GENETIC AND BIOCHEMICAL ANALYSIS OF THE TESTIS-SPECIFIC ZINC FINGER PROTEIN CTCFL/BORIS

Abstract en FrançaisCTCFL a d'abord été identifié comme un paralogue de la protéine ubiquitaire CTCF en raison de sa forte homologie entre leurs onze « zinc fingers », un domaine de liaison à l'ADN. Parmi ses nombreux rôles, la liaison des zinc fingers de CTCF à la région de contrôle de l'empreinte (ICR) maternelle non-méthylée Igf2/H19, contrôle l'expression empreinte (monoallélique) de H19 et IGF2 dans les cellules somatiques. La méthylation de l'ICR Igf2/H19 paternelle est nécessaire à l'expression empreinte de ces deux gènes. Bien que le mécanisme par lequel l'ICR est méthylé soit mal compris, il est connu que l'établissement de la méthylation se produit pendant le développement des cellules germinales mâles et que les ADN méthyltransférases de novo DNMT3A et DNMT3L sont essentiels. Par conséquent, CTCFL fournit un bon candidat pour un rôle dans la méthylation de l'ICR paternelle Igf2/H19 en raison de son expression restreinte à certains types de cellules où la méthylation de l'ICR a lieu (spermatogonies et spermatocytes) ainsi qu'en raison sa capacité à lier les ICR lgf2/HÎ9 dans ces cellules. Les premiers travaux expérimentaux de cette thèse portent sur le rôle possible des mutations de CTCFL chez les patients atteints du syndrome de Silver-Russell (SRS), où une diminution de la méthylation de l'ICR IGF2/H19 a été observée chez 60% d'entre eux. Admettant que CTCFL pourrait être muté chez ces patients, j'ai examiné les mutations possibles de CTCFL chez 35 d'entre eux par séquençage de l'ADN et analyse du nombre de copies d'exons. N'ayant trouvé aucune mutation chez ces patients, cela suggère que les mutations de CTCFL ne sont pas associées au SRS. Les travaux expérimentaux suivants ont porté sur les modifications post-traductionnelles de CTCFL par la protéine SU MO « small ubiquitin-like modifier » (SUMO). La modification de protéines par SU MO change les interactions avec d'autres molécules (ADN ou protéines). Comme CTCFL régule sans doute l'expression d'un certain nombre de gènes dans le cancer et que plusieurs facteurs de transcription sont régulés par SUMO, j'ai mené des expériences pour déterminer si CTCFL est sumoylé. En effet, j'ai observé que CTCFL est sumoylated in vitro et in vivo et j'ai déterminé les deux résidus d'attachement de SUMO aux lysines 181 et 645. Utilisant les mutants de CTCFL K181R et K645R ne pouvant pas être sumoylated, j'ai évalué les conséquences fonctionnelles de la modification par SUMO. Je n'ai trouvé aucun changement significatif dans la localisation subcellulaire, la demi-vie ou la liaison à l'ADN, mais ai constaté que la sumoylation module à la fois {'activation CTCFL-dépendante et la répression de l'expression génique. Il s'agit de la première modification post-traductionnelle décrite pour CTCFL et les conséquences possibles de cette modification sont discutées pour le cancer et les testicules normaux. Avec cette thèse, j'espère avoir ajouté des résultats importants à l'étude de CTCFL et donné quelques idées pour de futures recherches.AbstractJeremiah Bernier-Latmani, Institute of Pathology, University of Lausanne, CHUVCTCFL was first identified as a paralog of the ubiquitous protein CTCF because of high homology between their respective eleven zinc fingers, a DNA binding domain. Among its many roles, CTCF zinc finger-mediated binding to the unmethylated maternal Igf2/H19 imprinting control region (ICR), controls the imprinted (monoallelic) expression of Igf2 and H19 in somatic cells. Methylation of the paternal Igf2/H19 ICR is necessary for the imprinted expression of the two genes. Although the mechanism by which the ICR is methylated is incompletely understood, it is known that establishment of methylation occurs during male germ cell development and the de novo DNA methyltransferases DNMT3A and DNMT3L are essential. Therefore, CTCFL provided a good candidate to play a role in methylation of the paternal Igf2/H19 ICR because of its restricted expression to cell types where ICR methylation takes place (spermatogonia and spermatocytes) and its ability to bind the Igf2/H19 ICR in these cells. The first experimental work of this thesis investigated the possible role of CTCFL mutations in Silver-Russell syndrome (SRS) patients, where it has been observed that 60% of the patients have reduced methylation of the IGF2/HÎ9 ICR. Reasoning that CTCFL could be mutated in these patients, I screened 35 patients for mutations in CTCFL by DNA sequencing and exon copy number analysis, I did not find any mutations in these patients suggesting that mutations of CTCFL are not associated with SRS. The next experimental work of my thesis focused on posttranslational modification of CTCFL by small ubiquitin-like modifier (SUMO) protein. SUMO modification of proteins changes the interactions with other molecules (DNA or protein). As CTCFL arguably regulates the expression of a number of genes in cancer and many transcription factors are regulated by SUMO, I conducted experiments to assess whether CTCFL is sumoylated. I found that CTCFL is sumoylated in vitro and in vivo and determined the two residues of SUMO attachment to be lysines 181 and 645. Using K181R, K645R mutated CTCFL- which cannot be detected to be sumoylated-1 assessed the functional consequences of SUMO modification. I found no significant changes in subcellular localization, half-life or DNA binding, but found that sumoylation modulates both CTCFL-dependent activation and repression of gene expression. This is the first posttranslational modification described for CTCFL and possible consequences of this modification are discussed in both cancer and normal testis. With this thesis, I hope I have added important findings to the study of CTCFL and provide some ideas for future research.

The N-terminal DNA-binding 'zinc finger' of the oestrogen and glucocorticoid receptors determines target gene specificity.

Steroid hormone receptors activate specific gene transcription by binding as hormone-receptor complexes to short DNA enhancer-like elements termed hormone response elements (HREs). We have shown previously that a highly conserved 66 amino acid region of the oestrogen (ER) and glucocorticoid (GR) receptors, which corresponds to part of the receptor DNA binding domain (region C) is responsible for determining the specificity of target gene activation. This region contains two sub-regions (CI and CII) analogous to the 'zinc-fingers' of the transcription factor TFIIIA. We show here that CI and CII appear to be separate domains both involved in DNA binding. Furthermore, using chimaeric ERs in which either the first (N-terminal) (CI) or second (CII) 'zinc finger' region has been exchanged with that of the GR, indicates that it is the first 'zinc finger' which largely determines target gene specificity. We suggest that receptor recognition of the HRE is analogous to that of the helix-turn-helix DNA binding motif in that the receptor binds to DNA as a dimer with the first 'zinc finger' lying in the major groove recognizing one half of the palindromic HRE, and that protein-DNA interaction is stabilized through non-specific DNA binding and dimer interactions contributed by the second 'zinc finger'.

Artificial zinc finger fusions targeting Sp1-binding sites and the trans-activator-responsive element potently repress transcription and replication of HIV-1.

Tat activates transcription by interacting with Sp1, NF-kappaB, positive transcription elongation factor b, and trans-activator-responsive element (TAR). Tat and Sp1 play major roles in transcription by protein-protein interactions at human immunodeficiency virus, type 1 (HIV-1) long terminal repeat. Sp1 activates transcription by interacting with cyclin T1 in the absence of Tat. To disrupt the transcription activation by Tat and Sp1, we fused Sp1-inhibiting polypeptides, zinc finger polypeptide, and the TAR-binding mutant Tat (TatdMt) together. A designed or natural zinc finger and Tat mutant fusion was used to target the fusion to the key regulatory sites (GC box and TAR) on the long terminal repeat and nascent short transcripts to disrupt the molecular interaction that normally result in robust transcription. The designed zinc finger and TatdMt fusions were targeted to the TAR, and they potently repressed both transcription and replication of HIV-1. The Sp1-inhibiting POZ domain, TatdMt, and zinc fingers are key functional domains important in repression of transcription and replication. The designed artificial zinc fingers were targeted to the high affinity Sp1-binding site, and by being fused with TatdMt and POZ domain, they strongly block both Sp1-cyclin T1-dependent transcription and Tat-dependent transcription, even in the presence of excess expressed Tat.

KRAB-zinc finger proteins and KAP1 can mediate long-range transcriptional repression through heterochromatin spreading.

Krüppel-associated box domain-zinc finger proteins (KRAB-ZFPs) are tetrapod-specific transcriptional repressors encoded in the hundreds by the human genome. In order to explore their as yet ill-defined impact on gene expression, we developed an ectopic repressor assay, allowing the study of KRAB-mediated transcriptional regulation at hundreds of different transcriptional units. By targeting a drug-controllable KRAB-containing repressor to gene-trapping lentiviral vectors, we demonstrate that KRAB and its corepressor KAP1 can silence promoters located several tens of kilobases (kb) away from their DNA binding sites, with an efficiency which is generally higher for promoters located within 15 kb or less. Silenced promoters exhibit a loss of histone H3-acetylation, an increase in H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3), and a drop in RNA Pol II recruitment, consistent with a block of transcriptional initiation following the establishment of silencing marks. Furthermore, we reveal that KRAB-mediated repression is established by the long-range spreading of H3K9me3 and heterochromatin protein 1 beta (HP1beta) between the repressor binding site and the promoter. We confirm the biological relevance of this phenomenon by documenting KAP1-dependent transcriptional repression at an endogenous KRAB-ZFP gene cluster, where KAP1 binds to the 3' end of genes and mediates propagation of H3K9me3 and HP1beta towards their 5' end. Together, our data support a model in which KRAB/KAP1 recruitment induces long-range repression through the spread of heterochromatin. This finding not only suggests auto-regulatory mechanisms in the control of KRAB-ZFP gene clusters, but also provides important cues for interpreting future genome-wide DNA binding data of KRAB-ZFPs and KAP1.

Myostatin augments muscle-specific ring finger protein-1 expression through an NF-kB independent mechanism in SMAD3 null muscle.

Smad (Sma and Mad-related protein) 2/3 are downstream signaling molecules for TGF-β and myostatin (Mstn). Recently, Mstn was shown to induce reactive oxygen species (ROS) in skeletal muscle via canonical Smad3, nuclear factor-κB, and TNF-α pathway. However, mice lacking Smad3 display skeletal muscle atrophy due to increased Mstn levels. Hence, our aims were first to investigate whether Mstn induced muscle atrophy in Smad3(-/-) mice by increasing ROS and second to delineate Smad3-independent signaling mechanism for Mstn-induced ROS. Herein we show that Smad3(-/-) mice have increased ROS levels in skeletal muscle, and inactivation of Mstn in these mice partially ablates the oxidative stress. Furthermore, ROS induction by Mstn in Smad3(-/-) muscle was not via nuclear factor-κB (p65) signaling but due to activated p38, ERK MAPK signaling and enhanced IL-6 levels. Consequently, TNF-α, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase, and xanthine oxidase levels were up-regulated, which led to an increase in ROS production in Smad3(-/-) skeletal muscle. The exaggerated ROS in the Smad3(-/-) muscle potentiated binding of C/EBP homology protein transcription factor to MuRF1 promoter, resulting in enhanced MuRF1 levels leading to muscle atrophy.

CTCF-T, a paralogue of CTCF, directs sequence specific DNA methylation of the imprinting control region of Igf2/H19

SUMMARY Genomic imprinting is an epigenetic mechanism of transcriptional regulation that ensures restriction of expression of a subset of mammalian genes to a single parental allele. The best studied example of imprinted gene regulation is the Igf2/H19 locus, which is also the most commonly altered by loss of imprinting (LOT) in cancer. LOT is associated with numerous hereditary diseases and several childhood, and adult cancers. Differential expression of reciprocal H19 and 1gf2 alleles in somatic cells depends on the methylation status of the imprinting control region (ICR) which regulates binding of CTCF, an ubiquitously expressed 11-zinc finger protein that binds specifically to non-methylated maternal ICR and thereby attenuates expression of Igf2, while it does not bind to methylated paternal ICR, which enables Igf2 expression. Initial ICR methylation occurs during gametogenesis by an as yet unknown mechanism. The accepted hypothesis is that the event of differential maternal and paternal DNA methylation depends on germ-line specific proteins. Our Laboratory identified a novel 11-zinc-finger protein CTCF-T (also known as CTCFL and BORIS) that is uniquely expressed in the male germ-line and is highly homologous within its zinc-finger region with CTCF. The amino-acid sequences flanking the zinc-finger regions of CTCF and CTCF-T have widely diverged, suggesting that though they could bind to the same DNA targets (ICRs) they are likely to have different functions. Interestingly, expression of CTCF-T and CTCF is mutually exclusive; CTCF-T-positive (CTCF-negative) cells occur in the stage of spermatogenesis that coincides with epigenetic reprogramming, including de novo DNA methylation. In our study we demonstrate the role that CTCF-T plays in genomic imprinting. Here we show that CTCF-T binds in vivo to the ICRs of Igf2/H19 and Dlk/Gt12 imprinted genes. In addition, we identified two novel proteins interacting with CTCF-T: a protein arginine methyltransferase PRMT7 and an arginine-rich histone H2A variant that we named trH2A. These interactions were confirmed and show that the two proteins interact with the amino-teiminal region of CTCF-T. Additionally, we show interaction of the amino- terminal region of CTCF-T with histones H1, H2A and H3. These results suggest that CTCF-T is a sequence-specific DNA (ICR) binding protein that associates with histones and recruits PRMT7. Interestingly, PRMT7 has a histone-methyltransferase activity. It has been shown that histone methylation can mark chromatin regions thereby directing DNA-methylation; thus, our hypothesis is that the CTCF-T protein-scaffold directs PRMT7 to methylate histone(s) assembled on ICRs, which marks chromatin for the recruitment of the de novo DNA methyltransferases to methylate DNA. To test this hypothesis, we developed an in vivo DNA-methylation assay using Xenopus laevis' oocytes, where H19 ICR and different expression cDNAs, including CTCF-T, PRMT7 and the de novo DNA methyltransferases (Dnmt3a, Dnmt3b and Dnmt3L) are microinjected into the nucleus. The methylation status of CpGs within the H19 ICR was analysed 48 or 72 hours after injection. Here we demonstrate that CpGs in the ICR are methylated in the presence of both CTCF-T and PRMT7, while control oocytes injected only with ICR did not show any methylation. Additionally, we showed for the first time that Dnmt3L is crucial for the establishment of the imprinting marks on H19 ICR. Moreover, we confirmed that Dnmt3a and Dnmt3b activities are complementary. Our data indicate that all three Dnmt3s are important for efficient de novo DNA methylation. In conclusion, we propose a mechanism for the establishment of de novo imprinting marks during spermatogenesis: the CTCF-T/PRMT7 protein complex directs histone methylation leading to sequence-specific de novo DNA methylation of H19 ICR. RESUME L'empreinte génomique parentale est un mécanisme épigénétique de régulation transcriptionelle qui se traduit par une expression différentielle des deux allèles de certains gènes, en fonction de leur origine parentale. L'exemple le mieux caractérisé de gènes soumis à l'empreinte génomique parentale est le locus Igf2/H19, qui est aussi le plus fréquemment altéré par relaxation d'empreinte (en anglais: loss of imprinting, LOI) dans les cancers. Cette relaxation d'empreinte est aussi associée à de nombreuses maladies héréditaires, ainsi qu'à de nombreux cancers chez l'enfant et l'adulte. Dans les cellules somatiques, les différences d'expression des allèles réciproques H19 et Ig12 est sous le contrôle d'une région ICR (Imprinting Control Region). La méthylation de cette région ICR régule l'ancrage de la protéine à douze doigts de zinc CTCF, qui se lie spécifiquement à l'ICR maternel non-méthylé, atténuant ainsi l'expression de Igf2, alors qu'elle ne s'ancre pas à l'ICR paternel méthyle. Le mécanisme qui accompagne la méthylation initiale de la région ICR durant la gamétogenèse n'a toujours pas été élucidé. L'hypothèse actuelle propose que la différence de méthylation entre l'ADN maternel et paternel résulte de l'expression de protéines propres aux zones germinales. Notre laboratoire a récemment identifié une nouvelle protéine à douze doigts de zinc, CTCF-T (aussi dénommée CTCFL et BORRIS), qui est exprimée uniquement dans les cellules germinales mâles, dont la partie à douze doigts de zinc est fortement homologue à la protéine CTCF. La séquence d'acides aminés de part et d'autre de cette région est quant à elle très divergente, ce qui implique que CTCF-T se lie sans doute au même ADN cible que CTCF, mais possède des fonctions différentes. De plus, l'expression de CTCF-T et de CTCF s'oppose mutuellement; l'expression de la protéine CTCF-T (cellules CTCF-T positives, CTCF negatives) qui a lieu pendant la spermatogenèse coïncide avec la reprogrammation épigénétique, notamment la méthylation de novo de l'ADN. La présente étude démontre le rôle essentiel joué par la protéine CTCF-T dans l'acquisition de l'empreinte génomique parentale. Nous montrons ici que CTCF-T s'associe in vivo avec les régions ICR des loci Igf2/H19 et Dlk/Gt12. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines qui interagissent avec CTCF-T : une protéine arginine méthyl transférase PRMT7, et un variant de l'histone H2A, riche en arginine, que nous avons dénommé trH2A. Ces interactions ont été analysées plus en détail, et confinnent que ces deux protéines s'associent avec la région N-terminale de CTCF-T. Aussi, nous présentons une interaction de la région N-terminale de CTCF-T avec les histones H1, H2, et H3. Ces résultats suggèrent que CTCF-T est une protéine qui se lie spécifiquement aux régions ICR, qui s'associe avec différents histones et qui recrute PRMT7. PRMT7 possède une activité méthyl-tansférase envers les histones. Il a été montré que la méthylation des histones marque certains endroits de la chromatine, dirigeant ainsi la méthylation de l'ADN. Notre hypothèse est donc la suivante : la protéine CTCF-T sert de base qui dirige la méthylation des histones par PRMT7 dans les régions ICR, ce qui contribue à marquer la chromatine pour le recrutement de nouvelles méthyl transférases pour méthyler l'ADN. Afin de valider cette hypothèse, nous avons développé un système de méthylation de l'ADN in vivo, dans des oeufs de Xenopus laevis, dans le noyau desquels nous avons mico-injecté la région ICR du locus H19, ainsi que différents vecteurs d'expression pour CTCF-T, PRMT7, et les de novo méthyl transférases (Dnmt3a, Dnmt3b et Dnmt3L). Les CpGs méthyles de la région ICR du locus H19 ont été analysé 48 et 72 heures après l'injection. Cette technique nous a permis de démontrer que les CpGs de la région ICR sont méthyles en présence de CTCF-T et de PRMT7, tandis que les contrôles injectés seulement avec la région ICR ne présentent aucun signe de méthylation. De plus, nous démontrons pour la première fois que la protéine méthyl transférase Dnmt3L est déterminant pour l'établissement de l'empreinte génomique parentale au niveau de la région ICR du locus H19. Aussi, nous confirmons que les activités méthyl transférases de Dnmt3a et Dnmt3b sont complémentaires. Nos données indiquent que les trois protéines Dnmt3 sont impliquées dans la méthylation de l'ADN. En conclusion, nous proposons un mécanisme responsable de la mise en place de nouvelles empreintes génomiques pendant la spermatogenèse : le complexe protéique CTCF-T/PRMT7 dirige la méthylation des histones aboutissant à la méthylation de novo de l'ADN au locus H19.

The transcriptional repressor REST determines the cell-specific expression of the human MAPK8IP1 gene encoding IB1 (JIP-1).

Islet-brain 1 (IB1) is the human and rat homologue of JIP-1, a scaffold protein interacting with the c-Jun amino-terminal kinase (JNK). IB1 expression is mostly restricted to the endocrine pancreas and to the central nervous system. Herein, we explored the transcriptional mechanism responsible for this preferential islet and neuronal expression of IB1. A 731-bp fragment of the 5' regulatory region of the human MAPK8IP1 gene was isolated from a human BAC library and cloned upstream of a luciferase reporter gene. This construct drove high transcriptional activity in both insulin-secreting and neuron-like cells but not in unrelated cell lines. Sequence analysis of this promoter region revealed the presence of a neuron-restrictive silencer element (NRSE) known to bind repressor zinc finger protein REST. This factor is not expressed in insulin-secreting and neuron-like cells. By mobility shift assay, we confirmed that REST binds to the NRSE present in the IB1 promoter. Once transiently transfected in beta-cell lines, the expression vector encoding REST repressed IB1 transcriptional activity. The introduction of a mutated NRSE in the 5' regulating region of the IB1 gene abolished the repression activity driven by REST in insulin-secreting beta cells and relieved the low transcriptional activity of IB1 observed in unrelated cells. Moreover, transfection in non-beta and nonneuronal cell lines of an expression vector encoding REST lacking its transcriptional repression domain relieved IB1 promoter activity. Last, the REST-mediated repression of IB1 could be abolished by trichostatin A, indicating that deacetylase activity is required to allow REST repression. Taken together, these data establish a critical role for REST in the control of the tissue-specific expression of the human IB1 gene.

Plac8 is an inducer of C/EBPβ required for brown fat differentiation, thermoregulation, and control of body weight.

Brown adipocytes oxidize fatty acids to produce heat in response to cold or to excessive energy intake; stimulation of brown fat development and function may thus counteract obesity. Brown adipogenesis requires activation of the transcription factor C/EBPβ and recruitment of the zinc finger protein Prdm16, but upstream inducers of these proteins are incompletely defined. Here, we show that genetic inactivation of Plac8, a gene encoding an evolutionarily conserved protein, induces cold intolerance, and late-onset obesity, as well as abnormal morphology and impaired function of brown adipocytes. Using brown preadipocyte lines we show that Plac8 is required for brown fat differentiation, that its overexpression induces C/EBPβ and Prdm16, and that upon induction of differentiation Plac8 associates with C/EBPβ and binds to the C/EBPβ promoter to induce its transcription. Thus, Plac8 is a critical upstream regulator of brown fat differentiation and function that acts, at least in part, by inducing C/EBPβ expression.

Combined transcriptomic and proteomic studies reveal non-canonical signaling functions in the jasmonate pathway

Abstract Lipid derived signals mediate many stress and defense responses in multicellular eukaryotes. Among these are the jasmonates, potently active signaling compounds in plants. Jasmonic acid (JA) and 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) are the two best known members of the large jasmonate family. This thesis further investigates their roles as signals using genomic and proteomic approaches. The study is based on a simple genetic model involving two key genes. The first is ALLENE OXIDE SYNTHASE (AOS), encoding the most important enzyme in generating jasmonates. The second is CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1), a gene involved in all currently documented canonical signaling responses. We asked the simple question: do null mutations in AOS and COI1 have analogous effects on the transcriptome ? We found that they do not. If most COI1-dependent genes were also AOS-dependent, the expression of a zinc-finger protein was AOS-dependent but was unaffected by the coi1-1 mutation. We thus supposed that a jasmonate member, most probably OPDA, can alter gene expression partially independently of COI1. Conversely, the expression of at least three genes, one of these is a protein kinase, was shown to be COI1-dependent but did not require a functional AOS protein. We conclude that a non-jasmonate signal might alter gene expression through COIL Proteomic comparison of coi1-1 and aos plants confirmed these observations and highlighted probable protein degradation processes controlled by jasmonates and COI1 in the wounded leaf. This thesis revealed new functions for COI1 and for AOS-generated oxylipins in the jasmonate signaling pathway. Résumé Les signaux dérivés d'acides gras sont des médiateurs de réponses aux stress et de la défense des eucaryotes multicellulaires. Parmi eux, les jasmonates sont de puissants composés de sig¬nalisation chez les plantes. L'acide jasmonique (JA) et l'acide 12-oxo-phytodienoïc (OPDA) sont les deux membres les mieux caractérisés de la grande famille des jasmonates. Cette thèse étudie plus profondément leurs rôles de signalisation en utilisant des approches génomique et protéomique. Cette étude est basée sur un modèle génétique simple n'impliquant que deux gènes. Le premier est PALLENE OXYDE SYNTHASE (AOS) qui encode l'enzyme la plus importante pour la fabrication des jasmonates. Le deuxième est CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1) qui est impliqué dans la totalité des réponses aux jasmonates connues à ce jour. Nous avons posé la question suivante : est-ce que les mutations nulles dans les gènes AOS et COI1 ont des effets analogues sur le transcriptome ? Nous avons trouvé que ce n'était pas le cas. Si la majorité des gènes dépendants de COI1 sont également dépendants d'AOS, l'expression d'un gène codant pour une protéine formée de doigts de zinc n'est pas affectée par la mutation de COI1 tout en étant dépendante d'AOS. Nous avons donc supposé qu'un membre de la famille des jasmonates, probablement OPDA, pouvait modifier l'expression de certains gènes indépendamment de COI1. Inversement, nous avons montré que, tout en étant dépendante de COI1, l'expression d'au moins trois gènes, dont un codant pour une protéine kinase, n'était pas affectée par l'absence d'une protéine AOS fonctionnelle. Nous en avons conclu qu'un signal autre qu'un jasmonate devait modifier l'expression de certains gènes à travers COI1. La comparaison par protéomique de plantes aos et coi1-1 a confirmé ces observations et a mis en évidence un probable processus de dégradation de protéines contrôlé par les jasmonates et COU_ Cette thèse a mis en avant de nouvelles fonctions pour COI1 et pour des oxylipines générées par AOS dans le cadre de la signalisation par les jasmonates.

Interactions of Adeno-associated virus Rep78 protein with the host cell

Abstract : Adeno-associated virus (AAV) is a small DNA virus belonging to the familiy of Parvoviridae. Its genome contains two genes : the rep gene encoding four non structural proteins (Rep78, 68, 52 and 40) implicated in transcription, replication and site-specific integration of the viral DNA and the cap gene encoding three capsid proteins. AAV does not cause any disease, but is studied in view of its potential use to treat several diseases. An interesting property of AAV is its antiproliferative effect. Two elements of AAV can inhibit cell growth. Firstly, the single stranded viral DNA is recognized in cells as damaged DNA leading to either a G2 block or cell death depending on p53 status. Secondly, the two larger Rep proteins (Rep78 and 68) also arrest the cell cycle when they are expressed at high levels. Rep78 in particular induces a complete cell cycle arrest in all the phases, including S phase. Such a strong S phase arrest is rarely seen in other conditions. It was thus interesting to determine how Rep78 could induce it. We found that this strong block is the consequence of Rep78's effects on at least two pathways. Rep78 induces a DNA damage response by producing nicks in the cellular chromatin. Furthermore, Rep78 can bind to the cellular phosphatase Cdc25A and prevent its binding to its substrates CDK2 and CDK1, thus inhibiting its activity. A mutational analysis of Rep78 protein determined that its endonuclease activity is responsible for the DNA damage response and its zinc finger domain for Cdc25A inhibition. The combined expression of two mutants each defective for one of these activities, or these two activities obtained independently of Rep78, could restore the complete cell cycle block, indicating that these two effects of Rep78 are likely to explain completely the cell cycle block it induces. Secondly, the lack of pathogenicity of AAV, its broad range of infection and its ability to integrate site-specifically in human chromosome 19 make it an interesting potential vector for gene therapy. However site-specific integration is only possible in the presence of Rep78/68 whose gene is removed in recombinant AAV vectors. In this part of the study, we tried to introduce Rep protein separately from recombinant AAV vectors to promote their site-specific integration. For that purpose, a fusion protein, TAT-Rep, comprising Rep78/68 joined to the human immunodeficiency virus Tat protein was produced. It had the ability to enter cells and remain active there for a short period. Its activity was sufficient to mediate transcription from the p5 promoter, second-strand synthesis of a recombinant AAV and probably site-specific integration. Résumé : Le virus associé à l'adénovirus (AAV) est un petit virus à ADN qui fait partie de la famille des Parvoviridae. Son génome contient deux gènes : le gène rep code pour quatre protéines (Rep78, 68, 52 et 40) qui participent à la transcription, la réplication et l'intégration du virus et le gène cap code pour les trois protéines de capside. AAV ne produit pas de maladie, mais pourrait au contraire être utilisé pour en soigner. Sa bénignité, sa capacité à infecter différents types de cellules et son intégration spécifique en font un vecteur potentiel pour la thérapie génique. Pour qu'il puisse s'intégrer spécifiquement, il a besoin de la protéine Rep78 ou 68, mais ce gène doit être enlevé des vecteurs pour la thérapie génique. Le but de la première partie de cette étude était d'introduire Rep78 ou 68 dans des cellules en même temps qu'un AAV recombinant, mais indépendamment afin de permettre une intégration spécifique. La stratégie utilisée était de produire une protéine de fusion (TAT-Rep) qui peut entrer dans des cellules si elle est présente dans leur milieu. Cette protéine entrait bien dans les cellules et y était active favorisant ainsi l'intégration spécifique. Une deuxième propriété d'AAV, son effet anti-prolifératif, est intéressante dans le cadre de certaines maladies comme le cancer. Deux éléments d'AAV en sont responsables. D'abord, son ADN simple brin active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé et arrête les cellules en G2 ou provoque leur mort. De plus, la protéine Rep78 d'AAV peut fortement bloquer le cycle cellulaire à toutes les phases, même en phase S, ce qui est rare. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre cet effet. Nous avons remarqué que Rep78 doit agir sur deux fronts pour obtenir ce fort bloc. D'un côté, Rep78 introduit des coupures simple brin sur l'ADN de la cellule ce qui active une réponse cellulaire à l'ADN endommagé qui passe par ATM. D'un autre côté, Rep78 lie une phosphatase cellulaire, Cdc25A, et l'empêche ainsi de lier ses substrats CDK2 et CDK1 et donc d'être active. Finalement, à l'aide de mutants de Rep78, nous avons déterminé que l'activité endonuclease de Rep78 était nécessaire pour induire une réponse cellulaire via ATM et que le domaine C-terminal appelé «zinc finger » était responsable de la liaison avec Cdc25A. En co-exprimant deux mutants, qui n'ont chacun qu'un des effets de Rep78, ou en obtenant les deux effets de Rep78 indépendamment d'elle, nous avons obtenu un bloc complet du cycle cellulaire similaire à celui obtenu avec Rep78. Il est donc probable que ces deux effets de Rep78 sont suffisants pour expliquer comment elle arrive à arrêter le cycle cellulaire si efficacement.

Protein-protein interactions between adenovirus DNA polymerase and nuclear factor I mediate formation of the DNA replication preinitiation complex.

The in vitro adenovirus (Ad) DNA replication system provides an assay to study the interaction of viral and host replication proteins with the DNA template in the formation of the preinitiation complex. This initiation system requires in addition to the origin DNA sequences 1) Ad DNA polymerase (Pol), 2) Ad preterminal protein (pTP), the covalent acceptor for protein-primed DNA replication, and 3) nuclear factor I (NFI), a host cell protein identical to the CCAAT box-binding transcription factor. The interactions of these proteins were studied by coimmunoprecipitation and Ad origin DNA binding assays. The Ad Pol can bind to origin sequences only in the presence of another protein which can be either pTP or NFI. While NFI alone can bind to its origin recognition sequence, pTP does not specifically recognize DNA unless Ad Pol is present. Thus, protein-protein interactions are necessary for the targetting of either Ad Pol or pTP to the preinitiation complex. DNA footprinting demonstrated that the Ad DNA site recognized by the pTP.Pol complex was within the first 18 bases at the end of the template which constitutes the minimal origin of replication. Mutagenesis studies have defined the Ad Pol interaction site on NFI between amino acids 68-150, which overlaps the DNA binding and replication activation domain of this factor. A putative zinc finger on the Ad Pol has been mutated to a product that fails to bind the Ad origin sequences but still interacts with pTP. These results indicate that both protein-protein and protein-DNA interactions mediate specific recognition of the replication origin by Ad DNA polymerase.

Divergent functions of three Candida albicans zinc-cluster transcription factors (CTA4, ASG1 and CTF1) complementing pleiotropic drug resistance in Saccharomyces cerevisiae.

One of the mediators of pleiotropic drug resistance in Saccharomyces cerevisiae is the ABC-transporter gene PDR5. This gene is regulated by at least two transcription factors with Zn(2)-Cys(6) finger DNA-binding motifs, Pdr1p and Pdr3p. In this work, we searched for functional homologues of these transcription factors in Candida albicans. A C. albicans gene library was screened in a S. cerevisiae mutant lacking PDR1 and PDR3 and clones resistant to azole antifungals were isolated. From these clones, three genes responsible for azole resistance were identified. These genes (CTA4, ASG1 and CTF1) encode proteins with Zn(2)-Cys(6)-type zinc finger motifs in their N-terminal domains. The C. albicans genes expressed in S. cerevisiae could activate the transcription of a PDR5-lacZ reporter system and this reporter activity was PDRE-dependent. They could also confer resistance to azoles in a S. cerevisiae strain lacking PDR1, PDR3 and PDR5, suggesting that CTA4-, ASG1- and CTF1-dependent azole resistance can be caused by genes other than PDR5 in S. cerevisiae. Deletion of CTA4, ASG1 and CTF1 in C. albicans had no effect on fluconazole susceptibility and did not alter the expression of the ABC-transporter genes CDR1 and CDR2 or the major facilitator gene MDR1, which encode multidrug transporters known as mediators of azole resistance in C. albicans. However, additional phenotypic screening tests on the C. albicans mutants revealed that the presence of ASG1 was necessary to sustain growth on non-fermentative carbon sources (sodium acetate, acetic acid, ethanol). In conclusion, C. albicans possesses functional homologues of the S. cerevisiae Pdr1p and Pdr3p transcription factors; however, their properties in C. albicans have been rewired to other functions.

The role of CTCFL/BORIS in Meiosis

The complexity of mammalian genome organization demands a complex interplay of DNA and proteins to orchestrate proper gene regulation. CTCF, a highly conserved, ubiquitously expressed protein has been postulated as a primary organizer of genome architecture because of its roles in transcriptional activation/repression, insulation and imprinting. Diverse regulatory functions are exerted through genome wide binding via a central eleven zinc finger DNA binding domain and an array of diverse protein-protein interactions through N- and C- terminal domains. CTCFL has been identified as a paralog of CTCF expressed only in spermatogenic cells of the testis. CTCF and CTCFL have a highly homologous DNA-binding domain, while the flanking amino acid sequences exhibit no significant similarity. Genome- wide mapping of CTCF binding sites has been carried out in many cell types, but no data exist for CTCFL apart from a few identified loci. The lack of high quality antibodies prompted us to generate an endogenously flag-tagged CTCFL mouse model using BAC recombination. IHC staining using anti-flag antibodies confirmed CTCFL localization to type Β spermatogonia and preleptotene spermatocytes and a mutually exclusive pattern of expression with CTCF. ChIP followed by high-throughput sequencing identified 10,382 binding sites showing 70% overlap but representing only 20% of CTCF sites. Consensus sequence analysis identified a significantly longer binding motif with prominently less ambiguity of base calling at every position. The significant difference between CTCF and CTCFL genomic binding patterns proposes that their binding to DNA is differentially regulated. Analysis of CTCFL binding to methylated regions on a genome wide scale identified approximately 1,000 loci. Methylation-independent binding of CTCFL might be at least one of the mechanisms that ensures distinct binding patterns of CTCF and CTCFL since CTCF binding is methylation- sensitive. Co-localization of CTCF with cohesin has been well established and analysis of CTCFL and SMC3 overlap identified around 3,300 binding sites from which two related but distinct consensus sequence motifs were derived. Because virtually all data for cohesin binding originate from mitotically proliferating cells, the anticipated overlap is expected to be considerably higher in meiotic cells. Meiosis-specific cohesin subunit Rec8 is specific for spermatocytes and 6 out of the 12 identified binding sites are also bound by CTCFL. In conclusion, this was the first genome-wide mapping of CTCFL binding sites in spermatocytes, the only cell type where CTCF is not expressed. CTCFL has a unique binding site repertoire distinct from CTCF, binds to methylated sequences and shows a significant overlap with cohesin binding sites. Future efforts will be oriented towards deciphering the role CTCFL plays in conversion of chromatin structure and function from mitotic to meiotic chromosomes. - La complexité de l'organisation du génome des mammifères exige une interaction particulière entre ADN et protéines pour orchestrer une régulation appropriée de l'expression des gènes. CTCFL, une protéine ubiquitaire très conservée, serait le principal organisateur de l'architecture du génome de par son rôle dans l'activation / la répression de la transcription, la protection et la localisation des gènes. Diverses régulations sont opérées, d'une part au travers d'interactions à différents endroits du génome par le biais d'un domaine protéique central de liaison à l'ADN à onze doigts de zinc, et d'autre part par des interactions protéine-protéine variées au niveau de leur domaine N- et C-terminal. CTCFL a été identifié comme un paralogue de CTCF exprimé uniquement dans les cellules spermatiques du testicule. CTCFL et CTCF ont un domaine de liaison à l'ADN très homologue, tandis que les séquences d'acides aminés situées de part et d'autre de ce domaine ne présentent aucune similitude. Une cartographie générale des sites de liaison au CTCF a été réalisée pour de nombreux types cellulaires, mais il n'existe aucune donnée pour CTCFL à l'exception de l'identification de quelques loci. L'absence d'anticorps de bonne qualité nous a conduit à générer un modèle murin portant un CTCFL endogène taggué grâce à un procédé de recombinaison BAC. Une coloration IHC à l'aide d'anticorps anti-FLAG a confirmé la présence de CTCFL au niveau des spermatogonies de type Β et des spermatocytes au stade préleptotène, et une distribution mutuellement exclusive avec CTCF. Une méthode de Chromatine Immunoprecipitation (ChIP) suivie d'un séquençage à haut débit a permis d'identifier 10.382 sites de liaison montrant 70% d'homologie mais ne représentant que 20% des sites CTCF. L'analyse de la séquence consensus révèle un motif de fixation à l'ADN nettement plus long et qui comporte bien moins de bases aléatoires à chaque position nucléotidique. La différence significative entre les séquences génomiques des sites de liaison au CTCF et CTCFL suggère que leur fixation à l'ADN est régulée différemment. Appliquée à l'échelle du génome, l'étude de l'interaction de CTCFL avec des régions méthylées de l'ADN a permis d'identifier environ 1.000 loci. Contrairement à CTCFL, la liaison de CTCF dépend de l'état de méthylation de l'ADN ; cette modification épigénétique constitue donc au moins un des mécanismes de régulation expliquant une localisation de CTCF et CTCFL à des sites distincts du génome. La co- localisation de CTCF avec la cohésine étant établie, l'analyse de la superposition des séquences de CTCFL avec la sous-unité SMC3 identifie environ 3.300 sites de liaison parmi lesquels deux mêmes motifs consensus distincts par leur séquence sont mis en évidence. La presque quasi-totalité des données sur la cohésine ayant été établie à partir de cellules en prolifération mitotique, il est probable que la similitude au sein des séquences consensus soit encore plus grande dans le cas des cellules en méiose. La sous-unité Rec8 de la cohésine propre à l'état de méiose est spécifiquement exprimée dans les spermatocytes. Or 6 des 12 sites de liaison identifiés sont également utilisés par CTCFL. Pour conclure, ce travail constitue la première cartographie à l'échelle du génome des sites de liaison de CTCFL dans les spermatocytes, seul type cellulaire où CTCFL n'est pas exprimé. CTCFL possède un répertoire unique de sites de fixation à l'ADN distinct de CTCF, se lie à des séquences méthylées et présente un nombre important de sites de liaison communs avec la cohésine. Les perspectives futures sont d'élucider le rôle de CTCFL dans le remodelage de la structure de la chromatine et de définir sa fonction dans le processus de méiose.

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.

A novel family of dehydrin-like proteins is involved in stress response in the human fungal pathogen Aspergillus fumigatus.

 During a search for genes controlling conidial dormancy in Aspergillus fumigatus, two dehydrin-like genes, DprA and DprB, were identified. The deduced proteins had repeated stretches of 23 amino acids that contained a conserved dehydrin-like protein (DPR) motif. Disrupted DprAΔ mutants were hypersensitive to oxidative stress and to phagocytic killing, whereas DprBΔ mutants were impaired in osmotic and pH stress responses. However, no effect was observed on their pathogenicity in our experimental models of invasive aspergillosis. Molecular dissection of the signaling pathways acting upstream showed that expression of DprA was dependent on the stress-activated kinase SakA and the cyclic AMP-protein kinase A (cAMP-PKA) pathways, which activate the bZIP transcription factor AtfA, while expression of DprB was dependent on the SakA mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, and the zinc finger transcription factor PacC. Fluorescent protein fusions showed that both proteins were associated with peroxisomes and the cytosol. Accordingly, DprA and DprB were important for peroxisome function. Our findings reveal a novel family of stress-protective proteins in A. fumigatus and, potentially, in filamentous ascomycetes.