Role and therapeutic potential of microRNAs in diabetes.

The discovery in mammalian cells of hundreds of small RNA molecules, called microRNAs, with the potential to modulate the expression of the majority of the protein-coding genes has revolutionized many areas of biomedical research, including the diabetes field. MicroRNAs function as translational repressors and are emerging as key regulators of most, if not all, physiological processes. Moreover, alterations in the level or function of microRNAs are associated with an increasing number of diseases. Here, we describe the mechanisms governing the biogenesis and activities of microRNAs. We present evidence for the involvement of microRNAs in diabetes mellitus, by outlining the contribution of these small RNA molecules in the control of pancreatic beta-cell functions and by reviewing recent studies reporting changes in microRNA expression in tissues isolated from diabetes animal models. MicroRNAs hold great potential as therapeutic targets. We describe the strategies developed for the delivery of molecules mimicking or blocking the function of these tiny regulators of gene expression in living animals. In addition, because changes in serum microRNA profiles have been shown to occur in association with different human diseases, we also discuss the potential use of microRNAs as blood biomarkers for prevention and management of diabetes.

Evolutionary origin and functions of retrogene introns.

Retroposed genes (retrogenes) originate via the reverse transcription of mature messenger RNAs from parental source genes and are therefore usually devoid of introns. Here, we characterize a particular set of mammalian retrogenes that acquired introns upon their emergence and thus represent rare cases of intron gain in mammals. We find that although a few retrogenes evolved introns in their coding or 3' untranslated regions (untranslated region, UTR), most introns originated together with untranslated exons in the 5' flanking regions of the retrogene insertion site. They emerged either de novo or through fusions with 5' UTR exons of host genes into which the retrogenes inserted. Generally, retrogenes with introns display high transcription levels and show broader spatial expression patterns than other retrogenes. Our experimental expression analyses of individual intron-containing retrogenes show that 5' UTR introns may indeed promote higher expression levels, at least in part through encoded regulatory elements. By contrast, 3' UTR introns may lead to downregulation of expression levels via nonsense-mediated decay mechanisms. Notably, the majority of retrogenes with introns in their 5' flanks depend on distant, sometimes bidirectional CpG dinucleotide-enriched promoters for their expression that may be recruited from other genes in the genomic vicinity. We thus propose a scenario where the acquisition of new 5' exon-intron structures was directly linked to the recruitment of distant promoters by these retrogenes, a process potentially facilitated by the presence of proto-splice sites in the genomic vicinity of retrogene insertion sites. Thus, the primary role and selective benefit of new 5' introns (and UTR exons) was probably initially to span the often substantial distances to potent CpG promoters driving retrogene transcription. Later in evolution, these introns then obtained additional regulatory roles in fine tuning retrogene expression levels. Our study provides novel insights regarding mechanisms underlying the origin of new introns, the evolutionary relevance of intron gain, and the origin of new gene promoters.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

Origins, evolution, and phenotypic impact of new genes.

Ever since the pre-molecular era, the birth of new genes with novel functions has been considered to be a major contributor to adaptive evolutionary innovation. Here, I review the origin and evolution of new genes and their functions in eukaryotes, an area of research that has made rapid progress in the past decade thanks to the genomics revolution. Indeed, recent work has provided initial whole-genome views of the different types of new genes for a large number of different organisms. The array of mechanisms underlying the origin of new genes is compelling, extending way beyond the traditionally well-studied source of gene duplication. Thus, it was shown that novel genes also regularly arose from messenger RNAs of ancestral genes, protein-coding genes metamorphosed into new RNA genes, genomic parasites were co-opted as new genes, and that both protein and RNA genes were composed from scratch (i.e., from previously nonfunctional sequences). These mechanisms then also contributed to the formation of numerous novel chimeric gene structures. Detailed functional investigations uncovered different evolutionary pathways that led to the emergence of novel functions from these newly minted sequences and, with respect to animals, attributed a potentially important role to one specific tissue--the testis--in the process of gene birth. Remarkably, these studies also demonstrated that novel genes of the various types significantly impacted the evolution of cellular, physiological, morphological, behavioral, and reproductive phenotypic traits. Consequently, it is now firmly established that new genes have indeed been major contributors to the origin of adaptive evolutionary novelties.

Quantitative proteomics of heat-treated human cells show an across-the-board mild depletion of housekeeping proteins to massively accumulate few HSPs.

Classic semiquantitative proteomic methods have shown that all organisms respond to a mild heat shock by an apparent massive accumulation of a small set of proteins, named heat-shock proteins (HSPs) and a concomitant slowing down in the synthesis of the other proteins. Yet unexplained, the increased levels of HSP messenger RNAs (mRNAs) may exceed 100 times the ensuing relative levels of HSP proteins. We used here high-throughput quantitative proteomics and targeted mRNA quantification to estimate in human cell cultures the mass and copy numbers of the most abundant proteins that become significantly accumulated, depleted, or unchanged during and following 4 h at 41 °C, which we define as mild heat shock. This treatment caused a minor across-the-board mass loss in many housekeeping proteins, which was matched by a mass gain in a few HSPs, predominantly cytosolic HSPCs (HSP90s) and HSPA8 (HSC70). As the mRNAs of the heat-depleted proteins were not significantly degraded and less ribosomes were recruited by excess new HSP mRNAs, the mild depletion of the many housekeeping proteins during heat shock was attributed to their slower replenishment. This differential protein expression pattern was reproduced by isothermal treatments with Hsp90 inhibitors. Unexpectedly, heat-treated cells accumulated 55 times more new molecules of HSPA8 (HSC70) than of the acknowledged heat-inducible isoform HSPA1A (HSP70), implying that when expressed as net copy number differences, rather than as mere "fold change" ratios, new biologically relevant information can be extracted from quantitative proteomic data. Raw data are available via ProteomeXchange with identifier PXD001666.

Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

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

Structured RNAs in the ENCODE selected regions of the human genome.

Functional RNA structures play an important role both in the context of noncoding RNA transcripts as well as regulatory elements in mRNAs. Here we present a computational study to detect functional RNA structures within the ENCODE regions of the human genome. Since structural RNAs in general lack characteristic signals in primary sequence, comparative approaches evaluating evolutionary conservation of structures are most promising. We have used three recently introduced programs based on either phylogenetic-stochastic context-free grammar (EvoFold) or energy directed folding (RNAz and AlifoldZ), yielding several thousand candidate structures (corresponding to approximately 2.7% of the ENCODE regions). EvoFold has its highest sensitivity in highly conserved and relatively AU-rich regions, while RNAz favors slightly GC-rich regions, resulting in a relatively small overlap between methods. Comparison with the GENCODE annotation points to functional RNAs in all genomic contexts, with a slightly increased density in 3'-UTRs. While we estimate a significant false discovery rate of approximately 50%-70% many of the predictions can be further substantiated by additional criteria: 248 loci are predicted by both RNAz and EvoFold, and an additional 239 RNAz or EvoFold predictions are supported by the (more stringent) AlifoldZ algorithm. Five hundred seventy RNAz structure predictions fall into regions that show signs of selection pressure also on the sequence level (i.e., conserved elements). More than 700 predictions overlap with noncoding transcripts detected by oligonucleotide tiling arrays. One hundred seventy-five selected candidates were tested by RT-PCR in six tissues, and expression could be verified in 43 cases (24.6%).

Small RNAs as regulators of primary and secondary metabolism in Pseudomonas species.

Small RNAs (sRNAs) exert important functions in pseudomonads. Classical sRNAs comprise the 4.5S, 6S, 10Sa and 10Sb RNAs, which are known in enteric bacteria as part of the signal recognition particle, a regulatory component of RNA polymerase, transfer-messenger RNA (tmRNA) and the RNA component of RNase P, respectively. Their homologues in pseudomonads are presumed to have analogous functions. Other sRNAs of pseudomonads generally have little or no sequence similarity with sRNAs of enteric bacteria. Numerous sRNAs repress or activate the translation of target mRNAs by a base-pairing mechanism. Examples of this group in Pseudomonas aeruginosa are the iron-repressible PrrF1 and PrrF2 sRNAs, which repress the translation of genes encoding iron-containing proteins, and PhrS, an anaerobically inducible sRNA, which activates the expression of PqsR, a regulator of the Pseudomonas quinolone signal. Other sRNAs sequester RNA-binding proteins that act as translational repressors. Examples of this group in P. aeruginosa include RsmY and RsmZ, which are central regulatory elements in the GacS/GacA signal transduction pathway, and CrcZ, which is a key regulator in the CbrA/CbrB signal transduction pathway. These pathways largely control the extracellular activities (including virulence traits) and the selection of the energetically most favourable carbon sources, respectively, in pseudomonads.

Evidence for transcript networks composed of chimeric RNAs in human cells.

The classic organization of a gene structure has followed the Jacob and Monod bacterial gene model proposed more than 50 years ago. Since then, empirical determinations of the complexity of the transcriptomes found in yeast to human has blurred the definition and physical boundaries of genes. Using multiple analysis approaches we have characterized individual gene boundaries mapping on human chromosomes 21 and 22. Analyses of the locations of the 5' and 3' transcriptional termini of 492 protein coding genes revealed that for 85% of these genes the boundaries extend beyond the current annotated termini, most often connecting with exons of transcripts from other well annotated genes. The biological and evolutionary importance of these chimeric transcripts is underscored by (1) the non-random interconnections of genes involved, (2) the greater phylogenetic depth of the genes involved in many chimeric interactions, (3) the coordination of the expression of connected genes and (4) the close in vivo and three dimensional proximity of the genomic regions being transcribed and contributing to parts of the chimeric RNAs. The non-random nature of the connection of the genes involved suggest that chimeric transcripts should not be studied in isolation, but together, as an RNA network.

Emerging roles of non-coding RNAs in pancreatic β-cell function and dysfunction.

Pancreatic β-cells play a central role in glucose homeostasis by tightly regulating insulin release according to the organism's demand. Impairment of β-cell function due to hostile environment, such as hyperglycaemia and hyperlipidaemia, or due to autoimmune destruction of β-cells, results in diabetes onset. Both environmental factors and genetic predisposition are known to be involved in the development of the disease, but the exact mechanisms leading to β-cell dysfunction and death remain to be characterized. Non-coding RNA molecules, such as microRNAs (miRNAs), have been suggested to be necessary for proper β-cell development and function. The present review aims at summarizing the most recent findings about the role of non-coding RNAs in the control of β-cell functions and their involvement in diabetes. We will also provide a perspective view of the future research directions in the field of non-coding RNAs. In particular, we will discuss the implications for diabetes research of the discovery of a new communication mechanism based on cell-to-cell miRNA transfer. Moreover, we will highlight the emerging interconnections between miRNAs and epigenetics and the possible role of long non-coding RNAs in the control of β-cell activities.

Uncovering a role for micro-RNAs in sleep homeostasis and energy metabolism

Micro-RNAs (miRNAs) are key, post-transcriptional regulators of gene expression and have been implicated in almost every cellular process investigated thus far. However, their role in sleep, in particular the homeostatic aspect of sleep control, has received little attention. We here assessed the effects of sleep deprivation on the brain miRNA transcriptome in the mouse. Sleep deprivation affected miRNA expression in a brain-region specific manner. The forebrain expression of the miRNA miR-709 was affected the most and in situ analyses confirmed its robust increase throughout the brain, especially in the cerebral cortex and the hippocampus. The hippocampus was a major target of the sleep deprivation affecting 37 miRNAs compared to 52 in the whole forebrain. Moreover, independent from the sleep deprivation condition, miRNA expression was highly region-specific with 45% of all expressed miRNAs showing higher expression in hippocampus and 55% in cortex. Next we demonstrated that down-regulation of miRNAs in Com/c2o-expressing neurons of adult mice, through a conditional and inducible Dicer knockout mice model (cKO), results in an altered homeostatic response after sleep deprivation eight weeks following the tamoxifen-induced recombination. Dicer cKO mice showed a larger increase in the electro-encephalographic (EEG) marker of sleep pressure, EEG delta power, and a reduced Rapid Eye Movement sleep rebound, compared to controls, highlighting a functional role of miRNAs in sleep homeostasis. Beside a sleep phenotype, Dicer cKO mice developed an unexpected, severe obesity phenotype associated with hyperphagia and altered metabolism. Even more surprisingly, after reaching maximum body weight 5 weeks after tamoxifen injection, obese cKO mice spontaneously started losing weight as rapidly as it was gained. Brain transcriptome analyses in obese mice identified several obesity-related pathways (e.g. leptin, somatostatin, and nemo-like kinase signaling), as well as genes involved in feeding and appetite (e.g. Pmch, Neurotensin). A gene cluster with anti-correlated expression in the cerebral cortex of post-obese compared to obese mice was enriched for synaptic plasticity pathways. While other studies have identified a role for miRNAs in obesity, we here present a unique model that allows for the study of processes involved in reversing obesity. Moreover, our study identified the cortex as a brain area important for body weight homeostasis. Together, these observations strongly suggest a role for miRNAs in the maintenance of homeostatic processes in the mouse, and support the hypothesis of a tight relationship between sleep and metabolism at a molecular - Les micro-ARNS (miARNs) sont des régulateurs post-transcriptionnels de l'expression des gènes, impliqués dans la quasi-totalité des processus cellulaires. Cependant, leur rôle dans la régulation du sommeil, et en particulier dans le maintien de l'homéostasie du sommeil, n'a reçu que très peu d'attention jusqu'à présent. Dans cette étude, nous avons étudié les conséquences d'une privation de sommeil sur l'expression cérébrale des miARNs chez la souris, et observé des changements dans l'expression de nombreux miARNs. Dans le cerveau antérieur, miR-709 est le miARN le plus affecté par la perte de sommeil, en particulier dans le cortex cérébral et l'hippocampe. L'hippocampe est la région la plus touchée avec 37 miARNs changés comparés à 52 dans le cerveau entier. Par ailleurs, indépendamment de la privation de sommeil, certains miARNs sont spécifiquement enrichis dans certaines aires cérébrales, 45% des miARNs étant surexprimés dans l'hippocampe contre 55% dans le cortex. Dans une seconde étude, nous avons observé que la délétion de DICER, enzyme essentielle à la biosynthèse des miARNs, et la perte subséquente des miARNs dans les neurones exprimant la protéine CAMK2a altère la réponse homéostatique à une privation de sommeil, 8 semaines après l'induction de la recombinaison génétique par le tamoxifen. Les souris sans Dicer (cKO) ont une plus large augmentation de l'EEG delta power, le principal marqueur électro-encéphalographique du besoin de sommeil, comparée aux contrôles, ainsi qu'un rebond en sommeil paradoxal plus petit. De façon surprenante, les souris Dicer cKO développent une obésité rapide, sévère et transitoire, associée à de l'hyperphagie et une altération de leur métabolisme énergétique. Après avoir atteint un pic maximal d'obésité, les souris cKO entrent spontanément dans une période de perte de poids rapide. L'analyse du transcriptome cérébral des souris obèses nous a permis d'identifier des voies associées à l'obésité (leptine, somatostatine et nemo-like kinase), et à la prise alimentaire (Pmch, Neurotensin), tandis que celui des souris post-obèses a révélé un groupe de gènes liés à la plasticité synaptique. Au-delà des nombreux modèles d'obésité existant chez la souris, notre étude présente un modèle unique permettant d'étudier les mécanismes sous-jacent la perte de poids. De plus, nous avons mis en évidence un rôle important du cortex cérébral dans le maintien de la balance énergétique. En conclusion, toutes ces observations soutiennent l'idée que les miARNs sont des régulateurs cruciaux dans le maintien des processus homéostatiques et confortent l'hypothèse d'une étroite relation moléculaire entre le sommeil et le métabolisme.

Messenger RNA expression of transporter and ion channel genes in undifferentiated and differentiated Caco-2 cells compared to human intestines.

PURPOSE: The purpose of this work was to study the influence of cell differentiation on the mRNA expression of transporters and channels in Caco-2 cells and to assess Caco-2 cells as a model for carrier-mediated drug transport in the intestines. METHOD: Gene mRNA expression was measured using a custom-designed microarray chip with 750 deoxyoligonucleotide probes (70mers). Each oligomer was printed four times on poly-lysine-coated glass slides. Expression profiles were expressed as ratio values between fluorescence intensities of Cy3 and Cy5 dye-labeled cDNA derived from poly(A) + RNA samples of Caco-2 cells and total RNA of human intestines. RESULTS: Significant differences in the mRNA expression profile of transporters and channels were observed upon differentiation of Caco-2 cells from 5 days to 2 weeks in culture, including changes for MAT8, S-protein, and Nramp2. Comparing Caco-2 cells of different passage number revealed few changes in mRNAs except for GLUT3, which was down-regulated 2.4-fold within 13 passage numbers. Caco-2 cells had a similar expression profile when either cultured in flasks or on filters but differed more strongly from human small and large intestine, regardless of the differentiation state of Caco-2 cells. Expression of several genes highly transcribed in small or large intestines differed fourfold or more in Caco-2 cells. CONCLUSIONS: Although Caco-2 cells have proven a suitable model for studying carrier-mediated transport in human intestines, the expression of specific transporter and ion channel genes may differ substantially.

Identification of small RNAs in Pseudomonas species

Summary: Bacterial small RNAs (sRNAs) are transcripts most of which have regulatory functions. Sequence and secondary structure elements enable numerous sRNAs to interact with mRNAs or with regulatory proteins resulting in diverse regulatory effects on virulence, iron storage, organization of cell envelope proteins or stress response. sRNAs having high affinity for RsmA-like RNA-binding proteins are important for posttranscriptional regulation in various Gram-negative bacteria. In Pseudomonas spp., the GacS/GacA two component system positively controls the production of such sRNAs. They titrate RsmA-like proteins and thus overcome translational repression due to these proteins. As a consequence, secondary metabolites can be produced that are implicated in the biocontrol capacity of P. fluorescens or in the virulence of P. aeruginosa. A genome-wide search carried out in P. aeruginosa PAO1 and in closely related Pseudomonas spp. resulted in the identification of 15 genes coding for sRNAs. Eight of these are novel, the remaining seven have previously been observed. Among them, the 1698 sRNA gene was expressed under GacA control, whereas the transcription of 1887 sRNA gene was transcribed under the control of the anaerobic regulator Anr in an oxygen-limited environment. Overexpression of 1698 sRNA in P. fluorescens strain CHAO did not affect the expression of the GacA-regulated hcnA gene (first gene of the operon coding for HCN synthase), indicating that 1698 sRNA is probably not part of the secondary metabolite regulation pathway. The expression of 1698 sRNA was positively regulated by RpoS in both P. aeruginosa PAO 1 and P. ,fluorescens CHAO and appeared to be modulated temporarily by oxidative stress conditions. However, the effect of 1698 sRNA on oxidative stress survival has not yet been established. Hfq protein interacted with 1698 sRNA in vitro and improved 1698 sRNA expression in vivo in P. aeruginosa. In P. fluorescens, GacA and Hfq were both required for expression of rpoS and GacA showed a positively control on the hfq expression; therefore, at least in this organism, GacA control of 1698 sRNA expression may act indirectly via Hfq and RpoS. Different methods were employed to find abase-pairing target for 1698 sRNA. In a proteomic analysis carried out in P. aeruginosa, positive regulation by 1698 sRNA was observed for Soda, the iron-associated superoxide dismutase, an enzyme involved in oxidative stress resistance. A sequence complementary with 1698 sRNA was predicted to be located in the 5' leader of soda mRNA. However, base-pairing between soda mRNA and 1698 sRNA remains to be proven. In conclusion, this work has revealed eight novel sRNAs and novel functions of two sRNAs in Pseudomonas spp. Résumé Les petits ARNs non-codants (sRNAs) produits par les bactéries sont des transcrits ayant pour la plupart des activités régulatrices importantes. Leurs séquences nucléotidiques ainsi que leurs structures secondaires permettent aux sRNAs d'interagir soit avec des RNA messagers (mRNAs), de sorte à modifier l'expression des protéines pour lesquelles ils codent, soit avec des protéines régulatrices liant des rnRNAs, ce qui a pour effet de modifier l'expression de ces mRNAs. Des sRNAs sont impliqués dans diverses voies de régulation, telles que celles qui régissent la virulence, le stockage du fer, l'organisation des protéines de l'enveloppe bactérienne ou la réponse au stress. Chez les Pseudomonas spp., le système à deux composantes GacS/GacA contrôle la production de métabolites secondaires. Ceux-ci sont engagés dans l'établissement du biocontrôle, chez P. fluorescens, ou. de la virulence, chez P. aeruginosa. La régulation génique dirigée par le système GacS/GacA fait intervenir les sRNAs du type RsmZ, capables de contrecarrer l'action au niveau traductionnel exercée par les protéines régulatrices du type RsmA. Une recherche au niveau du génome a été menée chez P. aeruginosa PAO1 de même que chez des espèces qui lui sont étroitement apparentées, débouchant sur la mise en évidence de 15 gènes codant pour des sRNAs. Parmi ceux-ci, huit ont été découverts pour la première fois et sept confirment des travaux publiés. L'expression du gène du sRNAs 1698 s'avère être régulée par GacA, vraisemblablement de manière indirecte. La transcription du gène du sRNA 1887 montre une dépendance envers Anr, régulateur de l'anaérobiose, et envers une carence en oxygène. La surexpression du sRNA 1698 chez P. fluorescens CHAO n'affecte pas l'expression de hcnA, un gène du régulon GacA, laissant supposer que le sRNA n'intervient pas dans la régulation des métabolites secondaires. Chez P. aeruginosa PAOI et chez P. fluorescens CHAO, RpoS, le facteur sigma du stress, est nécessaire à l'expression du sRNA 1698, et la concentration de ce dernier est modulée par des conditions de stress oxydatif. Toutefois, un effet du sRNA 1698 quant à la survie suite au stress oxydatif n'a pas été établi. Par ailleurs, l'interaction entre le sRNA 1698 et Hfq, la protéine chaperone de RNAs, in vitro ainsi qu'un rôle positif de Hfq pour l'expression du sRNA 1698 in vivo ont été démontrés chez P. aeruginosa. L'induction de l'expression par GacA de rpoS et de hfq a été confirmée chez P. fluorescens CHAO, suggérant que la régulation par GacA du sRNA 1698 pourrait se faire par l'intermédiaire de RpoS et Hfq. Diverses méthodes ont été employées pour identifier un transcrit qui puisse être apparié par le sRNA 1698. Une analyse de protéome chez P. aeruginosa montre que l'expression de Soda, la superoxyde dismutase associée au fer, est positivement régulée par le sRNA 1698. Soda est une enzyme impliquée dans la résistance au stress oxydatif. Une séquence de complémentarité avec le sRNA 1698 a bien été prédite sur le leader 5' du mRNA de soda. Cependant, l'appariement entre le sRNA et son transcrit cible est encore à prouver. En conclusion, ce travail a dévoilé huit nouveaux sRNAs et de nouvelles fonctions pour deux sRNAs chez les Pseudomonas.

BlastR--fast and accurate database searches for non-coding RNAs.

We present and validate BlastR, a method for efficiently and accurately searching non-coding RNAs. Our approach relies on the comparison of di-nucleotides using BlosumR, a new log-odd substitution matrix. In order to use BlosumR for comparison, we recoded RNA sequences into protein-like sequences. We then showed that BlosumR can be used along with the BlastP algorithm in order to search non-coding RNA sequences. Using Rfam as a gold standard, we benchmarked this approach and show BlastR to be more sensitive than BlastN. We also show that BlastR is both faster and more sensitive than BlastP used with a single nucleotide log-odd substitution matrix. BlastR, when used in combination with WU-BlastP, is about 5% more accurate than WU-BlastN and about 50 times slower. The approach shown here is equally effective when combined with the NCBI-Blast package. The software is an open source freeware available from www.tcoffee.org/blastr.html.

Azithromycin inhibits expression of the GacA-dependent small RNAs RsmY and RsmZ in Pseudomonas aeruginosa.

Azithromycin at clinically relevant doses does not inhibit planktonic growth of the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa but causes markedly reduced formation of biofilms and quorum-sensing-regulated extracellular virulence factors. In the Gac/Rsm signal transduction pathway, which acts upstream of the quorum-sensing machinery in P. aeruginosa, the GacA-dependent untranslated small RNAs RsmY and RsmZ are key regulatory elements. As azithromycin treatment and mutational inactivation of gacA have strikingly similar phenotypic consequences, the effect of azithromycin on rsmY and rsmZ expression was investigated. In planktonically growing cells, the antibiotic strongly inhibited the expression of both small RNA genes but did not affect the expression of the housekeeping gene proC. The azithromycin treatment resulted in reduced expression of gacA and rsmA, which are known positive regulators of rsmY and rsmZ, and of the PA0588-PA0584 gene cluster, which was discovered as a novel positive regulatory element involved in rsmY and rsmZ expression. Deletion of this cluster resulted in diminished ability of P. aeruginosa to produce pyocyanin and to swarm. The results of this study indicate that azithromycin inhibits rsmY and rsmZ transcription indirectly by lowering the expression of positive regulators of these small RNA genes.