Etudes structurales et fonctionnelles des interactions de SUMO avec des proteines d'echafaudage modeles: TIF1beta, PIAS1 et PML

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2.

Rôle des suppresseurs de tumeur PML et CHES1 dans la régulation de la sénescence et de la prolifération cellulaire

La sénescence est un mécanisme de défense antiprolifératif dont la cellule est munie afin de prévenir l’accumulation de mutations pouvant mener à sa transformation et l’éventuel développement d’une tumeur. Ce programme consiste en un arrêt permanent du cycle cellulaire. Il peut être activé par de nombreux stimuli tels que le raccourcissement des télomères, le stress oxydatif, ou l’expression d’un oncogène constitutivement actif. Sa régulation requiert l’activation de protéines appelées des suppresseurs de tumeur dont les plus importants sont p53 et RB. De manière plus spécifique, les sénescences induites par l’expression des oncogène RASV12 ou STAT5A(1*6) sont respectivement caractérisées par l’augmentation de l’expression des protéines PML et CHES1/FOXN3. Le but de cette thèse est, dans un premier temps, de mettre en évidence le mécanisme de régulation de la sénescence par PML. PML est un suppresseur de tumeur dont l’expression dans des cellules diploïdes normales est suffisante pour induire la sénescence. Cette protéine forme des corps nucléaires sphériques au sein desquels est recruté, parmi d’autres molécules, la protéine du rétinoblastome RB. RB est un régulateur négatif du cycle cellulaire capable de lier et inhiber les facteurs de transcription E2F dont les gènes cibles sont nécessaires à la prolifération. Nos travaux démontrent que le mécanisme d’induction de la sénescence par PML implique le recrutement du complexe RB/E2F aux corps de PML afin de renforcer l’inhibition de l’activité des E2F par RB. Également, les E2F sont recrutés aux corps de PML en compagnie de leurs promoteurs ce qui favorise la formation d’hétérochromatine au niveau de ces gènes, aidant à leur répression et donc à l’établissement de la sénescence. D’autre part, cette thèse a pour but de caractériser le rôle de CHES1/FOXN3 dans la régulation du cycle cellulaire. CHES1 est un facteur de transcription de la famille des Forkheads. Son expression dans des cellules cancéreuses provoque un ralentissement de leur prolifération. Afin de comprendre son mécanisme de fonctionnement, une analyse sur micropuce d’ADN de l’expression des gènes de cellules cancéreuses exprimant CHES1 a été réalisée. Cette analyse a montré que, dans la cellule, CHES1 joue un rôle de répresseur transcriptionnel. Plus précisément, CHES1 réprime, entre autres, l’expression de gènes nécessaires à la synthèse des protéines tels que PIM2 et DYRK3. De manière intéressante, la réexpression de PIM2 dans des cellules cancéreuses exprimant CHES1 permet de rétablir partiellement la prolifération cellulaire. Également, l’analyse sur micropuce a révélé que CHES1 régule l’expression de nombreux gènes impliqués dans la formation des cilia dont l’une des fonctions semble être de moduler la synthèse protéique. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que le mécanisme antitumoral de CHES1 consiste en une inhibition de la synthèse de protéines.

The specific in vivo role of PPARgamma and its downstream signaling pathway in the pathophysiology of Osteoarthritis

L'arthrose est une maladie articulaire dégénérative, avec une pathogenèse inconnue. Des études récentes suggèrent que l'activation du facteur de transcription du récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est une cible thérapeutique pour ce maladie. Les agonistes du PPARγ inhibent l'inflammation et réduisent la synthèse des produits de dégradation du cartilage in vitro et in vivo. Cependant, des études utilisant des agonistes du PPARγ n’élucident pas les effets exacts médiés par ce gène complexe. En effet, certains de ces agonistes ont la capacité de régulariser d'autres voies de signalisation indépendantes de PPARγ, ainsi entraînant des effets secondaires graves. Afin d'obtenir une efficacité thérapeutique avec potentiellement moins de problèmes de sécurité, il est donc essentiel d'élucider, in vivo, le rôle exact de PPARγ dans la physiopathologie OA. Mon projet de thèse permettra de déterminer, pour la première fois, le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la physiopathologie OA. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle du gène PPARγ dans le cartilage. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Pour tester cette hypothèse, j'ai généré deux types de souris avec une délétion au PPARγ, (a) une suppression du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage germinale pour l'étude de l'arthrose liée au développement et à l'âge et (b) la suppression inductible du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage chez la souris adulte pour les études OA. L’étude précédente dans notre laboratoire, utilisant ces souris ayant une délétion au gène PPARγ germinales, montre que ces souris présentent des anomalies du développement du cartilage. J'ai également exploré si ces souris qui présentent des défauts précoces du développement ont toutes les modifications phénotypiques dans le cartilage au cours du vieillissement. Mes résultats ont montré que les souris adultes, ayant une délétion au gène PPARγ, ont présenter un phénotype de l'arthrose spontanée associée à une dégradation du cartilage, l’hypocellularité, la fibrose synoviale. Cette étude a montré que PPARγ est un régulateur essentiel pour le cartilage, et c’est le manque (l’absence) de ce dernier qui conduit à un phénotype de l'arthrose spontanée accélérée (American Journal of Pathologie). A partir de ce but de l'étude, on n’a pas pu vérifier si ces souris présentaient l’OA spontanée en raison des défauts de développement ou à la suite de la délétion du gène PPARγ. Pour contourner les défauts de développement, j'ai généré des souris ayant une délétion du gène PPARγ spécifiquement dans le cartilage inductible avec le système Col2rTACre. Ces souris ont été soumises à modèle de la chirurgie OA (DMM: déstabilisation du ménisque médial) et les résultats révèlent que les souris PPARγ KO ont une dégradation accélérée du cartilage, une hypocellularité, une fibrose synoviale et une augmentation de l'expression des marqueurs cataboliques et des marqueurs inflammatoire. La perte de PPAR dans le cartilage articulaire est un évènement critique qui initie la dégradation de cartilage dans OA. Les études récentes suggèrent que le procès d’autophagie, une forme de survie cellulaire programmée, est altéré pendant l’OA et peut contribuer vers une protection diminuée des cellules, résultant la dégradation du cartilage. J’ai donc exploré le rôle de PPARγ dans la protection des cellules en déterminant l’effet de manque de PPARγ dans le cartilage par l’expression de mTOR (régulateur négatif principal d’autophagie) et les gènes d’autophagie durant OA. Mes résultats ont montré que les souris KO PPARγ présentent également une augmentation sur l'expression de mTOR et une diminution sur l’expression des marqueurs autophagiques en comparaison avec les chondrocytes articulaires isolés des souris contrôles OA. J'ai suggéré l'hypothèse que PPARγ contrôle la régulation de la signalisation de mTOR/autophagie, et finalement la mort des chondrocytes et l’expression des facteurs cataboliques et les facteurs inflammatoire. Pour tester cette hypothèse, j’ai fait la transfection des chondrocytes arthrosiques PPARγ-KO avec le vecteur d’expression de PPARγ pour déterminer si la restauration de l'expression de PPARγ peut sauver le phénotype des cellules PPARγ-KO OA. J'ai observé que la restauration de l'expression de PPARγ dans les cellules PPARγ-KO en présence du vecteur d'expression PPARγ, a pu considérablement régulariser négativement l'expression de mTOR et mettre en règle positivement l'expression des gènes autophagiques ainsi que le sauvetage significative de l'expression du collagène de type II et l’aggrecan et de baisser de manière significative l'expression de marqueurs cataboliques critiques et des marqueurs inflammatoires. Pour prouver que l’augmentation de la signalisation de mTOR et la diminution de l'autophagie est responsable du phénotype OA accélérée observée dans les souris PPARγ KO in vivo, j'ai généré les souris doubles KO PPARγ- mTOR inductible spécifique du cartilage en utilisant le système Col2 - rtTA -Cre et soumis ces souris à DMM modèle de l'arthrose. Mes résultants démontrent que les souris avec PPARγ- mTOR doubles KO ont été significativement protégés contre les OA DMM induites associées à une protection significative contre la destruction du cartilage, la perte de protéoglycanes et la perte de chondro-cellularité par rapport aux souris témoins. Considérant que mTOR est un répresseur majeur de l'autophagie, j'ai trouvé que l'expression de deux marqueurs de l'autophagie critiques (ULK1 et LC3B) a été significativement plus élevée dans les chondrocytes extraits les souris doubles KO PPARγ-mTOR par rapport aux souris témoins. En plus, les études de sauvetage in vitro en utilisant le vecteur d'expression PPAR et les études in vivo utilisant les souris doubles KO PPARγ- mTOR montrent que PPARγ est impliqué dans la régulation de la protéine signalant de mTOR/autophagie dans le cartilage articulaire. Ces résultats contournent PPARγ et sa signalisation en aval de mTOR/autophagie en tant que cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l'arthrose.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

A hierarchical Bayesian model for predicting the functional consequences of amino-acid polymorphisms

Genetic polymorphisms in deoxyribonucleic acid coding regions may have a phenotypic effect on the carrier, e.g. by influencing susceptibility to disease. Detection of deleterious mutations via association studies is hampered by the large number of candidate sites; therefore methods are needed to narrow down the search to the most promising sites. For this, a possible approach is to use structural and sequence-based information of the encoded protein to predict whether a mutation at a particular site is likely to disrupt the functionality of the protein itself. We propose a hierarchical Bayesian multivariate adaptive regression spline (BMARS) model for supervised learning in this context and assess its predictive performance by using data from mutagenesis experiments on lac repressor and lysozyme proteins. In these experiments, about 12 amino-acid substitutions were performed at each native amino-acid position and the effect on protein functionality was assessed. The training data thus consist of repeated observations at each position, which the hierarchical framework is needed to account for. The model is trained on the lac repressor data and tested on the lysozyme mutations and vice versa. In particular, we show that the hierarchical BMARS model, by allowing for the clustered nature of the data, yields lower out-of-sample misclassification rates compared with both a BMARS and a frequen-tist MARS model, a support vector machine classifier and an optimally pruned classification tree.

Feo - Transport of ferrous iron into bacteria

Bacteria commonly utilise a unique type of transporter, called Feo, to specifically acquire the ferrous (Fe2+) form of iron from their environment. Enterobacterial Feo systems are composed of three proteins: FeoA, a small, soluble SH3-domain protein probably located in the cytosol; FeoB, a large protein with a cytosolic N-terminal G-protein domain and a C-terminal integral inner-membrane domain containing two 'Gate' motifs which likely functions as the Fe2+ permease; and FeoC, a small protein apparently functioning as an [Fe-S]-dependent transcriptional repressor. We provide a review of the current literature combined with a bioinformatic assessment of bacterial Feo systems showing how they exhibit common features, as well as differences in organisation and composition which probably reflect variations in mechanisms employed and function.

Characterisation and regulation of E2F-6 and E2F-6b in the rat heart: a potential target for myocardial regeneration?

The E2F transcription factors are instrumental in regulating cell cycle progression and growth, including that in cardiomyocytes, which exit the cell cycle shortly after birth. E2F-6 has been demonstrated to act as a transcriptional repressor; however, its potential role in normal cardiomyocyte proliferation and hypertrophy has not previously been investigated. Here we report the isolation and characterisation of E2F-6 and E2F-6b in rat cardiomyocytes and consider its potential as a target for myocardial regeneration following injury. At the mRNA level, both rat E2F-6 and the alternatively spliced variant, E2F-6b, were expressed in E18 myocytes and levels were maintained throughout development into adulthood. Interestingly, E2F-6 protein expression was down-regulated during myocyte development suggesting that it is regulated post-transcriptionally in these cells. During myocyte hypertrophy, the mRNA expressions of E2F-6 and E2F-6b were not regulated whereas E2F-6 protein was up-regulated significantly. Indeed, E2F-6 protein expression levels closely parallel the developmental withdrawal of myocytes from the cell cycle and the subsequent reactivation of their cell cycle machinery during hypertrophic growth. Furthermore, depletion of E2F-6, using anti-sense technology, results in death of cultured neonatal myocytes. Taken together, abrogation of E2F-6 expression in neonatal cardiomyocytes leads to a significant decrease in their viability, consistent with the notion that E2F-6 might be required for maintaining normal myocyte growth.

Global iron-dependent gene regulation in Escherichia coli - A new mechanism for iron homeostasis

Organisms generally respond to iron deficiency by increasing their capacity to take up iron and by consuming intracellular iron stores. Escherichia coli, in which iron metabolism is particularly well understood, contains at least 7 iron-acquisition systems encoded by 35 iron-repressed genes. This Fe-dependent repression is mediated by a transcriptional repressor, Fur ( ferric uptake regulation), which also controls genes involved in other processes such as iron storage, the Tricarboxylic Acid Cycle, pathogenicity, and redox-stress resistance. Our macroarray-based global analysis of iron- and Fur-dependent gene expression in E. coli has revealed several novel Fur-repressed genes likely to specify at least three additional iron- transport pathways. Interestingly, a large group of energy metabolism genes was found to be iron and Fur induced. Many of these genes encode iron- rich respiratory complexes. This iron- and Fur-dependent regulation appears to represent a novel iron-homeostatic mechanism whereby the synthesis of many iron- containing proteins is repressed under iron- restricted conditions. This mechanism thus accounts for the low iron contents of fur mutants and explains how E. coli can modulate its iron requirements. Analysis of Fe-55-labeled E. coli proteins revealed a marked decrease in iron- protein composition for the fur mutant, and visible and EPR spectroscopy showed major reductions in cytochrome b and d levels, and in iron- sulfur cluster contents for the chelator-treated wild-type and/or fur mutant, correlating well with the array and quantitative RT-PCR data. In combination, the results provide compelling evidence for the regulation of intracellular iron consumption by the Fe2+-Fur complex.

Identification of prebiotic fructooligosaccharide metabolism in Lactobacillus plantarum WCFS1 through microarrays

Short-chain fructooligosaccharides (scFOS) and other prebiotics are used to selectively stimulate the growth and activity of lactobacilli and bifidobacteria in the colon. However, there is little information on the mechanisms whereby prebiotics exert their specific effects upon such microorganisms. To study the genomic basis of scFOS metabolism in Lactobacillus plantarum WCFS1, two-color microarrays were used to screen for differentially expressed genes when grown on scFOS compared to glucose (control). A significant up-regulation (8- to 60-fold) was observed with a set of only five genes located in a single locus and predicted to encode a sucrose phosphoenolpyruvate transport system (PTS), a beta-fructofuranosidase, a fructokinase, an alpha-glucosidase, and a sucrose operon repressor. Several other genes were slightly overexpressed, including pyruvate dehydrogenase. For the latter, no detectable activity in L. plantarum under various growth conditions has been previously reported. A mannose-PTS likely to encode glucose uptake was 50-fold down-regulated as well as, to a lower extent, other PTSs. Chemical analysis of the different moieties of scFOS that were depleted in the growth medium revealed that the trisaccharide 1-kestose present in scFOS was preferentially utilized, in comparison with the tetrasaccharide nystose and the pentasaccharide fructofuranosylnystose. The main end products of scFOS fermentation were lactate and acetate. This is the first example in lactobacilli of the association of a sucrose PTS and a beta-fructofuranosidase that could be used for scFOS degradation.

Induction of the ferritin gene (ftnA) of Escherichia coli by Fe2+–Fur is mediated by reversal of H-NS silencing and is RyhB independent

FtnA is the major iron-storage protein of Escherichia coli accounting for < or = 50% of total cellular iron. The FtnA gene (ftnA) is induced by iron in an Fe(2+)-Fur-dependent fashion. This effect is reportedly mediated by RyhB, the Fe(2+)-Fur-repressed, small, regulatory RNA. However, results presented here show that ftnA iron induction is independent of RyhB and instead involves direct interaction of Fe(2+)-Fur with an 'extended' Fur binding site (containing five tandem Fur boxes) located upstream (-83) of the ftnA promoter. In addition, H-NS acts as a direct repressor of ftnA transcription by binding at multiple sites (I-VI) within, and upstream of, the ftnA promoter. Fur directly competes with H-NS binding at upstream sites (II-IV) and consequently displaces H-NS from the ftnA promoter (sites V-VI) which in turn leads to derepression of ftnA transcription. It is proposed that H-NS binding within the ftnA promoter is facilitated by H-NS occupation of the upstream sites through H-NS oligomerization-induced DNA looping. Consequently, Fur displacement of H-NS from the upstream sites prevents cooperative H-NS binding at the downstream sites within the promoter, thus allowing access to RNA polymerase. This direct activation of ftnA transcription by Fe(2+)-Fur through H-NS antisilencing represents a new mechanism for iron-induced gene expression.

Feo-transport of ferrous iron into bacteria

Bacteria commonly utilise a unique type of transporter, called Feo, to specifically acquire the ferrous (Fe2+) form of iron from their environment. Enterobacterial Feo systems are composed of three proteins: FeoA, a small, soluble SH3-domain protein probably located in the cytosol; FeoB, a large protein with a cytosolic N-terminal G-protein domain and a C-terminal integral inner-membrane domain containing two 'Gate' motifs which likely functions as the Fe2+ permease; and FeoC, a small protein apparently functioning as an [Fe-S]-dependent transcriptional repressor. We provide a review of the current literature combined with a bioinformatic assessment of bacterial Feo systems showing how they exhibit common features, as well as differences in organisation and composition which probably reflect variations in mechanisms employed and function.

Mutation in TERMINAL FLOWER1 reverses the photoperiodic requirement for flowering in the wild strawberry, Fragaria vesca

Photoperiodic flowering has been extensively studied in the annual short-day and long-day plants rice and Arabidopsis while less is known about the control of flowering in perennials. In the perennial wild strawberry, Fragaria vesca L. (Rosaceae), short-day and perpetual flowering long-day accessions occur. Genetic analyses showed that differences in their flowering responses are caused by a single gene, the SEASONAL FLOWERING LOCUS which may encode the F. vesca homolog of TERMINAL FLOWER1 (FvTFL1). We show through high-resolution mapping and transgenic approaches that FvTFL1 is the basis of this change in flowering behavior and demonstrate that FvTFL1 acts as a photoperiodically regulated repressor. In short-day F. vesca, long photoperiods activate FvTFL1 mRNA expression and short days suppress it, promoting flower induction. These seasonal cycles in FvTFL1 mRNA level confer seasonal cycling of vegetative and reproductive development. Mutations in FvTFL1 prevent LD suppression of flowering, and the early flowering that then occurs under LD is dependent on the F. vesca homolog of FLOWERING LOCUS T. This photoperiodic response mechanism differs from those described in model annual plants. We suggest that this mechanism controls flowering within the perennial growth cycle in F. vesca, and demonstrate that a change in a single gene reverses the photoperiodic requirements for flowering.

The CtsR regulator of Listeria monocytogenes contains a variant glycine repeat region that affects piezotolerance, stress resistance, motility and virulence

A spontaneous high hydrostatic pressure (HHP)-tolerant mutant of Listeria monocytogenes ScottA, named AK01, was isolated previously. This mutant was immotile and showed increased resistance to heat, acid and H2O2 compared with the wild type (wt) (Karatzas, K.A.G. and Bennik, M.H.J. 2002 Appl Environ Microbiol 68: 3183–3189). In this study, we conclusively linked the increased HHP and stress tolerance of strain AK01 to a single codon deletion in ctsR (class three stress gene repressor) in a region encoding a highly conserved glycine repeat. CtsR negatively regulates the expression of the clp genes, including clpP, clpE and the clpC operon (encompassing ctsR itself), which belong to the class III heat shock genes. Allelic replacement of the ctsR gene in the wt background with the mutant ctsR gene, designated ctsRΔGly, rendered mutants with phenotypes and protein expression profiles identical to those of strain AK01. The expression levels of CtsR, ClpC and ClpP proteins were significantly higher in ctsRΔGly mutants than in the wt strain, indicative of the CtsRΔGly protein being inactive. Further evidence that the CtsRΔGly protein lacks its repressor function came from the finding that the Clp proteins in the mutant were not further induced upon heat shock, and that HHP tolerance of a ctsR deletion strain was as high as that of a ctsRΔGly mutant. The high HHP tolerance possibly results from the increased expression of the clp genes in the absence of (active) CtsR repressor. Importantly, the strains expressing CtsRΔGly show significantly attenuated virulence compared with the wt strain; however, no indication of disregulation of PrfA in the mutant strains was found. Our data highlight an important regulatory role of the glycine-rich region of CtsR in stress resistance and virulence.

Dysregulation of REST-regulated coding and non-coding RNAs in a cellular model of Huntington's disease

Huntingtin (Htt) protein interacts with many transcriptional regulators, with widespread disruption to the transcriptome in Huntington's disease (HD) brought about by altered interactions with the mutant Htt (muHtt) protein. Repressor Element-1 Silencing Transcription Factor (REST) is a repressor whose association with Htt in the cytoplasm is disrupted in HD, leading to increased nuclear REST and concomitant repression of several neuronal-specific genes, including brain-derived neurotrophic factor (Bdnf). Here, we explored a wide set of HD dysregulated genes to identify direct REST targets whose expression is altered in a cellular model of HD but that can be rescued by knock-down of REST activity. We found many direct REST target genes encoding proteins important for nervous system development, including a cohort involved in synaptic transmission, at least two of which can be rescued at the protein level by REST knock-down. We also identified several microRNAs (miRNAs) whose aberrant repression is directly mediated by REST, including miR-137, which has not previously been shown to be a direct REST target in mouse. These data provide evidence of the contribution of inappropriate REST-mediated transcriptional repression to the widespread changes in coding and non-coding gene expression in a cellular model of HD that may affect normal neuronal function and survival.

REST: transcriptional and epigenetic regulator

Acquisition and maintenance of cell fate and potential are dependent on the complex interplay of extracellular signaling, gene regulatory networks and epigenetic states. During embryonic development, embryonic stem cells become progressively more restricted along specific lineages, ultimately giving rise to the diversity of cell types in the adult mammalian organism. Recent years have seen major advances in our understanding of the mechanisms that regulate the underlying transcriptional programmes during development. In particular, there has been a significant increase in our knowledge of how epigenetic marks on chromatin can regulate transcription by generating more or less permissive chromatin conformations. This article focuses on how a single transcription factor, repressor element-1 silencing transcription factor, can function as both a transcriptional and epigenetic regulator, controlling diverse aspects of development. We will discuss how the elucidation of repressor element-1 silencing transcription factor function in both normal and disease conditions has provided valuable insights into how the epigenome and transcriptional regulators might cooperatively orchestrate correct development.