Global Dynamics of Topoisomerase II Activity

• Autores: José Terrón Bautista
• Directores de la Tesis: Andrés Aguilera López (dir. tes.), Felipe Cortés Ledesma (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 223
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    Las DNA topoisomerasas son enzimas encargadas de resolver problemas topológicos relacionados con procesos del metabolismo del ADN, como por ejemplo la transcripción o la replicación. Tradicionalmente, las topoisomerasas se han considerado facilitadoras de la transcripción; sin embargo, en los últimos años se han descrito nuevas funciones para estas enzimas en el campo de la regulación transcripcional. Además, recientemente, las topoisomerasas tipo II (TOP2) se han relacionado con otras proteínas de arquitectura cromosómica, sugiriendo que tienen un papel en la organización tridimensional del genoma. Con el objetivo de estudiar sistemáticamente el papel de estas enzimas en estos contextos, hemos desarrollado ICEseq, una técnica que permite mapear específicamente la actividad topoisomerasa a lo largo de todo el genoma. Hemos validado nuestra técnica demostrando que constituye un método robusto y flexible para el mapeo de la actividad topoisomerasa. Usando la información obtenida mediante ICEseq, hemos demostrado que la actividad TOP2B y TOP2A está asociada a la maquinaria transcripcional. Además, hemos identificado que la iniciación transcripcional, y no la elongación, constituyen una fuente esencial de la actividad de ambos parálogos, no solo en regiones transcritas, sino también en otras regiones distantes hasta donde el superenrollamiento generado durante la transcripción puede difundir. También hemos estudiado el papel de estas enzimas durante la regulación transcripcional usando la transcripción inducida por hormonas como modelo. Así demonstramos que TOP2A y TOP2B tienen papeles opuestos en la señalización por estrógenos. Mientras que la actividad TOP2B suprime la transcripción de genes que responden a ER, su inactivación a través de la actividad no catalítica de TOP2A y ERα se necesita para promover los contactos de cromatina necesarios para facilitar la expresión de estos genes. Por el contrario, la actividad TOP2A se necesita para un correcto desarrollo de la transcripción de estos genes. De esta manera, hemos descubierto un nuevo mecanismo de regulación transcripcional que implica una estrecha comunicación entre la actividad de distintas topoisomerasas, la resolución del superenrollamiento asociado a la transcripción y el remodelamiento tridimensioinal de la arquitectura de la cromatina con el objetivo de coordinar una rápida inducción transcripcional.

  • English

    DNA topoisomerases are key enzymes in charge of solving topological problems that arise from essential processes of DNA metabolism, such as transcription or replication. In transcription, topoisomerases have generally been considered facilitators of the advance of RNA polymerases; however, novel specific functions in transcriptional regulation are beginning to emerge. Furthermore, in recent years, type II topoisomerases (TOP2) have been related to genome architectural proteins, suggesting a role of these enzymes in the 3D organization of complex eukaryotic genomes. To systematically study the role of TOP2 activity in these contexts, we have developed ICEseq for the specific mapping of topoisomerase activity genome-wide. We have demonstrated that ICEseq is a robust and flexible method to specifically map topoisomerase activity. By using ICEseq information, we show that TOP2B and TOP2A activity is tightly associated with the transcriptional machinery. Furthermore, we demonstrate that transcription initiation, and not RNA POLII elongation, is a major source of the activity of both paralogs, not only at transcribed regions but also at distant places where transcription-associated supercoiling can diffuse to. Taking advantage of ICEseq, we have also studied topoisomerase activity during the transcriptional process using estrogen-induced transcription as a model. We find that TOP2A and TOP2B paralogs play opposite roles in estrogen signaling. We demonstrate that TOP2B suppresses transcription at ER-responsive genes and enhancers, and that downregulation of its activity by noncatalytic functions of TOP2A and ERα is required to aid long-range chromatin contacts, and thus facilitate gene expression. In contrast, the TOP2A paralog sustains transcription of estrogen-responsive genes. We therefore uncover a new layer in hormone-mediated transcriptional control that involves a close interplay between TOP2 activities, the regulation of transcription-induced DNA supercoiling, and the remodeling of 3D chromatin architecture to rapidly induce gene expression.