Meta-analysis of heat- and chemically upregulated chaperone genes in plant and human cells.

Molecular chaperones are central to cellular protein homeostasis. In mammals, protein misfolding diseases and aging cause inflammation and progressive tissue loss, in correlation with the accumulation of toxic protein aggregates and the defective expression of chaperone genes. Bacteria and non-diseased, non-aged eukaryotic cells effectively respond to heat shock by inducing the accumulation of heat-shock proteins (HSPs), many of which molecular chaperones involved in protein homeostasis, in reducing stress damages and promoting cellular recovery and thermotolerance. We performed a meta-analysis of published microarray data and compared expression profiles of HSP genes from mammalian and plant cells in response to heat or isothermal treatments with drugs. The differences and overlaps between HSP and chaperone genes were analyzed, and expression patterns were clustered and organized in a network. HSPs and chaperones only partly overlapped. Heat-shock induced a subset of chaperones primarily targeted to the cytoplasm and organelles but not to the endoplasmic reticulum, which organized into a network with a central core of Hsp90s, Hsp70s, and sHSPs. Heat was best mimicked by isothermal treatments with Hsp90 inhibitors, whereas less toxic drugs, some of which non-steroidal anti-inflammatory drugs, weakly expressed different subsets of Hsp chaperones. This type of analysis may uncover new HSP-inducing drugs to improve protein homeostasis in misfolding and aging diseases.

A quorum sensing regulated small volatile molecule reduces acute virulence and promotes chronic infection phenotypes.

A significant number of environmental microorganisms can cause serious, even fatal, acute and chronic infections in humans. The severity and outcome of each type of infection depends on the expression of specific bacterial phenotypes controlled by complex regulatory networks that sense and respond to the host environment. Although bacterial signals that contribute to a successful acute infection have been identified in a number of pathogens, the signals that mediate the onset and establishment of chronic infections have yet to be discovered. We identified a volatile, low molecular weight molecule, 2-amino acetophenone (2-AA), produced by the opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa that reduces bacterial virulence in vivo in flies and in an acute mouse infection model. 2-AA modulates the activity of the virulence regulator MvfR (multiple virulence factor regulator) via a negative feedback loop and it promotes the emergence of P. aeruginosa phenotypes that likely promote chronic lung infections, including accumulation of lasR mutants, long-term survival at stationary phase, and persistence in a Drosophila infection model. We report for the first time the existence of a quorum sensing (QS) regulated volatile molecule that induces bistability phenotype by stochastically silencing acute virulence functions in P. aeruginosa. We propose that 2-AA mediates changes in a subpopulation of cells that facilitate the exploitation of dynamic host environments and promote gene expression changes that favor chronic infections.

Identification of the minimal promoter region of the mouse NKX5-3, a transcription factor implicated in eye development.

Early ocular development is controlled by a complex network of transcription factors, cell cycle regulators, and diffusible signalling molecules. Together, these molecules regulate cell proliferation and apoptosis, and specify retinal fate. NKX5-3 is a homeobox transcription factor implicated in eye development. The analysis of the 5'-flanking region of the mouse Nkx5-3 gene revealed a predicted TATA-less promoter sequence between -416 and -166 of the translation start site. To functionally characterise Nkx5-3 promoter activity, serial deletions of the promoter sequence were introduced in pGL-3 basic vector and promoter activity of these 5'- and 3'-deleted constructions was tested in HeLa and CHO cells. Transactivation assays identified a region between -350 and -296 exhibiting promoter-like activity. Combined analysis by deletions and point mutations showed that this sequence, containing multiple Sp1 binding sites was necessary to promote transcriptional activity. Binding of Sp1 to this region was confirmed by electrophoretic mobility shift assay (EMSA) and chromatin immunoprecipitation, using an antibody specific for Sp1. Altogether, these results demonstrated that the immediate upstream region of Nkx5-3 gene possessed a strong intrinsic promoter activity in vitro, suggesting a potential role in Nkx5-3 transcription in vivo.

Proteomic and transcriptomic profiling of Staphylococcus aureus surface LPXTG-proteins: correlation with agr genotypes and adherence phenotypes.

Staphylococcus aureus infections involve numerous adhesins and toxins, which expression depends on complex regulatory networks. Adhesins include a family of surface proteins covalently attached to the peptidoglycan via a conserved LPXTG motif. Here we determined the protein and mRNA expression of LPXTG-proteins of S. aureus Newman in time-course experiments, and their relation to fibrinogen adherence in vitro. Experiments were performed with mutants in the global accessory-gene regulator (agr), surface protein A (Spa), and fibrinogen-binding protein A (ClfA), as well as during growth in iron-rich or iron-poor media. Surface proteins were recovered by trypsin-shaving of live bacteria. Released peptides were analyzed by liquid chromatography coupled to tandem mass-spectrometry. To unambiguously identify peptides unique to LPXTG-proteins, the analytical conditions were refined using a reference library of S. aureus LPXTG-proteins heterogeneously expressed in surrogate Lactococcus lactis. Transcriptomes were determined by microarrays. Sixteen of the 18 LPXTG-proteins present in S. aureus Newman were detected by proteomics. Nine LPXTG-proteins showed a bell-shape agr-like expression that was abrogated in agr-negative mutants including Spa, fibronectin-binding protein A (FnBPA), ClfA, iron-binding IsdA, and IsdB, immunomodulator SasH, functionally uncharacterized SasD, biofilm-related SasG and methicillin resistance-related FmtB. However, only Spa and SasH modified their proteomic and mRNA profiles in parallel in the parent and its agr- mutant, whereas all other LPXTG-proteins modified their proteomic profiles independently of their mRNA. Moreover, ClfA became highly transcribed and active in fibrinogen-adherence tests during late growth (24 h), whereas it remained poorly detected by proteomics. On the other hand, iron-regulated IsdA-B-C increased their protein expression by >10-times in iron-poor conditions. Thus, proteomic, transcriptomic, and adherence-phenotype demonstrated differential profiles in S. aureus. Moreover, trypsin peptide signatures suggested differential protein domain exposures in various environments, which might be relevant for anti-adhesin vaccines. A comprehensive understanding of the S. aureus physiology should integrate all three approaches.

How do plants feel the heat?

In plants, the heat stress response (HSR) is highly conserved and involves multiple pathways, regulatory networks and cellular compartments. At least four putative sensors have recently been proposed to trigger the HSR. They include a plasma membrane channel that initiates an inward calcium flux, a histone sensor in the nucleus, and two unfolded protein sensors in the endoplasmic reticulum and the cytosol. Each of these putative sensors is thought to activate a similar set of HSR genes leading to enhanced thermotolerance, but the relationship between the different pathways and their hierarchical order is unclear. In this review, we explore the possible involvement of different thermosensors in the plant response to warming and heat stress.

Immunological mechanisms underlying infectious and chronic lung diseases

Le système respiratoire permet l'échange de gaz entre un organisme et son environnement. Pour fonctionner efficacement, il doit lutter contre les infections tout en maintenant une tolérance aux particules inoffensives. Les cytokines sont des petites protéines qui permettent la communication entre les différentes cellules et jouent un rôle important dans la régulation de l'homéostasie et de l'immunité des surfaces pulmonaires. Une production altérée des cytokines sous-tend beaucoup de maladies du système pulmonaire. Ainsi, la compréhension de la biologie fondamentale des cytokines pourrait contribuer à la mise au point de nouveaux traitements. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le rôle de deux cytokines, le TSLP (Thymic stromal lymphopoietin) et l'IL-17 (Interleukin 17) dans les réponses immunitaires bénéfiques et nuisibles en utilisant des modèles précliniques de souris des maladies pulmonaires. L'asthme est une maladie qui est caractérisée par la bronchoconstriction réversible, l'inflammation des voies respiratoires inférieures, l'hyperréactivité bronchique et le remodelage tissulaire. Le type d'inflammation affectant les voies respiratoires et la présence ou non d'allergie permettent d'établir les différents types d'asthme. La TSLP est une cytokine qui est principalement exprimée à des niveaux élevés dans les poumons de patients souffrant d'asthme allergique. En conséquence, la majeure partie de la recherche sur la TSLP a mis l'accent sur le rôle joué par celle- ci dans les réponses négatives conduisant au développement de l'asthme allergique. Dans cette thèse, nous montrons que la TSLP joue aussi un rôle bénéfique dans les réponses immunitaires pulmonaires. Nous avons découvert que la TSLP atténue la grippe en augmentant les réponses des lymphocytes T cytotoxiques contre le virus. Nous avons également étudié la fonction de la TSLP dans l'asthme non allergique. Contrairement à l'asthme allergique, nous avons constaté que la TSLP diminue les réponses inflammatoires dans l'asthme non allergique en réglant la production de l'IL-17, une cytokine qui favorise la maladie. Ainsi, nous démontrons les fonctions pleiotropes de la TSLP dans des contextes spécifiques de la maladie. Nos résultats ont des implications importantes pour le développement de thérapies ciblant la TSLP dans l'asthme. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes pathogéniques qui sous-tendent le développement de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie chronique le plus largement associée aux fumeurs. Elle est caractérisée par une limitation progressive et irréversible du débit d'air et la destruction de la structure des poumons. L'augmentation globale de l'incidence de la maladie encourage grandement la compréhension des mécanismes pathogéniques et l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous avons découvert que les micro-organismes trouvés dans les voies respiratoires aggravent la maladie en augmentant la production de l'IL-17. L'IL-17 est une cytokine inflammatoire qui est impliquée dans plusieurs maladies pulmonaires chroniques, dont la BPCO. Dans notre modèle animal de la maladie, nous avons neutralisé 1ÌL-17A en utilisant un anticorps spécifique et observé une reprise de la fonction pulmonaire. Dans cette étude, nous avons identifié 2 axes potentiels pour l'intervention thérapeutique contre la BPCO. Cibler les bactéries dans les voies respiratoires soit par l'utilisation d'antibiotiques ou l'utilisation de thérapies à base immunitaire qui antagonisent l'activité spécifiques de l'IL-17. Dans l'avenir, notre laboratoire va collaborer avec des cliniciens pour acquérir des échantillons humains et tester la pertinence de nos résultats dans la maladie humaine. -- L'interaction avec l'environnement extérieur est vitale pour le fonctionnement du système respiratoire. Par conséquent, ce dernier a adopté une multitude de réseaux effecteurs et régulateurs qui permettent de distinguer les particules inhalées comme «dangereuses» ou «inoffensives» et de réagir en conséquence. L'équilibre entre ces réseaux est essentielle pour lutter contre le «danger» déclenché par une infection ou des dommages, et finalement pour le retour à l'homéostasie. Le milieu de cytokine local contribue de manière significative à la mise au point de ces réponses. Ainsi, la caractérisation du rôle des cytokines dans l'état d'équilibre et la maladie a des implications claires pour les interventions thérapeutiques dans les maladies respiratoires aiguës et chroniques. Cette thèse a porté sur le rôle des cytokines, la lymphopoïétine stromale thymique (TSLP) et TIL-17A dans l'élaboration de réponses immunitaires pulmonaires. La TSLP est principalement produite par les cellules épithéliales et peut cibler une myriade de cellules immunitaires. Bien qu'elle ait été montrée être un puissant inducteur des réponses de type Th2, son rôle dans d'autres contextes inflammatoires est relativement inexploré. Dans le premier projet de cette thèse, nous avons découvert une nouvelle fonction de la TSLP dans l'immunité antivirale contre la grippe, une infection virale. Nous avons constaté que la TSLP a réglementé la réponse neutrophile au début de l'infection, en amplifiant l'immunité adaptative spécifique du virus. Mécaniquement, la TSLP a augmenté l'expression de l'IL-15 et du CD70 sur les cellules dendritiques recrutées dans les poumons suite à l'infection et a renforcé leur capacité de stimuler localement les lymphocytes T CD8+ spécifiques du virus. En outre, nous avons étudié la TSLP dans le cadre de divers phénotypes de l'asthme et également démontré l'impact pléiotropique qu'elle a sur les réponses immunitaires pulmonaires. En accord avec les rapports précédents, nous avons constaté que la TSLP a exacerbé l'inflammation atopique médiée par le Th2. En revanche la TSLP a réduit les réponses de l'IL-17A et l'inflammation neutrophile subséquente dans le modèle non atopique, ainsi que l'exacerbation du modèle atopique provoqué par une infection virale. Nos résultats démontrent une dichotomie dans le rôle de la TSLP dans la pathogenèse de l'asthme et soulignent la nécessité d'envisager plusieurs phénotypes d'asthme pour une évaluation approfondie de son potentiel thérapeutique dans cette maladie. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons caractérisé les mécanismes pathogènes qui sous-tendent la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La BPCO est une maladie hétérogène définie par une diminution progressive de la fonction pulmonaire. Bien que des déclencheurs environnementaux puissent aggraver la maladie, chez les personnes sensibles une maladie établie peut progresser à travers un cercle inflammatoire auto-entretenu. Nous avons cherché à définir les mécanismes sous-jacents à l'aide d'un modèle murin d'inflammation chronique, qui reproduit les caractéristiques pathologiques de la maladie humaine. Puisqu'ont été associés à la BPCO sévère des changements dans le microbiome des voies respiratoires, nous avons supposé que les signaux dérivés de certains microbes pourraient favoriser des voies inflammatoires chroniques de progression de la maladie. Nous avons observé que, en l'absence d un microbiome, la maladie s'est améliorée tel que démontré par une réduction de l'inflammation des voies respiratoires et une amélioration de la fonction pulmonaire. Cela a été lié spécifiquement à une production réduite d'IL-17A, une cytokine qui a été impliquée dans la maladie humaine. De plus la cinétique de production de 1IL- 17A dépendant du microbiote est corrélé à la sévérité de la maladie. Sur la base de ces données, la neutralisation de l'IL-17A a également eu un effet bénéfique sur l'évolution de la maladie. Le rôle significatif de 1TL-17A dans l'aggravation de la maladie a été couplé à sa capacité à engager un dialogue entre les voies inflammatoires innées et adaptatives. Il a influencé le recrutement et le phénotype des neutrophiles et des macrophages, ce qui a eu un impact direct et indirect sur la formation et la fonction des tissus lymphoïdes tertiaires associée à des stades sévères de la maladie. -- The interaction with the external environment is vital for the functioning of the respiratory system. Consequently, it has adopted a multitude of effector and regulatory networks that enable it to distinguish inhaled particles as 'dangerous' or 'innocuous' and respond accordingly. The balance between these networks is crucial to counteract the 'danger' triggered by infection or damage, and ultimately return to homeostasis. The local cytokine milieu contributes significantly to the fine- tuning of these responses. Thus, characterizing the role of cytokines in steady state and disease has clear implications for therapeutic interventions in acute and chronic respiratory disorders. This thesis focused on the role of the cytokines, thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and IL-17A in shaping pulmonary immune responses. TSLP is primarily produced by barrier epithelial cells and can target a myriad of immune cells. Although it has been shown to be potent inducer of Th2 type responses, its role in other inflammatory settings is relatively unexplored. In the first project of this thesis, we discovered a novel function of TSLP in antiviral immunity to Influenza A infection. We found that while TSLP regulated the early neutrophilic response to infection, it amplified virus specific adaptive immunity. Mechanistically, TSLP enhanced the expression of IL-15 and CD70 on the lung recruited inflammatory dendritic cells and strengthened their ability to stimulate virus specific CD8+ T cell responses locally. In addition we investigated TSLP in the context of diverse asthma phenotypes and further demonstrated the pleiotropic impact it has on pulmonary immune responses. In concurrence with previous reports we found that TSLP exacerbated Th2 mediated atopic inflammation. In contrast TSLP curtailed IL-17A responses and subsequent neutrophilic inflammation in the non-atopic model as well as virus induced exacerbation of the atopic model. Our findings demonstrate a dichotomy in the role of TSLP in asthma pathogenesis and emphasize the need to consider multiple asthma phenotypes for a thorough evaluation of its therapeutic potential in this disease. In the next part of this thesis we characterized the pathogenic mechanisms underlying chronic obstructive pulmonary disease. COPD is a heterogeneous disease defined by a progressive decline in lung function. Although environmental triggers exacerbate the disease, in susceptible individuals the established disease can progress through a self-sustained inflammatory circle. We sought to delineate the underlying mechanisms by using a murine model of chronic inflammation, which reproduced key pathological features of the human disease. As changes in the airway microbiome have been linked to severe COPD, we speculated that microbial derived signals could facilitate the establishment of chronic inflammatory pathways that favour disease progression. We found that the absence of a microbiota ameliorated disease, exhibited by a reduction in airway inflammation and an improvement in lung function. This was linked specifically to an impaired production of IL-17A, a cytokine that has been implicated in human disease. Moreover the kinetics of microbiota-dependent IL-17A production correlated with the disease severity. Based on these data targeted neutralization of IL-17A also had a beneficiai effect on the disease outcome. The prominent role played by IL-I7A in driving the disease was coupled to its ability in engaging and mediating cross talk between pathogenic innate and adaptive immune pathways. It influenced the recruitment and phenotype of neutrophils and macrophages, as well as impacted upon the formation and function of tertiary lymphoid tissue associated with severe disease. Thus, temporal and spatial changes in cytokine production, their cellular targets and interaction with the local milieu determine the balance between immunity and pathology in the lung. Collectively our findings provide novel mechanistic insights in the complex role played by cytokines in orchestrating pulmonary immune responses and have clear implications for human disease.

Network governance and the domestic adoption of soft rules

European regulatory networks (ERNs) are in charge of producing and disseminating non-bindings standards, guidelines and recommendations in a number of important domains, such as banking and finance, electricity and gas, telecommunications, and competition regulation. The goal of these soft rules is to promote 'best practices', achieve co-ordination among regulatory authorities and ensure the consistent application of harmonized pro-competition rules across Europe. This contribution examines the domestic adoption of the soft rules developed within the four main ERNs. Different factors are expected to influence the process of domestic adoption: the resources of regulators; the existence of a review panel; and the interdependence of the issues at stake. The empirical analysis supports hypotheses about the relevance of network-level factors: monitoring and public reporting procedures increase the final level of adoption, while soft rules concerning highly interdependent policy areas are adopted earlier.

Crosstalk of Notch with p53 and p63 in cancer growth control.

Understanding the complexity of cancer depends on an elucidation of the underlying regulatory networks, at the cellular and intercellular levels and in their temporal dimension. This Opinion article focuses on the multilevel crosstalk between the Notch pathway and the p53 and p63 pathways. These two coordinated signalling modules are at the interface of external damaging signals and control of stem cell potential and differentiation. Positive or negative reciprocal regulation of the two pathways can vary with cell type and cancer stage. Therefore, selective or combined targeting of the two pathways could improve the efficacy and reduce the toxicity of cancer therapies.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Genome-wide profiling of the cardiac transcriptome after myocardial infarction identifies novel heart-specific long non-coding RNAs.

AIM: Heart disease is recognized as a consequence of dysregulation of cardiac gene regulatory networks. Previously, unappreciated components of such networks are the long non-coding RNAs (lncRNAs). Their roles in the heart remain to be elucidated. Thus, this study aimed to systematically characterize the cardiac long non-coding transcriptome post-myocardial infarction and to elucidate their potential roles in cardiac homoeostasis. METHODS AND RESULTS: We annotated the mouse transcriptome after myocardial infarction via RNA sequencing and ab initio transcript reconstruction, and integrated genome-wide approaches to associate specific lncRNAs with developmental processes and physiological parameters. Expression of specific lncRNAs strongly correlated with defined parameters of cardiac dimensions and function. Using chromatin maps to infer lncRNA function, we identified many with potential roles in cardiogenesis and pathological remodelling. The vast majority was associated with active cardiac-specific enhancers. Importantly, oligonucleotide-mediated knockdown implicated novel lncRNAs in controlling expression of key regulatory proteins involved in cardiogenesis. Finally, we identified hundreds of human orthologues and demonstrate that particular candidates were differentially modulated in human heart disease. CONCLUSION: These findings reveal hundreds of novel heart-specific lncRNAs with unique regulatory and functional characteristics relevant to maladaptive remodelling, cardiac function and possibly cardiac regeneration. This new class of molecules represents potential therapeutic targets for cardiac disease. Furthermore, their exquisite correlation with cardiac physiology renders them attractive candidate biomarkers to be used in the clinic.

Functional importance of cardiac enhancer-associated noncoding RNAs in heart development and disease.

The key information processing units within gene regulatory networks are enhancers. Enhancer activity is associated with the production of tissue-specific noncoding RNAs, yet the existence of such transcripts during cardiac development has not been established. Using an integrated genomic approach, we demonstrate that fetal cardiac enhancers generate long noncoding RNAs (lncRNAs) during cardiac differentiation and morphogenesis. Enhancer expression correlates with the emergence of active enhancer chromatin states, the initiation of RNA polymerase II at enhancer loci and expression of target genes. Orthologous human sequences are also transcribed in fetal human hearts and cardiac progenitor cells. Through a systematic bioinformatic analysis, we identified and characterized, for the first time, a catalog of lncRNAs that are expressed during embryonic stem cell differentiation into cardiomyocytes and associated with active cardiac enhancer sequences. RNA-sequencing demonstrates that many of these transcripts are polyadenylated, multi-exonic long noncoding RNAs. Moreover, knockdown of two enhancer-associated lncRNAs resulted in the specific downregulation of their predicted target genes. Interestingly, the reactivation of the fetal gene program, a hallmark of the stress response in the adult heart, is accompanied by increased expression of fetal cardiac enhancer transcripts. Altogether, these findings demonstrate that the activity of cardiac enhancers and expression of their target genes are associated with the production of enhancer-derived lncRNAs.

Le coeur des ARN non codants - Un long chemin à découvrir [In the heart of noncoding RNA: a long way to go].

The identification and characterization of long noncoding RNA in a variety of tissues represent major achievements that contribute to our understanding of the molecular mechanisms controlling gene expression. In particular, long noncoding RNA play crucial roles in the epigenetic regulation of the adaptive response to environmental cues via their capacity to target chromatin modifiers to specific locus. In addition, these transcripts have been implicated in controlling splicing, translation and degradation of messenger RNA. Long noncoding RNA have also been shown to act as decoy molecules for microRNA. In the heart, a few long noncoding RNA have been demonstrated to regulate cardiac commitment and differentiation during development. Furthermore, recent findings suggest their involvement as regulators of the pathophysiological response to injury in the adult heart. Their high cellular specificity makes them attractive target molecules for innovative therapies and ideal biomarkers.

Role of genetic and social factors in modulating the efficiency of division of labour in social insects

Summary : Division of labour is one of the most fascinating aspects of social insects. The efficient allocation of individuals to a multitude of different tasks requires a dynamic adjustment in response to the demands of a changing environment. A considerable number of theoretical models have focussed on identifying the mechanisms allowing colonies to perform efficient task allocation. The large majority of these models are built on the observation that individuals in a colony vary in their propensity (response threshold) to perform different tasks. Since individuals with a low threshold for a given task stimulus are more likely to perform that task than individuals with a high threshold, infra-colony variation in individual thresholds results in colony division of labour. These theoretical models suggest that variation in individual thresholds is affected by the within-colony genetic diversity. However, the models have not considered the genetic architecture underlying the individual response thresholds. This is important because a better understanding of division of labour requires determining how genotypic variation relates to differences in infra-colony response threshold distributions. In this thesis, we investigated the combined influence on task allocation efficiency of both, the within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes underlying the response thresholds. We used an agent-based simulator to model a situation where workers in a colony had to perform either a regulatory task (where the amount of a given food item in the colony had to be maintained within predefined bounds) or a foraging task (where the quantity of a second type of food item collected had to be the highest possible). The performance of colonies was a function of workers being able to perform both tasks efficiently. To study the effect of within-colony genetic diversity, we compared the performance of colonies with queens mated with varying number of males. On the other hand, the influence of genetic architecture was investigated by varying the number of loci underlying the response threshold of the foraging and regulatory tasks. Artificial evolution was used to evolve the allelic values underlying the tasks thresholds. The results revealed that multiple matings always translated into higher colony performance, whatever the number of loci encoding the thresholds of the regulatory and foraging tasks. However, the beneficial effect of additional matings was particularly important when the genetic architecture of queens comprised one or few genes for the foraging task's threshold. By contrast, higher number of genes encoding the foraging task reduced colony performance with the detrimental effect being stronger when queens had mated with several males. Finally, the number of genes determining the threshold for the regulatory task only had a minor but incremental effect on colony performance. Overall, our numerical experiments indicate the importance of considering the effects of queen mating frequency, genetic architecture underlying task thresholds and the type of task performed when investigating the factors regulating the efficiency of division of labour in social insects. In this thesis we also investigate the task allocation efficiency of response threshold models and compare them with neural networks. While response threshold models are widely used amongst theoretical biologists interested in division of labour in social insects, our simulation reveals that they perform poorly compared to a neural network model. A major shortcoming of response thresholds is that they fail at one of the most crucial requirement of division of labour, the ability of individuals in a colony to efficiently switch between tasks under varying environmental conditions. Moreover, the intrinsic properties of the threshold models are that they lead to a large proportion of idle workers. Our results highlight these limitations of the response threshold models and provide an adequate substitute. Altogether, the experiments presented in this thesis provide novel contributions to the understanding of how division of labour in social insects is influenced by queen mating frequency and genetic architecture underlying worker task thresholds. Moreover, the thesis also provides a novel model of the mechanisms underlying worker task allocation that maybe more generally applicable than the widely used response threshold models. Resumé : La répartition du travail est l'un des aspects les plus fascinants des insectes vivant en société. Une allocation efficace de la multitude de différentes tâches entre individus demande un ajustement dynamique afin de répondre aux exigences d'un environnement en constant changement. Un nombre considérable de modèles théoriques se sont attachés à identifier les mécanismes permettant aux colonies d'effectuer une allocation efficace des tâches. La grande majorité des ces modèles sont basés sur le constat que les individus d'une même colonie diffèrent dans leur propension (inclination à répondre) à effectuer différentes tâches. Etant donné que les individus possédant un faible seuil de réponse à un stimulus associé à une tâche donnée sont plus disposés à effectuer cette dernière que les individus possédant un seuil élevé, les différences de seuils parmi les individus vivant au sein d'une même colonie mènent à une certaine répartition du travail. Ces modèles théoriques suggèrent que la variation des seuils des individus est affectée par la diversité génétique propre à la colonie. Cependant, ces modèles ne considèrent pas la structure génétique qui est à la base des seuils de réponse individuels. Ceci est très important car une meilleure compréhension de la répartition du travail requière de déterminer de quelle manière les variations génotypiques sont associées aux différentes distributions de seuils de réponse à l'intérieur d'une même colonie. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions l'influence combinée de la variabilité génétique d'une colonie (qui prend son origine dans la variation du nombre d'accouplements des reines) avec le nombre de gènes supportant les seuils de réponse, vis-à-vis de la performance de l'allocation des tâches. Nous avons utilisé un simulateur basé sur des agents pour modéliser une situation où les travailleurs d'une colonie devaient accomplir une tâche de régulation (1a quantité d'une nourriture donnée doit être maintenue à l'intérieur d'un certain intervalle) ou une tâche de recherche de nourriture (la quantité d'une certaine nourriture doit être accumulée autant que possible). Dans ce contexte, 'efficacité des colonies tient en partie des travailleurs qui sont capable d'effectuer les deux tâches de manière efficace. Pour étudier l'effet de la diversité génétique d'une colonie, nous comparons l'efficacité des colonies possédant des reines qui s'accouplent avec un nombre variant de mâles. D'autre part, l'influence de la structure génétique a été étudiée en variant le nombre de loci à la base du seuil de réponse des deux tâches de régulation et de recherche de nourriture. Une évolution artificielle a été réalisée pour évoluer les valeurs alléliques qui sont à l'origine de ces seuils de réponse. Les résultats ont révélé que de nombreux accouplements se traduisaient toujours en une plus grande performance de la colonie, quelque soit le nombre de loci encodant les seuils des tâches de régulation et de recherche de nourriture. Cependant, les effets bénéfiques d'accouplements additionnels ont été particulièrement important lorsque la structure génétique des reines comprenait un ou quelques gènes pour le seuil de réponse pour la tâche de recherche de nourriture. D'autre part, un nombre plus élevé de gènes encodant la tâche de recherche de nourriture a diminué la performance de la colonie avec un effet nuisible d'autant plus fort lorsque les reines s'accouplent avec plusieurs mâles. Finalement, le nombre de gènes déterminant le seuil pour la tâche de régulation eu seulement un effet mineur mais incrémental sur la performance de la colonie. Pour conclure, nos expériences numériques révèlent l'importance de considérer les effets associés à la fréquence d'accouplement des reines, à la structure génétique qui est à l'origine des seuils de réponse pour les tâches ainsi qu'au type de tâche effectué au moment d'étudier les facteurs qui régulent l'efficacité de la répartition du travail chez les insectes vivant en communauté. Dans cette thèse, nous étudions l'efficacité de l'allocation des tâches des modèles prenant en compte des seuils de réponses, et les comparons à des réseaux de neurones. Alors que les modèles basés sur des seuils de réponse sont couramment utilisés parmi les biologistes intéressés par la répartition des tâches chez les insectes vivant en société, notre simulation montre qu'ils se révèlent peu efficace comparé à un modèle faisant usage de réseaux de neurones. Un point faible majeur des seuils de réponse est qu'ils échouent sur un point crucial nécessaire à la répartition des tâches, la capacité des individus d'une colonie à commuter efficacement entre des tâches soumises à des conditions environnementales changeantes. De plus, les propriétés intrinsèques des modèles basés sur l'utilisation de seuils conduisent à de larges populations de travailleurs inactifs. Nos résultats mettent en évidence les limites de ces modèles basés sur l'utilisation de seuils et fournissent un substitut adéquat. Ensemble, les expériences présentées dans cette thèse fournissent de nouvelles contributions pour comprendre comment la répartition du travail chez les insectes vivant en société est influencée par la fréquence d'accouplements des reines ainsi que par la structure génétique qui est à l'origine, pour un travailleur, du seuil de réponse pour une tâche. De plus, cette thèse fournit également un nouveau modèle décrivant les mécanismes qui sont à l'origine de l'allocation des tâches entre travailleurs, mécanismes qui peuvent être appliqué de manière plus générale que ceux couramment utilisés et basés sur des seuils de réponse.

Nuclear receptor Rev-erb alpha (Nr1d1) functions in concert with Nr2e3 to regulate transcriptional networks in the retina.

The majority of diseases in the retina are caused by genetic mutations affecting the development and function of photoreceptor cells. The transcriptional networks directing these processes are regulated by genes such as nuclear hormone receptors. The nuclear hormone receptor gene Rev-erb alpha/Nr1d1 has been widely studied for its role in the circadian cycle and cell metabolism, however its role in the retina is unknown. In order to understand the role of Rev-erb alpha/Nr1d1 in the retina, we evaluated the effects of loss of Nr1d1 to the developing retina and its co-regulation with the photoreceptor-specific nuclear receptor gene Nr2e3 in the developing and mature retina. Knock-down of Nr1d1 expression in the developing retina results in pan-retinal spotting and reduced retinal function by electroretinogram. Our studies show that NR1D1 protein is co-expressed with NR2E3 in the outer neuroblastic layer of the developing mouse retina. In the adult retina, NR1D1 is expressed in the ganglion cell layer and is co-expressed with NR2E3 in the outer nuclear layer, within rods and cones. Several genes co-targeted by NR2E3 and NR1D1 were identified that include: Nr2c1, Recoverin, Rgr, Rarres2, Pde8a, and Nupr1. We examined the cyclic expression of Nr1d1 and Nr2e3 over a twenty-four hour period and observed that both nuclear receptors cycle in a similar manner. Taken together, these studies reveal a novel role for Nr1d1, in conjunction with its cofactor Nr2e3, in regulating transcriptional networks critical for photoreceptor development and function.

Methylation profile of TP53 regulatory pathway and mtDNA alterations in breast cancer patients lacking TP53 mutations.

The present study investigated promoter hypermethylation of TP53 regulatory pathways providing a potential link between epigenetic changes and mitochondrial DNA (mtDNA) alterations in breast cancer patients lacking a TP53 mutation. The possibility of using the cancer-specific alterations in serum samples as a blood-based test was also explored. Triple-matched samples (cancerous tissues, matched adjacent normal tissues and serum samples) from breast cancer patients were screened for TP53 mutations, and the promoter methylation profile of P14(ARF), MDM2, TP53 and PTEN genes was analyzed as well as mtDNA alterations, including D-loop mutations and mtDNA content. In the studied cohort, no mutation was found in TP53 (DNA-binding domain). Comparison of P14(ARF) and PTEN methylation patterns showed significant hypermethylation levels in tumor tissues (P < 0.05 and <0.01, respectively) whereas the TP53 tumor suppressor gene was not hypermethylated (P < 0.511). The proportion of PTEN methylation was significantly higher in serum than in the normal tissues and it has a significant correlation to tumor tissues (P < 0.05). mtDNA analysis revealed 36.36% somatic and 90.91% germline mutations in the D-loop region and also significant mtDNA depletion in tumor tissues (P < 0.01). In addition, the mtDNA content in matched serum was significantly lower than in the normal tissues (P < 0.05). These data can provide an insight into the management of a therapeutic approach based on the reversal of epigenetic silencing of the crucial genes involved in regulatory pathways of the tumor suppressor TP53. Additionally, release of significant aberrant methylated PTEN in matched serum samples might represent a promising biomarker for breast cancer.