京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23063号 / 医博第4690号 / 新制||医||1048(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 岩田 想, 教授 長尾 美紀, 教授 秋山 芳展 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24475号 / 医博第4917号 / 新制||医||1062(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 生田 宏一, 教授 竹内 理, 教授 上野 英樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

La poly(ADP-ribose) polymérase (PARP) est une enzyme nucléaire capable de catalyser la formation de polymères d'ADP-ribose sur plusieurs protéines acceptrices en utilisant le NAD comme substrat. Cette modification post-traductionnelle est notamment impliquée dans la régulation de la réparation, de la transcription et de la réplication de l'ADN. L'enzyme responsable de l'hydrolyse du polymère d'ADP-ribose se nomme la poly(ADPribose) glycohydrolase (PARG) et son action est essentielle afin de permettre aux protéines modifiées de regagner leurs fonctions. Toutefois, la régulation de la dégradation du polymère et les rôles précis de la PARG ne sont pas très bien connus. Ce projet de recherche décrit pour la première fois une caractérisation détaillée des deux gènes qui codent pour des PARG chez C. elegans, soient pme-3 et pme-4. Via un essai PARG, nous avons d'abord prouvé que le ver était capable d'hydrolyser le polymère et que les enzymes responsables de cette dégradation étaient PME-3 et PME-4. Une expérience de RT-PCR a démontré que ces gènes sont exprimés dans tous les stades de développement du ver, un résultat qui fut confirmé par l'utilisation de plasmides recombinants de fusion GFP. De plus, ces plasmides recombinants ont également été utilisés pour montrer que PME-3 semble être exprimée principalement dans les cellules neuronales ainsi que dans l'intestin et qu'elle se retrouve en grande majorité au noyau. PME-4 est également exprimée dans les cellules neuronales mais sa localisation sous-cellulaire semble exclusivement cytoplasmique. L'inactivation de pme-3 et pme-4 via l'interférence à l'ARN indique que ces enzymes sont importantes dans la réponse aux dommages à l'ADN. En effet, les vers dont l'expression de ces gènes est réduite montrent un taux de survie significativement plus faible que les vers contrôles suite à une induction de dommages à l'ADN. Via des expériences de double hybride de levure, nous avons effectué un criblage afin de trouver des partenaires protéiques de PME-3 et PME-4. Nous avons identifié un partenaire à PME3, soit la protéine de fonction inconnue MATH-41, mais aucun partenaire pour PME-4. Le patron d'expression de MATH-41 semble indiquer que cette protéine est principalement exprimée dans l'intestin du ver. Ces résultats montrent que les PARG semblent avoir un rôle dans la réponse aux dommages à l'ADN et dans la survie. De plus, ils constituent d'importants avancements dans l'étude des rôles que pourraient jouer les PARG dans plusieurs événements métaboliques.

La poly(ADP-ribosyl)ation implique principalement deux enzymes, la poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) et la poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). PARP-1 catalyse la formation de poly(ADP-ribose) à partir du NAD+ lors de bris à l'ADN. Le poly(ADP-ribose) est attaché de façon covalente à certaines protéines cibles ce qui en modifie les fonctions par modification post-traductionnelle transitoire. Les protéines modifiées regagnent rapidement leur état d'origine quand l'enzyme PARG hydrolyse le polymère. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont permis de démontrer que la transcription du gèneparp-1 était en partie assurée par Spl etNFI. Comme le gène parp-1, le gène parg est de type housekeeping. Il est probable que ces facteurs soient aussi impliqués dans la transcription de parg. La poly(ADP-ribosyl)ation est débalancée dans les lignées de mélanomes uvéal agressives (T97 et T98) et non-agressives (T108 et Tl 15). Ce projet consiste à caractériser le promoteur du gène humain parg, à étudier son expression et à mieux comprendre le débalancement de la poly(ADP-ribosyl)ation chez ces lignées. Le débalancement de l'expression des enzymes de la poly(ADP-ribosyl)ation a été étudié par puces à ADN, immunobuvardage et par mesure de l'activité enzymatique. L'analyse fonctionnelle du promoteur parg humain a été réalisée par transfection de plasmides recombinants. La liaison de facteurs de transcription à la région assurant l'activité basale du promoteur de parg a été démontrée par retards sur gels. Un test de clonogénicité a été réalisé afin de mesurer la survie des cellules cancéreuses après irradiations ionisantes avec et sans inactivation de la PARG. Nous avons confirmé une variation de l'expression des enzymes de la poly(ADP-ribosyl)ation entre les lignées non-agressives versus agressives du mélanome uvéal. Un débalancement favorisant l'activité glycohydrolase de PARG semble conférer au mélanome uvéal une agressivité accrue. De plus, la région du promoteur de parg comprise entre -47 et -85 pb en amont du site d'initiation de la transcription assure la transcription basale du gène. Les facteurs de transcription Spl et ERM s'y attache. Ainsi, l'étude démontre un débalancement de l'expression des enzymes de la poly(ADP-ribosyl)ation chez le mélanome uvéal. L'emplacement de la région assurant l'activité basale du promoteur de parg et le recrutement de facteurs de transcription y est démontré.

La poly(ADP-ribosyl)ation est une modification post-traductionnelle créée par l'ajout successif d'unités ADP-ribose sur une protéine acceptrice pour former un polymère (pADPr) hétérogène branché. La caractérisation biochimique de tous les membres de la famille des PARPs est incomplète mais un constat important peut être dégagé par l'analyse de cette famille élargie : les PARPs présentent une grande diversité de domaines protéiques fonctionnels. Conséquemment, il est logique de croire que cette étonnante diversité sera responsable de fonctions variées dans plusieurs sentiers de signalisation ou événements cellulaires. La poly(ADP-ribosyl)ation, bien qu'étant une modification cruciale impliquée dans la régulation de l'intégrité génomique et la survie cellulaire, ne se limite plus aux seules fonctions nucléaires mais se présente de plus en plus comme un événement pouvant se dérouler dans un contexte physiologique extra-nucléaire. De plus, la liaison noncovalente de plusieurs protéines au pADPr libre ou à d'autres protéines poly(ADP-ribosyl)ées est un phénomène dont nous commençons à mieux mesurer les impacts fonctionnels. Contrairement aux PARPs, lesquelles sont exprimées par une superfamille de gènes apparentés, la majorité de l'activité de dégradation du pADPr est attribuable à l'expression d'un seul gène chez les mammifères : la poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). Un volet important de mon projet de recherche visait à identifier des partenaires de la PARG dans le but de reconnaître les sentiers biochimiques qui pourraient inclure une composante de poly(ADP-ribosylation) dans leur régulation et définir des interactions fonctionnellement pertinentes. Dans une optique complémentaire, les protéines associées au pADPr, que ce soit de manière covalente, noncovalente ou en association avec des complexes protéiques, ont été ciblées par des approches protéomiques. Enfin, des études protéomiques ont permis d'aborder l'état de phosphorylation de la PARP-1 et de la PARG

Poly(ADP-ribosyl)ation is a reversible post-translational modification of histones and nuclear proteins rapidly stimulated by DNA damage. Its homeostasis is a dynamic process regulated by the synthesizing enzymes poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) and the degrading enzyme poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). PARP-1, the first-discovered and major PARP, has been the focus of many studies aimed at clarifying the biological function of poly(ADP-ribose) (PAR). This abundant nuclear enzyme plays key roles in a variety of cellular processes, including the regulation of chromatin structure, transcription and genomic integrity. Its multifunctionality has made it an attractive and potential target for therapy, as evidenced by the numerous PARP-1 inhibitors currently undergoing clinical trials. The transient nature of PAR, explained by the close coordination between PARP-1 and PARG, has also highlighted the potential of targeting PARG for diseases of inappropriate cell death. A number of obstacles, however, have prevented PARG from being studied as extensively as PARP-1. The extreme sensitivity of PARG to proteases and its insolubility at high concentrations have limited structure-activity relationship analyses and structural studies of PARG, and the unavailability of high-throughput activity assays has stalled the discovery and development of specific and cell permeable PARG inhibitors, subsequently slowing down the validation of PARG as a therapeutic target. The work presented in this dissertation describes in detail strategies devised to overcome these difficulties. First, a novel colorimetric high-throughput assay for PARG was evaluated and its sensitivity and precision were compared to a widely-used radiolabelling assay. Second, several expression and purification systems were constructed in order to obtain high quantities of soluble human PARG protein adequate for in vitrostructural studies. The efficacy of these strategies was demonstrated in structure-activity analyses of PARG which led to the identification of a regulatory segment far removed linearly from the catalytic site of PARG. This region, necessary for catalytic activity, corresponds with a recently identified mitochondrial targeting sequence (MTS) and was thus named the ‘regulatory segment/MTS’ (REG/MTS). Finally, based on structural data obtained, secondary structure predictions were made to provide insight into the molecular composition of the different domains of PARG, whose structures still remain to be determined.

Polymers of ADP-ribose (PAR) are rapidly synthesized by poly(ADPribose) polymerases (PARPs) and rapidly degraded by poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) following genotoxic stress. Since PAR metabolism plays an important role in cell fate determination following genotoxic stress, enzymes involved in PAR metabolism potentially represent promising therapeutic targets for modulating diseases of inappropriate cell proliferation or death. PARP-1 has been well validated and several PARP-1 inhibitors are currently being evaluated in clinical trials for cancer and ischemia treatment. In contrast, the biological function of PARG is still poorly understood. Due to low abundance of protein levels in mammalian cells and its unique substrate, PARG potentially represents another attractive target for pathological conditions mentioned above. PARG-Δ2,3 cells derived from homozygous PARG-Δ2,3 mice with targeted disruption of exons 2 and 3 of the PARG gene are used in this dissertation. The nuclear isoform PARG60 in PARG-Δ2,3 cells lacks the putative regulatory domain A compared to the nuclear isoform PARG110 in wild type cells. We report in this dissertation that PARG-Δ2,3 cells accumulate less PAR in spite of more rapid depletion of NAD following treatment with N-methyl- N’- Nitro-N-Nitrosoguanidine (MNNG). The estimation of PARP and PARG activity in intact cells shows increased activity of both enzymes in PARG-Δ2,3 cells following MNNG treatment, indicating the important role of domain A in the regulation of PARG and PARP activity under these conditions. Following MNNG treatment, PARG-Δ2,3 cells show reduced formation of XRCC1 foci, decreased H2AX phosphorylation, decreased DNA break intermediates during repair, and increased cell death. The altered PAR metabolism and defective cellular responses related to DNA repair in PARG-Δ2,3 cells may contribute to increased sensitivity of these cells to MNNG. Studies presented in this dissertation clearly demonstrate the important role of PARG110 in PAR metabolism and cellular responses to genotoxic stress, and thus provide supportive data for the validation of PARG as a promising potential therapeutic target.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 106-126. Publié aussi en version électronique.

Adenosine diphosphate (ADP) ribosylation is a post-translational modification dependent on the transfer of ADPr units from nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) on to a plethora of biomolecules (i.e., proteins, DNA, RNA, etc.) in response to physiological stressors (i.e., nutrient deprivation, oxidative stress, DNA strand breaks). Poly-ADP-ribosylation (PARylation) is primarily mediated by the family of poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) and enzymatically degraded (dePARylation) by hydrolases such as poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG). This thesis characterizes the role of poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) and PARG in the skeletal muscle of healthy mature mice under normal physiological conditions. Specifically, we validate the deletion of Parp1 and Parg in inducible skeletal muscle-specific KO mouse models followed by performing general phenotyping of both male and female mice. The thesis concludes that under normal physiological conditions the activity of Parp1 or Parg in (de)PARylation is dispensable for maintaining skeletal muscle mass, function, and homeostasis in healthy mature mice.

La poly(ADP-ribosyl)ation est une modification post-traductionnelle effectuée par les poly(ADP-ribose) polymerases (PARP), des enzymes à prédominance nucléaire qui catalysent la formation de polymères d'ADP-ribose sur des protéines acceptrices en utilisant le NAD+ comme substrat. Cette modification est impliquée dans plusieurs processus cellulaires dont la replication, la transcription, la réparation de l'ADN et la mort cellulaire. La poly(ADP-ribose)glycohydrolase (PARG) est l'enzyme qui hydrolyse le polymère d'ADP-ribose, permettant aux protéines modifiées de regagner leurs fonctions. Le projet de recherche ici présent décrit les méthodes et caractéristiques optimales de l'inhibition de l'expression du gène PARG dans le but de moduler la réponse aux dommages à l'ADN des cellules humaines cancéreuses. La première étape a été de développer des anticorps monoclonaux spécifiques envers l'enzyme PARG humaine (B8G4 et D8B10). Ces anticorps, d'un isotype IgGl et IgG2a respectivement, sont capables de détecter spécifiquement trois isoformes de l'enzyme PARG. Les résultats d'immunobuvardages ont montré que B8G4 et D8B10 détectent PARG dans des types cellulaires différents. La deuxième étape consistait au développement de petits ARN en épingle à cheveux (shARN) spécifiques au gène PARG humain et leur insertion dans un système d'expression viral (lentivirus). Les quatre shARN-huPARG produits et caractérisés ont tous démontré une capacité variable de l'inhibition de l'expression du gène PARG chez les cellules humaines. L'inhibition a permis de diminuer significativement la présence cellulaire de la protéine PARG ainsi que son activité enzymatique. Des cellules de gliomes humains SKI-1 dont le contenu en PARG a été constitutivement diminué à l'aide du système de shARN semblent montrer une sensibilité accrue aux rayons ionisants. Les anticorps anti-PARG B8G4 et D8B10 ainsi que les ARN en épingle à cheveux shRNA-PARG sont des outils moléculaires fonctionnels permettant de diminuer significativement l'expression du gène PARG et de déterminer l'ampleur de l'inhibition. Ces outils ont été ainsi utilisés dans une étude fonctionnelle de sensibilisation des cellules cancéreuses envers des rayons ionisants.