Untangling the evolution of Rab G proteins: implications of a comprehensive genomic analysis.

BACKGROUND: Membrane-bound organelles are a defining feature of eukaryotic cells, and play a central role in most of their fundamental processes. The Rab G proteins are the single largest family of proteins that participate in the traffic between organelles, with 66 Rabs encoded in the human genome. Rabs direct the organelle-specific recruitment of vesicle tethering factors, motor proteins, and regulators of membrane traffic. Each organelle or vesicle class is typically associated with one or more Rab, with the Rabs present in a particular cell reflecting that cell's complement of organelles and trafficking routes. RESULTS: Through iterative use of hidden Markov models and tree building, we classified Rabs across the eukaryotic kingdom to provide the most comprehensive view of Rab evolution obtained to date. A strikingly large repertoire of at least 20 Rabs appears to have been present in the last eukaryotic common ancestor (LECA), consistent with the 'complexity early' view of eukaryotic evolution. We were able to place these Rabs into six supergroups, giving a deep view into eukaryotic prehistory. CONCLUSIONS: Tracing the fate of the LECA Rabs revealed extensive losses with many extant eukaryotes having fewer Rabs, and none having the full complement. We found that other Rabs have expanded and diversified, including a large expansion at the dawn of metazoans, which could be followed to provide an account of the evolutionary history of all human Rabs. Some Rab changes could be correlated with differences in cellular organization, and the relative lack of variation in other families of membrane-traffic proteins suggests that it is the changes in Rabs that primarily underlies the variation in organelles between species and cell types.

A comparative phenotypic and genomic analysis of C57BL/6J and C57BL/6N mouse strains.

BACKGROUND: The mouse inbred line C57BL/6J is widely used in mouse genetics and its genome has been incorporated into many genetic reference populations. More recently large initiatives such as the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) are using the C57BL/6N mouse strain to generate null alleles for all mouse genes. Hence both strains are now widely used in mouse genetics studies. Here we perform a comprehensive genomic and phenotypic analysis of the two strains to identify differences that may influence their underlying genetic mechanisms. RESULTS: We undertake genome sequence comparisons of C57BL/6J and C57BL/6N to identify SNPs, indels and structural variants, with a focus on identifying all coding variants. We annotate 34 SNPs and 2 indels that distinguish C57BL/6J and C57BL/6N coding sequences, as well as 15 structural variants that overlap a gene. In parallel we assess the comparative phenotypes of the two inbred lines utilizing the EMPReSSslim phenotyping pipeline, a broad based assessment encompassing diverse biological systems. We perform additional secondary phenotyping assessments to explore other phenotype domains and to elaborate phenotype differences identified in the primary assessment. We uncover significant phenotypic differences between the two lines, replicated across multiple centers, in a number of physiological, biochemical and behavioral systems. CONCLUSIONS: Comparison of C57BL/6J and C57BL/6N demonstrates a range of phenotypic differences that have the potential to impact upon penetrance and expressivity of mutational effects in these strains. Moreover, the sequence variants we identify provide a set of candidate genes for the phenotypic differences observed between the two strains.

Contribution of NFI-C to TGF-β1 signalling and tissue regeneration

Summary : Platelet Derived Growth Factor (PDGF) and Transforming Growth Factor-ß (TGF-ß) are two crucial growth factors in tissue repair and regeneration. They control migration and proliferation of macrophages and fibroblasts, as well as myofibroblast differentiation and synthesis of the new connective tissue. The transcription factor Nuclear Factor I-C (NFI-C) has been implicated in the TGF-ß pathway and regulation of extracellular matrix proteins in vitro. This suggests a possible implication of NFI-C in tissue repair. In this study, our purpose was to identify the NFI-C target genes in TGF-ß1 pathway activation and define the relationship between these two factors in cutaneous wound healing process. High-throughput genomic analysis in wild-type and NFI-C knock-out embryonic fibroblasts indicated that NFI-C acts as a repressor of the expression of genes which transcriptional activity is enhanced by TGF-ß. Interestingly, we found an over representation of genes involved in connective tissue inflammation and repair. In accordance with the genomic analysis, NFI-C-/- mice showed an improvement of skin healing during the inflammatory stage. Analysis of this new phenotype indicated that the expression of PDGFA and PDGF-Ra genes were increased in the wounds of NFI-C-/- mice resulting in early recruitment of macrophages and fibroblasts in the granulation tissue. In correlation with the stimulation effect of TGF-ß on myofibroblast differentiation we found an increased differentiation of these cells in null mice, providing a rationale for rapid wound closure. Thus, in the absence of NFI-C, both TGF-ß and PDGF pathways may be activated, leading to enhanced healing process. Therefore, the inhibition of NFI-C expression could constitute a suitable therapy for healing improvement. In addition, we identified a delay of hair follicle cycle initiation in NFI-C-/- mice. This prompted us to investigate the role of NFI-C in skin appendage. The transition from a quiescent to a proliferative phase requires a perfect timing of signalling modulation, leading to stem cell activation. As a consequence of cycle initiation delay in null mice, the activation of signalling involved in cell proliferation was also retarded. Interestingly, at the crucial moment of cell fate determination, we identified a decrease of CD34 gene in mutant mice. Since CD34 protein is involved in migration of multipotent cells, we suggest that NFI-C may be involved in stem cell mobilisation required for hair follicle renewal. Further investigations of the role of NFI-C in progenitor cell activation will lead to a better understanding of tissue regeneration and raise the possibility of treating alopecia with NFI-C-targeting treatment. In summary, this study demonstrates new regenerative functions of NFI-C in adult mice, which regulates skin repair and hair follicle renewal. Résumé : PDGF et TGF-ß sont des facteurs important du mécanisme de défense immunitaire. Ils influencent la prolifération et migration des macrophages et des fibroblastes, ainsi que la différenciation des myofibroblastes et la formation du nouveau tissu conjonctif. Le facteur de transcription NFI-C a été impliqué dans la voie de signalisation de TGF-ß et dans 1a régulation de l'expression des protéines de la matrice extracellulaire in vitro. Ces études antérieures laissent supposer que NFI-C serait un facteur important du remodelage tissulaire. Cependant le rôle de NFI-C dans un tissu comme la peau n'a pas encore été étudié. Dans ce travail, le but a été de d'identifier la relation qu'il existe entre I~1FI-C et TGF-ßl à un niveau transcriptionnel et dans le processus de cicatrisation cutanée in vivo. Ainsi, une analyse génétique à grande échelle, a permis d'indiquer que NFI-C agit comme un répresseur sur l'expression des gènes dont l'activité transcriptionnelle est activée par TGF-ß. De plus nous avons identifié un groupe de gènes qui controlent le développement et l'inflammation du tissue conjonctif. En relation avec ce résultat, l'absence de NFI-C dans la peau induit une cicatrisation plus rapide pendant la phase inflammatoire. Durant cette période, nous avons montré que les expressions de PDGFA et PDGFRa seraient plus élevées en absence de NFI-C. En conséquence, l'activation de la voie de PDGF induit une infiltration plus importante des macrophages et fibroblastes dans le tissue granuleux des souris mutantes. De plus, en corrélation avec le rôle de TGF-ßl dans la différenciation des myofibroblasts, nous avons observé une différenciation plus importante de ces cellules chez les animaux knock-out, ce qui peut expliquer une contraction plus rapide de la plaie. De plus, nous avons découvert que NFI-C est impliqué dans l'initiation du cycle folliculaire. La caractérisation de ce nouveau phénotype a montré un ralentissement de la transition telogène-anagène des souris NFI-C-/-. Or, un événement clé de cette transition est la modulation de plusieurs signaux moléculaires aboutissant à' l'activation des cellules souches. En corrélation avec le decalage du cycle, l'activation de ces signaux est également décalée dans les souris NFI-C-/-. Ainsi, au commencement de l'anagène, la prolifération des keratinocytes,NFI-C-/- est retardée et corrèle avec une diminution de l'expression de CD34, une protéine responsable de la détermination du migration des cellules multipotentes. Ainsi, NFI-C semble être impliqué dans la mobilisation des cellules souches qui sont nécessaires au renouvellement folliculaire. En résumé, NFI-C est impliqué dans la régulation des signaux moléculaires nécessaires à la réparation tissulaire et son inhibition pourrait constituer un traitement de la cicatrisation. L'analyse de son rôle dans l'activation des cellules souches permettrait de mieux comprendre le renouvellement tissulaire et, à long terme, d'améliorer les techniques de greffe des cellules souches épithéliales ou consituter une cible pour le traitement de l'alopecie.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

The Waddlia genome: a window into chlamydial biology.

Growing evidence suggests that a novel member of the Chlamydiales order, Waddlia chondrophila, is a potential agent of miscarriage in humans and abortion in ruminants. Due to the lack of genetic tools to manipulate chlamydia, genomic analysis is proving to be the most incisive tool in stimulating investigations into the biology of these obligate intracellular bacteria. 454/Roche and Solexa/Illumina technologies were thus used to sequence and assemble de novo the full genome of the first representative of the Waddliaceae family, W. chondrophila. The bacteria possesses a 2'116'312 bp chromosome and a 15'593 bp low-copy number plasmid that might integrate into the bacterial chromosome. The Waddlia genome displays numerous repeated sequences indicating different genome dynamics from classical chlamydia which almost completely lack repetitive elements. Moreover, W. chondrophila exhibits many virulence factors also present in classical chlamydia, including a functional type III secretion system, but also a large complement of specific factors for resistance to host or environmental stresses. Large families of outer membrane proteins were identified indicating that these highly immunogenic proteins are not Chlamydiaceae specific and might have been present in their last common ancestor. Enhanced metabolic capability for the synthesis of nucleotides, amino acids, lipids and other co-factors suggests that the common ancestor of the modern Chlamydiales may have been less dependent on their eukaryotic host. The fine-detailed analysis of biosynthetic pathways brings us closer to possibly developing a synthetic medium to grow W. chondrophila, a critical step in the development of genetic tools. As a whole, the availability of the W. chondrophila genome opens new possibilities in Chlamydiales research, providing new insights into the evolution of members of the order Chlamydiales and the biology of the Waddliaceae.

Molecular characterization of a human matrix attachment region epigenetic regulator.

Matrix attachment regions (MAR) generally act as epigenetic regulatory sequences that increase gene expression, and they were proposed to partition chromosomes into loop-forming domains. However, their molecular mode of action remains poorly understood. Here, we assessed the possible contribution of the AT-rich core and adjacent transcription factor binding motifs to the transcription augmenting and anti-silencing effects of human MAR 1-68. Either flanking sequences together with the AT-rich core were required to obtain the full MAR effects. Shortened MAR derivatives retaining full MAR activity were constructed from combinations of the AT-rich sequence and multimerized transcription factor binding motifs, implying that both transcription factors and the AT-rich microsatellite sequence are required to mediate the MAR effect. Genomic analysis indicated that MAR AT-rich cores may be depleted of histones and enriched in RNA polymerase II, providing a molecular interpretation of their chromatin domain insulator and transcriptional augmentation activities.

Control of gene expression in melanocytes and RPE by conserved distal regulatory elements

Résumé Durant le développement embryonnaire, les cellules pigmentaires des mammifères se développent à partir de deux origines différentes : les melanocytes se développent à partir de la crête neurale alors que les cellules de la rétine pigmentaire (RP) ont une origine neuronale. Un grand nombre de gènes sont impliqués dans la pigmentation dont les gènes de la famille tyrosinase à savoir Tyr, Tyrp1 et Dct. Certaines études ont suggéré que les gènes de la pigmentation sont régulés de manière différentielle dans les mélanocytes et dans la RP. Dans ce travail, les gènes de la famille tyrosinase ont été étudiés comme modèle de la régulation des gènes de la pigmentation par des éléments régulateurs agissant à distance. II a été montré que le promoteur du gène Tyrp1pouvait induire l'expression d'un transgène uniquement dans la RP alors que ce gène est aussi exprimé dans les mélanocytes comme le montre le phénotype des souris mutantes pour Tyrp1. Ce résultat suggère que les éléments régulateurs du promoteur sont suffisants pour l'expression dans la RP mais pas pour l'expression dans les mélanocytes. J'ai donc cherché à identifier la séquence qui régule l'expression dans les mélanocytes. Un chromosome artificiel bactérien (CAB) contenant le gène Tyrp1 s'est avéré suffisant pour induire l'expression dans les mélanocytes, comme démontré par la correction du phénotype mutant. La séquence de ce CAB contient plusieurs régions très conservées qui pourraient représenter de nouveaux éléments régulateurs. Par la suite, j'ai focalisé mon analyse sur une séquence située à -I5 kb qui s'est révélée être un amplificateur spécifique aux mélanocytes comme démontré par des expériences de cultures cellulaire et de transgenèse. De plus, une analyse poussée de cet élément a révélé que le facteur de transcription Sox 10 représentait un transactivateur de cet amplificateur. Comme pour Tyrp1, la régulation du gène tyrosinase est contrôlée par différents éléments régulateurs dans les mélanocytes et la RP. Il a été montré que le promoteur de tyrosinase n'était pas suffisant pour une forte expression dans les mélanocytes et la RP. De plus, l'analyse de la région située en amont a révélé la présence d'un amplificateur nécessaire à l'expression dans les mélanocytes à la position -15 kb. Cet amplificateur n'est toutefois pas actif dans la RP mais agit comme un répresseur dans ces cellules. Ces résultats indiquent que certains éléments nécessaires à l'expression dans les deux types de cellules pigmentaires sont absents de ces constructions. Comme pour Tyrp1, j'ai en premier lieu démontré qu'un CAB était capable de corriger le phénotype albinique, puis ai inséré un gène reporter (lacZ) dans le CAB par recombinaison homologue et ai finalement analysé l'expression du reporter en transgenèse. Ces souris ont montré une expression forte du lacZ dans les mélanocytes et la RP, ce qui indique que le CAB contient les séquences régulatrices nécessaires à l'expression correcte de tyrosinase. Afin de localiser plus précisément les éléments régulateurs, j'ai ensuite généré des délétions dans le CAB et analysé l'expression du lacZ en transgenèse. La comparaison de séquences génomiques provenant de différentes espèces a permis par la suite d'identifier des régions représentant de nouveaux éléments régulateurs potentiels. En utilisant cette approche, j'ai identifié une région qui se comporte comme un amplificateur dans la RP et qui est nécessaire à l'expression de tyrosinase dans ce tissu. De plus, j'ai identifié les facteurs de transcription Mitf et Sox10 comme transactivateurs de l'amplificateur spécifique aux mélanocytes situé à -15 kb. L'identification et la caractérisation des ces éléments régulateurs des gènes tyrosinase et Tyrp1confirme donc que la régulation différentielle des gènes dans les mélanocytes et la RP est liée à des éléments régulateurs séparés. Summary Pigment cells of mammals originate from two different lineages: melanocytes arise from the neural crest, whereas cells of the retinal pigment epithelium (RPE) originate from the optic cup of the developing forebrain. A large set of genes are involved in pigmentation, including the members of the tyrosinase gene family, namely tyrosinase, Tyrp1 and Dct. Previous studies have suggested that pigmentation genes are differentially regulated in melanocytes and RPE. In this work, the tyrosinase gene family was used as a model for studying the involvement of distal regulatory elements in pigment cell-specific gene expression. The promoter of the Tyrp1 gene has been shown to drive detectable transgene expression only to the RPE, even though the gene is also expressed in melanocytes as evident from Tyrp1-mutant mice. This indicates that the regulatory elements responsible for Tyrp1 gene expression in the RPE are not sufficient for expression in melanocytes. I thus searched for a putative melanocyte-specific regulatory sequence and demonstrate that a bacterial artificial chromosome (BAC) containing the Tyrp1 gene and surrounding sequences is able to target transgenic expression to melanocytes and to rescue the Tyrp1 b (brown) phenotype. This BAC contains several highly conserved non-coding sequences that might represent novel regulatory elements. I further focused on a sequence located at -15 kb which I identified as amelanocyte-specific enhancer as shown by cell culture and transgenic mice. In addition, further functional analysis identified the transcription factor Sox10 as being able to bind and transactivate this enhancer. As for Tyrp1, tyrosinase gene regulation is mediated by different cis-regulatory elements in melanocytes and RPE. It was shown that the tyrosinase promoter was not sufficient to confer strong and specific expression in melanocytes and RPE. Moreover, analysis of tyrosinase upstream sequence, revealed the presence of a specific enhancer at position -15 kb which was necessary to confer strong expression in melanocytes. This enhancer element however failed to act as an enhancer in the RPE, but rather repressed expression. This indicates that some regulatory elements required for tyrosinase expression in both RPE and melanocytes are still missing from these constructs. As for Tyrp1, I first demonstrated that a BAC containing the Tyr gene is able to rescue the Tyr c (albino) phenotype in mice, then I inserted a lacZ reporter gene in the BAC by homologous recombination, and finally analysed the pattern of lacZ expression in transgenic mice. These mice showed strong lacZ expression in both RPE and melanocytes, indicating that the BAC contains the regulatory sequences required for proper tyrosinase expression. In order to localize more precisely these regulatory elements, I have then generated several deletions in the BAC and analysed lacZ expression in transgenic mice. Multi-species comparative genomic analysis then allowed identifying conserved sequences that potentially represent novel regulatory elements. Using this experimental approach, I identified a region that behaves as a RPE-specific enhancer and that is required for tyrosinase expression in the retina] pigment epithelium. In addition, I identified the transcription factors Mitf and Sox l0 as being transactivators of the melanocyte-specific enhancer located at -l5 kb. The identification and characterization of these tyrosinase and Tyrp1 distal regulatory element supports the idea that separate regulatory sequences mediate differential gene expression in melanocytes and RPE.

Should biomarkers be used to design personalized medicine for the treatment of glioblastoma?

Significant progress has been made in understanding the molecular pathogenesis of gliomas and in predicting general outcome depending on a limited set of clinical parameters and molecular markers. However, methylation of the O⁶-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) gene promoter is the only molecular marker linked to sensitivity of a specific treatment, that is, alkylating agent chemotherapy, and this predictive value may be limited to glioblastoma. Moreover, in the absence of potent alternative drugs, temozolomide chemotherapy should not be withheld from patients with newly diagnosed glioblastoma without MGMT promoter methylation in general practice. In the context of clinical trials, however, irrespective of whether classical cytotoxic drugs, tyrosine kinase inhibitors or antiangiogenic agents are used, tissue should be centrally collected. Appropriate research programs should seek to define enriched patient populations for future trials and ultimately facilitate individualized cancer treatments.

The diagnostic challenge of progressive pseudorheumatoid dysplasia (PPRD): A review of clinical features, radiographic features, and WISP3 mutations in 63 affected individuals.

Progressive pseudorheumatoid dysplasia (PPRD) is a genetic, non-inflammatory arthropathy caused by recessive loss of function mutations in WISP3 (Wnt1-inducible signaling pathway protein 3; MIM 603400), encoding for a signaling protein. The disease is clinically silent at birth and in infancy. It manifests between the age of 3 and 6 years with joint pain and progressive joint stiffness. Affected children are referred to pediatric rheumatologists and orthopedic surgeons; however, signs of inflammation are absent and anti-inflammatory treatment is of little help. Bony enlargement at the interphalangeal joints progresses leading to camptodactyly. Spine involvement develops in late childhood and adolescence leading to short trunk with thoracolumbar kyphosis. Adult height is usually below the 3rd percentile. Radiographic signs are relatively mild. Platyspondyly develops in late childhood and can be the first clue to the diagnosis. Enlargement of the phalangeal metaphyses develops subtly and is usually recognizable by 10 years. The femoral heads are large and the acetabulum forms a distinct "lip" overriding the femoral head. There is a progressive narrowing of all articular spaces as articular cartilage is lost. Medical management of PPRD remains symptomatic and relies on pain medication. Hip joint replacement surgery in early adulthood is effective in reducing pain and maintaining mobility and can be recommended. Subsequent knee joint replacement is a further option. Mutation analysis of WISP3 allowed the confirmation of the diagnosis in 63 out of 64 typical cases in our series. Intronic mutations in WISP3 leading to splicing aberrations can be detected only in cDNA from fibroblasts and therefore a skin biopsy is indicated when genomic analysis fails to reveal mutations in individuals with otherwise typical signs and symptoms. In spite of the first symptoms appearing in early childhood, the diagnosis of PPRD is most often made only in the second decade and affected children often receive unnecessary anti-inflammatory and immunosuppressive treatments. Increasing awareness of PPRD appears to be essential to allow for a timely diagnosis. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

DIP-STR: Highly Sensitive Markers for the Analysis of Unbalanced Genomic Mixtures.

Samples containing highly unbalanced DNA mixtures from two individuals commonly occur both in forensic mixed stains and in peripheral blood DNA microchimerism induced by pregnancy or following organ transplant. Because of PCR amplification bias, the genetic identification of a DNA that contributes trace amounts to a mixed sample represents a tremendous challenge. This means that standard genetic markers, namely microsatellites, also referred as short tandem repeats (STR), and single-nucleotide polymorphism (SNP) have limited power in addressing common questions of forensic and medical genetics. To address this issue, we developed a molecular marker, named DIP-STR that relies on pairing deletion-insertion polymorphisms (DIP) with STR. This novel analytical approach allows for the unambiguous genotyping of a minor component in the presence of a major component, where DIP-STR genotypes of the minor were successfully procured at ratios up to 1:1,000. The compound nature of this marker generates a high level of polymorphism that is suitable for identity testing. Here, we demonstrate the power of the DIP-STR approach on an initial set of nine markers surveyed in a Swiss population. Finally, we discuss the limitations and potential applications of our new system including preliminary tests on clinical samples and estimates of their performance on simulated DNA mixtures.

Evolution of a cellular immune response in Drosophila: a phenotypic and genomic comparative analysis.

Understanding the genomic basis of evolutionary adaptation requires insight into the molecular basis underlying phenotypic variation. However, even changes in molecular pathways associated with extreme variation, gains and losses of specific phenotypes, remain largely uncharacterized. Here, we investigate the large interspecific differences in the ability to survive infection by parasitoids across 11 Drosophila species and identify genomic changes associated with gains and losses of parasitoid resistance. We show that a cellular immune defense, encapsulation, and the production of a specialized blood cell, lamellocytes, are restricted to a sublineage of Drosophila, but that encapsulation is absent in one species of this sublineage, Drosophila sechellia. Our comparative analyses of hemopoiesis pathway genes and of genes differentially expressed during the encapsulation response revealed that hemopoiesis-associated genes are highly conserved and present in all species independently of their resistance. In contrast, 11 genes that are differentially expressed during the response to parasitoids are novel genes, specific to the Drosophila sublineage capable of lamellocyte-mediated encapsulation. These novel genes, which are predominantly expressed in hemocytes, arose via duplications, whereby five of them also showed signatures of positive selection, as expected if they were recruited for new functions. Three of these novel genes further showed large-scale and presumably loss-of-function sequence changes in D. sechellia, consistent with the loss of resistance in this species. In combination, these convergent lines of evidence suggest that co-option of duplicated genes in existing pathways and subsequent neofunctionalization are likely to have contributed to the evolution of the lamellocyte-mediated encapsulation in Drosophila.

An assessment of donor-to-recipient transmission patterns of human cytomegalovirus by analysis of viral genomic variants.

BACKGROUND: We studied human cytomegalovirus (CMV) donor-to-recipient transmission patterns in organ transplantation by analyzing genomic variants on the basis of CMV glycoprotein B (gB) genotyping. METHODS: Organ transplant recipients were included in the study if they had CMV viremia, if they had received an organ from a CMV-seropositive donor, and if there was at least 1 other recipient of an organ from the same donor who developed CMV viremia. Genotypes (gB1-4) were determined by real-time polymerase chain reaction. RESULTS: Forty-seven recipients of organs from 21 donors developed CMV viremia. Twenty-three recipients had a pretransplant donor/recipient (D/R) CMV serostatus of D(+)/R(+), and 24 had a serostatus of D(+)/R(-). The prevalences of genotypes in recipients were as follows: for gB1, 51% (n = 24); for gB2, 19% (n = 9); for gB3, 9% (n = 4); for gB4, 0% (n = 0); and for mixed infection, 21% (n = 10). Recipients of an organ from a common donor had infection with CMV of the same gB genotype in 12 (57%) of 21 instances. Concordance between genotypes was higher among seronegative (i.e., D(+)/R(-)) recipients than among seropositive (D(+)/R(+)) recipients, although discordances resulting from the transmission of multiple strains were seen. In seropositive recipients, transmission of multiple strains from the donor could not be differentiated from reactivation of a recipient's own strains. CONCLUSION: Our analysis of strain concordance among recipients of organs from common donors showed that transmission of CMV has complex dynamic patterns. In seropositive recipients, transmission or reactivation of multiple CMV strains is possible.

An integrated genomic and expression analysis of 7q deletion in splenic marginal zone lymphoma.

Splenic marginal zone lymphoma (SMZL) is an indolent B-cell lymphoproliferative disorder characterised by 7q32 deletion, but the target genes of this deletion remain unknown. In order to elucidate the genetic target of this deletion, we performed an integrative analysis of the genetic, epigenetic, transcriptomic and miRNomic data. High resolution array comparative genomic hybridization of 56 cases of SMZL delineated a minimally deleted region (2.8 Mb) at 7q32, but showed no evidence of any cryptic homozygous deletion or recurrent breakpoint in this region. Integrated transcriptomic analysis confirmed significant under-expression of a number of genes in this region in cases of SMZL with deletion, several of which showed hypermethylation. In addition, a cluster of 8 miRNA in this region showed under-expression in cases with the deletion, and three (miR-182/96/183) were also significantly under-expressed (P<0.05) in SMZL relative to other lymphomas. Genomic sequencing of these miRNA and IRF5, a strong candidate gene, did not show any evidence of somatic mutation in SMZL. These observations provide valuable guidance for further characterisation of 7q deletion.