Beyond hairballs: depicting complexity of a kinase-phosphatase network in the budding yeast

Les kinases et les phosphatases (KP) représentent la plus grande famille des enzymes dans la cellule. Elles régulent les unes les autres ainsi que 60 % du protéome, formant des réseaux complexes kinase-phosphatase (KP-Net) jouant un rôle essentiel dans la signalisation cellulaire. Ces réseaux caractérisés d’une organisation de type commandes-exécutions possèdent généralement une structure hiérarchique. Malgré les nombreuse études effectuées sur le réseau KP-Net chez la levure, la structure hiérarchique ainsi que les principes fonctionnels sont toujours peux connu pour ce réseau. Dans ce contexte, le but de cette thèse consistait à effectuer une analyse d’intégration des données provenant de différentes sources avec la structure hiérarchique d’un réseau KP-Net de haute qualité chez la levure, S. cerevisiae, afin de générer des hypothèses concernant les principes fonctionnels de chaque couche de la hiérarchie du réseau KP-Net. En se basant sur une curation de données d’interactions effectuée dans la présente et dans d’autres études, le plus grand et authentique réseau KP-Net reconnu jusqu’à ce jour chez la levure a été assemblé dans cette étude. En évaluant le niveau hiérarchique du KP-Net en utilisant la métrique de la centralisation globale et en élucidant sa structure hiérarchique en utilisant l'algorithme vertex-sort (VS), nous avons trouvé que le réseau KP-Net possède une structure hiérarchique ayant la forme d’un sablier, formée de trois niveaux disjoints (supérieur, central et inférieur). En effet, le niveau supérieur du réseau, contenant un nombre élevé de KPs, était enrichi par des KPs associées à la régulation des signaux cellulaire; le niveau central, formé d’un nombre limité de KPs fortement connectées les unes aux autres, était enrichi en KPs impliquées dans la régulation du cycle cellulaire; et le niveau inférieur, composé d’un nombre important de KPs, était enrichi en KPs impliquées dans des processus cellulaires diversifiés. En superposant une grande multitude de propriétés biologiques des KPs sur le réseau KP-Net, le niveau supérieur était enrichi en phosphatases alors que le niveau inférieur en était appauvri, suggérant que les phosphatases seraient moins régulées par phosphorylation et déphosphorylation que les kinases. De plus, le niveau central était enrichi en KPs représentant des « bottlenecks », participant à plus d’une voie de signalisation, codées par des gènes essentiels et en KPs qui étaient les plus strictement régulées dans l’espace et dans le temps. Ceci implique que les KPs qui jouent un rôle essentiel dans le réseau KP-Net devraient être étroitement contrôlées. En outre, cette étude a montré que les protéines des KPs classées au niveau supérieur du réseau sont exprimées à des niveaux d’abondance plus élevés et à un niveau de bruit moins élevé que celles classées au niveau inférieur du réseau, suggérant que l’expression des enzymes à des abondances élevées invariables au niveau supérieur du réseau KP-Net pourrait être importante pour assurer un système robuste de signalisation. L’étude de l’algorithme VS a montré que le degré des nœuds affecte leur classement dans les différents niveaux d’un réseau hiérarchique sans biaiser les résultats biologiques du réseau étudié. En outre, une analyse de robustesse du réseau KP-Net a montré que les niveaus du réseau KP-Net sont modérément stable dans des réseaux bruités générés par ajout d’arrêtes au réseau KP-Net. Cependant, les niveaux de ces réseaux bruités et de ceux du réseau KP-Net se superposent significativement. De plus, les propriétés topologiques et biologiques du réseau KP-Net étaient retenues dans les réseaux bruités à différents niveaux. Ces résultats indiquant que bien qu’une robustesse partielle de nos résultats ait été observée, ces derniers représentent l’état actuel de nos connaissances des réseaux KP-Nets. Finalement, l’amélioration des techniques dédiées à l’identification des substrats des KPs aideront davantage à comprendre comment les réseaux KP-Nets fonctionnent. À titre d’exemple, je décris, dans cette thèse, une stratégie que nous avons conçu et qui permet à déterminer les interactions KP-substrats et les sous-unités régulatrices sur lesquelles ces interactions dépendent. Cette stratégie est basée sur la complémentation des fragments de protéines basée sur la cytosine désaminase chez la levure (OyCD PCA). L’OyCD PCA représente un essai in vivo à haut débit qui promet une description plus précise des réseaux KP-Nets complexes. En l’appliquant pour déterminer les substrats de la kinase cycline-dépendante de type 1 (Cdk1, appelée aussi Cdc28) chez la levure et l’implication des cyclines dans la phosphorylation de ces substrats par Cdk1, l’essai OyCD PCA a montré un comportement compensatoire collectif des cyclines pour la majorité des substrats. De plus, cet essai a montré que la tubuline- γ est phosphorylée spécifiquement par Clb3-Cdk1, établissant ainsi le moment pendant lequel cet événement contrôle l'assemblage du fuseau mitotique.Kinases and phosphatases (KP) form the largest family of enzymes in living cells. They regulate each other and 60 % of the proteome forming complex kinase-phosphatase networks (KP-Net) essential for cell signaling. Such networks having the command-execution aspect tend to have a hierarchical structure. Despite the extensive study of the KP-Net in the budding yeast, the hierarchical structure as well as the functional principles of this network are still not known. In this context, this thesis aims to perform an integrative analysis of multi-omics data with the hierarchical structure of a bona fide KP-Net in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, in order to generate hypotheses about the functional principles of each layer in the KP-Net hierarchy. Based on a literature curation effort accomplished in this and in other studies, the largest bona fide KP-Net of the S. cerevisiae known to date was assembled in this thesis. By assessing the hierarchical level of the KP-Net using the global reaching centrality and by elucidating the its hierarchical structure using the vertex-sort (VS) algorithm, we found that the KP-Net has a moderate hierarchical structure made of three disjoint layers (top, core and bottom) resembling a bow tie shape. The top layer having a large size was found enriched for signaling regulation; the core layer made of few strongly connected KPs was found enriched mostly for cell cycle regulation; and the bottom layer having a large size was found enriched for diverse biological processes. On overlaying a wide range of KP biological properties on top of the KP-Net hierarchical structure, the top layer was found enriched for and the bottom layer was found depleted for phosphatases, suggesting that phosphatases are less regulated by phosphorylation and dephosphoryation interactions (PDI) than kinases. Moreover, the core layer was found enriched for KPs representing bottlenecks, pathway-shared components, essential genes and for the most tightly regulated KPs in time and space, implying that KPs playing an essential role in the KP-Net should be firmly controlled. Interestingly, KP proteins in the top layer were found more abundant and less noisy than those of the bottom layer, suggesting that availability of enzymes at invariable protein expression level at the top of the network might be important to ensure a robust signaling. Analysis of the VS algorithm showed that node degrees affect their classification in the different layers of a network hierarchical structure without biasing biological results of the sorted network. Robustness analysis of the KP-Net showed that KP-Net layers are moderately stable in noisy networks generated by adding edges to the KP-Net. However, layers of these noisy overlap significantly with those of the KP-Net. Moreover, topological and biological properties of the KP-Net were retained in the noisy networks to different levels. These findings indicate that despite the observed partial robustness of our results, they mostly represent our current knowledge about KP-Nets. Finally, enhancement of techniques dedicated to identify KPs substrates will enhance our understanding about how KP-Nets function. As an example, I describe here a strategy that we devised to help in determining KP-substrate interactions and the regulatory subunits on which these interactions depend. The strategy is based on a protein-fragment complementation assay based on the optimized yeast cytosine deaminase (OyCD PCA). The OyCD PCA represents a large scale in vivo screen that promises a substantial improvement in delineating the complex KP-Nets. We applied the strategy to determine substrates of the cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1; also called Cdc28) and cyclins implicated in phosphorylation of these substrates by Cdk1 in S. cerevisiae. The OyCD PCA showed a wide compensatory behavior of cyclins for most of the substrates and the phosphorylation of γ-tubulin specifically by Clb3-Cdk1, thus establishing the timing of the latter event in controlling assembly of the mitotic spindle

Integrative pathway enrichment analysis of multivariate omics data

Multi-omics datasets represent distinct aspects of the central dogma of molecular biology. Such high-dimensional molecular profiles pose challenges to data interpretation and hypothesis generation. ActivePathways is an integrative method that discovers significantly enriched pathways across multiple datasets using statistical data fusion, rationalizes contributing evidence and highlights associated genes. As part of the ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, which aggregated whole genome sequencing data from 2658 cancers across 38 tumor types, we integrated genes with coding and non-coding mutations and revealed frequently mutated pathways and additional cancer genes with infrequent mutations. We also analyzed prognostic molecular pathways by integrating genomic and transcriptomic features of 1780 breast cancers and highlighted associations with immune response and anti-apoptotic signaling. Integration of ChIP-seq and RNA-seq data for master regulators of the Hippo pathway across normal human tissues identified processes of tissue regeneration and stem cell regulation. ActivePathways is a versatile method that improves systems-level understanding of cellular organization in health and disease through integration of multiple molecular datasets and pathway annotations

Integrative pathway enrichment analysis of multivariate omics data.

Funder: BioTalent Canada Student InternshipFunder: Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Canadian Graduate ScholarshipFunder: Ontario Institute for Cancer Research (OICR) Investigator Awards provided by the Government of Ontario; Terry Fox Research Institute (TFRI) and Canadian Institutes of Health Research (CIHR) New Investigator Awards.Multi-omics datasets represent distinct aspects of the central dogma of molecular biology. Such high-dimensional molecular profiles pose challenges to data interpretation and hypothesis generation. ActivePathways is an integrative method that discovers significantly enriched pathways across multiple datasets using statistical data fusion, rationalizes contributing evidence and highlights associated genes. As part of the ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, which aggregated whole genome sequencing data from 2658 cancers across 38 tumor types, we integrated genes with coding and non-coding mutations and revealed frequently mutated pathways and additional cancer genes with infrequent mutations. We also analyzed prognostic molecular pathways by integrating genomic and transcriptomic features of 1780 breast cancers and highlighted associations with immune response and anti-apoptotic signaling. Integration of ChIP-seq and RNA-seq data for master regulators of the Hippo pathway across normal human tissues identified processes of tissue regeneration and stem cell regulation. ActivePathways is a versatile method that improves systems-level understanding of cellular organization in health and disease through integration of multiple molecular datasets and pathway annotations

The transcriptional landscape of Shh medulloblastoma

© The Author(s) 2021. Open Access. This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Sonic hedgehog medulloblastoma encompasses a clinically and molecularly diverse group of cancers of the developing central nervous system. Here, we use unbiased sequencing of the transcriptome across a large cohort of 250 tumors to reveal differences among molecular subtypes of the disease, and demonstrate the previously unappreciated importance of non-coding RNA transcripts. We identify alterations within the cAMP dependent pathway (GNAS, PRKAR1A) which converge on GLI2 activity and show that 18% of tumors have a genetic event that directly targets the abundance and/or stability of MYCN. Furthermore, we discover an extensive network of fusions in focally amplified regions encompassing GLI2, and several loss-of-function fusions in tumor suppressor genes PTCH1, SUFU and NCOR1. Molecular convergence on a subset of genes by nucleotide variants, copy number aberrations, and gene fusions highlight the key roles of specific pathways in the pathogenesis of Sonic hedgehog medulloblastoma and open up opportunities for therapeutic intervention.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Étude du transcriptome des cellules non tumorales de l’épithélium de surface de l’ovaire des femmes porteuses d’une mutation des gènes BRCA1 et BRCA2

Nous avons étudié le transcriptome de neuf échantillons d'ARN extraits de cultures primaires de cellules non tumorales de l’épithélium de surface de l’ovaire (NOSE) provenant de quatre donneuses non porteuses de mutation, deux mutées sur BRCA1 et trois sur BRCA2, ainsi que de quatre échantillons d’ARN extraits de cultures primaires de cellules tumorales de l’ovaire (TOV) provenant de trois donneuses porteuses de mutation sur BRCA1 et une sur BRCA2. Nous avons identifié, pour la première fois, les signatures moléculaires associées à la présence d’une mutation de BRCA1 et BRCA2 dans les cellules NOSEs ainsi que la signature associée à la transformation tumorale des cellules NOSEs en TOVs chez les porteuses de mutation de BRCA1. Nous avons également localisé les domaines chromosomiques comportant des gènes corégulés en association avec la présence d’une mutation de BRCA1 dans les cellules NOSEs. Les allèles sauvage et muté de BRCA2 étaient exprimés dans les cellules TOVs provenant des porteuses de la mutation 8765delAG sur BRCA2. Nous avons observé que le niveau d’expression des transcrits de BRCA2 était plus élevé dans les cellules provenant des tumeurs ovariennes les plus agressives chez les femmes porteuses de la mutation 8765delAG sur BRCA2, les transcrits correspondants à l’allèle muté contribuant avec un pourcentage élevé du niveau d’expression total du gène. Le phénotype tumoral observé chez les Canadiennes Françaises porteuses de cette mutation pourrait résulter d’un effet de dosage de l’allèle muté.We analyzed the transcriptome of nine primary cultures of non-tumor ovarian surface epithelium cells (NOSE) from four non-carriers, two BRCA1 and three BRCA2 carriers, and four primary cultures of tumor ovarian cells (TOV) from three BRCA1 and one BRCA2 carriers. We identified the first molecular signatures associated with the presence of BRCA1 and BRCA2 mutations in NOSEs and the first molecular signature associated with the transformation from NOSEs to TOVs in French Canadian women carriers of BRCA1 mutation. Moreover, we localized some co-regulated chromosomal domains associated with the presence of a BRCA1 mutation in NOSE cells. Wild-type and mutated BRCA2 allelic transcripts were expressed in tumor cells from 8765delAG BRCA2 mutation carriers, with the highest level of BRCA2 transcript expression and the highest contribution of the mutated allele in cells originating from the most aggressive ovarian tumors. The observed phenotype in BRCA2-mutated cells as well as the aggressiveness of the tumor could result from a dosage effect of the BRCA2 mutated allele

Integrative pathway enrichment analysis of multivariate omics data.

Funder: BioTalent Canada Student InternshipFunder: Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Canadian Graduate ScholarshipFunder: Ontario Institute for Cancer Research (OICR) Investigator Awards provided by the Government of Ontario; Terry Fox Research Institute (TFRI) and Canadian Institutes of Health Research (CIHR) New Investigator Awards.Multi-omics datasets represent distinct aspects of the central dogma of molecular biology. Such high-dimensional molecular profiles pose challenges to data interpretation and hypothesis generation. ActivePathways is an integrative method that discovers significantly enriched pathways across multiple datasets using statistical data fusion, rationalizes contributing evidence and highlights associated genes. As part of the ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, which aggregated whole genome sequencing data from 2658 cancers across 38 tumor types, we integrated genes with coding and non-coding mutations and revealed frequently mutated pathways and additional cancer genes with infrequent mutations. We also analyzed prognostic molecular pathways by integrating genomic and transcriptomic features of 1780 breast cancers and highlighted associations with immune response and anti-apoptotic signaling. Integration of ChIP-seq and RNA-seq data for master regulators of the Hippo pathway across normal human tissues identified processes of tissue regeneration and stem cell regulation. ActivePathways is a versatile method that improves systems-level understanding of cellular organization in health and disease through integration of multiple molecular datasets and pathway annotations

Integrative pathway enrichment analysis of multivariate omics data.

Multi-omics datasets represent distinct aspects of the central dogma of molecular biology. Such high-dimensional molecular profiles pose challenges to data interpretation and hypothesis generation. ActivePathways is an integrative method that discovers significantly enriched pathways across multiple datasets using statistical data fusion, rationalizes contributing evidence and highlights associated genes. As part of the ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, which aggregated whole genome sequencing data from 2658 cancers across 38 tumor types, we integrated genes with coding and non-coding mutations and revealed frequently mutated pathways and additional cancer genes with infrequent mutations. We also analyzed prognostic molecular pathways by integrating genomic and transcriptomic features of 1780 breast cancers and highlighted associations with immune response and anti-apoptotic signaling. Integration of ChIP-seq and RNA-seq data for master regulators of the Hippo pathway across normal human tissues identified processes of tissue regeneration and stem cell regulation. ActivePathways is a versatile method that improves systems-level understanding of cellular organization in health and disease through integration of multiple molecular datasets and pathway annotations