H1 and core histone mRNA levels have been examined in the presence of portein synthesis inhibitors with different mechanisms of action. Total HeLa cell RNAs were analyzed by Northern Blot hybridization using cloned human histone genes as probes. Inhibition of DNA replication resulted in a rapid decline in histone mRNA levels. However, in the presence of cycloheximide or puromycin, H1 and core mRNAs did not decrease in parallel with DNA synthesis, but were stabilized and accumulated. Inhibition of DNA synthesis with hydroxyurea after the inhibition of protein synthesis did not lead to a decline in histone mRNA levels. These results suggest that synthesis of a protein(s) - perhaps a histone protein(s) - is required for the coordination of DNA synthesis and histone mRNA levels.

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L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones. / Nucleosome assembly entails a controlled mechanism that is tightly coupled to DNA and histone synthesis during DNA replication and repair in S-phase. Importantly, this contributes to the prompt and carefully orchestrated assembly of newly replicated DNA into chromatin, which is essential for the maintenance of genomic integrity. This thesis describes the mass spectrometric characterization of proteins critical in the regulation of nucleosome assembly behind the replication fork and chromatin structure. More specifically, the phosphorylation of Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1), a nucleosome assembly factor that uniquely functions during replication-coupled de novo nucleosome assembly in S-phase and the Hir protein complex, a second nucleosome assembly factor that also contributes to the transcriptional regulation of histone genes during normal cell cycle progression and in response to DNA damage, was examined. We first demonstrated that characterization of protein phosphorylation by mass spectrometry (MS), which often relies on the separation of proteins by gel electrophoresis followed by silver staining for visualization, should be given careful considerations. In chapter 2, we report a potential pitfall in the interpretation of phosphorylation modifications due to the artifactual sulfation of serine, threonine and tyrosine residues caused by a specific reagent used during silver staining. Sulfation and phosphorylation both impart an 80 Da addition of these residues making them distinguishable only with MS systems offering high resolution and high mass accuracy capabilities. Chapter 3 and 4 present the MS characterization of in vivo phosphorylation occurring on CAF-1 and Hir proteins, respectively. We first demonstrated that Cac1, the largest subunit of CAF-1, is phosphorylated on several novel residues containing the consensus sequences recognized by either Cdc7-Dbf4 (DDK) or cyclin-dependent kinases(CDKs). These results have provided the first evidence that CAF-1 is regulated by these two kinases in vivo. The function of all identified Cac1 phosphorylation sites was then assessed. In vivo phenotypic studies showed that the specific phosphorylation of Ser-503, a Cac1 DDK-like site identified in our study, is essential for heterochromatin-mediated telomeric silencing. Cac1-Ser-503 did not appear to be required for other known functions of CAF-1, including DNA damage resistance and mitotic chromosom segregation, indicating that blocking Cac1 phosphorylation on Ser-503 sepcifically cripples CAF-1 function at telomeres. Next, biochemical purifications identified a physical interaction between CAF-1 and Cdc7-Dbf4. Consistent with this physical interaction data, in vitro kinase assay studies showed that Cdc7-Dbf4 specifically phosphorylates Cac1 Ser-503 thereby uncovering a novel role for Cdc7-Dbf4 in heterochromatin assembly and/or stability that is potentially mediated through CAF-1. Finally, MS analysis also showed that the Hpc2 subunit of the Hir protein complex is phosphorylated on several CDK- and DDK-like consensus sites. Furthermore, MS quantification of a specific phosphorylation site,Hpc2 Ser-330, was shown to be highly induced following the activation of the DNA damage checkpoint in response to DNA damage. We show that Hpc2 Ser-330 is phopshorylated by checkpoint kinases in a Mec1/Tel1- and Rad53-dependent manner. Our preliminary data suggest that the ability of the Hir protein complex to regulate the transcriptional repression of histone genes during normal cell cycle progression and in response to DNA damage is mediated through the regulated phosphorylation of Hpc2 by these kinases. Finally, these two studies highlight the importance of mass spectrometry in characterizing protein phosphorylation events, which has yielded novel insights into the regulation of chromatin assembly by CAF-1 and histone synthesis mediated by Hir proteins.

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones. / Nucleosome assembly entails a controlled mechanism that is tightly coupled to DNA and histone synthesis during DNA replication and repair in S-phase. Importantly, this contributes to the prompt and carefully orchestrated assembly of newly replicated DNA into chromatin, which is essential for the maintenance of genomic integrity. This thesis describes the mass spectrometric characterization of proteins critical in the regulation of nucleosome assembly behind the replication fork and chromatin structure. More specifically, the phosphorylation of Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1), a nucleosome assembly factor that uniquely functions during replication-coupled de novo nucleosome assembly in S-phase and the Hir protein complex, a second nucleosome assembly factor that also contributes to the transcriptional regulation of histone genes during normal cell cycle progression and in response to DNA damage, was examined. We first demonstrated that characterization of protein phosphorylation by mass spectrometry (MS), which often relies on the separation of proteins by gel electrophoresis followed by silver staining for visualization, should be given careful considerations. In chapter 2, we report a potential pitfall in the interpretation of phosphorylation modifications due to the artifactual sulfation of serine, threonine and tyrosine residues caused by a specific reagent used during silver staining. Sulfation and phosphorylation both impart an 80 Da addition of these residues making them distinguishable only with MS systems offering high resolution and high mass accuracy capabilities. Chapter 3 and 4 present the MS characterization of in vivo phosphorylation occurring on CAF-1 and Hir proteins, respectively. We first demonstrated that Cac1, the largest subunit of CAF-1, is phosphorylated on several novel residues containing the consensus sequences recognized by either Cdc7-Dbf4 (DDK) or cyclin-dependent kinases(CDKs). These results have provided the first evidence that CAF-1 is regulated by these two kinases in vivo. The function of all identified Cac1 phosphorylation sites was then assessed. In vivo phenotypic studies showed that the specific phosphorylation of Ser-503, a Cac1 DDK-like site identified in our study, is essential for heterochromatin-mediated telomeric silencing. Cac1-Ser-503 did not appear to be required for other known functions of CAF-1, including DNA damage resistance and mitotic chromosom segregation, indicating that blocking Cac1 phosphorylation on Ser-503 sepcifically cripples CAF-1 function at telomeres. Next, biochemical purifications identified a physical interaction between CAF-1 and Cdc7-Dbf4. Consistent with this physical interaction data, in vitro kinase assay studies showed that Cdc7-Dbf4 specifically phosphorylates Cac1 Ser-503 thereby uncovering a novel role for Cdc7-Dbf4 in heterochromatin assembly and/or stability that is potentially mediated through CAF-1. Finally, MS analysis also showed that the Hpc2 subunit of the Hir protein complex is phosphorylated on several CDK- and DDK-like consensus sites. Furthermore, MS quantification of a specific phosphorylation site,Hpc2 Ser-330, was shown to be highly induced following the activation of the DNA damage checkpoint in response to DNA damage. We show that Hpc2 Ser-330 is phopshorylated by checkpoint kinases in a Mec1/Tel1- and Rad53-dependent manner. Our preliminary data suggest that the ability of the Hir protein complex to regulate the transcriptional repression of histone genes during normal cell cycle progression and in response to DNA damage is mediated through the regulated phosphorylation of Hpc2 by these kinases. Finally, these two studies highlight the importance of mass spectrometry in characterizing protein phosphorylation events, which has yielded novel insights into the regulation of chromatin assembly by CAF-1 and histone synthesis mediated by Hir proteins.

Chez les cellules humaines, environ 2 mètres d'ADN est compacté dans le noyau cellulaire par la formation d'une structure nucléoprotéique appelée chromatine. La chromatine est composée d'ADN enroulé à la surface d'un octamère de core histones pour former une structure appelée nucléosome. La structure de la chromatine doit être altérée afin d'accéder à l'information génétique pour sa réplication, sa réparation et sa transcription. La duplication de la chromatine lors de la phase S est cruciale pour la prolifération et la survie des cellules. Cette duplication de la chromatine requière une ségrégation des histones parentales, mais aussi une déposition d'histones néo-synthétisées sur l'ADN. Ces deux réactions résultent en formation de chromatine dès qu'une quantité suffisante d'ADNest générée par la machinerie de réplication. De plus, en raison de conditions intrinsèques et extrinsèques, la machinerie de réplication est souvent confrontée à de nombreux obstacles, sous la forme de lésions à l'ADN qui interfèrent avec la réplication de l'ADN. Sous ces conditions, l'assemblage de nucléosomes et la synthèse d'histones sont étroitement régulées afin d'éviter la production d'un excès d'histones et leurs nombreuses conséquences nuisibles à la cellule. "Chromatin Assembly Factor 1" (CAF-1) est responsable de la déposition initiale des molécules d'H3 et H4 derrière les fourches de réplication. Pour permettre sa fonction d'assemblage de chromatine, CAF-1 est localisée aux fourches de réplication en vertue de sa liaison à une protéine appelée Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA). Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel CAF-1 exerce sa function demeure mal compris. Dans le deuxième chapitre de ma thèse, j'ai exploré comment CAF-1 se lie à PCNA d'une manière distincte des nombreux autres partenaires de PCNA. Grâce à nos collaborateurs, des études de crystallographie ont démontré que CAF-1 se lie à PCNA grâce à une interaction non-canonique entre le "PCNA Interaction Peptide" (PIP) de CAF-1 et une interaction de type cation-pi (π). Nous avons aussi montré qu'une substitution d'un seul acide aminé, unique au PIP de CAF-1, abolit son interaction avec PCNA et sa capacité d'assemblage de nuclésomes. Nous avons aussi montré que le PIP de CAF-1 est situé à l'extrémité C-terminale d'une très longue hélice alpha qui est conservée à travers l'évolution parmi de nombreux homologues de CAF-1. Nos études biophysiques ontmontré que cette longue hélice alpha forme des structures oligomériques de type "coiled-coil", ce qui suggère certains mécanismes pour dédier un anneau de PCNA à l'assemblage de chromatine et ce, en dépit des nombreux intéracteurs de PCNA présents aux fourches de réplication. Dans le troisième chapitre de ma thèse, nos collaborateurs et moi-même avons étudié les mécanismes moléculaires par lesquels les cellules parviennent à maintenir un équilibre délicat entre la synthèse d'ADN et la synthèse d'histones et ce, même en présence de lésions à l'ADN qui interfèrent avec la réplication. Chez Saccharomyces cerevisiae, nous avons montré que les kinases de réponse au dommage à l'ADN, Mec1/Tel1 et Rad53, inhibent la transcription des gènes d'histones en réponse aux liaisons à l'ADN qui interfèrent avec la réplication. Nous avons montré que la répression des gènes d'histones induite par le dommage à l'ADN est médiée par une phosphorylation extensive de Hpc2, l'une des sous-unités du complexe "Histone Gene Repressor" (HIR). Hpc2 contient un domaine qui se lie à l'histone H3. À partir de la structure d'Hpc2, nous avons généré des mutants qui, d'après la structure, sont incapables de se lier à l'histone H3. Nos résultats montrent que l'accumulation d'histones en excès provoquée par le dommage à l'ADN entraîne la phosphorylation d'Hpc2 and la liaison de l'excès d'histone H3 à Hpc2. Ces résultats suggèrent que la répression transcriptionnelle des gènes d'histones induite par le dommage à l'ADN est médiée, du moins en partie, par une simple rétroaction négative impliquant la liaison des histones en excès à la sous-unité Hpc2 du complexe HIR. / In human cells, roughly 2 meters of DNA is compacted into the cell nucleus by the formation of a nucleoprotein complex called chromatin. Chromatin is composed of DNA wrapped around an octamer of core histones to form so-called nucleosomes. Chromatin structure needs to be altered to access genetic information for processes like replication, repair and transcription. Duplication of chromatin during S phase is vital for cell proliferation and viability. Chromatin duplication requires segregation of parental histones, but also deposition of newly synthesized histones onto DNA. This process results in packaging all of the synthesized DNA with histones to form nucleosomes as soon as enough nascent DNA has emerged from the replication machinery. Moreover, as a result of intrinsic and extrinsic conditions, the replication machinery often encounters DNA lesions that impede the continuous synthesis of DNA. Under these conditions, nucleosome assembly and histone synthesis are tightly regulated to prevent the production of an excess of histone proteins and their deleterious consequences. Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) performs the initial step in chromatin assembly by depositing newly synthesized histone H3-H4 molecules behind replication forks. In order to perform its chromatin assembly function, CAF-1 localizes to DNA replication forks by binding directly to a protein known as the Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA). However, the exact molecular mechanism by which this is achieved remains poorly understood. Through the second chapter of my thesis, I have explored how CAF-1 binds PCNA in a manner that is distinct from the numerous other binding partners of PCNA. With the help of our collaborators, crystallographic studies demonstrated that CAF-1 binds to PCNA by virtue of a non-canonical PCNA interaction peptide (PIP) and a cation-pi (π) interaction. We have also shown that a single amino acid substitution, unique to the PIP of CAF-1, disrupts its binding to PCNA and chromatin assembly activity. We found that the CAF-1 p150 PIP resides at the extreme C-terminus of a long alpha helix that is evolutionarily conserved among numerous homologues of CAF-1. Our biophysical studies showed that this long alpha-helix is capable of forming higher-order coiled coils, which suggests mechanisms to dedicate one PCNA ring for chromatin assembly despite the presence of multiple PCNA interactors at replication forks. In the third chapter of this thesis, our collaborators and I have addressed the crucial molecular mechanisms by which cells maintain a delicate balance between DNA and histone synthesis despite the presence of DNA lesions that interfere with replication. In Saccharomyces cerevisiae, we showed that the DNA damage response kinases Mec1/Tel1 and Rad53 inhibit histone gene transcription when DNA lesions block DNA replication. We also showed that this repression is mediated by phosphorylation of the Hpc2 subunit of the Histone Gene Repressor complex (HIR). Hpc2 contains a domain that directly binds to histone H3. Interestingly, structure-based mutants of Hpc2 predicted to be incapable of binding H3 are defective in DNA damage-induced transcriptional repression of histone genes in response to DNA damage during replication. Our results indicate that the accumulation of excess histones caused by DNA damage during S phase triggers extensive phosphorylation of Hpc2 and binding of excess H3 to Hpc2. This suggests that DNA damage-induced repression of histone genes is mediated, at least in part, by a simple negative feedback triggered by binding of excess histones to the Hpc2 subunit of the HIR complex.