The role of MYCN-mediated transcriptional repression in neuronal physiopathology

MYC is a transcription factor that can activate transcription of several targets by direct binding to their promoters at specific DNA sequences (E-box). Recent findings have also shown that it can exert its biological role by repressing transcription of other set of genes. C-MYC can mediate repression on its target genes through interaction with factors bound to promoter regions but not through direct recognition of typical E-Boxes. In this thesis, we investigated whether MYCN can also repress gene transcription and how this is mechanistically achieved. Moreover, expression of TRKA, P75NTR and ABCC3 is attenuated in aggressive MYCN-amplified tumors, suggesting a causal link between elevated MYCN activity and transcriptional repression of these three genes. We found that MYCN is physically associated with gene promoters in vivo in proximity of the transcriptional start sites and this association requires interactions with SP1 and/or MIZ-1. Furthermore, we show that this interaction could interfere with SP1 and MIZ-1 activation functions by recruiting co-repressors such as DNMT3a or HDACs. Studies in vitro suggest that MYCN interacts through distinct domains with SP1, MIZ-1 and HDAC1 supporting the idea that MYCN may form different complexes by interacting with different proteins. Re-expression of endogenous TRKA and P75NTR with exposure to the TSA sensitizes neuroblastoma to NGF-mediated apoptosis, whereas ectopic expression of ABCC3 decreases cell motility without interfering with growth. Finally, using shRNA whole genome library, we dissected the P75NTR repression trying to identify novel factors inside and/or outside MYCN complex for future therapeutic approaches. Overall, our results support a model in which MYCN can repress gene transcription by direct interaction with SP1 and/or MIZ-1, and provide further lines of evidence on the importance of transcriptional repression induced by Myc in tumor biology.

Trattamento della stenosi valvolare aortica: nuovi scenari dalla biologia molecolare alle nuove tecnologie

La stenosi valvolare aortica è la più frequente patologia valvolare cardiaca nei paesi sviluppati come diretta conseguenza dell’aumentata aspettativa di vita. In Europa si stima che il numero di soggetti sintomatici per stenosi valvolare aortica aumenterà da 1.3 milioni nel 2025 a 2.1 milioni in 2050. Di conseguenza la stenosi aortica ha e avrà un forte impatto sulla salute pubblica e sui costi che ne determina, poiché spesso associata a un declino funzionale dei pazienti ed aumentata incidenza di ospedalizzazione. D’altra parte è noto che la stenosi valvolare aortica severa non trattata si associa a prognosi infausta con una sopravvivenza del 50% a 2 anni dall’insorgenza dei sintomi e del 20% a 5 anni. Ad oggi non esiste una terapia medica efficace per la stenosi valvolare aortica in quanto andando a costituire un’ostruzione meccanica, resta di competenza del cardiochirurgo o del cardiologo interventista. La sostituzione valvolare aortica, sia essa chirurgica o percutanea, resta pertanto il solo trattamento definitivo per la stenosi valvolare aortica. Nel tempo il rischio operatorio è estremamente diminuito e i vantaggi in termini di miglioramento della qualità di vita sono evidenti. Questo progetto di ricerca prevede pertanto un’analisi delle più recenti tecnologie per il trattamento chirurgico della stenosi valvolare aortica a partire dalla tipologia di approccio chirurgico, se mini-invasivo o tradizionale, fino all’utilizzo delle più recenti protesi biologiche sutureless studiandone i vantaggi, svantaggi e risultati. Prima ancora, tuttavia, saranno analizzati i meccanismi di biologia molecolare alla base dell’eziologia della stenosi aortica al fine di poter identificare precocemente i pazienti, di prevedere l’andamento della patologia e forse, in futuro, anche di ipotizzare una terapia farmacologica mirata.

Genetica molecolare dell'autismo: studi di associazione ed analisi di geni candidati

Autism is a neurodevelpmental disorder characterized by impaired verbal communication, limited reciprocal social interaction, restricted interests and repetitive behaviours. Twin and family studies indicate a large genetic contribution to ASDs (Autism Spectrum Disorders). During my Ph.D. I have been involved in several projects in which I used different genetic approaches in order to identify susceptibility genes in autism on chromosomes 2, 7 and X: 1)High-density SNP association and CNV analysis of two Autism Susceptibility Loci. The International Molecular Genetic Study of Autism Consortium (IMGSAC) previously identified linkage loci on chromosomes 7 and 2, termed AUTS1 and AUTS5, respectively. In this study, we evaluated the patterns of linkage disequilibrium (LD) and the distribution of haplotype blocks, utilising data from the HapMap project, across the two strongest peaks of linkage on chromosome 2 and 7. More than 3000 SNPs have been selected in each locus in all known genes, as well as SNPs in non-genic highly conserved sequences. All markers have been genotyped to perform a high-density association analysis and to explore copy number variation within these regions. The study sample consisted of 127 and 126 multiplex families, showing linkage to the AUTS1 and AUTS5 regions, respectively, and 188 gender-matched controls. Association and CNV analysis implicated several new genes, including IMMP2L and DOCK4 on chromosome 7 and ZNF533 and NOSTRIN on the chromosome 2. Particularly, my contribution to this project focused on the characterization of the best candidate gene in each locus: On the AUTS5 locus I carried out a transcript study of ZNF533 in different human tissues to verify which isoforms and start exons were expressed. High transcript variability and a new exon, never described before, has been identified in this analysis. Furthermore, I selected 31 probands for the risk haplotype and performed a mutation screen of all known exons in order to identify novel coding variants associated to autism. On the AUTS1 locus a duplication was detected in one multiplex family that was transmitted from father to an affected son. This duplication interrupts two genes: IMMP2L and DOCK4 and warranted further analysis. Thus, I performed a screening of the cohort of IMGSAC collection (285 multiplex families), using a QMPSF assay (Quantitative Multiplex PCR of Short fluorescent Fragments) to analyse if CNVs in this genic region segregate with autism phenotype and compare their frequency with a sample of 475 UK controls. Evidence for a role of DOCK4 in autism susceptibility was supported by independent replication of association at rs2217262 and the finding of a deletion segregating in a sib-pair family. 2)Analysis of X chromosome inactivation. Skewed X chromosome inactivation (XCI) is observed in females carrying gene mutations involved in several X-linked syndromes. We aimed to estimate the role of X-linked genes in ASD susceptibility by ascertaining the XCI pattern in a sample of 543 informative mothers of children with ASD and in a sample of 164 affected girls. The study sample included families from different european consortia. I analysed the XCI inactivation pattern in a sample of italian mothers from singletons families with ASD and also a control groups (144 adult females and 40 young females). We observed no significant excess of skewed XCI in families with ASD. Interestingly, two mothers and one girl carrying known mutations in X-linked genes (NLGN3, ATRX, MECP2) showed highly skewed XCI, suggesting that ascertainment of XCI could reveal families with X-linked mutations. Linkage analysis was carried out in the subgroup of multiplex families with skewed XCI (≥80:20) and a modest increased allele sharing was obtained in the Xq27-Xq28 region, with a peak Z score of 1.75 close to rs719489. In this region FMR1 and MECP2 have been associated in some cases with austim and therefore represent candidates for the disorder. I performed a mutation screen of MECP2 in 33 unrelated probands from IMGSAC and italian families, showing XCI skewness. Recently, Xq28 duplications including MECP2, have been identified in families with MR, with asymptomatic carrier females showing extreme (>85%) skewing of XCI. For these reason I used the sample of probands from X-skewed families to perform CNV analysis by Real-time quantitative PCR. No duplications have been found in our sample. I have also confirmed all data using as alternative method the MLPA assay (Multiplex Ligation dependent Probe Amplification). 3)ASMT as functional candidate gene for autism. Recently, a possible involvement of the acetylserotonin O-methyltransferase (ASMT) gene in susceptibility to ASDs has been reported: mutation screening of the ASMT gene in 250 individuals from the PARIS collection revealed several rare variants with a likely functional role; Moreover, significant association was reported for two SNPs (rs4446909 and rs5989681) located in one of the two alternative promoters of the gene. To further investigate these findings, I carried out a replication study using a sample of 263 affected individuals from the IMGSAC collection and 390 control individuals. Several rare mutations were identified, including the splice site mutation IVS5+2T>C and the L326F substitution previously reported by Melke et al (2007), but the same rare variants have been found also in control individuals in our study. Interestingly, a new R319X stop mutation was found in a single autism proband of Italian origin and is absent from the entire control sample. Furthermore, no replication has been found in our case-control study typing the SNPs on the ASMT promoter B.

Preclinical neuroblastoma models for a pharmacological study of a new MYCN oncogene inhibitor

Background. Neuroblastoma is the most deadly solid tumor of childhood. In the 25% of cases it is associated with MYCN amplification (MA), resulting in the disregulation of several genes involved in cancer progression, chemotherapy resistance and poor prognosis causing the disregulation of several genes involved in cancer progression and chemotherapy resistance and resulting in a poor prognosis. Moreover, in this contest, therapy-related p53 mutations are frequently found in relapsed cases conferring an even stronger aggressiveness. For this reason, the actual therapy requires new antitumor molecules. Therefore, rapid, accurate, and reproducible preclinical models are needed to evaluate the evolution of the different subtypes and the efficacy of new pharmacological strategies. Procedures. We report the real-time tumorigenesis of MA Neuroblastoma mouse models: transgenic TH-MYCN mice and orthotopic xenograft models with either p53wt or p53mut, by non-invasive micro PET and bioluminescent imaging, respectively. Characterization of MYCN amplification and expression was performed on every collected sample. We tested the efficacy of a new MYCN inhibitor in vitro and in vivo. Results. MicroPET in TH-MYCN mice permitted the identification of Neuroblastoma at an early stage and offered a sensitive method to follow metabolic progression of tumors. The MA orthotopic model harboring multitherapy-related p53 mutations showed a shorter latency and progression and a stronger aggressiveness respect to the p53wt model. The presence of MA and overexpression was confirmed in each model and we saw a better survival in the TH-MYCN homozigous mice treated with the inhibitor. Conclusions. The mouse models obtained show characteristics of non-invasiveness, rapidity and sensitivity that make them suitable for the in vivo preclinical study of MA-NB. In particular, our firstly reported p53mut BLI xenograft orthotopic mouse model offers the possibility to evaluate the role of multitherapy-related p53 mutations and to validate new p53 independent therapies for this highly aggressive Neuroblastoma subtype. Moreover, we have shown potential clinical suitability of an antigene strategy through its cellular and molecular activity, ability to specifically inhibit transcription and in vivo efficacy with no evidence of toxicity.

Valutazione preclinica di nuovi potenziali bersagli terapeutici per la cura del medulloblastoma.

Il medulloblastoma (MB) è il tumore più comune del sistema nervoso centrale. Attualmente si riesce a curare solo il 50-60% dei pazienti che tuttavia presentano gravi effetti collaterali dovuti alle cure molto aggressive. Una recente classificazione molecolare ha ridistribuito le varianti più comuni di MB in quattro distinti gruppi. In particolare, il gruppo SHH e D sono caratterizzati da un’ alta espressione di MYCN ed associati a prognosi sfavorevole. MYCN è coinvolto nella regolazione della proliferazione cellulare, differenziazione, apoptosi, angiogenesi e metastasi. L’obiettivo di questo lavoro è la valutazione dell’attività antitumorale di oligonucleotidi diretti contro MYCN, sia in vitro su diverse linee cellulari di MB che in vivo in modelli murini xenograft ortotopici di MB. I risultati hanno dimostrato un’ottima inibizione della crescita in linee cellulari di MB, accompagnata da una riduzione della trascrizione genica e dei livelli proteici di MYCN. Inoltre, sono stati confermati tramite RT-PCR alcuni dei geni trovati significativamente variati nell’esperimento di microarray , dopo il trattamento. Molto interessanti sono stati geni quali BIRC5, che risulta down regolato mentre il gene p21 risulta up regolato in tutte le linee cellulari di MB utilizzate. Inoltre, sono stati generati modelli murini di MB utilizzando cellule precedentemente trasfettate per esprimere il gene della luciferasi e valutarne così la crescita tumorale tramite imaging bioluminescente in vivo (BLI), al fine di poter testare l’attività antitumorale data dagli oligonucleotidi. I risultati hanno dimostrato una buona risposta al trattamento come rilevato dalla tecnica di BLI. I dati preliminari prodotti, dimostrano che MYCN potrebbe esser un buon target per la terapia del MB nei casi in cui è overespresso. In particolare, una sua inibizione potrebbe presentare effetti indesiderati moderati in quanto è poco espresso dopo la nascita.

Localizzazione della topoisomerasi IB sui telomeri di S. cerevisiae e ruolo della sua attività catalitica sulle modificazioni istoniche

Il superavvolgimento del DNA nelle cellule, regolato dalle DNA Topoisomerasi, influenza molti processi biologici, quali la trascrizione, la replicazione, la ricombinazione ed il rimodellamento della cromatina. La DNA Topoisomerasi IB eucariotica, (Top1), è un enzima efficiente nella rimozione dei superavvolgimenti del DNA in vitro e la sua principale funzione cellulare è la rimozione dei superavvolgimenti positivi e negativi generati durante la trascrizione e la replicazione. Risultati recenti hanno fornito evidenze sperimentali del coinvolgimento di Top1 in meccanismi multipli di regolazione dell’espressione genica eucariotica, in particolare nella fase di inizio e maturazione dei trascritti. Tuttavia, le funzioni di Top1 non sono ancora state stabilite a livello globale. Pertanto, nella presente tesi di dottorato abbiamo risposto a questa domanda con l’analisi dei profili di trascrizione genica globale e con studi di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) in cellule di S. cerevisiae. Circa il 9% dei geni sono influenzati da Top1, e l’analisi dei profili di espressione mostra che Top1 wt aumenta l’utilizzo del glucosio e dei pathway per la produzione di energia, con specifica diminuzione della trascrizione dei geni telomerici e subtelomerici. Abbiamo inoltre dimostrato che Top1 wt, ma non il suo mutante inattivo, aumenta la velocità di crescita cellulare nelle cellule di lievito studiate. Le analisi di ChIP mostrano che, in confronto all’assenza dell’enzima, Top1 wt diminuisce l’acetilazione dell’istone H4, compresa quella specifica della lisina 16, nel telomero destro del cromosoma XIV mentre la mutazione che inattiva l’enzima aumenta in maniera marcata l’acetilazione dell’istone H4 e la di-metilazione della lisina 4 dell’istone H3. Top1 wt incrementa anche il reclutamento di Sir3 nelle regioni di confine della cromatina silenziata dello stesso telomero. Studi di immunoprecipitazione indicano che l’enzima interagisce direttamente con la struttura della cromatina telomerica poichè entrambe le proteine, quella wt e quella inattiva, sono localizzate sulle ripetizioni telomeriche dei cromosomi di lievito. Questi risultati dimostrano che Top1, una proteina non essenziale in lievito, ottimizza i livelli globali dei trascritti per una crescita più efficiente di cellule in fase esponenziale. Indagando il meccanismo che è alla base della specifica repressione dei geni telomerici, abbiamo dimostrato che Top1 favorisce delle modifiche posttraduzionali degli istoni che indicano una struttura della cromatina repressa nelle regioni telomeriche.

Analisi del circuito di regolazione responsabile del controllo trascrizionale dei geni Heat-Shock in Helicobacter pylori

Helicobacter pylori, un patogeno umano in grado di colonizzare la nicchia gastrica, è associato a patologie del tratto gastrointestinale di varia gravità. Per sopravvivere nell’ambiente ostile dello stomaco dell’ospite, e mettere in atto un’infezione persistente, il batterio si serve di una serie di fattori di virulenza che includono anche le proteine Heat Shock (chaperone). I principali geni codificanti le proteine chaperone in H. pylori sono organizzati in tre operoni trascritti dall’RNA polimerasi contenente il fattore sigma vegetativo σ80. La trascrizione di due dei tre operoni è regolata negativamente da due regolatori trascrizionali, HspR e HrcA, mentre il terzo operone è represso solo da HspR. Fino ad ora, studi molecolari per la comprensione del ruolo di ciascuna proteina nel controllo trascrizionale dei geni heat shock sono stati ostacolati dalla citotossicità ed insolubilità di HrcA quando espressa in sistemi eterologhi. In questo lavoro, è stata analizzata la sequenza amminoacidica di HrcA ed è stata confermata sperimentalmente la predizione bioinformatica della sua associazione con la membrana interna. La citotossicità e l’insolubilità di HrcA in E. coli sono state alleviate inducendone l’espressione a 42°C. Saggi in vitro con le proteine ricombinanti purificate, HspR e HrcA, hanno consentito di definire i siti di legame dei due repressori sui promotori degli operoni heat shock. Ulteriori saggi in vitro hanno suggerito che l’affinità di HrcA per gli operatori è aumentata dalla chaperonina GroESL. Questi dati contribuiscono parzialmente alla comprensione del meccanismo di repressione della trascrizione espletato da HrcA e HspR e permettono di ipotizzare il coinvolgimento di altri regolatori trascrizionali. L’analisi di RNA estratti dal ceppo selvatico e dai mutanti hrcA, hspR e hrcA/hspR di H.pylori su DNAmacroarrays non ha evidenziato il coinvolgimento di altri regolatori trascrizionali, ma ha permesso l’identificazione di un gruppo di geni indotti da HrcA e/ HspR. Questi geni sono coinvolti nella biosintesi e regolazione dell’apparato flagellare, suggerendo un’interconnessione tra la risposta heat shock e la motilità e chemiotassi del batterio.