polη at blocked replication forks. PALB2 and BRCA2 stimulate Polη-dependent DNA synthesis on Displacement loop (D-loop) substrates. We conclude that PALB2 and BRCA2, in addition to their functions in stimulating D-loop formation by RAD51, play crucial roles in the initiation of recombination-associated DNA synthesis by Polη-mediated DNA repair.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L'anémie de Fanconi est une maladie génétique récessive rare, caractérisée par une défaillance de la moelle osseuse et une incidence accrue d'anomalies du développement et de cancer. Les protéines FANC sont impliquées dans la voie Fanconi pour réparer les pontages interbrins de l'ADN. En présence de dommages, la protéine FANCD2 est mono-ubiquitinée et s'accumule à la chromatine. Il est admis que FANCD2 occupe un rôle central dans la voie Fanconi, mais sa fonction biochimique exacte est inconnue. La purification de la protéine FANCD2 et de plusieurs fragments de la protéine, dans le but d'étudier leur capacité à lier l'ADN, a mené à l'identification de deux domaines de liaison à l'ADN. La perte de l'un ou l'autre de ces domaines empêche la localisation de la protéine FANCD2 aux foyers de réparation suite à l'induction de dommages, suggérant que ces domaines sont essentiels pour la fonction de FANCD2.

Fanconi anemia is an autosomal recessive disorder caused by mutation in one of Fanconi genes and it is manifested by developmental abnormalities, bone marrow failure, predisposition to cancer, cellular sensitivity to cross-linking agents and many other symptoms. Proteins encoded by Fanconi genes and some other proteins are part of Fanconi anemia pathway (FA pathway), which is responsible for DNA repair of an interstrand cross-link (ICL). The repair by this pathway requires monoubiquitination of FANCD2, which is induced and regulated by ATR dependent FANCI phosphorylation. The FANCI phosphorylation initiates the FA pathway but the molecular mechanism of this initialization is not known. Furthermore the proper function of entire pathway requires both: sequence of phosphorylation events of FANCI and monoubiquitination of FANCI:FANCD2 complex . The principle of this work was to study molecular mechanism of initiation and regulation of FA pathway by FANCI phosphorylation. Therefore phosphomimetic mutants of FANCI have been created to investigate their role in processes leading to FANCD2 monoubiquitination. The main aim was to reveal how the phosphorylation of FANCI affects DNA binding and also DNA binding of FANCI:FANCD2 complex. Since both DNA and FANCI phosphorylation are required for proper FANCD2...

Due to the action of endogenous and exogenous agents, DNA is subject up to 70,000 lesions per day, thus the existence of repair mechanisms and enzymes is more than necessary. We know basic mechanisms of several specific DNA repair pathways, of which the Fanconi anaemia (FA) repair pathway is one of the least explored. FA is a rare, autosomal recessive disorder characterized by early onset bone marrow failure, developmental defects, genomic instability and predisposition to acute myeloid leukaemia and solid tumours. The primary diagnosis of FA is a hypersensitivity to cross-linking agents of DNA due to inactivation of one of the 21 genes from the FA repair pathway, the so-called FANC genes (FA complementation group). The molecular defect in FA is an impaired repair of DNA interstrand cross-links (ICLs). The ICLs are cytotoxic lesions that inhibit the process of DNA replication and transcription. A crucial step in the FA pathway that initiates ICL repair is a monoubiquitination of FANCD2. FANCD2 monoubiquitination is a base for the recruitment of additional proteins that coordinate DNA repair. Ubiquitin is recruited via activating enzyme E1 (UBA1), ubiquitin-conjugating enzyme E2T (UBE2T) and transferred onto FANCD2 by multisubunit E3 ligase (FA core complex). There are up to 11 different proteins...