Role of the homeodomain transcription factor Hoxa13 in embryonic development and formation of extra-embryonic structures

La famille des gènes Hox code pour des facteurs de transcription connus pour leur contribution essentielle à l’élaboration de l’architecture du corps et ce, au sein de tout le règne animal. Au cours de l’évolution chez les vertébrés, les gènes Hox ont été redéfinis pour générer toute une variété de nouveaux tissus/organes. Souvent, cette diversification s’est effectuée via des changements quant au contrôle transcriptionnel des gènes Hox. Chez les mammifères, la fonction de Hoxa13 n’est pas restreinte qu’à l’embryon même, mais s’avère également essentielle pour le développement de la vascularisation fœtale au sein du labyrinthe placentaire, suggérant ainsi que sa fonction au sein de cette structure aurait accompagné l’émergence des espèces placentaires. Au chapitre 2, nous mettons en lumière le recrutement de deux autres gènes Hoxa, soient Hoxa10 et Hoxa11, au compartiment extra-embryonnaire. Nous démontrons que l’expression de Hoxa10, Hoxa11 et Hoxa13 est requise au sein de l’allantoïde, précurseur du cordon ombilical et du système vasculaire fœtal au sein du labyrinthe placentaire. De façon intéressante, nous avons découvert que l’expression des gènes Hoxa10-13 dans l’allantoïde n’est pas restreinte qu’aux mammifères placentaires, mais est également présente chez un vertébré non-placentaire, indiquant que le recrutement des ces gènes dans l’allantoïde précède fort probablement l’émergence des espèces placentaires. Nous avons généré des réarrangements génétiques et utilisé des essais transgéniques pour étudier les mécanismes régulant l’expression des gènes Hoxa dans l’allantoïde. Nous avons identifié un fragment intergénique de 50 kb capable d’induire l’expression d’un gène rapporteur dans l’allantoïde. Cependant, nous avons trouvé que le mécanisme de régulation contrôlant l’expression du gène Hoxa au sein du compartiment extra-embryonnaire est fort complexe et repose sur plus qu’un seul élément cis-régulateur. Au chapitre 3, nous avons utilisé la cartographie génétique du destin cellulaire pour évaluer la contribution globale des cellules exprimant Hoxa13 aux différentes structures embryonnaires. Plus particulièrement, nous avons examiné plus en détail l’analyse de la cartographie du destin cellulaire de Hoxa13 dans les pattes antérieures en développement. Nous avons pu déterminer que, dans le squelette du membre, tous les éléments squelettiques de l’autopode (main), à l’exception de quelques cellules dans les éléments carpiens les plus proximaux, proviennent des cellules exprimant Hoxa13. En contraste, nous avons découvert que, au sein du compartiment musculaire, les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes (Hoxa13lin+) s’étendent à des domaines plus proximaux du membre, où ils contribuent à générer la plupart des masses musculaires de l’avant-bras et, en partie, du triceps. De façon intéressante, nous avons découvert que les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes ne sont pas distribuées uniformément parmi les différents muscles. Au sein d’une même masse musculaire, les fibres avec une contribution Hoxa13lin+ différente peuvent être identifiées et les fibres avec une contribution semblable sont souvent regroupées ensemble. Ce résultat évoque la possibilité que Hoxa13 soit impliqué dans la mise en place de caractéristiques spécifiques des groupes musculaires, ou la mise en place de connections nerf-muscle. Prises dans leur ensemble, les données ici présentées permettent de mieux comprendre le rôle de Hoxa13 au sein des compartiments embryonnaires et extra-embryonnaires. Par ailleurs, nos résultats seront d’une importance primordiale pour soutenir les futures études visant à expliquer les mécanismes transcriptionnels soutenant la régulation des gènes Hoxa dans les tissus extra-embryonnaires.

Diversité fonctionnelle du facteur de transcription Tbx5 dans le coeur

Le cœur des vertébrés est un organe modulaire qui requiert le " patterning " complexe des champs morphogénétiques cardiogènes et la convergence coordonnée des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques. Au moins 7 facteurs de transcription de la famille T-box coopèrent au sein de ces nombreuses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques afin de réguler la morphogenèse et l’agencement de multiples structures le long de l’ébauche cardiaque, ce qui explique que les mutations humaines de ces gènes engendrent diverses malformations congénitales cardiaques (MCCs). L’un de ces gènes T-box, Tbx5, dont l’haploinsuffisance génère le syndrome de Holt-Oram (SHO), intervient dans une grande variété de réseaux de régulation géniques (RRGs) qui orchestrent la morphogenèse des oreillettes, du ventricule gauche, de la valve mitrale, des septums inter-auriculaire et inter-ventriculaire, ainsi que du système de conduction cardiaque. La diversité des RRGs impliqués dans la formation de ces structures cardiaques suggère que Tbx5 détient une profusion de fonctions qui ne seront identifiables qu’en répertoriant ses activités moléculaires dans chaque lignée cardiaque examinée isolément. Afin d’aborder cette problématique, une ablation génétique de Tbx5 dans l’endocarde a été réalisée. Cette expérience a démontré le rôle crucial de Tbx5 dans la survie des cellules endocardiques bordant le septum primum et des cardiomyocytes au sein de cette structure embryonnaire qui contribuera à la morphogenèse du septum inter-auriculaire. En outre, cette étude a révélé l’existence d’une communication croisée entre la sous-population de cellules endocardiques Tbx5+ et le myocarde au niveau du septum primum, afin d’assurer la survie des cardiomyocytes, et ultimement de garantir la maturation du septum inter-auriculaire. Nos résultats confirment aussi l’importance de l’interdépendance génétique (Tbx5 et Gata4 ainsi que Tbx5 et Nos3) entre différents loci dans la morphogenèse de la cloison inter-auriculaire, et particulièrement de l’influence que peut avoir l’environnement sur la pénétrance et l’expressivité des communications inter-auriculaires (CIAs) dans le SHO. En outre, puisque les fonctions d’un gène dépendent ordinairement des différents isoformes qu’il peut générer, une deuxième étude a focalisé davantage sur l’aspect transcriptionnel de Tbx5. Cette approche a mené à la découverte de 6 transcrits alternatifs exhibant des fonctions à la fois communes et divergentes. La caractérisation de 2 de ces isoformes a révélé le rôle de l’isoforme long (Tbx5_v1) dans la régulation de la croissance des cardiomyocytes durant la cardiogénèse, tandis que l’isoforme court (Tbx5_v2), préférentiellement exprimé dans le cœur mature, réprime la croissance cellulaire. Il est donc entièrement concevable que les mutations de TBX5 entraînant une troncation de la région C-terminale accroissent la concentration d’une protéine mutée qui, à l’instar de Tbx5_v2, interfère avec la croissance de certaines structures cardiaques. En revanche, la divergence de fonctions de ces isoformes, caractérisée par les disparités de localisation subcellulaire et de d’interaction avec d’autres cofacteurs cardiaques, suggère que les mutations affectant davantage un isoforme favoriseraient l’émergence d’un type particulier de MCC. Finalement, un dernier objectif était d’identifier le ou les mécanisme(s) moléculaire(s) par le(s)quel(s) Tbx5 régule son principal gène cible, Nppa, et d’en extraire les indices qui éclairciraient sa fonction transcriptionnelle. Cet objectif nécessitait dans un premier lieu d’identifier les différents modules cis-régulateurs (MCRs) coordonnant la régulation transcriptionnelle de Nppa et Nppb, deux gènes natriurétiques dont l’organisation en tandem et le profil d’expression durant la cardiogénèse sont conservés dans la majorité des vertébrés. L’approche d’empreinte phylogénétique employée pour scanner le locus Nppb/Nppa a permis d’identifier trois MCRs conservés entre diverses espèces de mammifères, dont un (US3) est spécifique aux euthériens. Cette étude a corroboré que la régulation de l’expression du tandem génique Nppb/Nppa requérait l’activité transcriptionnelle d’enhancers en complément aux promoteurs de Nppa et Nppb. La concordance quasiment parfaite entre les profils d’expression de Tbx5 et de ces deux gènes natriurétiques chez les mammifères, suggère que le gradient d’expression ventriculaire de Tbx5 est interprété par le recrutement de ce facteur au niveau des différents enhancers identifiés. En somme, les études présentées dans cette thèse ont permis de clarifier la profusion de fonctions cardiaques que possède Tbx5. Certaines de ces fonctions émanent de l’épissage alternatif de Tbx5, qui favorise la synthèse d’isoformes dotés de propriétés spécifiques. Les diverses interactions combinatoires entre ces isoformes et d’autres facteurs cardiaques au sein des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogènes contribuent à l’émergence de RRGs cardiaques divergents.

Modélisation de réseaux d'interactions des microARN et analyse et validation expérimentale de leurs boucles minimales avec des facteurs de transcription

Les microARN (miARN) sont de petits ARN non-codants qui répriment la traduction de leurs gènes cibles par hybridation à leur ARN messager (ARNm). L'identification de cibles biologiquement actives de miARN est cruciale afin de mieux comprendre leurs rôles. Ce problème est cependant difficile parce que leurs sites ne sont définis que par sept nucléotides. Dans cette thèse je montre qu'il est possible de modéliser certains aspects des miARN afin d'identifier leurs cibles biologiquement actives à travers deux modélisations d'un aspect des miARN. La première modélisation s'intéresse aux aspects de la régulation des miARN par l'identification de boucles de régulation entre des miARN et des facteurs de transcription (FT). Cette modélisation a permis, notamment, d'identifier plus de 700 boucles de régulation miARN/FT, conservées entre l'humain et la souris. Les résultats de cette modélisation ont permis, en particulier, d'identifier deux boucles d'auto-régulation entre LMO2 et les miARN miR-223 et miR-363. Des expériences de transplantation de cellules souches hématopoïétiques et de progéniteurs hématopoïétiques ont ensuite permis d'assigner à ces deux miARN un rôle dans la détermination du destin cellulaire hématopoïétique. La deuxième modélisation s'intéresse directement aux interactions des miARN avec les ARNm afin de déterminer les cibles des miARN. Ces travaux ont permis la mise au point d'une méthode simple de prédiction de cibles de miARN dont les performances sont meilleures que les outils courant. Cette modélisation a aussi permis de mettre en lumière certaines conséquences insoupçonnées de l'effet des miARN, telle que la spécificité des cibles de miARN au contexte cellulaire et l'effet de saturation de certains ARNm par les miARN. Cette méthode peut également être utilisée pour identifier des ARNm dont la surexpression fait augmenter un autre ARNm par l'entremise de miARN partagés et dont les effets sur les ARNm non ciblés seraient minimaux.

Rôle du facteur de transcription BP1 dans la régulation des gènes du locus humain de beta-globine

Le facteur de transcription BP1 humain est exprimé dans les cellules érythroïdes pendant le développement fœtal mais son niveau d’expression est réduit au stade adulte. Les études antérieures in vitro ont montré que BP1 est un répresseur du gène adulte de β-globine mais sa fonction dans la régulation des gènes ε et γ n’a pas été abordée à ce jour. Dans notre étude, nos analyses de BP1 humain ont été menées in vivo au stade embryonnaire en utilisant une lignée de souris transgénique surexprimant BP1 dans les cellules érythroïdes définitives murines. Au niveau protéique, BP1 humain est exprimé aux âges E12.5 et E13.5 dans les cellules érythroïdes fœtales des embryons transgéniques. Toutefois, les niveaux de BP1 humain ne perturbent pas l’érythropoïèse définitive fœtale: les embryons transgéniques ne sont pas anémiques et ne meurent pas in utero. La surexpression de BP1 humain altère tout de même le niveau endogène des facteurs de transcription Ikaros et SOX6 impliqués dans la régulation des gènes de β-globine durant l’érythropoïèse définitive fœtale murine. Chez les embryons doubles transgéniques exprimant BP1 et les gènes humains de β-globine à E12.5, l’expression du gène adulte β est réduite alors que celle des gènes ε et γ est non réprimée. Les mesures d’expression des gènes humains de β-globine effectuées en absence d’Ikaros à E12.5 précisent le rôle de BP1 humain dans l’activation du gène embryonnaire ε. Dans les cellules érythroïdes fœtales murines dépourvues d’Ikaros à E12.5, BP1 humain augmente grandement l’expression des facteurs de transcription EKLF et BCL11A et semble déréprimer l’expression de SOX6, ce qui conduit à une répression des gènes fœtaux et une activation du gène adulte β au jour embryonnaire murin suivant. Puisque BP1 atténue l’altération de l’expression des gènes fœtaux et adultes causée par l’absence d’Ikaros, nous proposons que BP1 et Ikaros soient liés dans les mécanismes de transcription des gènes humains de β-globine.

Une nouvelle approche computationnelle pour la découverte des sites de fixation de facteurs de transcription à l’ADN, adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage

Les facteurs de transcription sont des protéines spécialisées qui jouent un rôle important dans différents processus biologiques tel que la différenciation, le cycle cellulaire et la tumorigenèse. Ils régulent la transcription des gènes en se fixant sur des séquences d’ADN spécifiques (éléments cis-régulateurs). L’identification de ces éléments est une étape cruciale dans la compréhension des réseaux de régulation des gènes. Avec l’avènement des technologies de séquençage à haut débit, l’identification de tout les éléments fonctionnels dans les génomes, incluant gènes et éléments cis-régulateurs a connu une avancée considérable. Alors qu’on est arrivé à estimer le nombre de gènes chez différentes espèces, l’information sur les éléments qui contrôlent et orchestrent la régulation de ces gènes est encore mal définie. Grace aux techniques de ChIP-chip et de ChIP-séquençage il est possible d’identifier toutes les régions du génome qui sont liées par un facteur de transcription d’intérêt. Plusieurs approches computationnelles ont été développées pour prédire les sites fixés par les facteurs de transcription. Ces approches sont classées en deux catégories principales: les algorithmes énumératifs et probabilistes. Toutefois, plusieurs études ont montré que ces approches génèrent des taux élevés de faux négatifs et de faux positifs ce qui rend difficile l’interprétation des résultats et par conséquent leur validation expérimentale. Dans cette thèse, nous avons ciblé deux objectifs. Le premier objectif a été de développer une nouvelle approche pour la découverte des sites de fixation des facteurs de transcription à l’ADN (SAMD-ChIP) adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. Notre approche implémente un algorithme hybride qui combine les deux stratégies énumérative et probabiliste, afin d’exploiter les performances de chacune d’entre elles. Notre approche a montré ses performances, comparée aux outils de découvertes de motifs existants sur des jeux de données simulées et des jeux de données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. SAMD-ChIP présente aussi l’avantage d’exploiter les propriétés de distributions des sites liés par les facteurs de transcription autour du centre des régions liées afin de limiter la prédiction aux motifs qui sont enrichis dans une fenêtre de longueur fixe autour du centre de ces régions. Les facteurs de transcription agissent rarement seuls. Ils forment souvent des complexes pour interagir avec l’ADN pour réguler leurs gènes cibles. Ces interactions impliquent des facteurs de transcription dont les sites de fixation à l’ADN sont localisés proches les uns des autres ou bien médier par des boucles de chromatine. Notre deuxième objectif a été d’exploiter la proximité spatiale des sites liés par les facteurs de transcription dans les régions de ChIP-chip et de ChIP-séquençage pour développer une approche pour la prédiction des motifs composites (motifs composés par deux sites et séparés par un espacement de taille fixe). Nous avons testé ce module pour prédire la co-localisation entre les deux demi-sites ERE qui forment le site ERE, lié par le récepteur des œstrogènes ERα. Ce module a été incorporé à notre outil de découverte de motifs SAMD-ChIP.

Étude sur la reconnaissance de l'ubiquitine par les domaines de transactivation acides des activateurs de transcription

Les domaines de transactivation (TAD) acides sont présents dans plusieurs protéines oncogéniques, virales et dans des facteurs de différenciation de cellules souches. Ces domaines acides contrôlent la transcription à travers une myriade d’interactions avec divers partenaires ce qui provoque l’activation de la transcription ou leur propre élimination. Cependant, dans la dernière décennie, de plus en plus de recherches ont démontré que les TAD possédaient un sous-domaine activation/dégradation (DAD) responsable pour une fonction d'activation de la transcription dépendante de la dégradation de la protéine. Un tel phénomène peut être accompli par plusieurs moyens tels que des modifications post-traductionnelles, l’association à des cofacteurs ou la formation d’un réseau d’interaction complexe en chaînes. Or, aucune preuve concrète n’a pu clairement démontrer le fonctionnement de la dépendance paradoxale entre ces deux fonctions sur un activateur de transcription. Le DAD, a été observé dans plusieurs facteurs de transcription incluant la protéine suppresseur de tumeur p53 et le facteur de différenciation érythrocyte EKLF. Un aspect particulier des DAD est que la composition de leur séquence d’acide aminé est fortement similaire à celle des domaines de liaison à l’ubiquitine (UBD) qui jouent un rôle clé dans le contrôle de la transcription à travers leur interaction non-covalente avec l’ubiquitine. Ainsi, dans ce mémoire, nous avons étudié la possibilité que les TAD acides soient capables d’agir comme UBD pour réguler leur fonction paradoxale à travers des interactions non-covalentes avec l’ubiquitine. L’analyse est faite en utilisant la résonnance magnétique nucléaire (RMN) ainsi qu’avec des essais fonctionnels de dégradation. En somme, cette étude amène une plus grande compréhension des protéines impliquées dans le contrôle des TAD et caractérise le tout premier exemple de TAD capable d’interagir avec l’ubiquitine.

Régulation du facteur de transcription FOXK1 par O-GlcNAcylation : implications dans la différenciation adipocytaire

Les modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, l’OGlcNAcylation et l’ubiquitination jouent des rôles critiques dans la coordination des fonctions protéiques et par conséquent influencent grandement de nombreux processus cellulaires. Il est à noter que ces modifications sont hautement dynamiques et finement regulées. Par exemple, l’ubiquitination peut être réversible via l’action des déubiquitinases comme le suppresseur de tumeurs BAP1. Parmis les gènes codant pour les déubiquitinases, BAP1 est la plus souvent mutée dans le cancer. Des études récentes ont démontré l’importance des dynamiques de modifications post-traductionnelles dans la régulation du complexe BAP1. En plus, BAP1 forme un complexe multi-protéiques contenant plusieurs régulateurs transcriptionnels comme la protéine polycomb OGT et les facteurs de transcription FOXK1 et FOXK2. OGT est une enzyme unique qui catalyze l’ajout d’un groupement O-GlcNAc sur ses substrats afin d’en moduler l’activité enzymatique, les interactions protéines-protéines et leur localisation cellulaire. Cette modification est aussi liée au métabolisme puisque son substrat donneur, l’UDP-GlcNAc, est dérivé de la voie biosynthétique des hexosamines. Parallèlement, FOXK1/2 ont aussi été démontrés comme étant critiques à des processus métaboliques telles que la myogenèse et l’autophagie. Lors de nos études, nous avons identifié FOXK1 comme un nouveau substrat d’OGT. De plus, les niveaux d’O-GlcNAcylation de FOXK1 fluctuent lors de l’entrée/sortie du cycle cellulaire. En outre, nous avons identifié l’importance de FOXK1 dans l’adipogenèse et observé que l’interaction FOXK1/BAP1 est affectée par le métabolisme cellulaire. En résumé, nos études ont révélé l’importance d’OGT dans la régulation de certaines composantes du complexe BAP1, ce qui aidera à la compréhension de l’effet suppresseur de tumeur de BAP1 ainsi que son mécanisme d'action dans différents processus tel que le remodelage de la chromatine.

Genesis and expansion of metazoan transcription factor gene classes

We know little about the genomic events that led to the advent of a multicellular grade of organization in animals, one of the most dramatic transitions in evolution. Metazoan multicellularity is correlated with the evolution of embryogenesis, which presumably was underpinned by a gene regulatory network reliant on the differential activation of signaling pathways and transcription factors. Many transcription factor genes that play critical roles in bilaterian development largely appear to have evolved before the divergence of cnidarian and bilaterian lineages. In contrast, sponges seem to have a more limited suite of transcription factors, suggesting that the developmental regulatory gene repertoire changed markedly during early metazoan evolution. Using whole- genome information from the sponge Amphimedon queenslandica, a range of eumetazoans, and the choanoflagellate Monosiga brevicollis, we investigate the genesis and expansion of homeobox, Sox, T- box, and Fox transcription factor genes. Comparative analyses reveal that novel transcription factor domains ( such as Paired, POU, and T- box) arose very early in metazoan evolution, prior to the separation of extant metazoan phyla but after the divergence of choanoflagellate and metazoan lineages. Phylogenetic analyses indicate that transcription factor classes then gradually expanded at the base of Metazoa before the bilaterian radiation, with each class following a different evolutionary trajectory. Based on the limited number of transcription factors in the Amphimedon genome, we infer that the genome of the metazoan last common ancestor included fewer gene members in each class than are present in extant eumetazoans. Transcription factor orthologues present in sponge, cnidarian, and bilaterian genomes may represent part of the core metazoan regulatory network underlying the origin of animal development and multicellularity.

Pre-B-cell transcription factor 1 and steroidogenic factor 1 synergistically regulate adrenocortical growth and steroidogenesis

variety of transcription factors including Wilms tumor gene (Wt-1), steroidogenic factor 1 (Sf-1), dosage-sensitive sex reversal, adrenal hypoplasia congenita on the X-chromosome, Gene 1 (Dax-1), and pre-B-cell transcription factor 1 (Pbx1) have been defined as necessary for regular adrenocortical development. However, the role of Pbx1 for adrenal growth and function in the adult organism together with the molecular relationship between Pbx1 and these other transcription factors have not been characterized. We demonstrate that Pbx haploinsufficiency (Pbx1(+/-)) in mice is accompanied by a significant lower adrenal weight in adult animals compared with wild-type controls. Accordingly, baseline proliferating cell nuclear antigen levels are lower in Pbx1(+/-) mice, and unilateral adrenalectomy results in impaired contralateral compensatory adrenal growth, indicating a lower proliferative potential in the context of Pbx1 haploinsufficiency. In accordance with the key role of IGFs in adrenocortical proliferation and development, real-time RT-PCR demonstrates significant lower expression levels of the IGF-I receptor, and up-regulation of IGF binding protein-2. Functionally, Pbx1(+/-) mice display a blunted corticosterone response after ACTH stimulation coincident with lower adrenal expression of the ACTH receptor (melanocortin 2 receptor, Mc2-r). Mechanistically, in vitro studies reveal that Pbx1 and Sf-1 synergistically stimulates Mc2-r promoter activity. Moreover, Sf-1 directly activates the Pbx1 promoter activity in vitro and in vivo. Taken together, these studies provide evidence for a role of Pbx1 in the maintenance of a functional adrenal cortex mediated by synergistic actions of Pbx1 and Sf-1 in the transcriptional regulation of the critical effector of adrenocortical differentiation, the ACTH receptor.

Neurokinin-B transcription in erythroid cells - Direct activation by the hematopoietic transcription factor GATA-1

The GATA family of transcription factors establishes genetic networks that control developmental processes including hematopoiesis, vasculogenesis, and cardiogenesis. We found that GATA-1 strongly activates transcription of the Tac-2 gene, which encodes proneurokinin-B, a precursor of neurokinin-B (NK-B). Neurokinins function through G protein-coupled transmembrane receptors to mediate diverse physiological responses including pain perception and the control of vascular tone. Whereas an elevated level of NK-B was implicated in pregnancy-associated pre-eclampsia ( Page, N. M., Woods, R. J., Gardiner, S. M., Lomthaisong, K., Gladwell, R. T., Butlin, D. J., Manyonda, I. T., and Lowry, P. J. ( 2000) Nature 405, 797 - 800), the regulation of NK-B synthesis and function are poorly understood. Tac-2 was expressed in normal murine erythroid cells and was induced upon ex vivo erythropoiesis. An estrogen receptor fusion to GATA-1 (ER-GATA-1) and endogenous GATA-1 both occupied a region of Tac-2 intron-7, which contains two conserved GATA motifs. Genetic complementation analysis in GATA-1-null G1E cells revealed that endogenous GATA-2 occupied the same region of intron-7, and expression of ER-GATA-1 displaced GATA-2 and activated Tac-2 transcription. Erythroid cells did not express neurokinin receptors, whereas aortic and yolk sac endothelial cells differentially expressed neurokinin receptor subtypes. Since NK-B induced cAMP accumulation in yolk sac endothelial cells, these results suggest a new mode of vascular regulation in which GATA-1 controls NK-B synthesis in erythroid cells.

Gene transcription in Daphnia magna: effects of acute exposure to a carbamate insecticide and an acetanilide herbicide.

Daphnia magna is a key invertebrate in the freshwater environment and is used widely as a model in ecotoxicological measurements and risk assessment. Understanding the genomic responses of D. magna to chemical challenges will be of value to regulatory authorities worldwide. Here we exposed D. magna to the insecticide methomyl and the herbicide propanil to compare phenotypic effects with changes in mRNA expression levels. Both pesticides are found in drainage ditches and surface water bodies standing adjacent to crops. Methomyl, a carbamate insecticide widely used in agriculture, inhibits acetylcholinesterase, a key enzyme in nerve transmission. Propanil, an acetanilide herbicide, is used to control grass and broad-leaf weeds. The phenotypic effects of single doses of each chemical were evaluated using a standard immobilisation assay. Immobilisation was linked to global mRNA expression levels using the previously estimated 48h-EC(1)s, followed by hybridization to a cDNA microarray with more than 13,000 redundant cDNA clones representing >5000 unique genes. Following exposure to methomyl and propanil, differential expression was found for 624 and 551 cDNAs, respectively (one-way ANOVA with Bonferroni correction, Ptranscriptional changes in energy metabolism (e.g., mitochondrial proteins, ATP synthesis-related proteins), moulting (e.g., chitin-binding proteins, cuticular proteins) and protein biosynthesis (e.g., ribosomal proteins, transcription factors). Methomyl induced the transcription of genes involved in specific processes such as ion homeostasis and xenobiotic metabolism. Propanil highly promoted haemoglobin synthesis and up-regulated genes specifically related to defence mechanisms (e.g., innate immunity response systems) and neuronal pathways. Pesticide-specific toxic responses were found but there is little evidence for transcriptional responses purely restricted to genes associated with the pesticide target site or mechanism of toxicity.

Differential regulation of Krüppel-like factor family transcription factor expression in neonatal rat cardiac myocytes: effects of endothelin-1, oxidative stress and cytokines

Krüppel-like transcription factors (Klfs) modulate fundamental cell processes. Cardiac myocytes are terminally-differentiated, but hypertrophy in response to stimuli such as endothelin-1. H2O2 or cytokines promote myocyte apoptosis. Microarray studies of neonatal rat myocytes identified several Klfs as endothelin-1-responsive genes. We used quantitative PCR for further analysis of Klf expression in neonatal rat myocytes. In response to endothelin-1, Klf2 mRNA expression was rapidly increased ( approximately 9-fold; 15-30 min) with later increases in expression of Klf4 and Klf6 ( approximately 5-fold; 30-60 min). All were regulated as immediate early genes (cycloheximide did not inhibit the increases in expression). Klf5 expression was increased at 1-2 h ( approximately 13-fold) as a second phase response (cycloheximide inhibited the increase). These increases were transient and attenuated by U0126. H2O2 increased expression of Klf2, Klf4 and Klf6, but interleukin-1beta or tumor necrosis factor alpha downregulated Klf2 expression with no effect on Klf4 or Klf6. Of the Klfs which repress transcription, endothelin-1 rapidly downregulated expression of Klf3, Klf11 and Klf15. The dynamic regulation of expression of multiple Klf family members in cardiac myocytes suggests that, as a family, they are actively involved in regulating phenotypic responses (hypertrophy and apoptosis) to extracellular stimuli.

The integration of lipid-sensing and anti-inflammatory effects: how the PPARs play a role in metabolic balance

The peroxisomal proliferating-activated receptors (PPARs) are lipid-sensing transcription factors that have a role in embryonic development, but are primarily known for modulating energy metabolism, lipid storage, and transport, as well as inflammation and wound healing. Currently, there is no consensus as to the overall combined function of PPARs and why they evolved. We hypothesize that the PPARs had to evolve to integrate lipid storage and burning with the ability to reduce oxidative stress, as energy storage is essential for survival and resistance to injury/infection, but the latter increases oxidative stress and may reduce median survival (functional longevity). In a sense, PPARs may be an evolutionary solution to something we call the 'hypoxia-lipid' conundrum, where the ability to store and burn fat is essential for survival, but is a 'double-edged sword', as fats are potentially highly toxic. Ways in which PPARs may reduce oxidative stress involve modulation of mitochondrial uncoupling protein (UCP) expression (thus reducing reactive oxygen species, ROS), optimising forkhead box class O factor (FOXO) activity (by improving whole body insulin sensitivity) and suppressing NFkB (at the transcriptional level). In light of this, we therefore postulate that inflammation-induced PPAR downregulation engenders many of the signs and symptoms of the metabolic syndrome, which shares many features with the acute phase response (APR) and is the opposite of the phenotype associated with calorie restriction and high FOXO activity. In genetically susceptible individuals (displaying the naturally mildly insulin resistant 'thrifty genotype'), suboptimal PPAR activity may follow an exaggerated but natural adipose tissue-related inflammatory signal induced by excessive calories and reduced physical activity, which normally couples energy storage with the ability to mount an immune response. This is further worsened when pancreatic decompensation occurs, resulting in gluco-oxidative stress and lipotoxicity, increased inflammatory insulin resistance and oxidative stress. Reactivating PPARs may restore a metabolic balance and help to adapt the phenotype to a modern lifestyle.

Long-term depression activates transcription of immediate early transcription factor genes: involvement of serum response factor/Elk-1

Long-term depression (LTD) is one of the paradigms used in vivo or ex vivo for studying memory formation. In order to identify genes with potential relevance for memory formation we used mouse organotypic hippocampal slice cultures in which chemical LTD was induced by applications of 3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG). The induction of chemical LTD was robust, as monitored electrophysiologically. Gene expression analysis after chemical LTD induction was performed using cDNA microarrays containing >7,000 probes. The DHPG-induced expression of immediate early genes (c-fos, junB, egr1 and nr4a1) was subsequently verified by TaqMan polymerase chain reaction. Bioinformatic analysis suggested a common regulator element [serum response factor (SRF)/Elk-1 binding sites] within the promoter region of these genes. Indeed, here we could show a DHPG-dependent binding of SRF at the SRF response element (SRE) site within the promoter region of c-fos and junB. However, SRF binding to egr1 promoter sites was constitutive. The phosphorylation of the ternary complex factor Elk-1 and its localization in the nucleus of hippocampal neurones after DHPG treatment was shown by immunofluorescence using a phosphospecific antibody. We suggest that LTD leads to SRF/Elk-1-regulated gene expression of immediate early transcription factors, which could in turn promote a second broader wave of gene expression.

Transcription factor NF-kappaB is transported to the nucleus via cytoplasmic dynein/dynactin motor complex in hippocampal neurons

Background Long-term changes in synaptic plasticity require gene transcription, indicating that signals generated at the synapse must be transported to the nucleus. Synaptic activation of hippocampal neurons is known to trigger retrograde transport of transcription factor NF-κB. Transcription factors of the NF-κB family are widely expressed in the nervous system and regulate expression of several genes involved in neuroplasticity, cell survival, learning and memory. Principal Findings In this study, we examine the role of the dynein/dynactin motor complex in the cellular mechanism targeting and transporting activated NF-κB to the nucleus in response to synaptic stimulation. We demonstrate that overexpression of dynamitin, which is known to dissociate dynein from microtubules, and treatment with microtubule-disrupting drugs inhibits nuclear accumulation of NF-κB p65 and reduces NF-κB-dependent transcription activity. In this line, we show that p65 is associated with components of the dynein/dynactin complex in vivo and in vitro and that the nuclear localization sequence (NLS) within NF-κB p65 is essential for this binding. Conclusion This study shows the molecular mechanism for the retrograde transport of activated NF-κB from distant synaptic sites towards the nucleus.