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

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

Expression and role of BORIS/CTCFL in human cancer stem cells

Le cancer est défini comme la croissance incontrôlée des cellules dans le corps. Il est responsable de 20 % des décès en Europe. Plusieurs expériences montrent que les tumeurs sont issues et se développent grâce à un petit nombre de cellules, que l'on appelle cellules souches cancéreuses (CSC). Ces CSC sont également responsables de l'apparition de métastases et de la résistance aux médicaments anticancéreux. De ce fait, l'identification des gènes qui contribuent aux propriétés de ces CSC (comme la survie des tumeurs, les métastases et la résistance aux médicaments) est nécessaire pour mieux comprendre la biologie des cancers et d'améliorer la qualité des soins des patients avec un cancer. A ce jour, de nombreux marqueurs ont été proposés ainsi que de nouvelles thérapies ciblées contre les CSC. Toutefois, et malgré les énormes efforts de la recherche dans ce domaine, la quasi-totalité des marqueurs de CSC connus à ce jour sont aussi exprimés dans les cellules saines. Ce projet de recherche visait à trouver un nouveau candidat spécifique des CSC. Le gène BORIS (pour Brother of Regulator of Imprinted Sites), nommé aussi CTCFL (CTCF-like), semble avoir certaines caractéristiques de CSC et pourrait donc devenir une cible prometteuse pour le traitement du cancer. BORIS/CTCFL est une protéine nucléaire qui se lie à l'ADN, qui est exprimée dans les tissus normaux uniquement dans les cellules germinales et qui est réactivée dans un grand nombre de tumeurs. BORIS est impliqué dans la reprogrammation épigénétique au cours du développement et dans la tumorigenèse. En outre, des études récentes ont montré une association entre l'expression de BORIS et un mauvais pronostic chez des patients atteints de différents types de cancers. Nous avons développé une nouvelle technologie basée sur les Molecular Beacon pour cibler l'ARNm de BORIS et cela dans les cellules vivantes. Grâce à ce système expérimental, nous avons montré que seule une toute petite sous-population (0,02 à 5%) de cellules tumorales exprimait fortement BORIS. Les cellules exprimant BORIS ont pu être isolées et elles présentaient les caractéristiques de CSC, telles qu'une forte expression de hTERT et des gènes spécifiques des cellules souches (NANOG, SOX2 et OCT4). En outre, une expression élevée de BORIS a été mise en évidence dans des populations enrichies en CSC ('side population' et sphères). Ces résultats suggèrent que BORIS pourrait devenir un nouveau et important marqueur de CSC. Dans des études fonctionnelles sur des cellules de cancer du côlon et du sein, nous avons montré que le blocage de l'expression de BORIS altère largement la capacité de ces cellules à former des sphères, démontrant ainsi un rôle essentiel de BORIS dans l'auto- renouvellement des tumeurs. Nos expériences montrent aussi que BORIS est un facteur important qui régule l'expression de gènes jouant un rôle clé dans le développement et la progression tumorale, tels le gène hTERT et ceux impliqués dans les cellules souches, les CSC et la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). BORIS pourrait affecter la régulation de la transcription de ces gènes par des modifications épigénétiques et de manière différente en fonction du type cellulaire. En résumé, nos résultats fournissent la preuve que BORIS peut être classé comme un gène marqueur de cellules souches cancéreuse et révèlent un nouveau mécanisme dans lequel BORIS jouerait un rôle important dans la carcinogénèse. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour mieux comprendre la biologie de la progression tumorale et offre la possibilité de développement de nouvelles thérapies anti-tumorales et anti-CSC avec BORIS comme molécule cible. - Cancer is defined as the uncontrolled growth of cells in the body. It causes 20% of deaths in the European region. Current evidences suggest that tumors originate and are maintained thanks to a small subset of cells, named cancer stems cells (CSCs). These CSCs are also responsible for the appearance of metastasis and therapeutic resistance. Consequently, the identification of genes that contribute to the CSC properties (tumor survival, metastasis and therapeutic resistance) is necessary to better understand the biology of malignant diseases and to improve care management. To date, numerous markers have been proposed to use as new CSC- targeted therapies. Despite the enormous efforts in research, almost all of the known CSCs markers are also expressed in normal cells. This project aimed to find a new CSC-specific candidate. BORIS (Brother of Regulator of Imprinted Sites) or CTCFL (CTCF-like) is a DNA binding protein involves in epigenetic reprogramming in normal development and in tumorigenesis. Recent studies have shown an association of BORIS expression with a poor prognosis in different types of cancer patients. Therefore, BORIS seems to have the same characteristics of CSCs markers and it could be a promising target for cancer therapy. BORIS is normally expressed only in germinal cells and it is re-expressed in a wide variety of tumors. We developed a new molecular beacon-based technology to target BORIS mRNA expressing cells. Using this system, we showed that the BORIS expressing cells are only a small subpopulation (0.02-5%) of tumor cells. The isolated BORIS expressing cells exhibited the characteristics of CSCs, with high expression of hTERT and stem cell genes (NANOG, SOX2 and OCT4). Furthermore, high BORIS expression was observed in the CSC-enriched populations (side population and spheres). These results suggest that BORIS might be a novel and powerful CSCs marker. In functional studies, we observed that BORIS knockdown significantly impairs the capacity to form spheres in colon and breast cancer cells, thus demonstrating a critical role of BORIS in the self-renewal of tumors. The results showed in the functional analysis indicate that BORIS is an important factor that regulates the expression of key-target genes for tumor development and progression, such as hTERT, stem cells, CSCs markers and EMT (epithelial mesenchymal transition)-related marker genes. BORIS could affect the transcriptional regulation of these genes by epigenetic modification and in a cell type dependent manner. In summary, our results support the evidence that BORIS can be classified as a cancer stem cell marker gene and reveal a novel mechanism in which BORIS would play a critical role in tumorigenesis. This study opens new prospective to understand the biology of tumor development and provides opportunities for potential anti-tumor drugs.

Modulation of the airway allergic response : characterization of the cellular and molecular mechanisms

ABSTRACT Allergic asthma is a major complication of atopy. Its severity correlates with the presence of activated T lymphocytes and eosinophils in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF). Mechanisms that protect against asthma are poorly understood. Based on oral models of mucosal tolerance induction, models using the nasal route showed that uptake of important amounts of antigen can induce tolerance and reverse the allergic phenotype. 1L-10 producing regulatory T cells were proposed as key players in tolerance induction, but other players, e.g. dendritic cells (DC), B cells and epithelial cells may have to be taken into consideration. The objective of the present study is to characterize the effects of a therapeutic intranasal treatment (INT) in a murine model of asthma and to determine, in this model, the cellular and molecular mechanisms leading to protection against asthma. First, we established an asthma model by sensitizing the BALB/c mouse to ovalbumin (OVA) by two intraperitoneal injections of alum-adsorbed OVA and three inhalations of aerosolized OVA. Then OVA was applied to the nasal mucosa of OVA- sensitized mice. Mice were later re-exposed to OVA aerosols to assess the protection induced by OVA INT. OVA sensitization induced strong eosinophil recruitment, OVA-specific T cell proliferation and IgE production. Three intranasal treatments at 24-hour intervals with 1.5 mg OVA drastically reduced inflammatory cell recruitment into the BALF and inhibited OVA-specific IgE production upon allergen re-exposure. T cell proliferation in ex vivo bronchial lymph node (BLN) cells was inhibited, as well as TH2 cytokine production. Protection against OVA-induced bronchial inflammation was effective for an extended period of time and treated mice resisted a second re-exposure. Transfer of CD4+ cells from BLN and lungs of OVA-treated mice protected asthmatic recipient mice from subsequent aerosol challenge indicating an involvement of CD4+ T regulatory cells in this protection. RESUME L'asthme allergique est une manifestation clinique majeure de l'atopie. La sévérité de l'asthme est liée à la présence de lymphocytes T activés ainsi que d'éosinophiles dans le lavage broncho-alvéolaire (LBA). Les mécanismes permettant de se prémunir contre l'asthme sont mal connus. Basés sur des modèles muqueux d'induction de tolérance par la voie orale, des modèles utilisant la voie nasale ont montré que d'importantes quantités d'antigène peuvent induire une tolérance et ainsi reverser le phénotype allergique. Des cellules régulatrices produisant de l'IL-10 pourraient jouer un rôle clé dans l'induction de la tolérance mais d'autres acteurs tels que les cellules dendritiques, les cellules B et les cellules épithéliales doivent aussi être prises en compte. L'objectif de la présente étude est de caractériser les effets d'un traitement intranasal thérapeutique dans un modèle murin d'asthme et de déterminer dans ce modèle les mécanismes cellulaires et moléculaires conférant une protection contre l'asthme. En premier lieu, un modèle d'asthme allergique a été établi en sensibilisant des souris BALB/c à l'ovalbumine (OVA) par deux injections intraperitonéales d'OVA adsorbé sur de l'alum et trois séances d'OVA en aérosol. Dans un second temps, de l'OVA a été administrée sur la muqueuse nasale des souris sensibilisées à l'OVA. Les souris furent ensuite challengées par des aérosols d'OVA afin d'évaluer la protection conférée par le traitement intranasal à l'OVA. La sensibilisation à l'OVA a induit un fort recrutement d'éosinophiles, une réponse proliférative des cellules T à l'OVA ainsi qu'une production d'lgE spécifiques. Trois traitements intranasaux à 24 heures d'intervalle avec 1.5 mg d'OVA ont permis de réduire drastiquement le recrutement des cellules inflammatoires dans le LBA ainsi que d'inhiber la production d'lgE spécifiques à l'OVA produits lors d'une ré-exposition à l'OVA. La prolifération en réponse à l'OVA de cellules extraites ex vivo de ganglions bronchiques a, elle aussi, été inhibée de même que la production de cytokines TH2. La protection contre l'inflammation provoquée par l'aérosol est efficace pour une longue période et les souris traitées résistent à une seconde ré- exposition. Le transfert de cellules CD4+ issues de ganglions bronchiques et de poumons de souris traitées à l'OVA protège les souris asthmatiques receveuses contre les effets inflammatoires d'un aérosol, indiquant que des cellules T CD4+ régulatrices pourraient être impliquées dans cette protection. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC L'asthme est une affection des voies respiratoires qui se caractérise par une contraction de la musculature des voies aériennes, une production de mucus et d'anticorps de l'allergie (IgE). On parle d'asthme allergique lorsque les facteurs déclenchant l'asthme sont des allergènes inhalés tels que acariens, pollens ou poils d'animaux. Le système immunitaire des patients asthmatiques a un défaut de programmation qui le rend réactif à des substances qui sont normalement inoffensives. Le traitement actuel de l'asthme repose sur le soulagement des symptômes grâce à des produits à base de stéroïdes. Les techniques permettant de reprogrammer le système immunitaire (immunothérapie) ne sont pas efficaces pour tous les antigènes et prennent beaucoup de temps. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes sous-tendant une telle reprogrammation afin d'en améliorer le rendement et l'efficacité. Dans ce but, des modèles d'immunothérapie ont été mis au point chez la souris. Ils permettent une plus grande liberté d'investigation. Dans cette étude, un modèle d'asthme allergique dans la souris a été établi par une sensibilisation à un antigène particulier : l'ovalbumine (OVA). Ce modèle présente les caractéristiques principales de l'asthme humain : recrutement de cellules inflammatoires dans les poumons, augmentation de la production d'anticorps et de la résistance des bronches aux flux respiratoires. Cette souris asthmatique a ensuite été traitée par application nasale d'OVA. Comparées aux souris non traitées, les souris traitées à l'OVA ont moins de cellules inflammatoires dans leurs poumons et produisent moins d'anticorps IgE. D'autres marqueurs inflammatoires sont aussi fortement diminués. Des cellules de poumons ou de ganglions bronchiques prélevées sur des souris traitées injectées dans des souris asthmatiques améliorent les symptômes de l'asthme. Ces cellules pourraient donc avoir un rôle régulateur dans l'asthme. Les caractériser et les étudier afin d'être capable de les générer est crucial pour les futures thérapies de l'asthme.