The Caenorhabditis elegans hif-1 gene encodes a bHLH-PAS protein that is required for adaptation to hypoxia

Hypoxia-inducible factor, a heterodimeric transcription complex, regulates cellular and systemic responses to low oxygen levels (hypoxia) during normal mammalian development or tumor progression. Here, we present evidence that a similar complex mediates response to hypoxia in Caenorhabditis elegans. This complex consists of HIF-1 and AHA-1, which are encoded by C. elegans homologs of the hypoxia-inducible factor (HIF) α and β subunits, respectively. hif-1 mutants exhibit no severe defects under standard laboratory conditions, but they are unable to adapt to hypoxia. Although wild-type animals can survive and reproduce in 1% oxygen, the majority of hif-1-defective animals die in these conditions. We show that the expression of an HIF-1:green fluorescent protein fusion protein is induced by hypoxia and is subsequently reduced upon reoxygenation. Both hif-1 and aha-1 are expressed in most cell types, and the gene products can be coimmunoprecipitated. We conclude that the mechanisms of hypoxia signaling are likely conserved among metazoans. Additionally, we find that nuclear localization of AHA-1 is disrupted in an hif-1 mutant. This finding suggests that heterodimerization may be a prerequisite for efficient nuclear translocation of AHA-1.

Sim1 function in the developing and adult brain

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Sim1 function in the developing and adult brain

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Molecular evolution of two vertebrate aryl hydrocarbon (dioxin) receptors (AHR1 and AHR2) and the PAS family

The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand-activated transcription factor through which halogenated aromatic hydrocarbons such as 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) cause altered gene expression and toxicity. The AHR belongs to the basic helix–loop–helix/Per-ARNT-Sim (bHLH-PAS) family of transcriptional regulatory proteins, whose members play key roles in development, circadian rhythmicity, and environmental homeostasis; however, the normal cellular function of the AHR is not yet known. As part of a phylogenetic approach to understanding the function and evolutionary origin of the AHR, we sequenced the PAS homology domain of AHRs from several species of early vertebrates and performed phylogenetic analyses of these AHR amino acid sequences in relation to mammalian AHRs and 24 other members of the PAS family. AHR sequences were identified in a teleost (the killifish Fundulus heteroclitus), two elasmobranch species (the skate Raja erinacea and the dogfish Mustelus canis), and a jawless fish (the lamprey Petromyzon marinus). Two putative AHR genes, designated AHR1 and AHR2, were found both in Fundulus and Mustelus. Phylogenetic analyses indicate that the AHR2 genes in these two species are orthologous, suggesting that an AHR gene duplication occurred early in vertebrate evolution and that multiple AHR genes may be present in other vertebrates. Database searches and phylogenetic analyses identified four putative PAS proteins in the nematode Caenorhabditis elegans, including possible AHR and ARNT homologs. Phylogenetic analysis of the PAS gene family reveals distinct clades containing both invertebrate and vertebrate PAS family members; the latter include paralogous sequences that we propose have arisen by gene duplication early in vertebrate evolution. Overall, our analyses indicate that the AHR is a phylogenetically ancient protein present in all living vertebrate groups (with a possible invertebrate homolog), thus providing an evolutionary perspective to the study of dioxin toxicity and AHR function.

Molecular Evolution of Metazoan Hypoxia-inducing Factors

Most metazoans rely on aerobic energy production, which is dependent on adequate oxygen supply. In the case of reduced oxygen supply (hypoxia), the most profound changes in gene expression are mediated by transcription factors named hypoxia-inducible factors (HIF alpha). These proteins are post-translationally regulated by prolyl-4-hydroxylase (PHD) enzymes that are direct “sensors” of cellular oxygen levels. This thesis examines the molecular evolution of metazoan HIF systems. In early metazoans the HIF system emerged from pre-existing PHD oxygen sensors and early bHLH-PAS transcription factors. In invertebrates our analysis revealed an unexpected diversity of PHD genes and HIF alpha sequence characteristics. An early branching vertebrate, the epaulette shark (Hemiscyllium ocellatum) was chosen for sequencing and hypoxia preconditioning studies of HIF alpha and PHD genes. As no quantitative PCR reference genes were available, this thesis includes the first study of reference genes in cartilaginous fish species. Applying multiple statistical analysis we also discoveredthat commonly used reference gene software may perform poorly with some data sets. Novel reference genes allowed accurate measurements of the mRNAlevels of the studied target genes. Cartilaginous fishes have three genomic duplicates of both HIF alpha and PHD genes like mammals and teleost fishes. Combining functional divergence and selection analyses it was possible to describe how sequence changes in both HIF alpha and PHD duplicates may have contributed to the differential oxygen sensitivityof HIF alphas. Additionally, novel teleost HIF-1 alpha sequences were produced and used to reveal the molecular evolution of HIF-1 alpha in this lineage rich with hypoxia tolerant species.

Impact de l'haploinsuffisance du gène Sim1 sur le développement et la fonction du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus

L’obésité provient d’un déséquilibre de l’homéostasie énergétique, c’est-à-dire une augmentation des apports caloriques et/ou une diminution des dépenses énergétiques. Plusieurs données, autant anatomiques que physiologiques, démontrent que l’hypothalamus est un régulateur critique de l’appétit et des dépenses énergétiques. En particulier, le noyau paraventriculaire (noyau PV) de l’hypothalamus intègre plusieurs signaux provenant du système nerveux central (SNC) et/ou de la périphérie, afin de contrôler l’homéostasie énergétique via des projections axonales sur les neurones pré-ganglionnaires du système autonome situé dans le troc cérébral et la moelle épinière. Plusieurs facteurs de transcription, impliqués dans le développement du noyau PV, ont été identifiés. Le facteur de transcription SIM1, qui est produit par virtuellement tous les neurones du noyau PV, est requis pour le développement du noyau PV. En effet, lors d’une étude antérieure, nous avons montré que le noyau PV ne se développe pas chez les souris homozygotes pour un allèle nul de Sim1. Ces souris meurent à la naissance, probablement à cause des anomalies du noyau PV. Par contre, les souris hétérozygotes survivent, mais développent une obésité précoce. De façon intéressante, le noyau PV des souris Sim1+/- est hypodéveloppé, contenant 24% moins de cellules. Ces données suggèrent fortement que ces anomalies du développement pourraient perturber le fonctionnement du noyau PV et contribuer au développement du phénotype d’obésité. Dans ce contexte, nous avons entrepris des travaux expérimentaux ayant pour but d’étudier l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur : 1) le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) l’homéostasie énergétique; et 3) les voies neuronales physiologiques contrôlant l’homéostasie énergétique chez les souris Sim1+/-. A cette fin, nous avons utilisé : 1) des injections stéréotaxiques combinées à des techniques d’immunohistochimie afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) le paradigme des apports caloriques pairés, afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur l’homéostasie énergétique; et 3) une approche pharmacologique, c’est-à-dire l’administration intra- cérébroventriculaire (i.c.v.) et/ou intra-péritonéale (i.p.) de peptides anorexigènes, la mélanotane II (MTII), la leptine et la cholécystokinine (CCK), afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur les voies neuronales contrôlant l’homéostasie énergétique. Dans un premier temps, nous avons constaté une diminution de 61% et de 65% de l’expression de l’ARN messager (ARNm) de l’ocytocine (Ot) et de l’arginine-vasopressine (Vp), respectivement, chez les embryons Sim1+/- de 18.5 jours (E18.5). De plus, le nombre de cellules produisant l’OT et la VP est apparu diminué de 84% et 41%, respectivement, chez les souris Sim1+/- adultes. L’analyse du marquage axonal rétrograde des efférences du noyau PV vers le tronc cérébral, en particulier ses projections sur le noyau tractus solitaire (NTS) aussi que le noyau dorsal moteur du nerf vague (X) (DMV), a permis de démontrer une diminution de 74% de ces efférences. Cependant, la composition moléculaire de ces projections neuronales reste inconnue. Nos résultats indiquent que l’haploinsuffisance de Sim1 : i) perturbe spécifiquement le développement des cellules produisant l’OT et la VP; et ii) abolit le développement d’une portion importante des projections du noyau PV sur le tronc cérébral, et notamment ses projections sur le NTS et le DMV. Ces observations soulèvent donc la possibilité que ces anomalies du développement du noyau PV contribuent au phénotype d’hyperphagie des souris Sim1+/-. En second lieu, nous avons observé que la croissance pondérale des souris Sim1+/- et des souris Sim1+/+ n’était pas significativement différente lorsque la quantité de calories présentée aux souris Sim1+/- était la même que celle consommée par les souris Sim1+/+. De plus, l’analyse qualitative et quantitative des tissus adipeux blancs et des tissus adipeux bruns n’a démontré aucune différence significative en ce qui a trait à la taille et à la masse de ces tissus chez les deux groupes. Finalement, au terme de ces expériences, les souris Sim1+/--pairées n’étaient pas différentes des souris Sim1+/+ en ce qui a trait à leur insulinémie et leur contenu en triglycérides du foie et des masses adipeuses, alors que tous ces paramètres étaient augmentés chez les souris Sim1+/- nourries ad libitum. Ces résultats laissent croire que l’hyperphagie, et non une diminution des dépenses énergétiques, est la cause principale de l’obésité des souris Sim1+/-. Par conséquent, ces résultats suggèrent que : i) l’haploinsuffisance de Sim1 est associée à une augmentation de l’apport calorique sans toutefois moduler les dépenses énergétiques; ii) l’existence d’au moins deux voies neuronales issues du noyau PV : l’une qui régule la prise alimentaire et l’autre la thermogénèse; et iii) l’haploinsuffisance de Sim1 affecte spécifiquement la voie neuronale qui régule la prise alimentaire. En dernier lieu, nous avons montré que l’injection de MTII, de leptine ainsi que de CCK induit une diminution significative de la consommation calorique des souris des deux génotypes, Sim1+/+ et Sim1+/-. De fait, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 37% et de 51%, respectivement, durant les 4 heures suivant l’administration i.p. de MTII comparativement à l’administration d’une solution saline. Lors de l’administration i.c.v. de la leptine, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 47% et de 32%, respectivement. Finalement, l’injection i.p. de CCK diminue la consommation calorique des souris Sim1+/- et Sim1+/+ de 52% et de 36%, respectivement. L’ensemble des résultats suggère ici que l’haploinsuffisance de Sim1 diminue l’activité de certaines voies neuronales régulant l’homéostasie énergétique, et particulièrement de celles qui contrôlent la prise alimentaire. En résumé, ces travaux ont montré que l’haploinsuffisance de Sim1 affecte plusieurs processus du développement au sein du noyau PV. Ces anomalies du développement peuvent conduire à des dysfonctions de certains processus physiologiques distincts régulés par le noyau PV, et notamment de la prise alimentaire, et contribuer ainsi au phénotype d’obésité. Les souris hétérozygotes pour le gène Sim1 représentent donc un modèle animal unique, où l’hyperphagie, et non les dépenses énergétiques, est la principale cause de l’obésité. En conséquence, ces souris pourraient représenter un modèle expérimental intéressant pour l’étude des mécanismes cellulaires et moléculaires en contrôle de la prise alimentaire.

Targeted mutation of the murine arylhydrocarbon receptor nuclear translocator 2 (Arnt2) gene reveals partial redundancy with Arnt

The ubiquitously expressed basic helix–loop–helix (bHLH)-PAS protein ARNT (arylhydrocarbon receptor nuclear transporter) forms transcriptionally active heterodimers with a variety of other bHLH-PAS proteins, including HIF-1α (hypoxia-inducible factor-1α) and AHR (arylhydrocarbon receptor). These complexes regulate gene expression in response to hypoxia and xenobiotics, respectively, and mutation of the murine Arnt locus results in embryonic death by day 10.5 associated with placental, vascular, and hematopoietic defects. The closely related protein ARNT2 is highly expressed in the central nervous system and kidney and also forms complexes with HIF-1α and AHR. To assess unique roles for ARNT2 in development, and reveal potential functional overlap with ARNT, we generated a targeted null mutation of the murine Arnt2 locus. Arnt2−/− embryos die perinatally and exhibit impaired hypothalamic development, phenotypes previously observed for a targeted mutation in the murine bHLH-PAS gene Sim1 (Single-minded 1), and consistent with the recent proposal that ARNT2 and SIM1 form an essential heterodimer in vivo [Michaud, J. L., DeRossi, C., May, N. R., Holdener, B. C. & Fan, C. (2000) Mech. Dev. 90, 253–261]. In addition, cultured Arnt2−/− neurons display decreased hypoxic induction of HIF-1 target genes, demonstrating formally that ARNT2/HIF-1α complexes regulate oxygen-responsive genes. Finally, a strong genetic interaction between Arnt and Arnt2 mutations was observed, indicating that either gene can fulfill essential functions in a dose-dependent manner before embryonic day 8.5. These results demonstrate that Arnt and Arnt2 have both unique and overlapping essential functions in embryonic development.

Rôle de Sim1 et Sim2 dans la guidance des axones du corps mammillaire

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle de Sim1 et Sim2 dans la guidance des axones du corps mammillaire

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Role of ATH5 in the specification of retinal ganglion cells and expression and cell compartmentalization of EFEMP1, a protein associated with Malattia Leventinese

ABSTRACT : The development of the retina is a very complex process, occurring through the progressive restriction of cell fates, from pluripotent cell populations to complex tissues and organs. In all vertebrate species analyzed so far, retinal differentiation starts with the generation of retinal ganglion cells (RGC)s. One of the documented key essential events in the specification of RGCs is the expression of ATHS, an atonal homolog encoding a bHLH transcription factor. Despite the putative role of master regulator of RGC differentiation, the mechanism of integrating its functions into a coherent program underlying the production of this subclass of retinal neurons has not yet been elucidated. By using chromatin immunoprecipitation combined with microarray (ChIP-on-chip) we have screened for ATH5 direct targets in the developing chick retina at two consecutive periods: E3.5 (stage HH22) and E6 (stage HH30), covering the stages of progenitor proliferation, neuroepithelium patterning, RGC specification, cell cycle exit and early neuronal differentiation. In parallel, complementary analysis with Affymetrix expression microarrays was conducted. We compared RGCs versus retina to see if the targets correspond to genes preferentially expressed in RGCs. We also precociously overexpressed ATH5 in the retina of individual embryo, and contralateral retina vas used as a control. Our integrated approach allowed us to establish a compendium of ATH5-targets and enabled us to position ATH5 in the transcription network underlying neurogenesis in the retina. Malattia Leventinese (ML) is an autosomal, dominant retinal dystrophy characterized by extracellular, amorphous deposits known as drusen, between the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch's membrane. On the genetic level, it has been associated with a single missense mutation (R345W) in a widely expressed gene with unknown function called EFEMP1. We determined expression patterns of the EFEMP1 gene in normal and ML human retinas. Our data shown that the upregulation of EFEMP1 is not specific to ML eye, except for the region of the ciliary body. We also analyzed the cell compartmentalization of different versions of the protein (both wild type and mutant). Our studies indicate that both abnormal expression of the EFEMP1 gene and mutation and accumulation of EFEMP 1 protein (inside or outside the cells) might contribute to the ML pathology. Résumé : 1er partie : L'ontogenèse de la rétine est un processus complexe au cours duquel des cellules progénitrices sont engagée, par vagues successives, dans des lignées où elles vont d'abord être déterminées puis vont se différencier pour finalement construire un tissu rétinien composé de cinq classes de neurones (les photorécepteurs, les cellules horizontales, bipolaires, amacrines et ganglionnaires) et d'une seule de cellules gliales (les cellules de Muller). Chez tous les vertébrés, la neurogenèse rétinienne est d'abord marquée par la production des cellules ganglionnaires (RGCs). La production de cette classe de neurone est liée à l'expression du gène ATH5 qui est un homologue du gène atonal chez la Drosophile et qui code pour un facteur de transcription de la famille des protéines basic Helix-Loop-Helix (bHLH). Malgré le rôle central que joue ATH5 dans la production des RGCs, le mécanisme qui intègre la fonction de cette protéine dans le programme de détermination neuronale et ceci en relation avec le développement de la rétine n'est pas encore élucidé. Grâce à une technologie qui permet de combiner la sélection de fragments de chromatine liant ATH5 et la recherche de séquences grâce à des puces d'ADN non-codants (ChIP-on-chip), nous avons recherché des cibles potentielles de la protéine ATH5 dans la rétine en développement. Nous avons conduit cette recherche à deux stades de développement de manière à englober la phase de prolifération cellulaire, la détermination des RGCs, la sortie du cycle cellulaire ainsi que les premières étapes de la différentiation de ces neurones. Des expériences complémentaires nous ont permis de définir les patrons d'expression des gènes sélectionnés ainsi que l'activité promotrice des éléments de régulation identifiés lors de notre criblage. Ces approches expérimentales diverses et complémentaires nous ont permis de répertorier des gènes cibles de la protéine ATH5 et d'établir ainsi des liens fonctionnels entre des voies métaboliques dont nous ne soupçonnions pas jusqu'alors qu'elles puissent être associées à la production d'une classe de neurones centraux. 2ème partie : Malattia Leventinese (ML) est une maladie génétique qui engendre une dystrophie de la rétine. Elle se caractérise par l'accumulation de dépôt amorphe entre l'épithélium pigmentaire et la membrane de Bruch et connu sous le nom de drusen. Cette maladie est liée à une simple mutation non-sens (R345W) dans un gène dénommé EFEMP1 qui est exprimé dans de nombreux tissus mais dont la fonction reste mal définie. Une étude détaillée de l'expression de ce gène dans des rétines humaines a révélé une expression à un niveau élevé du gène EFEMP1 dans divers tissus de l'oeil ML mais également dans des yeux contrôles. Alors que l'accumulation d'ARN messager EFEMP1 dans les cellules de l'épithélium pigmentaire n'est pas spécifique à ML, l'expression de ce gène dans le corps cilié n'a été observée que dans l'oeil ML. Nous avons également comparé la sécrétion de la protéine sauvage avec celle porteuse de la mutation. En résumé, notre étude révèle que le niveau élevé d'expression du gène EFEMP1 ainsi que l'accumulation de la protéine dans certains compartiments cellulaires pourraient contribuer au développement de pathologies rétiniennes liées à ML.

Mechanism of HFR1 function in adaptive growth responses in "Arabidopsis thaliana"

AbstractPlants are sessile organisms, which have evolved an astonishing ability to sense changes in their environment. Depending on the surrounding conditions, such as changes in light and temperature, plants modulate the activity of important transcriptional regulators. The shade avoidance syndrome (SAS) is one important mechanism for shade-intolerant plants to adapt their growth in high vegetative density. In shaded conditions plants sense a diminished red/far-red ratio via the phytochrome system and respond with morphological changes such as elongation growth of stems and petioles. The Phytochrome Interacting Factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are positive regulators of the SAS and required for a full response (Lorrain et al, 2008). They regulate the SAS by inducing the expression of shade avoidance marker genes such as PIL1, ATHB2, XTR7 and HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).I investigated the molecular mechanism underlying the regulation of the SAS by HFR1 (long Hypocotyl in FR light). Although HFR1 is a PIF-related bHLH transcription factor, we discovered that HFR1 is a non-DNA binding protein. Moreover, we revealed that HFR1 inhibits an exaggerated SAS by forming non-DNA binding heterodimers with PIF4 and PIF5 (Hornitschek et al, 2009). This negative feedback loop is an important mechanism to limit elongation growth also in elevated temperatures. HFR1 accumulation and activity are highly temperature-dependent and the increased activity of HFR1 at warmer temperatures also provides an important restraint on PIF4-driven elongation growth (Foreman et al, 2011).Finally we performed a genome-wide analysis to determine how PIF4 and PIF5 regulate growth in response to shade. We identified potential PIF5- target genes, which represent many well-known shade-responsive genes. Our analysis of gene expression also revealed a role of PIF4 and PIF5 in simulated sun possibly via the regulation of auxin sensitivity.RésuméLes plantes sont des organismes sessiles ayant développé une capacité surprenante à détecter des changements dans leur environnement. En fonction des conditions extérieures, telles que les variations de lumière ou de température, elles adaptent l'activité d'importants régulateurs transcriptionnels. Le syndrome d'évitement de l'ombre (SAS), est un mécanisme important pour les plantes intolérantes à l'ombre leur permettant d'adapter leur croissance lorsqu'elles se développent dans des conditions de végétations très denses. Dans ces conditions, les plantes détectent une réduction de la quantité relative de lumière rouge par rapport à la lumière rouge-lointain (rapport R/FR). Ce changement, perçu via le système des phytochromes, induit des modifications morphologiques telle qu'une élongation des tiges et des pétioles. Les protéines PIF4 et PIF5 (Phytochrome Interacting Factors) sont des régulateurs positifs du SAS et sont nécessaires pour une réponse complète (Lorrain et al, 2008). Ces facteurs de transcription régulent le SAS en induisant l'expression de gènes marqueurs de cette réponse tels que PIL1, ATHB2, XTR7 et HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).J'ai étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la régulation du SAS par HFR1 (long Hypocotyl in FR light). HFR1 est un facteur de transcription type bHLH de la famille des PIF, quoique nous ayons découvert que HFR1 est une protéine ne se liant pas à Γ ADN. Nous avons montré que HFR1 inhibe un SAS exagéré en formant des heterodimères avec PIF4 et PIF5 (Hornitschek et al, 2009). Nous avons également montré que cette boucle de régulation négative est également un mécanisme important pour limiter la croissance de l'élongation dans des conditions de fortes températures. De plus l'accumulation et l'activité de HFR1 augmentent avec la température ce qui permet d'inhiber plus fortement l'effet activateur de PIF4 sur la croissance.Enfin, nous avons effectué une analyse génomique à large échelle afin de déterminer comment PIF4 et PIF5 régulent la croissance en réponse à l'ombre. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de PIF5, correspondant en partie à des gènes connus dans la réponse de l'évitement de l'ombre. Notre analyse de l'expression des gènes a également révélé un rôle important de PIF4 et PIF5 dans des conditions de croissance en plein soleil, probablement via la régulation de la sensibilité à l'auxine.

La protéine majeure de la capside de l’HSV-1 est ubiquitinée

Le virus de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1) est le pathogène humain responsable des lésions herpétiques labiales, plus communément appelé « feux sauvages ». Annuellement, il est responsable de plusieurs cas d’encéphalites et d’infections de l’appareil visuel qui sont la principale cause de cécité en Amérique du Nord. Bien qu’il existe quelques traitements antiviraux, aucun vaccin ou médicament ne permet de prévenir ou de guérir les infections causées par ce virus. Aujourd’hui, les infections produites par l’HSV-1 sont présentes partout sur la planète. Récemment, une étude en protéomique effectuée sur les virus matures extracellulaires a permis d’identifier la présence d’ubiquitines libres et d’enzymes reliées à la machinerie d’ubiquitination dans le virus. De plus, le virus exploite cette machinerie au cours de l’infection. Il est connu que certaines protéines virales sont ubiquitinées durant une infection et que le virus imite même certaines enzymes d’ubiquitination. Nous avons donc entrepris des recherches afin d’identifier des protéines virales ubiquitinées qui pourraient être présentes dans les virus matures ainsi que leurs rôles potentiels. La protéine majeure de la capside, VP5, un constituant très important du virus, a été identifiée. Nos recherches nous ont permis de caractériser le type d’ubiquitination, une monoubiquitination sur les lysines K810 et/ou K1275 de VP5. Le rôle que pourrait jouer l’ubiquitination de VP5 dans le cycle de réplication virale et dans les virus matures n’est toutefois pas encore connu.

Impact d’une mutation ponctuelle stratégique de la protéine HOXB4 sur son pouvoir de régulation, de prolifération et de différenciation des CSH et des progéniteurs murins

L’expansion des cellules souches hématopoïétiques ex vivo représente une option des plus intéressante afin d’améliorer les greffes de moelle osseuse. Le facteur de transcription HOXB4 semble être le candidat ayant le plus de potentiel jusqu’à présent. Cependant, la très courte demi-vie de la protéine représente un obstacle majeur dans l’élaboration de protocoles cliniques. Par contre, la substitution d’un acide aminé (3 mutations individuelles) dans la partie N-terminale de la protéine augmente de près de 3 fois la stabilité intracellulaire de HOXB4. Nous avons comparé l’activité biologique de ces mutants à celle de HOXB4 natif (« wt ») dans des essais in vitro et in vivo. Nous avons démontré que la surexpression de HOXB4 muté par infection des cellules souches hématopoïétiques n’affectait pas leur pouvoir de reconstitution hématopoïétique à long terme dans des souris transplantées. Par ailleurs, nous avons noté que dans les essais de reconstitution hématopoïétique en compétition et en non compétition, les cellules surexprimant les protéines mutées ont une expansion supérieure in vitro et reconstituent le sang et la rate avec une répartition de cellules lymphoïdes et myéloïdes plus près de souris non-transplantées comparativement aux cellules exprimant HOXB4 « wt ». De plus, les cellules surexprimant la protéine HOXB4 mutée apparaissent beaucoup plus rapidement et en plus grande proportion dans le sang comparativement aux cellules surexprimant la forme native. Une des protéines HOXB4 mutées (1426) ne permet pas l’expansion des progéniteurs myéloïdes immatures (CMP) contrairement à la protéine « wt ». Et finalement, par les études de modulation intracellulaire protéique, nous avons démontré que les comportements des protéines HOXB4 « wt » et mutées envers les cellules souches hématopoïétiques et progéniteurs n’étaient pas complètement dus à un effet de concentration protéique.

Caractérisation moléculaire et fonctionnelle de Cif1p, une protéine orpheline impliquée dans le phénomène épigénétique de viabilité de la levure S. pombe en absence de la chaperone calnexine.

Le repliement des protéines est un processus cellulaire crucial impliquant plusieurs protéines dont la calnexine, une chaperone du réticulum endoplasmique. Notre laboratoire et un autre groupe avons démontré que la calnexine est essentielle à la viabilité de la levure Schizosaccharomyces pombe. Dans le cadre d’études structure-fonction portant sur cette protéine, nous avons découvert un phénomène permettant la viabilité des cellules en absence de la calnexine. Cet état, nommé Cin pour calnexine independence, est induit par un mutant de la calnexine dépourvu du domaine central hautement conservé (Δhcd_Cnx1p). La caractérisation de l’état Cin a révélé plusieurs caractéristiques particulières telle la dominance, sa transmission de façon non-Mendélienne à la progéniture méïotique et sa transmission par des extraits protéiques dépourvus d’acides nucléiques. Toutes ces propriétés suggèrent donc que l’état Cin est médié via un élément de type prion. Le gène cif1+, pour calnexin independence factor, a été isolé lors de criblages visant à identifier des gènes impliqués dans l’état Cin. Il encode pour une protéine orpheline dont la surexpression induit de façon stable un état de viabilité en l’absence de la calnexine. Cet état diffère génétiquement et phénotypiquement de l’état Cin induit par le mutant Δhcd_Cnx1p préalablement caractérisé, ce qui suggère deux voies parallèles de signalisation du phénomène Cin. Une caractérisation exhaustive de Cif1p a permis de démontrer qu’il ne s’agissait pas du prion responsable de l’état Cin, malgré que cette protéine possède certaines propriétés typiques des prions in vitro. Finalement, Cif1p est une protéine nucléolaire dont la bonne localisation est essentielle à sa capacité à induire l’état Cin. Ceci suggère une interaction entre la fonction essentielle de la calnexine et une fonction exécutée dans le nucléole. Lors d’études visant à élucider la fonction cellulaire de Cif1p, il a été établi qu’elle interagissait avec certaines protéines de la grosse sous-unité du ribosome telle la protéine L3. Cependant, Cif1p ne co-sédimente pas avec des sous-unités ribosomales assemblées, des ribosomes ou des polysomes. De plus, des cellules contenant une délétion génomique de cif1 voient leur contenu en ribosomes perturbé lors de la phase stationnaire. Il semble donc que Cif1p joue un rôle dans la biosynthèse des ribosomes lors de la phase stationnaire. Ce rôle spécifique à cette phase de croissance coincide avec un clivage de la portion N-terminale de Cif1p, clivage qui a lieu lors de l’entrée des cellules en phase stationnaire. De plus, des études effectuées récemment dans notre laboratoire proposent que la calnexine joue un rôle important dans la signalisation de l’apoptose, et ce particulièrement en phase stationnaire. Ainsi, une voie impliquant Cif1p, sa fonction nucléolaire dans la biosynthèse des ribosomes en phase stationnaire, la calnexine et la médiation de l’apoptose semble se dessiner. D’autres travaux, notamment sur la fonction exacte de Cif1p, le rôle de son clivage et les autres composantes impliquées dans le phénomène Cin nous permettront de dessiner un portrait plus complet de cette voie cellulaire inédite.

Rôle de la protéine ScFRK1 dans le développement du sac embryonnaire et son impact sur le guidage des tubes polliniques

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.