Involvement of two human heat shock HSP70 and HSP22 in DNA repair
pathways: a structural and functional approach
Implication de deux protéines de choc thermique
humaines HSP70 et HSP22 dans les voies de la
réparation de l'ADN : approche structurale et
fonctionnelle
Résumé
HSP22 and HSP70 are human proteins belonging to Heat Shock Proteins family. The
involvement of HSP70 and HSP22 in DNA repair pathways after stress is described in this thesis. These
proteins have the ability, as suggested by their name, to be over expressed in cells after heat shock but also
following a huge variety of stresses and in several diseases and cellular disorders (Tavaria M et al, 1996). In
order to increase the knowledge on these proteins, a structural study has been initiated. The three-dimensional
structures of these proteins are not or only partially known (Osipiuk J et al, 1999). Protein structural assays
have lead to the creation of clones oh HSP70-1 and HSP22 and structural predictions have been performed for
C-terminal part of HSP70-1 and HSP22, suggesting a β-fold organization for the HSP70-1 substrate binding
domain and for the HSP22 α-crystallin domain. Results obtained in a DNA repair pathways study have shown
that the HSP70s induced by stress (HSP72 and HSP70-1) take part in these pathways after several stresses (Xray
and UV, magnetic field, hydrogen peroxide, cis-platin). HSP72 and HSP70-1 are phosphorylated by
PI3kinases related family members ATM, ATR and DNA-PK (Sarkaria JN et al, 1998) after ionizing
radiation and perform a two phases displacement between the cytoplasm and the nucleus; HSP72 and HSP70-
1 are involved in the early stages of DNA repair processes. HSP22 seems to be involved in DNA double
strand break (DSB) repair pathways after X-ray irradiation (Paull TT and Gellert M, 1998; Lobrich M and
Jeggo PA, 2005). Moreover, HSP22 appears to be involved in cellular aging processes as has been observed
for its homolog in the fly drosophila (Morrow G et al 2004). The method Diffraction Enhanced Imaging
(DEI; Chapman D et al, 1997), developed at the ESRF biomedical beam line ID17, in order to achieve
histological information, has been tested in a radiobiological context on primary chondrocytes and fibroblasts.
Irradiation using this method has not caused more damage than irradiation of primary cultured human cells
with a conventional source delivering the same dose (Rothkamm K and Lobrich M, 2003). In rat glioblastoma
cells, HSP70 response is increased under “synchrotron PAT-Plat” therapy conditions (platinum
photoactivation via synchrotron light (Corde S et al, 2003; Biston MC et al, 2004)).
involvement of HSP70 and HSP22 in DNA repair pathways after stress is described in this thesis. These
proteins have the ability, as suggested by their name, to be over expressed in cells after heat shock but also
following a huge variety of stresses and in several diseases and cellular disorders (Tavaria M et al, 1996). In
order to increase the knowledge on these proteins, a structural study has been initiated. The three-dimensional
structures of these proteins are not or only partially known (Osipiuk J et al, 1999). Protein structural assays
have lead to the creation of clones oh HSP70-1 and HSP22 and structural predictions have been performed for
C-terminal part of HSP70-1 and HSP22, suggesting a β-fold organization for the HSP70-1 substrate binding
domain and for the HSP22 α-crystallin domain. Results obtained in a DNA repair pathways study have shown
that the HSP70s induced by stress (HSP72 and HSP70-1) take part in these pathways after several stresses (Xray
and UV, magnetic field, hydrogen peroxide, cis-platin). HSP72 and HSP70-1 are phosphorylated by
PI3kinases related family members ATM, ATR and DNA-PK (Sarkaria JN et al, 1998) after ionizing
radiation and perform a two phases displacement between the cytoplasm and the nucleus; HSP72 and HSP70-
1 are involved in the early stages of DNA repair processes. HSP22 seems to be involved in DNA double
strand break (DSB) repair pathways after X-ray irradiation (Paull TT and Gellert M, 1998; Lobrich M and
Jeggo PA, 2005). Moreover, HSP22 appears to be involved in cellular aging processes as has been observed
for its homolog in the fly drosophila (Morrow G et al 2004). The method Diffraction Enhanced Imaging
(DEI; Chapman D et al, 1997), developed at the ESRF biomedical beam line ID17, in order to achieve
histological information, has been tested in a radiobiological context on primary chondrocytes and fibroblasts.
Irradiation using this method has not caused more damage than irradiation of primary cultured human cells
with a conventional source delivering the same dose (Rothkamm K and Lobrich M, 2003). In rat glioblastoma
cells, HSP70 response is increased under “synchrotron PAT-Plat” therapy conditions (platinum
photoactivation via synchrotron light (Corde S et al, 2003; Biston MC et al, 2004)).
HSP22 et HSP70 sont des protéines d'origine humaine appartenant à la famille des Heat Shock
Proteins. Cette thèse décrit des travaux visant à déterminer l'implication de ces deux protéines humaines de
choc thermique HSP70 et HSP22, dans les voies de réparation de l'ADN après stress. Ces protéines
possèdent, comme leur nom le sous-entend, la capacité d'être surexprimées par la cellule après choc
thermique mais aussi après une grande variété d'autres stress et dans de nombreuses maladies (Tavaria M et
al, 1996). Pour mieux connaître ces protéines, une étude structurale a été initiée. Les structures
tridimensionnelles de ces protéines ne sont pas connues ou seulement partiellement (Osipiuk J et al, 1999).
Les essais de cristallisation des protéines furent arrêtés après l'obtention de clones. Des prédictions de
structures secondaires et tertiaires (obtenues à l'aide de la bioinformatique) concernant HSP70-1 (partie Cterminale)
et HSP22 furent alors réalisées, montrant une organisation en feuillets β pour le domaine de liaison
au substrat de HSP70-1 et pour le domaine α-cristallin de HSP22. Les résultats obtenus dans le cadre de
l'étude des HSP dans les voies de la réparation de l'ADN ont montré que les HSP70 inductibles par le stress
(HSP72 et HSP70-1) sont impliquées dans ces voies cellulaires après différents stress (rayonnement X et UV,
champ magnétique, péroxyde d'hydrogène, cis-platine). HSP72 et HSP70-1 sont phosphorylées par les
kinases apparentées à la famille des Phosphatydil-Inositol-3-kinases ATM, ATR et DNA-PK (Sarkaria JN et
al, 1998) après radiations ionisantes et réalisent à ce moment un déplacement en deux phases entre le
cytoplasme et le noyau ; elles sont impliquées dans les stades précoces de la réparation. La même démarche
de recherche a été adoptée pour HSP22. HSP22 apparaît comme étant impliquée dans les voies de la
réparation de l'ADN aussi et plus particulièrement dans les voies de la réparation des cassures double brin
après irradiation par rayonnement X (Paull TT et Gellert M, 1998 ; Lobrich M et Jeggo PA, 2005). HSP22
forme des foci dans les cellules âgées suggérant un rôle pour HSP22 dans le vieillissement cellulaire chez
l'humain comme chez la mouche drosophile (Morrow G et al 2004). Une nouvelle méthode d'imagerie
Diffraction Enhanced Imaging (DEI ; Chapman D et al, 1997), visant à l'acquisition d'une information
histologique, développée au synchrotron ESRF, a été testée d'un point de vue radiobiologique sur des cultures
primaires de fibroblastes et de chondrocytes. L'irradiation par cette méthode n'a pas présenté de différence en
comparaison avec une irradiation par une source conventionnelle de cellules humaines issues de culture
primaire, avec la même dose de rayonnement X (Rothkamm K et Lobrich M, 2003). Dans les cellules
glioblastomales de rat, la réponse HSP70 est augmentée dans les conditions de la thérapie « synchrotron PATPlat
» (c'est-à-dire en cas de photoactivation du platine à l'aide du rayonnement synchrotron (Corde S et al,
2003 ; Biston MC et al, 2004)).
Proteins. Cette thèse décrit des travaux visant à déterminer l'implication de ces deux protéines humaines de
choc thermique HSP70 et HSP22, dans les voies de réparation de l'ADN après stress. Ces protéines
possèdent, comme leur nom le sous-entend, la capacité d'être surexprimées par la cellule après choc
thermique mais aussi après une grande variété d'autres stress et dans de nombreuses maladies (Tavaria M et
al, 1996). Pour mieux connaître ces protéines, une étude structurale a été initiée. Les structures
tridimensionnelles de ces protéines ne sont pas connues ou seulement partiellement (Osipiuk J et al, 1999).
Les essais de cristallisation des protéines furent arrêtés après l'obtention de clones. Des prédictions de
structures secondaires et tertiaires (obtenues à l'aide de la bioinformatique) concernant HSP70-1 (partie Cterminale)
et HSP22 furent alors réalisées, montrant une organisation en feuillets β pour le domaine de liaison
au substrat de HSP70-1 et pour le domaine α-cristallin de HSP22. Les résultats obtenus dans le cadre de
l'étude des HSP dans les voies de la réparation de l'ADN ont montré que les HSP70 inductibles par le stress
(HSP72 et HSP70-1) sont impliquées dans ces voies cellulaires après différents stress (rayonnement X et UV,
champ magnétique, péroxyde d'hydrogène, cis-platine). HSP72 et HSP70-1 sont phosphorylées par les
kinases apparentées à la famille des Phosphatydil-Inositol-3-kinases ATM, ATR et DNA-PK (Sarkaria JN et
al, 1998) après radiations ionisantes et réalisent à ce moment un déplacement en deux phases entre le
cytoplasme et le noyau ; elles sont impliquées dans les stades précoces de la réparation. La même démarche
de recherche a été adoptée pour HSP22. HSP22 apparaît comme étant impliquée dans les voies de la
réparation de l'ADN aussi et plus particulièrement dans les voies de la réparation des cassures double brin
après irradiation par rayonnement X (Paull TT et Gellert M, 1998 ; Lobrich M et Jeggo PA, 2005). HSP22
forme des foci dans les cellules âgées suggérant un rôle pour HSP22 dans le vieillissement cellulaire chez
l'humain comme chez la mouche drosophile (Morrow G et al 2004). Une nouvelle méthode d'imagerie
Diffraction Enhanced Imaging (DEI ; Chapman D et al, 1997), visant à l'acquisition d'une information
histologique, développée au synchrotron ESRF, a été testée d'un point de vue radiobiologique sur des cultures
primaires de fibroblastes et de chondrocytes. L'irradiation par cette méthode n'a pas présenté de différence en
comparaison avec une irradiation par une source conventionnelle de cellules humaines issues de culture
primaire, avec la même dose de rayonnement X (Rothkamm K et Lobrich M, 2003). Dans les cellules
glioblastomales de rat, la réponse HSP70 est augmentée dans les conditions de la thérapie « synchrotron PATPlat
» (c'est-à-dire en cas de photoactivation du platine à l'aide du rayonnement synchrotron (Corde S et al,
2003 ; Biston MC et al, 2004)).