Inverse expression states of the BRN2 and MITF transcription factors in melanoma spheres and tumour xenografts regulate the NOTCH pathway

The use of adherent monolayer cultures have produced many insights into melanoma cell growth and differentiation, but often novel therapeutics demonstrated to act on these cells are not active in vivo. It is imperative that new methods of growing melanoma cells that reflect growth in vivo are investigated. To this end, a range of human melanoma cell lines passaged as adherent cultures or induced to form melanoma spheres (melanospheres) in stem cell media have been studied to compare cellular characteristics and protein expression. Melanoma spheres and tumours grown from cell lines as mouse xenografts had increased heterogeneity when compared with adherent cells and 3D-spheroids in agar (aggregates). Furthermore, cells within the melanoma spheres and mouse xenografts each displayed a high level of reciprocal BRN2 or MITF expression, which matched more closely the pattern seen in human melanoma tumours in situ, rather than the propensity for co-expression of these important melanocytic transcription factors seen in adherent cells and 3D-spheroids. Notably, when the levels of the BRN2 and MITF proteins were each independently repressed using siRNA treatment of adherent melanoma cells, members of the NOTCH pathway responded by decreasing or increasing expression, respectively. This links BRN2 as an activator, and conversely, MITF as a repressor of the NOTCH pathway in melanoma cells. Loss of the BRN2-MITF axis in antisense-ablated cell lines decreased the melanoma sphere-forming capability, cell adhesion during 3D-spheroid formation and invasion through a collagen matrix. Combined, this evidence suggests that the melanoma sphere-culture system induces subpopulations of cells that may more accurately portray the in vivo disease, than the growth as adherent melanoma cells.

Melanoma cell invasiveness is regulated by miR-211 suppression of the BRN2 transcription factor

To identify microRNAs potentially involved in melanomagenesis, we compared microRNA expression profiles between melanoma cell lines and cultured melanocytes. The most differentially expressed microRNA between the normal and tumor cell lines was miR-211. We focused on this pigment-cell-enriched miRNA as it is derived from the microphthalmia-associated transcription factor (MITF)-regulated gene, TRPM1 (melastatin). We find that miR-211 expression is greatly decreased in melanoma cells and melanoblasts compared to melanocytes. Bioinformatic analysis identified a large number of potential targets of miR-211, including POU3F2 (BRN2). Inhibition of miR-211 in normal melanocytes resulted in increased BRN2 protein, indicating that endogenous miR-211 represses BRN2 in differentiated cells. Over-expression of miR-211 in melanoma cell lines changed the invasive potential of the cells in vitro through directly targeting BRN2 translation. We propose a model for the apparent non-overlapping expression levels of BRN2 and MITF in melanoma, mediated by miR-211 expression.

Oncogenic BRAF induces melanoma cell invasion by downregulating the cGMP-specific phosphodiesterase PDE5A

We show that in melanoma cells oncogenic BRAF, acting through MEK and the transcription factor BRN2, downregulates the cGMP-specific phosphodiesterase PDE5A. Although PDE5A downregulation causes a small decrease in proliferation, its major impact is to stimulate a dramatic increase in melanoma cell invasion. This is because PDE5A downregulation leads to an increase in cGMP, which induces an increase in cytosolic Ca2+, stimulating increased contractility and inducing invasion. PDE5A downregulation also this leads to an increase in short-term and long-term colonization of the lungs by melanoma cells. We do not observe this pathway in NRAS mutant melanoma or BRAF mutant colorectal cells. Thus, we show that in melanoma cells oncogenic BRAF induces invasion through downregulation of PDE5A.

Dissection du programme développemental du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus.

Une cascade de facteurs de transcription composée de SIM1, ARNT2, OTP, BRN2 et SIM2 est requise pour la différenciation des cinq types cellulaires qui peuplent le noyau paraventriculaire (PVN) de l’hypothalamus, un régulateur critique de plusieurs processus physiologiques essentiels à la survie. De plus, l’haploinsuffisance de Sim1 est aussi une cause d’hyperphagie isolée chez la souris et chez l’homme. Nous désirons disséquer le programme développemental du PVN, via une approche intégrative, afin d’identifier de nouveaux gènes qui ont le potentiel de réguler l’homéostasie chez l’individu adulte. Premièrement, nous avons utilisé une approche incluant l’analyse du transcriptome du PVN à différents stades du développement de la souris pour identifier de tels gènes. Nous avons comparé les transcriptomes de l’hypothalamus antérieur chez des embryons de souris Sim1+/+ et Sim1-/- à E12.5 issus de la même portée. De cette manière, nous avons identifié 56 gènes agissant en aval de Sim1 dont 5 facteurs de transcription - Irx3, Sax1, Rxrg, Ror et Neurod6. Nous avons également proposé un modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur. Selon ce modèle, les gènes qui occupent un domaine médial dans la zone du manteau caractérisent des cellules qui peupleront le PVN alors que les gènes qui ont une expression latérale identifient des cellules qui donneront plus tard naissance aux structures ventrolatérales de l’hypothalamus. Nous avons aussi démontré que Sim1 est impliqué à la fois dans la différenciation, la migration et la prolifération des neurones qui peuplent le PVN tout comme Otp. Nous avons également isolé par microdissection au laser le PVN et l’hypothalamus médiobasal chez des souris de type sauvage à E14.5 pour en comparer les transcriptomes. Ceci nous a permis d’identifier 34 facteurs de transcription spécifiques au PVN et 76 facteurs spécifiques à l’hypothalamus médiobasal. Ces gènes représentent des régulateurs potentiels du développement hypothalamique. Deuxièmement, nous avons identifié 3 blocs de séquences au sein de la région 5’ d’Otp qui sont conservés chez l’homme, la souris et le poisson. Nous avons construit un transgène qui est composé d’un fragment de 7 kb contenant ces blocs de séquences et d’un gène rapporteur. L’analyse de 4 lignées de souris a montré que ce transgène est uniquement exprimé dans le PVN en développement. Nous avons généré un deuxième transgène dans lequel le fragment de 7 kb est inséré en amont de l’ADNc de Brn2 ou Sim1 et de Gfp. Nous avons obtenu quatre lignées de souris dans lesquels le profil d’expression de Brn2 et de Gfp reproduit celui d’Otp. Nous étudierons le développement du PVN et la prise alimentaire chez ces souris. En parallèle, nous croisons ces lignées avec les souris déficientes en Sim1 pour déterminer si l’expression de Brn2 permet le développement des cellules du PVN en absence de Sim1. En résumé, nous avons généré le premier transgène qui est exprimé spécifiquement dans le PVN. Ce transgène constitue un outil critique pour la dissection du programme développemental de l’hypothalamus. Troisièmement, nous avons caractérisé le développement de l’hypothalamus antérieur chez l’embryon de poulet qui représente un modèle intéressant pour réaliser des études de perte et de gain de fonction au cours du développement de cette structure. Il faut souligner que le modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur semble être conservé chez l’embryon de poulet où il est aussi possible de classer les gènes selon leur profil d’expression médio-latéral et le devenir des régions qu’ils définissent. Finalement, nous croyons que cette approche intégrative nous permettra d’identifier et de caractériser des régulateurs du développement du PVN qui pourront potentiellement être associés à des pathologies chez l’adulte telles que l’obésité ou l’hypertension.

Régulation transcriptionelle du développement de l'hypothalamus chez l'amphibien

Le noyau paraventriculaire (PVN) de l'hypothalamus régule une série de phénomènes physiologiques incluant l'équilibre énergétique et la pression artérielle. Nous avons identifié une cascade de facteurs de transcription qui contrôle le développement du PVN. SIM1 et OTP agissent en parallèle pour contrôler la différenciation d'au moins cinq types de neurones identifiables par la production d'OT, AVP, CRH, SS et TRH. Ces Facteurs de transcriptions contrôlent le développement des lignées CRH, AVP et OT en maintenant l'expression de Brn2 qui à son tour est nécessaire pour la différenciation terminale de ces neurones. L'analyse du transcriptome du PVN nous a permis d'identifier plusieurs gènes qui ont le potentiel de contrôler le développement du PVN. Nous voulons développer un paradigme de perte de fonction qui permettrait l'étude de ces gènes candidats sur une grande échelle. Le but de ce projet est de caractériser le PVN en développement de l'amphibien en vue de l'utilisation de ce modèle pour des études fonctionnelles. Nous avons cloné des fragments de cDNA de Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, Ot, AVP et TRH à partir de l'ARN total de Xenopus Laevis. Nous avons adapté notre technique d'hybridation in situ pour caractériser l'expression de ces gènes chez l'amphibien aux stades 33-39, 44, 51, 54, 60, et chez l'adulte. Résultats. Les Facteurs de transcription Sim1, OTP, et Brn2 commencent à être exprimés dans le PVN prospectif au stade 33. L'expression des marqueurs de différenciation terminale devient détectable entre les stades 37 et 39. De façon intéressante, le PVN occupe initialement un domaine de forme globulaire puis à partir du stade 44 s'allonge le long de l’axe dorso-ventral. Cet allongement se traduit par une organisation en colonnes des cellules du PVN que nous n'avons pas observée chez les rongeurs. Le développement du PVN est conservé chez l'amphibien dans la mesure où la relation entre l'expression des facteurs de transcription et des marqueurs de différenciation terminale est conservée. Il existe par ailleurs des différences entre la topographie des PVN des mammifères et de l'amphibien. L'organisation en colonnes de cellules pourrait correspondre à des mouvements de migration tangentielle. Nous sommes maintenant en mesure de tester la fonction des facteurs de transcription dans le PVN par l'approche d'invalidation par morpholinos.

Co-expression of SOX9 and SOX10 during melanocytic differentiation in vitro

Investigations into pigment cell biology have relied on the ability to culture both murine and human melanocytes, numerous melanoma cell lines and more recently, murine and human melanoblasts. Melanoblast culture requires medium supplemented with a range of growth factors including Stem Cell Factor, Endothelin-3 and Fibroblast Growth Factor-2, withdrawal of which causes the cells to differentiate into melanocytes. Using the human melanoblast culture system, we have now examined the expression and/or DNA binding activity of several transcription factors implicated in melanocytic development and differentiation. Of these, the POU domain factor BRN2 and the SOX family member SOX10 are both highly expressed in unpigmented melanocyte precursors but are down-regulated upon differentiation. In contrast, the expression levels of the previously described MITF and PAX3 transcription factors remain relatively constant during the melanoblast-melanocyte transition. Moreover, BRN2 ablated melanoma cells lack expression of SOX10 and MITF but retain PAX3. A novel finding implicates a second SOX protein, SOX9, as a potential melanogenic transcriptional regulator, as its expression level is increased following the down-regulation of BRN2 and SOX10 in differentiated melanoblasts. Our results suggest that a complex network of transcription factor interactions requiring proper temporal coordination is necessary for acquisition and maintenance of the melanocytic phenotype. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.