Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN.   L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse.   Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer. Ubiquitination is a post-translational modification that plays major roles in regulating a plethora of cellular processes. In this thesis, I will discuss the biochemical and functional characterization of two functionally related proteins, BRCA1 and BAP1, both of which are important tumor suppressors. BRCA1, an ubiquitin ligase that catalyzes the attachment of ubiquitin to target proteins, is mutated in breast and ovarian cancers. BRCA1 roles in maintaining genomic stability following DNA double strand breaks (DSBs) by promoting the homologous recombination repair pathway is well established. However, how BRCA1 is regulated following genotoxic stress that does not directly involve DSBs is still not fully elucidated. We showed that BRCA1 is downregulated, through proteasomal degradation, following exposure of the cells to the DNA helix distorting agent UV or the DNA alkylating agent Methyl Methanesulfonate (MMS), two DNA damaging agents that do not directly generate DSBs. BRCA1 downregulation is reversible and is independent of the PI3 kinase related kinases, ATM, ATR or DNA-PK which constitute primary responders that are rapidly activated by DNA damage. We proposed that BRCA1 downregulation prevents the untimely recruitment of BRCA1 and associated factors to DNA damage sites that are not DSBs, thus coordinating the DNA damage/repair response.   The deubiquitinating enzyme BAP1 was initially identified as an interacting protein that regulates the function of BRCA1. BAP1 is also known to interact with the Polycomb group proteins ASXL1 and ASXL2. However, the importance of this interaction was not fully understood. We showed that BAP1 forms two mutually exclusive complexes with ASXL1 and ASXL2. These interactions are critical for BAP1 binding to ubiquitin and stimulation of its deubiquitinase activity towards histone H2A. We also identified cancer-derived mutations of BAP1 that abrogate its interaction with ASXL1 and ASXL2 and deubiquitinase activity, which provide a direct mechanistic link between H2A deubiquitination and tumorigenesis.   Elucidating how BRCA1 and BAP1 are regulated will lead to a better understanding of their roles as tumor suppressors and this will in turn help establishing improved diagnostic and therapeutic strategies to treat cancer.

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