Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

La grande majorité des organismes vivants ont développé un système d'horloges biologiques internes, appelées aussi horloges circadiennes, contrôlant l'expression de gênes impliqués dans de nombreux processus moléculaires et comportementaux. Au cours de la dernière décennie, des analyses « microarray » et séquençages à haut débit sur divers tissus de mammifères, indiquent que jusqu'à 20% du transcriptome serait sous contrôle circadien. Il était jusqu'à présent admis que la majorité des ARNm ayant une accumulation rythmique était générée par une transcription qui était elle-même rythmique. Toutefois, de récentes études ont suggéré qu'une proportion considérable des ARNm cycliques serait en fait générée par des mécanismes post-transcriptionnelles, incluant une régulation par micro-ARN (miARN). Lorsque j'ai débuté mon travail de thèse, l'influence des miARN sur l'expression des gènes circadiens, au niveau pangénomique, était encore méconnue. Par l'utilisation d'un modèle murin, dont la biogenèse des miARN a été spécifiquement désactivée au niveau des cellules hépatiques (knockout conditionnel pour Dicer), je me suis donc intéressée au rôle que jouaient ces molécules régulatrices sur la rythmicité de l'expression génique dans le foie. Des séquençages sur l'ensemble du transcriptome révèlent que l'horloge interne du foie est étonnement résistante à la perte totale des miARN. Nous avons cependant trouvé que les miARN agissent de façon importante sur la régulation de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge moléculaire. La corégulation par les miARN, affectant jusqu'à 30% des gènes transcrits de façon rythmiques, conduit ainsi à une modulation de phase et d'amplitude du rythme de l'abondance des ARNm. En revanche, seuls peu de transcrits dépendent uniquement des miARN pour la rythmicité de leur accumulation. Enfin, mon travail met en évidence plusieurs miARN spécifiques, qui semblent préférentiellement moduler l'expression des gènes cycliques et permet l'identification de voies hépatiques particulièrement sujettes à une double régulation par les miARN et l'horloge biologique interne. La première masse d'analyses a essentiellement porté sur le rôle que jouent les miARN au niveau de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge interne. Dans deux études de suivi, je me suis penchée sur deux aspects supplémentaires et complémentaires de la manière dont les miARN et l'oscillation de l'expression des gènes interagissent. Dans les hépatocytes murins, spécifiquement privés de Dicer, je me suis demandée si un phénotype horloge avait pu être masqué, dû à un entraînement stable de l'horloge du foie par l'horloge maîtresse du cerveau. J'ai donc commencé une série d'expériences ambitieuses (impliquant la mesure de la rythmicité du foie in vivo, chez l'animal vivant) afin de déséquilibrer l'entrainement de l'horloge hépatique via l'utilisation d'un protocole nutritionnel spécifique. Les premiers résultats suggèrent que dans des conditions où l'animal subit une restriction alimentaire pendant la journée, les miARN sont importants dans la cinétique d'adaptation des organes périphériques à un nouvel horaire de sustentation. Dans une deuxième ligne de recherche, j'ai plus profondément étudié quels seraient les miARN responsables des rythmes post-transcriptionnels des ARNm, en utilisant le séquençage de « small » ARN sur 24h. L'analyse est en cours et se poursuivra après l'obtention de mon diplôme. De façon générale, mon travail révèle d'importants et nouveaux rôles des miARN dans la modulation de l'expression circadienne des gènes hépatiques. De plus, le set de données générées dans l'étude déjà publiée, peut dorénavant servir de ressource valable pour de prochaines investigations sur le rôle physiologique que les miARN jouent au niveau du foie. -- Most living organisms have developed internal timing systems, called circadian clocks, to drive the rhythmic expression of genes involved in many molecular and behavioral processes. Over the last decade, microarray analyses and high- throughput sequencing from various mammalian tissues have indicated that up to 20% of the transcriptome are under circadian control. It was generally assumed that the majority of rhythmic mRNA accumulation is generated by rhythmic transcription. However, recent studies have suggested that a considerable proportion of mRNA cycling may actually be generated by post-transcriptional mechanisms, including by microRNAs. When I started my thesis work, it was still unknown how miRNAs influence circadian gene expression in a genome-wide fashion. Using a mouse model in which miRNA biogenesis can be inactivated in hepatocytes (conditional Dicer knockout mouse), I have thus addressed the role that these regulatory molecules play in rhythmic gene expression in the liver. Whole transcriptome sequencing revealed that the hepatic core clock was surprisingly resilient to total miRNA loss. However, we found that miRNAs acted as important regulators of clock-controlled gene expression. Co- regulation by miRNAs, which affected up to 30% of rhythmically transcribed genes, thus led to the modulation of phases and amplitudes of mRNA abundance rhythms. By contrast, only very few transcripts were strictly dependent on miRNAs for their rhythmic accumulation. Finally, my work highlights several specific miRNAs that appear to preferentially modulate cyclic gene expression, and identifies pathways in the liver that are particularly prone to dual regulation through miRNAs and the clock. The first bulk of analyses mainly dealt with the role that miRNAs play at the level of rhythmic clock output gene expression. In two follow-up studies I further delved into two additional, complementary aspects of how miRNAs and gene expression oscillations interact. First, I addressed whether a core clock phenotype in the hepatocyte-specific Dicer knockout could have been masked due to the stable entrainment of the liver clock by the animals' master clock in the brain. I thus started a series of ambitious experiments (involving the in vivo recording of liver rhythms in live animals) to bring the stable entrainment of the liver clock out of equilibrium using specific feeding protocols. My first results suggest that under conditions when animals are challenged by food restriction to daytime, miRNAs are important for the kinetics of adapting to unusual mealtime in peripheral tissue. In a second line of research, I have more carefully investigated which miRNAs are responsible for post- transcriptional mRNA rhythms using small RNA sequencing around-the-clock. The analyses are ongoing and will be continued after my graduation. Overall, my work uncovered important and novel roles of miRNA activity in shaping hepatic circadian gene expression; moreover, the datasets collect in the published studies can serve as a valuable resource for further investigations into the physiological roles that miRNAs play in liver. -- L'alternance du jour et de la nuit dirige depuis longtemps la vie quotidienne des êtres humains et de la plupart des organismes sur terre. Ce cycle de 24 heures façonne beaucoup de changements comportementaux et physiologiques tels que la vigilance, la température corporelle et le sommeil. Les rythmes journaliers, appelés rythmes circadiens, sont dirigés par des horloges biologiques tournant dans presque chaque cellule du corps. Une structure dans le cerveau agit en tant qu'horloge maitresse pour synchroniser les horloges internes entre elles et en fonction des signaux de jour/nuit extérieurs. Dans les cellules "les gènes de l'horloge" sont activés et désactivés une fois par jour ce qui déclenche des cycles dans lesquels des protéines sont produites de manière circadienne. Ces rythmes protéiques sont spécialisés pour chaque tissu ou organe et peuvent les aider à réaliser leurs tâches quotidiennes. Les rythmes circadiens peuvent être générés d'autres manières n'impliquant pas directement les composants des gènes de l'horloge. Les ARN messagers (ARNm) sont des molécules intermédiaires dans la production de protéines à partir d'ADN. Dans le foie des souris jusqu'à 20% des molécules d'ARNm sont produites suivant des rythmes circadiens. Le foie réalise des tâches essentielles dans le contrôle du métabolisme incluant celui des hydrates de carbone, des graisses et du cholestérol. Un timing précis est important afin de traiter les substances nutritives correctement lors des repas il en résulte une variation des quantités de certains ARNm et protéines coïncidant avec les repas. Les microARNs constituent une autre classe de molécules ARN de très petite taille qui régulent l'efficacité de traduction des ARNm en protéines et la stabilité des ARNm. Lors de mon travail de thèse, j'ai exploré de manière approfondie l'influence de ces petits régulateurs sur les rythmes circadiens du foie de souris. Ces expériences qui impliquaient le "Knock-out" d'un gène essentiel à la production de microARNs montrent qu'au lieu de générer les rythmes des ARNm, les microARNs les ajustent pour répondre aux besoins spécifiques du foie comme assurer leur pic au bon moment de la journée. Le ciblage de microARNs spécifiques peut révéler de nouvelles stratégies pour rectifier ces rythmes lorsque par exemple les fonctions métaboliques ne fonctionnent plus normalement. -- The rising and setting of the sun have long driven the daily schedules of humans and most organisms on the earth. This 24-hr cycle shapes many behavioural and physiological changes, such as alertness, body temperature, and sleep. These daily rhythms, which are called circadian rhythms, are dictated by biological clocks that are ticking in almost every single cell of the body. A region in the brain acts as a master clock to synchronize the internal clocks with each other and with the outside light/dark cycles. In cells, "core clock genes" are turned on and off once per day, which triggers cycles that cause some proteins to be produced in a circadian manner. The protein rhythms are specialized to a particular tissue or organ, and may help them to carry out their designated daily tasks. However, circadian rhythms might also be produced by other ways that do not involve these core clock components. Messenger RNAs (mRNAs) are intermediate molecules in the production of proteins from DNA. In the mouse liver, up to 20% of mRNA molecules are produced in circadian cycles. The liver performs essential tasks that control metabolism-including that of carbohydrates, fats, and cholesterol. Precisely timing when certain mRNAs and proteins reach peaks and troughs in their activities to coincide with mealtimes is important for nutrients to be properly processed. Other RNA molecules called microRNAs, i.e. RNAs of very small size, regulate at which rate mRNA molecules are translated into proteins. In my thesis work, I have explored at the influence of these small regulators on circadian rhythms in the mouse liver in greater detail. These experiments, which involved "knocking out" a gene that is essential for the production of microRNAs, show that rather than generating the mRNA rhythms, the microRNAs appear to adjust them to meet the specific needs of the liver, such as ensuring that they peak at the right time-of-day. Targeting specific microRNA molecules may reveal new strategies to tweak these rhythms, which could help to improve conditions when metabolic functions go wrong.

Transcriptional profiling reveals divergent roles of PPARalpha and PPARbeta/delta in regulation of gene expression in mouse liver.

Little is known about the role of the transcription factor peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) beta/delta in liver. Here we set out to better elucidate the function of PPARbeta/delta in liver by comparing the effect of PPARalpha and PPARbeta/delta deletion using whole genome transcriptional profiling and analysis of plasma and liver metabolites. In fed state, the number of genes altered by PPARalpha and PPARbeta/delta deletion was similar, whereas in fasted state the effect of PPARalpha deletion was much more pronounced, consistent with the pattern of gene expression of PPARalpha and PPARbeta/delta. Minor overlap was found between PPARalpha- and PPARbeta/delta-dependent gene regulation in liver. Pathways upregulated by PPARbeta/delta deletion were connected to innate immunity and inflammation. Pathways downregulated by PPARbeta/delta deletion included lipoprotein metabolism and various pathways related to glucose utilization, which correlated with elevated plasma glucose and triglycerides and reduced plasma cholesterol in PPARbeta/delta-/- mice. Downregulated genes that may underlie these metabolic alterations included Pklr, Fbp1, Apoa4, Vldlr, Lipg, and Pcsk9, which may represent novel PPARbeta/delta target genes. In contrast to PPARalpha-/- mice, no changes in plasma free fatty acid, plasma beta-hydroxybutyrate, liver triglycerides, and liver glycogen were observed in PPARbeta/delta-/- mice. Our data indicate that PPARbeta/delta governs glucose utilization and lipoprotein metabolism and has an important anti-inflammatory role in liver. Overall, our analysis reveals divergent roles of PPARalpha and PPARbeta/delta in regulation of gene expression in mouse liver.

Mouse mammary tumor virus : a model system for regulation of gene expression

Mouse mammary tumor virus (MMTV) kommt prizipiell in zwei Formen vor. Erstens als integierte virale DNA (endogen vererbt), die in allen Zellen der Maus enthalten ist und zweitens als infektiöse Form, bei der sich die DNA nur im Kern von Brustdrüsenzellen integriert. Die erste Form verhält sich wie ein stummes Gen während die zweite Form aktiv ist, durch Glukocorticoide stimuliert wird und zum Mamma-Karzinom führt. Wir haben beide Typen von viralen Genen molekular geklont und durch Transfektion in verschiedene Zellen in Gewebekultur eingeführt. Wir konnten zeigen, dass sowohl die endogene DNA, wie dir infektiöse DNA in transfektieren Zellen aktiv ist und dass die Expression beider Gene durch Glukocorticoide stimuliert wird. Wir konnten die DNA Squenzen, die für dir Homonstimulierung nötig sind, in einem kleinen Fragment der viralen DNA lokalisieren. Bei der Sequenzanalyse dieses DNA-Stückes haben wir ein neues virales Gen entdeckt, das dir Information für ein Protein von ca. 40000 Moleklargewicht enthählt. Mit Hilfe eines Antikörpers suchen wir in verschiedenen Brustdrüsenzellen und Tumoren nach diesem Proetin, dessen Funktion noch nicht bekannt ist.

Caveolin-1-mediated post-transcriptional regulation of inducible nitric oxide synthase in human colon carcinoma cells.

Reactive oxygen species are now widely recognized as important players contributing both to cell homeostasis and the development of disease. In this respect nitric oxide (NO) is no exception. The discussion here will center on regulation of the inducible form of nitric oxide synthase (iNOS) for two reasons. First, only iNOS produces micromolar NO concentrations, amounts that are high by comparison with the picomolar to nanomolar concentrations resulting from Ca2(+)-controlled NO production by endothelial eNOS or neuronal nNOS. Second, iNOS is not constitutively expressed in cells and regulation of this isoenzyme, in contrast to endothelial eNOS or neuronal nNOS, is widely considered to occur at the transcriptional level only. In particular, we were interested in the possibility that caveolin-1, a protein that functions as a tumor suppressor in colon carcinoma cells (Bender et al., 2002; this issue), might regulate iNOS activity. Our results provide evidence for the existence of a post-transcriptional mechanism controlling iNOS protein levels that involves caveolin-1-dependent sequestration of iNOS within a detergent-insoluble compartment. Interestingly, despite the high degree of conservation of the caveolin-1 scaffolding domain binding motif within all NOS enzymes, the interaction detected between caveolin-1 and iNOS in vitro is crucially dependent on presence of a caveolin-1 sequence element immediately adjacent to the scaffolding domain. A model is presented summarizing the salient aspects of these results. These observations are important in the context of tumor biology, since down-regulation of caveolin-1 is predicted to promote uncontrolled iNOS activity, genotoxic damage and thereby facilitate tumor development in humans.

Post-transcriptional down-regulation of expression of transcription factor NF1 by Ha-ras oncogene.

NF1 is a family of polypeptides that binds to discrete DNA motifs and plays varying roles in the regulation of gene expression. These polypeptides are also thought to mediate the expression of differentiation-specific markers such as adipocyte and mammary cell type-specific genes. The expression of a number of cellular differentiation-specific markers is down-regulated during neoplastic transformation. We therefore investigated whether oncogenic transformation interferes with the action of NF1. Stable transfection of activated Ha-ras into a number of murine cells correlated with a down-regulation of the expression of the NF1 genes NF1/CTF and NF1/X. The down-regulation was not at the transcriptional level but at the level of stability of the NF1 mRNAs. The level of the DNA binding activity of the NF1 proteins was also reduced in Ha-v-ras-transformed cells, and the expression of a gene that depends on this family of transcription factors was specifically repressed. These results demonstrate that an activated Ha-ras-induced pathway destabilizes the half-life of mRNAs encoding specific members in the NF1 family of transcription factors, which leads to a decrease in NF1-dependent gene expression.

Transcriptional regulation of CD4 gene expression by T cell factor-1/beta-catenin pathway.

By interacting with MHC class II molecules, CD4 facilitates lineage development as well as activation of Th cells. Expression of physiological levels of CD4 requires a proximal CD4 enhancer to stimulate basic CD4 promoter activity. T cell factor (TCF)-1/beta-catenin pathway has previously been shown to regulate thymocyte survival via up-regulating antiapoptotic molecule Bcl-xL. By both loss and gain of function studies, in this study we show additional function of TCF-1/beta-catenin pathway in the regulation of CD4 expression in vivo. Mice deficient in TCF-1 displayed significantly reduced protein and mRNA levels of CD4 in CD4+ CD8+ double-positive (DP) thymocytes. A transgene encoding Bcl-2 restored survival but not CD4 levels of TCF-1(-/-) DP cells. Thus, TCF-1-regulated survival and CD4 expression are two separate events. In contrast, CD4 levels were restored on DP TCF-1(-/-) cells by transgenic expression of a wild-type TCF-1, but not a truncated TCF-1 that lacks a domain required for interacting with beta-catenin. Furthermore, forced expression of a stabilized beta-catenin, a coactivator of TCF-1, resulted in up-regulation of CD4. TCF-1 or stabilized beta-catenin greatly stimulated activity of a CD4 reporter gene driven by a basic CD4 promoter and the CD4 enhancer. However, mutation of a potential TCF binding site located within the enhancer abrogated TCF-1 and beta-catenin-mediated activation of CD4 reporter. Finally, recruitment of TCF-1 to CD4 enhancer was detected in wild-type but not TCF-1 null mice by chromatin-immunoprecipitation analysis. Thus, our results demonstrated that TCF/beta-catenin pathway enhances CD4 expression in vivo by recruiting TCF-1 to stimulate CD4 enhancer activity.

Molecular mechanisms for the transcriptional regulation of the Connexin36 gene expression in insulin-secreting cells

Résumé Régulation de l'expression de la Connexin36 dans les cellules sécrétrices d'insuline La communication intercellulaire est en partie assurée via des jonctions communicantes de type "gap". Dans la cellule ß pancréatique, plusieurs observations indiquent que le couplage assuré par des jonctions gap formées parla Connexine36 (Cx36) est impliqué dans le contrôle de la sécrétion de l'insuline. De plus, nous avons récemment démontré qu'un niveau précis d'expression de la Cx36 est nécessaire pour maintenir une bonne coordination de l'ensemble des cellules ß, et permettre ainsi une sécrétion synchrone et contrôlée d'insuline. Le développement du diabète et du syndrome métabolique est partiellement dû à une altération de la capacité des cellules ß à sécréter de l'insuline en réponse à une augmentation de la glycémie. Cette altération est en partie causée par l'augmentation prolongée des taux circulant de glucose, mais aussi de lipides, sous la forme d'acides gras libres, et de LDL (Low Density Lipoproteins), particules assurant le transport des acides gras et du cholestérol dans le sang. Nous avons étudié la régulation de l'expression de la Cx36 dans différentes conditions reflétant la physiopathologie du diabète de type 2 et du syndrome métabolique et démontré qu'une exposition prolongée à des concentrations élevées de glucose, de LDL, ainsi que de palmitate (acide gras saturé le plus abondant dans l'organisme), inhibent l'expression de la Cx36 dans les cellules ß. Cette inhibition implique l'activation de la PKA (Proteine Kinase A), qui stimule à son tour l'expression du facteur de transcription ICER-1 (Inductible cAMP Early Repressor-1). Ce puissant répresseur se fixe spécifiquement sur un motif CRE (cAMP Response Element), situé dans le promoteur du gène de la Cx36, inhibant ainsi son expression. Nous avons de plus démontré que des cytokines pro-inflammatoires, qui pourraient contribuer au développement du diabète, inhibent également l'expression de la Cx36. Cependant, les cytokines agissent indépendamment du répresseur ICER-1, mais selon un mécanisme requérant l'activation de l'AMPK (AMP dependant protein kinase). Sachant qu'un contrôle précis des niveaux d'expression de la Cx36 est un élément déterminant pour une sécrétion optimale de l'insuline, nos résultats suggèrent que la Cx36 pourrait être impliquée dans l'altération de la sécrétion de l'insuline contribuant à l'apparition du diabète de type 2. Summary A particular way by which cells communicate with each other is mediated by gap junctions, transmembrane structures providing a direct pathway for the diffusion of small molecules between adjacent cells. Gap junctional communication is required to maintain a proper functioning of insulin-secreting ß-cells. Moreover, the expression levels of connexin36 (Cx36), the sole gap junction protein expressed in ß-cells, are critical in maintaining glucose-stimulated insulin secretion. Chronic hyperglycemia and hyperlipidemia exert deleterious effects on insulin secretion and may contribute to the progressive ß-cell failure linked to the development of type 2 diabetes and metabolic syndrome. Since modulations of the Cx36 levels might impair ß-cell function, the general aim of this work was to elucidate wether elevated levels of glucose and lipids affect Cx36 expression. The first part of this work was dedicated to the study of the effect of high glucose concentrations on Cx36 expression. We demonstrated that glucose transcriptionally down-regulates the expression of Cx36 in insulin-secreting cells through activation of the protein kinase A (PKA), which in turn stimulates the expression of the inducible cAMP early repressor-1 (ICER-1). This repressor binds to a highly conserved cAMP response element (CRE) located in the Cx36 promoter, thereby inhibiting Cx36 expression. The second part of this thesis consisted in studying the effects of sustained exposure to free fatty acids (FFA) and human lipoproteins on Cx36 levels. The experiments revealed that the most abundant FFA, palmitate, as well as the atherogenic low density lipoproteins (LDL), also stimulate ICER-1 expression, resulting in Cx36 down-regulation. Finally, the third part of the work focused on the consequences of long-term exposure to proinflammatory cytokines on Cx36 content. Interleukin-1 ß (IL-1 ß) inhibits Cx36 expression and its effect is potentialized by tumor necrosis factor α (TNFα) and interferon γ (IFNγ). We further unveiled that the cytokines effect on Cx36 levels requires activation of the AMP dependent protein kinase (AMPK). Prolonged exposures to glucose, palmitate, LDL, and pro-inflammatory cytokines have all been proposed to contribute to the development of diabetes and metabolic syndrome. Since Cx36 expression levels are critical to maintain ß-cell function, Cx36 down-regulation by glucose, lipids, and cytokines might participate to the ß-cell failure associated with diabetes development.

A novel role for proline- and acid-rich basic region leucine zipper (PAR bZIP) proteins in the transcriptional regulation of a BH3-only proapoptotic gene.

Proline- and acid-rich (PAR) basic region leucine zipper (bZIP) proteins thyrotroph embryonic factor (TEF), D-site-binding protein (DBP), and hepatic leukemia factor have been involved in neurotransmitter homeostasis and amino acid metabolism. Here we demonstrate a novel role for these proteins in the transcriptional control of a BH3-only gene. PAR bZIP proteins are able to transactivate the promoter of bcl-gS. This promoter is particularly responsive to TEF activation and is silenced by NFIL3, a repressor that shares the consensus binding site with PAR bZIP proteins. Consistently, transfection of TEF induces the expression of endogenous bcl-gS in cancer cells, and this induction is independent of p53. A naturally occurring variant of DBP (tDBP), lacking the transactivation domain, has been identified and shown to impede the formation of active TEF dimers in a competitive manner and to reduce the TEF-dependent induction of bcl-gS. Of note, treatment of cancer cells with etoposide induces TEF activation and promotes the expression of bcl-gS. Furthermore, blockade of bcl-gS or TEF expression by a small interfering RNA strategy or transfection with tDBP significantly reduces the etoposide-mediated apoptotic cell death. These findings represent the first described role for PAR bZIP proteins in the regulation of a gene involved in the execution of apoptosis.

Implication of DNA methylation and PAX5 factor in the transcriptional regulation of hTERT, the human telomerase reverse transcriptase gene

RESUME La télomérase est une enzyme dite "d'immortalité" qui permet aux cellules de maintenir la longueur de leurs télomères, ce qui confère une capacité de réplication illimitée aux cellules reproductrices et cancéreuses. A l'inverse, les cellules somatiques normales, qui n'expriment pas la télomérase, ont une capacité de réplication limitée. La sous-unité catalytique de la télomérase, hTERT, est définie comme le facteur limitant l'activité télomérasique. Entre activateurs et répresseurs, le rôle de la méthylation de l'ADN et de l'acétylation des histones, de nombreux modèles ont été suggérés. La découverte de l'implication de CTCF dans la régulation transcriptionnelle de hTERT explique en partie le mécanisme de répression de la télomérase dans la plupart des cellules somatiques et sa réactivation dans les cellules tumorales. Dans les cellules télomérase-positives, l'activité inhibitrice de CTCF est bloquée par un mécanisme dépendent ou non de la méthylation. Dans la plupart des carcinomes, une hyperméthylation de la région 5' de hTERT bloque l'effet inhibiteur de CTCF, alors qu'une petite région hypométhylée permet un faible niveau de transcription du gène. Nous avons démontré que la protéine MBD2 se lie spécifiquement sur la région 5' méthylée de hTERT dans différentes lignées cellulaires et qu'elle est impliquée dans la répression partielle de la transcription de hTERT dans les cellules tumorales méthylées. Par contre, nous avons montré que dans les lymphocytes B normaux et néoplasiques, la régulation de hTERT est indépendante de la méthylation. Dans ces cellules, le facteur PAX5 se lie sur la région 5' de hTERT en aval du site d'initiation de la traduction (ATG). L'expression exogène de PAX5 dans les cellules télomérase-négatives active la transcription de hTERT, alors que la répression de PAX5 dans les cellules lymphomateuses inhibe la transcription du gène. PAX5 est donc directement impliqué dans l'activation de l'expression de hTERT dans les lymphocytes B exprimant la télomérase. Ces résultats révèlent des différences entre les niveaux de méthylation de hTERT dans les cellules de carcinomes et les lymphocytes B exprimant la télomérase. La méthylation de hTERT en tant que biomarqueur de cancer a été évaluée, puis appliquée à la détection de métastases. Nous avons ainsi montré que la méthylation de hTERT est positivement corrélée au diagnostic cytologique dans les liquides céphalorachidiens. Nos résultats conduisent à un modèle de régulation de hTERT, qui aide à comprendre comment la transcription de ce gène est régulée par CTCF, avec un mécanisme lié ou non à la méthylation du gène hTERT. La méthylation de hTERT s'est aussi révélée être un nouveau et prometteur biomarqueur de cancer. SUMMARY Human telomerase is an "immortalizing" enzyme that enables cells to maintain telomere length, allowing unlimited replicative capacity to reproductive and cancer cells. Conversely, normal somatic cells that do not express telomerase have a finite replicative capacity. The catalytic subunit of telomerase, hTERT, is defined as the limiting factor for telomerase activity. Between activators and repressors, and the role of DNA methylation and histone acetylation, an abundance of hTERT regulatory models have been suggested. The discovery of the implication of CTCF in the transcriptional regulation of hTERT in part explained the mechanism of silencing of telomerase in most somatic cells and its reactivation in neoplastic cells. In telomerase-positive cells, the inhibitory activity of CTCF is blocked by methylation-dependent and -independent mechanisms. In most carcinoma cells, hypermethylation of the hTERT 5' region has been shown to block the inhibitory effect of CTCF, while a short hypomethylated region allows a low transcription level of the gene. We have demonstrated that MBD2 protein specifically binds the methylated 5' region of hTERT in different cell lines and is therefore involved in the partial repression of hTERT transcription in methylated tumor cells. In contrast, we have shown that in normal and neoplastic B cells, hTERT regulation is methylation-independent. The PAX5 factor has been shown to bind to the hTERT 5'region downstream of the ATG translational start site. Ectopic expression of PAX5 in telomerase-negative cells or repression of PAX5 expression in B lymphoma cells respectively activated and repressed hTERT transcription. Thus, PAX5 is strongly implicated in hTERT expression activation in telomerase-positive B cells. These results reveal differences between the hTERT methylation patterns in telomerase-positive carcinoma cells and telomerase-positive normal B cells. The potential of hTERT methylation as a cancer biomarker was evaluated and applied to the detection of metastasis. We have shown that hTERT methylation correlates with the cytological diagnosis in cerebrospinal fluids. Our results suggest a model of hTERT gene regulation, which helps us to better understand how hTERT transcription is regulated by CTCF in methylation-dependant and independent mechanisms. Our data also indicate that hTERT methylation is a promising new cancer biomarker.

BORIS/CTCFL-mediated transcriptional regulation of the hTERT telomerase gene in testicular and ovarian tumor cells.

Telomerase activity, not detectable in somatic cells but frequently activated during carcinogenesis, confers immortality to tumors. Mechanisms governing expression of the catalytic subunit hTERT, the limiting factor for telomerase activity, still remain unclear. We previously proposed a model in which the binding of the transcription factor CTCF to the two first exons of hTERT results in transcriptional inhibition in normal cells. This inhibition is abrogated, however, by methylation of CTCF binding sites in 85% of tumors. Here, we showed that hTERT was unmethylated in testicular and ovarian tumors and in derivative cell lines. We demonstrated that CTCF and its paralogue, BORIS/CTCFL, were both present in the nucleus of the same cancer cells and bound to the first exon of hTERT in vivo. Moreover, exogenous BORIS expression in normal BORIS-negative cells was sufficient to activate hTERT transcription with an increasing number of cell passages. Thus, expression of BORIS was sufficient to allow hTERT transcription in normal cells and to counteract the inhibitory effect of CTCF in testicular and ovarian tumor cells. These results define an important contribution of BORIS to immortalization during tumorigenesis.

Transcriptional regulation of MDR1, a gene involved in antifungal drug resistance in Candida albicans

ABSTRACT Upregulation of the Major Facilitator transporter gene MDR1 (Multi_drug Resistance 1) is one of the mechanisms observed in Candida albicans clinical isolates developing resistance to azole antifungal agents. To better understand this phenomenon, the cis-acting regulatory elements present in a modulatable reporter system under the control of the MDR1 promoter were characterized. In an azole-susceptible strain, transcription of this reporter is transiently upregulated in response to either benomyl or H2O2, whereas its expression is constitutively high in an azole-resistant strain (FR2). Two cis-acting regulatory elements, that are necessary and sufficient to convey the same transcriptional responses to a heterologous promoter (CDR2), were identified within the MDR1promoter. The first element, called BRE (for Benomyl Response Element, -296 to -260 with respect to the ATG start codon), is required for benomyl-dependent MDR1 upregulation and for constitutive high expression of MDR1 in FR2. The second element, termed HRE (for H2O2 Response Element, -561 to -520), is required for H2O2-dependent MDR1 upregulation, but is dispensable for constitutive high expression. Two potential binding sites (TTAG/CTAA) for the blip transcription factor Cap1p lie within the HRE. Moreover, inactivation of CAP1 abolished the transient response to H2O2 and diminished significantly the transient response to benomyl. Cap1p, which has been previously implicated in cellular responses to oxidative stress, may thus play a transacting and positive regulatory role in benomyl- and H2O2-dependent transcription of MDR1. However, it is not the only transcription factor involved in the response of MDR1 to benomyl. A minimal BRE element (-290 to -273) that is sufficient to detect in vitro sequence-specific binding of protein complexes in crude extracts prepared from C. albicans was also delimited. Genome-wide transcript profiling analyses undertaken with a matched pair of clinical isolates, one of which being azole-resistant and upregulating MDR1, and with an azole-susceptible strain exposed to benomyl, revealed that genes specifically upregulated by benomyl harbour in their promoters Cap1p binding site(s). This strengthened the idea that Cap1p plays a role in benomyl-dependent upregulation of MDR1. BRE-like sequences were also identified in several genes co-regulated with MDR1 in both conditions, which was consistent with the involvement of the BRE in both processes. A set of 147 mutants lacking a single transcription factor gene was next screened for loss of MDR1response to benomyl. Unfortunately, none of the tested mutants showed a loss of benomyl-dependent MDR1 upregulation. Nevertheless, a significant diminution of the response was observed in the mutants in which the MADS-box transcription factor Mcm1p and the C2H2 zinc finger transcription factor orf19.13374p were inactivated, suggesting that Mcm1p and orf19.13374p are involved in MDR1response to benomyl. Interestingly, the BRE contains a perfect match to the binding consensus of Mcm1p, raising the possibility that MDR1may be a direct target of this transcriptional activator. In conclusion, while the identity of the trans-acting factors that bind to the BRE and HRE remains to be confirmed, the tools we have developed during characterization of the cis-acting elements of the MDR1promoter should now serve to elucidate the nature of the components that modulate its activity. RESUME La surexpression du gène MDR1 (pour Résistance Multidrogue 1), qui code pour un transporteur de la famille des Major Facilitators, est l'un des mécanismes observés dans les isolats cliniques de la levure Candida albicans développant une résistance aux agents antifongiques appelés azoles. Pour mieux comprendre ce phénomène, les éléments de régulation agissant en cis dans un système rapporteur modulable sous le contrôle du promoteur MDR1 ont été caractérisés. Dans une souche sensible aux azoles, la transcription de ce rapporteur est transitoirement surélevée en réponse soit au bénomyl soit à l'agent oxydant H2O2, alors que son expression est constitutivement élevée dans une souche résistante aux azoles (souche FR2). Deux éléments de régulation agissant en cis, nécessaires et suffisants pour transmettre les mêmes réponses transcriptionnelles à un promoteur hétérologue (CDR2), ont été identifiés dans le promoteur MDR1. Le premier élément, appelé BRE (pour Elément de Réponse au Bénomyl, de -296 à -260 par rapport au codon d'initiation ATG) est requis pour la surexpression de MDR1dépendante du bénomyl et pour l'expression constitutive de MDR1 dans FR2. Le deuxième élément, appelé HRE (pour Elément de Réponse à l'H2O2, de -561 à -520), est requis pour la surexpression de MDR1 dépendante de l'H2O2, mais n'est pas impliqué dans l'expression constitutive du gène MDR1. Deux sites de fixation potentiels (TTAG/CTAA) pour le facteur de transcription Cap1p ont été identifiés dans l'élément HRE. De plus, l'inactivation de CAP1 abolit la réponse transitoire à l'H2O2 et diminua significativement la réponse transitoire au bénomyl. Cap1p, qui est impliqué dans les réponses de la cellule au stress oxydatif, doit donc jouer un rôle positif en trans dans la surexpression de MDR1 dépendante du bénomyl et de l'H2O2. Cependant, ce n'est pas le seul facteur de transcription impliqué dans la réponse au bénomyl. Un élément BRE d'une longueur minimale (de -290 à -273) a également été défini et est suffisant pour détecter une interaction spécifique in vitro avec des protéines provenant d'extraits bruts de C. albicans. L'analyse du profil de transcription d'une paire d'isolats cliniques comprenant une souche résistante aux azoles surexprimant MDR1, et d'une souche sensible aux azoles exposée au bénomyl, a révélé que les gènes spécifiquement surexprimés par le bénomyl contiennent dans leurs promoteurs un ou plusieurs sites de fixation pour Cap1p. Ceci renforce l'idée que Cap1p joue un rôle dans la surexpression de MDR1dépendante du bénomyl. Une ou deux séquences ressemblant à l'élément BRE ont également été identifiées dans la plupart des gènes corégulés avec MDR1 dans ces deux conditions, ce qui était attendu compte-tenu du rôle joué par cet élément dans les deux processus. Une collection de 147 mutants dans lesquels un seul facteur de transcription est inactivé a été testée pour la perte de réponse au bénomyl de MDR1. Malheureusement, la surexpression de MDR1 dépendante du bénomyl n'a été perdue dans aucun des mutants testés. Néanmoins, une diminution significative de la réponse a été observée chez des mutants dans lesquels le facteur de transcription à MADS-box Mcm1p et le facteur de transcription à doigts de zinc de type C2H2 orf19.13374p ont été inactivés, suggérant que Mcm1p et orf19.13374p sont impliqués dans la réponse de MDR1au bénomyl. Il est intéressant de noter que la BRE contient une séquence qui s'aligne parfaitement avec la séquence consensus du site de fixation de Mcm1p, ce qui soulève la possibilité que MDR1 pourrait être une cible directe de cet activateur transcriptionnel. En conclusion, alors que l'identité des facteurs agissant en trans en se fixant à la BRE et à la HRE reste à être confirmée, les outils que nous avons développés au cours de la caractérisation des éléments agissant en cis sur le promoteur MDR1 peut maintenant servir à élucider la nature des composants modulant son activité.

Superfamily of steroid nuclear receptors: positive and negative regulators of gene expression.

The nuclear hormone receptor superfamily is characterized by an impressive functional diversity of its members despite a remarkable overall structural unity. A variety of ligands bind specifically to them and these receptors control gene networks that have profound effects on growth, development, and homeostasis. The ligand-receptor complexes recognize transcriptional enhancer DNA sequences, the hormone response elements, resulting in induction or repression of gene activity. The similarity between all these hormone response enhancer elements, as well as between the receptors themselves, indicates a conserved general strategy for the hormonal control of transcription by steroids. The activated receptors bind to responsive promoters and most likely mediate the assembly of stage- and tissue-specific transcription factor complexes that stimulate or inhibit gene expression.

Transcriptional regulation of RNA polymerase III in mammalian cells

L'ARN Polymérase III (Pol III) transcrit un ensemble de petits ARN non traduits impliqués dans des processus cellulaires tels que la biosynthèse des protéines, la maturation des ARNs ou le contrôle transcriptionnel. De ce fait, la Pol III joue un rôle important dans la régulation de la croissance et la prolifération cellulaire. L'initiation de la transcription par la Pol III nécessite l'interaction entre des facteurs de transcription et le complexe de la Pol III lui-même. Un sous- complexe de la Pol III, composé de 3 sous-unités, HsRPC3, HsRPC6 et HsRPC7 sert d'intermédiaire dans cette interaction. Dans cette étude, nous avons caractérisé une nouvelle sous-unité de la Pol III, HsRPC7-Like, homologue à HsRPC7. Nous avons montré que ces deux homologues se trouvent spécifiquement chez les vertébrés. Ils proviennent d'un ancêtre commun qui, après duplication il y a 600 millions d'années, a donné naissance à ces deux paralogues. Dans les cellules humaines, deux formes de Pol III coexistent : l'une contientt HsRPC7, l'autre HsRPC7-Like. Nous avons localisé, à l'échelle du génome entier, la présence de ces deux formes de Pol III dans des cellules humaines et dans le foie de souris. Les deux sous-unités ont démontré des caractéristiques identiques, suggérant qu'elles possèdent des fonctions similaires. Cependant, nous avons analysé les motifs d'expression des gènes codant pour RPC7 et RPC7-Like dans des lignées cellulaires dans des conditions variées telles que la concentration de sérum et la densité cellulaire, ainsi que les motifs d'expression dans le foie de souris et des cellules d'hépatocarcinome de souris. Nos résultats suggèrent que l'expression de ces deux sous-untiés varie en fonction de l'activité de prolifération de la cellule. - RNA polymerase III (Pol III) transcribes a set of genes coding for short untranslated RNAs involved in essential cellular processes as for example protein biosynthesis, RNA maturation, and transcriptional control. Thereby Pol III plays an important role in regulating cell growth and proliferation. Initiation of Pol III transcription requires interactions between transcription factors and the Pol III core complex. A Pol III sub-complex composed of three subunits, HsRPC3, HsRPC6, and HsRPC7 mediates this interaction. In this study, we have characterized a new Pol III subunit, HsRPC7-Like, an homologue of HsRPC7. We have shown that these two homologues are specific to vertebrates and originate from an ancestor gene that duplicated 600 mio years ago to give birth to two paralogues. In human cells, two forms of Pol III coexist, one containing HsRPC7 and the other HsRPC7-Like. We have localized, genome-wide, these two Pol III forms in human cells and mouse liver. Both subunits were found on all types of Pol III genes, suggesting that they share similar function. However, we analysed the expression patterns of the RPC7 and RPC7-Like coding genes under various conditions of serum concentration and cell density in different cell lines, as well as expression patterns in mouse liver and mouse hepatocarcinoma cells. Our results suggest that the expression of these two subunits varies with the proliferation rate of the cell.

Functional interactions of peroxisome proliferator-activated receptor, retinoid-X receptor, and Sp1 in the transcriptional regulation of the acyl-coenzyme-A oxidase promoter.

Peroxisome proliferator-activated receptor (PPARs) are members of the nuclear receptor superfamily. For transcriptional activation of their target genes, PPARs heterodimerize with the retinoid-X receptor (RXR). The convergence of the PPAR and RXR signaling pathways has been shown to have an important function in lipid metabolism. The promoter of the gene encoding the acyl-coenzyme-A oxidase (ACO), the rate-limiting enzyme in peroxisomal beta-oxidation of fatty acids, is a target site of PPAR action. In this study, we examined the role and the contribution of both cis-and trans-acting factors in the transcriptional regulation of this gene using transient transfections in insect cells. We identified several functional cis-acting elements present in the promoter of the ACO gene and established that PPAR-dependent as well as PPAR-independent mechanisms can activate the ACO promoter in these cells. We show that the PPAR/RXR heterodimer exerts its effect through two response elements within the ACO promoter, in synergy with the transcription factor Sp1 via five Sp1-binding sites. Furthermore, this functional interaction also occurs when Sp1 is co-expressed with PPAR or RXR alone, indicating that activation can occur independently of PPAR/RXR heterodimers.

Regulation of the expression of Fit insect toxin locus genes in the root-associated biocontrol pseudomonad CHA0

The root-colonizing Pseudomonas fluorescens strain CHA0 is a biocontrol agent of soil-borne plant diseases caused by fungal and oomycete pathogens. Remarkably, this plant-beneficial pseudomonad is also endowed with potent insecticidal activity that depends on the production of a large protein toxin termed Fit (for P. fluorescens insecticidal toxin). In our present work, the genomic locus encoding the P. fluorescens insect toxin is subjected to a detailed molecular analysis. The Fit toxin gene fitD is flanked upstream by the fitABC genes and downstream by the fitE gene that encode the ABC transporter, membrane fusion, and outer membrane efflux components of a type I protein secretion system predicted to function in toxin export. The fitF, fitG, and fitH genes located downstream of fitE code for regulatory proteins having domain structures typical of signal transduction histidine kinases, LysR-type transcriptional regulators, and response regulators, respectively. The role of these insect toxin locus-associated control elements is being investigated with mutants defective for the regulatory genes and with GFP-based reporter fusions to putative promoter regions upstream of the transporter genes fitA and fitE, the toxin gene fitD, and the regulatory genes fitF and fitH. Our preliminary findings suggest that the three regulators interact with known global regulators of biocontrol factor expression to control Fit toxin expression and secretion.