Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

Abstract

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.