The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Abstract

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Apurinic/apyrimidinic (AP) sites are highly mutagenic DNA lesions occurring either spontaneously or by the action of DNA damaging agents. In human cells, AP sites are processed by the major DNA repair enzyme APE1 through the base excision repair (BER) pathway. APE1 is a multifunctional protein that has AP endonuclease/3’-diesterase activities in addition to its role as a redox factor in activating many transcription factor. Recently, it has been shown that APE1 interacts with the glycolytic enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), an interaction that results in the activation of APE1 by reduction. Interestingly, depletion of GAPDH sensitized the cells to DNA damaging agents and induced an increase in spontaneous AP sites frequency. Moreover, cells knocked-down for GAPDH showed defects in proliferation. Here we set up to investigate the effects of GAPDH knockdown on cell cycle progression, APE1 subcellular localization and to identify the cysteine residue(s) of APE1, target(s) of GAPDH reduction. Our studies showed that GAPDH deficient cells arrested in G1 phase of the cell cycle. The defect in cell cycle progression is most probably due to accumulation of DNA damage which activates checkpoints leading to a delay in the cell cycle to allow DNA repair. Furthermore, in GAPDH deficient cells, APE1 formed nuclear foci-like structures that could represent aggregates of the oxidized form of APE1 or inactive APE1 foci on DNA lesions. Using site-directed mutagenesis, we created seven APE1 cysteine to alanine mutants which were cloned into a mammalian expression vector. We expect that at least one of these mutants is likely to resist the inactivation by oxidation as it cannot engage in disulfide bridge formation. Therefore, the expression of this mutant(s) in GAPDH knockdown cells is expected to restore a normal APE1 cellular distribution, rescue the cell cycle defects, and render the cells less sensitive to DNA damaging agents. In conclusion, our results show a new role of GAPDH in maintaining genomic stability under oxidative stress by maintaining APE1 in its functional state.