Identification of mechanisms controlling the transcriptional activity of nuclear factor kappa B (NF-κB) p65/RelA

Dissertação para a obtenção do grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

Drosophila melanogaster dHCF Interacts with both PcG and TrxG Epigenetic Regulators.

Repression and activation of gene transcription involves multiprotein complexes that modify chromatin structure. The integration of these complexes at regulatory sites can be assisted by co-factors that link them to DNA-bound transcriptional regulators. In humans, one such co-factor is the herpes simplex virus host-cell factor 1 (HCF-1), which is implicated in both activation and repression of transcription. We show here that disruption of the gene encoding the Drosophila melanogaster homolog of HCF-1, dHCF, leads to a pleiotropic phenotype involving lethality, sterility, small size, apoptosis, and morphological defects. In Drosophila, repressed and activated transcriptional states of cell fate-determining genes are maintained throughout development by Polycomb Group (PcG) and Trithorax Group (TrxG) genes, respectively. dHCF mutant flies display morphological phenotypes typical of TrxG mutants and dHCF interacts genetically with both PcG and TrxG genes. Thus, dHCF inactivation enhances the mutant phenotypes of the Pc PcG as well as brm and mor TrxG genes, suggesting that dHCF possesses Enhancer of TrxG and PcG (ETP) properties. Additionally, dHCF interacts with the previously established ETP gene skd. These pleiotropic phenotypes are consistent with broad roles for dHCF in both activation and repression of transcription during fly development.

Design and analysis of ChIP-Seq experiments for nuclear factor I DNA-binding proteins

SUMMARY : Eukaryotic DNA interacts with the nuclear proteins using non-covalent ionic interactions. Proteins can recognize specific nucleotide sequences based on the sterical interactions with the DNA and these specific protein-DNA interactions are the basis for many nuclear processes, e.g. gene transcription, chromosomal replication, and recombination. New technology termed ChIP-Seq has been recently developed for the analysis of protein-DNA interactions on a whole genome scale and it is based on immunoprecipitation of chromatin and high-throughput DNA sequencing procedure. ChIP-Seq is a novel technique with a great potential to replace older techniques for mapping of protein-DNA interactions. In this thesis, we bring some new insights into the ChIP-Seq data analysis. First, we point out to some common and so far unknown artifacts of the method. Sequence tag distribution in the genome does not follow uniform distribution and we have found extreme hot-spots of tag accumulation over specific loci in the human and mouse genomes. These artifactual sequence tags accumulations will create false peaks in every ChIP-Seq dataset and we propose different filtering methods to reduce the number of false positives. Next, we propose random sampling as a powerful analytical tool in the ChIP-Seq data analysis that could be used to infer biological knowledge from the massive ChIP-Seq datasets. We created unbiased random sampling algorithm and we used this methodology to reveal some of the important biological properties of Nuclear Factor I DNA binding proteins. Finally, by analyzing the ChIP-Seq data in detail, we revealed that Nuclear Factor I transcription factors mainly act as activators of transcription, and that they are associated with specific chromatin modifications that are markers of open chromatin. We speculate that NFI factors only interact with the DNA wrapped around the nucleosome. We also found multiple loci that indicate possible chromatin barrier activity of NFI proteins, which could suggest the use of NFI binding sequences as chromatin insulators in biotechnology applications. RESUME : L'ADN des eucaryotes interagit avec les protéines nucléaires par des interactions noncovalentes ioniques. Les protéines peuvent reconnaître les séquences nucléotidiques spécifiques basées sur l'interaction stérique avec l'ADN, et des interactions spécifiques contrôlent de nombreux processus nucléaire, p.ex. transcription du gène, la réplication chromosomique, et la recombinaison. Une nouvelle technologie appelée ChIP-Seq a été récemment développée pour l'analyse des interactions protéine-ADN à l'échelle du génome entier et cette approche est basée sur l'immuno-précipitation de la chromatine et sur la procédure de séquençage de l'ADN à haut débit. La nouvelle approche ChIP-Seq a donc un fort potentiel pour remplacer les anciennes techniques de cartographie des interactions protéine-ADN. Dans cette thèse, nous apportons de nouvelles perspectives dans l'analyse des données ChIP-Seq. Tout d'abord, nous avons identifié des artefacts très communs associés à cette méthode qui étaient jusqu'à présent insoupçonnés. La distribution des séquences dans le génome ne suit pas une distribution uniforme et nous avons constaté des positions extrêmes d'accumulation de séquence à des régions spécifiques, des génomes humains et de la souris. Ces accumulations des séquences artéfactuelles créera de faux pics dans toutes les données ChIP-Seq, et nous proposons différentes méthodes de filtrage pour réduire le nombre de faux positifs. Ensuite, nous proposons un nouvel échantillonnage aléatoire comme un outil puissant d'analyse des données ChIP-Seq, ce qui pourraient augmenter l'acquisition de connaissances biologiques à partir des données ChIP-Seq. Nous avons créé un algorithme d'échantillonnage aléatoire et nous avons utilisé cette méthode pour révéler certaines des propriétés biologiques importantes de protéines liant à l'ADN nommés Facteur Nucléaire I (NFI). Enfin, en analysant en détail les données de ChIP-Seq pour la famille de facteurs de transcription nommés Facteur Nucléaire I, nous avons révélé que ces protéines agissent principalement comme des activateurs de transcription, et qu'elles sont associées à des modifications de la chromatine spécifiques qui sont des marqueurs de la chromatine ouverte. Nous pensons que lés facteurs NFI interagir uniquement avec l'ADN enroulé autour du nucléosome. Nous avons également constaté plusieurs régions génomiques qui indiquent une éventuelle activité de barrière chromatinienne des protéines NFI, ce qui pourrait suggérer l'utilisation de séquences de liaison NFI comme séquences isolatrices dans des applications de la biotechnologie.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

TRAIL receptors 1 (DR4) and 2 (DR5) signal FADD-dependent apoptosis and activate NF-kappaB.

TRAIL induces apoptosis through two closely related receptors, TRAIL-R1 (DR4) and TRAIL-R2 (DR5). Here we show that TRAIL-R1 can associate with TRAIL-R2, suggesting that TRAIL may signal through heteroreceptor signaling complexes. Both TRAIL receptors bind the adaptor molecules FADD and TRADD, and both death signals are interrupted by a dominant negative form of FADD and by the FLICE-inhibitory protein FLIP. The recruitment of TRADD may explain the potent activation of NF-kappaB observed by TRAIL receptors. Thus, TRAIL receptors can signal both death and gene transcription, functions reminiscent of those of TNFR1 and TRAMP, two other members of the death receptor family.

Homer1a is a core brain molecular correlate of sleep loss.

Sleep is regulated by a homeostatic process that determines its need and by a circadian process that determines its timing. By using sleep deprivation and transcriptome profiling in inbred mouse strains, we show that genetic background affects susceptibility to sleep loss at the transcriptional level in a tissue-dependent manner. In the brain, Homer1a expression best reflects the response to sleep loss. Time-course gene expression analysis suggests that 2,032 brain transcripts are under circadian control. However, only 391 remain rhythmic when mice are sleep-deprived at four time points around the clock, suggesting that most diurnal changes in gene transcription are, in fact, sleep-wake-dependent. By generating a transgenic mouse line, we show that in Homer1-expressing cells specifically, apart from Homer1a, three other activity-induced genes (Ptgs2, Jph3, and Nptx2) are overexpressed after sleep loss. All four genes play a role in recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity. The consistent activation of Homer1a suggests a role for sleep in intracellular calcium homeostasis for protecting and recovering from the neuronal activation imposed by wakefulness.

Roles of canonical Wnt/TCF-1 signaling for hematopoiesis, lymphocyte development and function

Summary : The canonical Wnt signaling pathway plays key roles in the maintenance of self-renewing tissues, like the gut or the skin. In contrast, the role of this pathway in hematopoiesis remains poorly defined. Wnt ligands transmit signals through ß-catenin which activates gene transcription upon its association with Lymphoid Cell Enhancer/T Cell Factor (LEF/TCF). Currently, v-catenin is the only alternative factor known to transduce canonical Wnt signals. The ß-/γ-catenin bindiná domain in TCF-1 is required to partly rescue thymopoiesis and NK cell development in TCF-1-deficient mice. However, T cell development and hematopoiesis w-as normal in mice deficient of ß-catenin, or of γ-catenin. Surprisingly we found that hematopoiesis and thymopoiesis was also normal in the combined absence of ß- and γ-catenin. Reporter assays showed that double-deficient lymphocytes were still able to transduce canonical wnt signals. These data provided evidence that hematopoietic cells can transduce canonical Wnt signals in the combined absence of ß- and γ-catenin. There exist numerous TCF-1 isoforrns including those that harbor the N-terminal ß-/y-catenin binding domain or that contains a C-terminal CRARF domain whose role in vivo has not been previously tested. We found that the CRARF domain influences lymphocyte development in conjunction with the N-treminal ß-/γ-catenin binding. The presence of the two domains directs thymocytes to the CD8+ T cell lineage whereas NK cell development is abolished. Roles of the canonical Wnt/TCF-1 pathway for lymphocyte function have not been defined. We demonstrate that TCF-1 deficient CDBT T cells mount a normal primary response to viral infection but these T cells fail to expand upon restimulation. The failure of CD8+ T cells to respond to IL-2 during primary infection seems to account for this phenotype. Thus, TCF-1 is essential for programming functional CD8+ T cell memory. Collectively, these data provide significant new insights into the role of Wnt/TCF-1 pathway for lymphocyte development and function and suggest a novel mechanism of Wnt signal transuction in hematopoietic cells. Résumé : La voie de signalisation canonique Wnt joue un rôle prépondérant dans le renouvellement de tissus, comme l'intestin ou la peau. Son rôle dans l'hématopoïèse est quant à lui mal défini. Le ligand Wnt transmet le signal via la ß-catenin qui active la transcription de gènes cibles quand il est associé avec Lymphoid Cell Enhancer,~T Cell Factor (LEF/TCF). Actuellement, la γ-catenin est le seul autre facteur connu pouvant se substituer à la fonction de la ß-catenin. Un variant de TCF-1 contenant le domaine liant ß-/,~-catenin est capable de restaurer le développement des lymphocytes T et NK en l'absence de TCF-1. Cependant la thymopoïèse et l'hématopoïèse sont normales dans les souris déficientes pour la ß-catenin ou la γ-catenin. De façon surprenante, nous avons trouvé que l'hématopoïèse et le développement des lymphocytes sont normaux lors de l'absence combinée de ß-/γ-catenin. De plus, la transduction des signaux de la voie de signalisation Wnt est maintenue dans des lymphocytes déficients pour ß-/γ-catenin. Ces résultats démontrent que les cellules hématopoïétiques peuvent transmettre les signaux de la voie canonique Wnt lors de l'absence combinée de la ß et la γ -catenin. Il existe de nombreuses isofonnes de TCF-1, y compris certaines qui comprennent un domaine qui lie ß-/γ-catenin du côté N-terminus ou qui contiennent un domaine CRARF du côté C-terminus. Nous montrons ici que le domaine CRARF influence le développement des lymphocytes en conjonction avec le domaine liant ß-/γ-catenin. La présence des deux domaines dirige les thymocytes vers la lignée de cellules T CD8, alors que le développement des cellules NK est aboli. Au-delà de sa fonction sur le développement des lymphocytes, le rôle de la soie de signalisation canonique Wnt/TCF-1 lors d'une infection n'a pas été défini. Nous avons montré que les cellules T CD8, déficientes pour TCF-1, développent une réponse primaire normale à une infection virale, mais qu'elles ne s'accumulent pas après restimulation. L'incapacité des cellules TCD8 à répondre à l'IL-2 durant la réponse primaire peut expliquer ce phénotype. Ainsi; TCF-1 est essentiel pour la programmation de cellules T CD8 mémoires fonctionnelles. L'ensemble de ces résultats fournit de nouveaux aperçus du rôle de la voie de signalisation Wnt/TCF-1 pour le développement et la fonction des lymphocytes et suggèrent un nouveau mécanisme de transduction du signal Wnt dans les cellules hématopoïétiques.

Deciphering the unusual HLA-A2/Melan-A/MART-1-specific TCR repertoire in humans.

The Melan-A/MART-1(26-35) antigenic peptide is one of the best studied human tumor-associated antigens. It is expressed in healthy melanocytes and malignant melanoma and is recognized by CD8(+) T cells in the context of the MHC class I molecule HLA-A*0201. While an unusually large repertoire of CD8(+) T cells specific for this antigen has been documented, the reasons for its generation have remained elusive. In this issue of the European Journal of Immunology, Pinto et al. [Eur. J. Immunol. 2014. 44: 2811-2821] uncover one important mechanism by comparing the thymic expression of the Melan-A gene to that in the melanocyte lineage. This study shows that medullary thymic epithelial cells (mTECs) dominantly express a truncated Melan-A transcript, the product of misinitiation of transcription. Consequently, the protein product in mTECs lacks the immunodominant epitope spanning residues 26-35, thus precluding central tolerance to this antigen. In contrast, melanocytes and melanoma tumor cells express almost exclusively the full-length Melan-A transcript, thus providing the target antigen for efficient recognition by HLA-A2-restricted CD8(+) T cells. The frequency of these alternative gene transcription modes may be more common than previously appreciated and may represent an important factor modulating the efficiency of central tolerance induction in the thymus.

Linking epigenetics to lipid metabolism: focus on histone deacetylases.

A number of recent studies revealed that epigenetic modifications play a central role in the regulation of lipid and of other metabolic pathways such as cholesterol homeostasis, bile acid synthesis, glucose and energy metabolism. Epigenetics refers to aspects of genome functions regulated in a DNA sequence-independent fashion. Chromatin structure is controlled by epigenetic mechanisms through DNA methylation and histone modifications. The main modifications are histone acetylation and deacetylation on specific lysine residues operated by two different classes of enzymes: Histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), respectively. The interaction between these enzymes and histones can activate or repress gene transcription: Histone acetylation opens and activates chromatin, while deacetylation of histones and DNA methylation compact chromatin making it transcriptionally silent. The new evidences on the importance of HDACs in the regulation of lipid and other metabolic pathways will open new perspectives in the comprehension of the pathophysiology of metabolic disorders.

Regulation of stem cell factor expression in inflammation and asthma

Stem cell factor (SCF) is a major mast cell growth factor, which could be involved in the local increase of mast cell number in the asthmatic airways. In vivo, SCF expression increases in asthmatic patients and this is reversed after treatment with glucocorticoids. In vitro in human lung fibroblasts in culture, IL-1beta, a pro-inflammatory cytokine, confirms this increased SCF mRNA and protein expression implying the MAP kinases p38 and ERK1/2 very early post-treatment, and glucocorticoids confirm this decrease. Surprisingly, glucocorticoids potentiate the IL-1beta-enhanced SCF expression at short term treatment, implying increased SCF mRNA stability and SCF gene transcription rate. This potentiation involves p38 and ERK1/2. Transfection experiments with the SCF promoter including intron1 also confirm this increase and decrease of SCF expression by IL-1beta and glucocorticoids, and the potentiation by glucocorticoids of the IL-1beta-induced SCF expression. Deletion of the GRE or kappaB sites abolishes this potentiation, and the effect of IL-1beta or glucocorticoids alone. DNA binding of GR and NF-kappaB are also demonstrated for these effects. In conclusion, this review concerns new mechanisms of regulation of SCF expression in inflammation that could lead to potential therapeutic strategy allowing to control mast cell number in the asthmatic airways.

A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.

The infection of microvascular endothelial cells with ExoU-producing Pseudomonas aeruginosa triggers the release of von Willebrand factor and platelet adhesion

An increased plasma concentration of von Willebrand factor (vWF) is detected in individuals with many infectious diseases and is accepted as a marker of endothelium activation and prothrombotic condition. To determine whether ExoU, a Pseudomonas aeruginosa cytotoxin with proinflammatory activity, enhances the release of vWF, microvascular endothelial cells were infected with the ExoU-producing PA103 P. aeruginosa strain or an exoU-deficient mutant. Significantly increased vWF concentrations were detected in conditioned medium and subendothelial extracellular matrix from cultures infected with the wild-type bacteria, as determined by enzyme-linked immunoassays. PA103-infected cells also released higher concentrations of procoagulant microparticles containing increased amounts of membrane-associated vWF, as determined by flow cytometric analyses of cell culture supernatants. Both flow cytometry and confocal microscopy showed that increased amounts of vWF were associated with cytoplasmic membranes from cells infected with the ExoU-producing bacteria. PA103-infected cultures exposed to platelet suspensions exhibited increased percentages of cells with platelet adhesion. Because no modulation of the vWF mRNA levels was detected by reverse transcription-polymerase chain reaction assays in PA103-infected cells, ExoU is likely to have induced the release of vWF from cytoplasmic stores rather than vWF gene transcription. Such release is likely to modify the thromboresistance of microvascular endothelial cells.

Characterization of the role of AKAP-Lbc/p38 complex in the hypertrophic response of the heart

In response to chronic stress the heart undergoes an adverse remodeling process associated with cardiomyocyte hypertrophy, increased cellular apoptosis and fibrosis, which ultimately causes cardiac dysfunction and heart failure. Increasing evidence suggest the role of scaffolding and anchoring proteins in coordinating different signaling pathways that mediate the hypertrophic response of the heart. In this context, the family of Α-kinase anchoring proteins (AKAPs) emerged as important regulators of the cardiac function. During my thesis work I have conducted two independent projects, both of them aiming at elucidating the role of AKAPs in the heart. It has been shown that AKAP-Lbc, an anchoring protein that possesses an intrinsic Rho- specific exchange factor activity, organizes a signaling complex that links AKAP-Lbc- dependent activation of RhoA with the mitogen activated protein kinase (MAPK) p38. The first aim of my thesis was to study the role of this novel transduction pathway in the context of cardiac hypertrophy. Here we show that transgenic mice overexpressing in cardiomyocytes a competitor fragment of AKAP-Lbc, which specifically disrupts endogenous AKAP-Lbc / p38 complexes, developed early dilated cardiomyopathy in response to two weeks of transverse aortic constriction (TAC) as compared to controls. Interestingly, inhibition of the AKAP-Lbc / p38 transduction pathway significantly reduced the hypertrophic growth of single cardiomyocytes induced by pressure overload. Therefore, it appears that the AKAP- Lbc / p38 complex is crucially involved in the regulation of stress-induced cardiomyocyte hypertrophy and that disruption of this signaling pathway is detrimental for the heart under conditions of sustained hemodynamic stress. Secondly, in order to identify new AKAPs involved in the regulation of cardiac function, we followed a proteomic approach which allowed us to characterize AKAP2 as a major AKAP in the heart. Importantly, here we show that AKAP2 interacts with several proteins known to be involved in the control of gene transcription, such as the nuclear receptor coactivator 3 (NCoA3) or the ATP-dependent SWI/SNF chromatin remodeling complex. Thus, we propose AKAP2 as a novel mediator of cardiac gene expression through its interaction with these transcriptional regulators.

cFLIP protein prevents tumor necrosis factor-alpha-mediated induction of caspase-8-dependent apoptosis in insulin-secreting betaTc-Tet cells.

Type 1 diabetes is characterized by the infiltration of activated leukocytes within the pancreatic islets, leading to beta-cell dysfunction and destruction. The exact role played by interferon-gamma, tumor necrosis factor (TNF)-alpha, and interleukin-1beta in this pathogenic process is still only partially understood. To study cytokine action at the cellular level, we are working with the highly differentiated insulin-secreting cell line, betaTc-Tet. We previously reported that it was susceptible to apoptosis induced by TNF-alpha, in combination with interleukin-1beta and interferon-gamma. Here, we report that cytokine-induced apoptosis was correlated with the activation of caspase-8. We show that in betaTc-Tet cells, overexpression of cFLIP, the cellular FLICE (FADD-like IL-1beta-converting enzyme)-inhibitory protein, completely abolished cytokine-dependent activation of caspase-8 and protected the cells against apoptosis. Furthermore, cFLIP overexpression increased the basal and interleukin-1beta-mediated transcriptional activity of nuclear factor (NF)-kappaB, whereas it did not change cytokine-induced inducible nitric oxide synthase gene transcription and nitric oxide secretion. The presence of cFLIP prevented the weak TNF-alpha-induced reduction in cellular insulin content and secretion; however, it did not prevent the decrease in glucose-stimulated insulin secretion induced by the combined cytokines, in agreement with our previous data demonstrating that interferon-gamma alone could induce these beta-cell dysfunctions. Together, our data demonstrate that overexpression of cFLIP protects mouse beta-cells against TNF-alpha-induced caspase-8 activation and apoptosis and is correlated with enhanced NF-kappaB transcriptional activity, suggesting that cFLIP may have an impact on the outcome of death receptor-triggered responses by directing the intracellular signals from beta-cell death to beta-cell survival.

MAR elements and transposons for improved transgene integration and expression.

Reliable and long-term expression of transgenes remain significant challenges for gene therapy and biotechnology applications, especially when antibiotic selection procedures are not applicable. In this context, transposons represent attractive gene transfer vectors because of their ability to promote efficient genomic integration in a variety of mammalian cell types. However, expression from genome-integrating vectors may be inhibited by variable gene transcription and/or silencing events. In this study, we assessed whether inclusion of two epigenetic control elements, the human Matrix Attachment Region (MAR) 1-68 and X-29, in a piggyBac transposon vector, may lead to more reliable and efficient expression in CHO cells. We found that addition of the MAR 1-68 at the center of the transposon did not interfere with transposition frequency, and transgene expressing cells could be readily detected from the total cell population without antibiotic selection. Inclusion of the MAR led to higher transgene expression per integrated copy, and reliable expression could be obtained from as few as 2-4 genomic copies of the MAR-containing transposon vector. The MAR X-29-containing transposons was found to mediate elevated expression of therapeutic proteins in polyclonal or monoclonal CHO cell populations using a transposable vector devoid of selection gene. Overall, we conclude that MAR and transposable vectors can be used to improve transgene expression from few genomic transposition events, which may be useful when expression from a low number of integrated transgene copies must be obtained and/or when antibiotic selection cannot be applied.