Study of imprinted genes in bovine embryos produced by assisted reproductive technologies

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Heteroplasmy in mammal mitochondrial deoxyribonucleic acid

La nature a développé diverses stratégies afin d’assurer le commencement de la vie dans des conditions d’homoplasmie, c’est-à-dire des conditions telles que les cellules sont dotées du même ADN mitochondrial. Toutefois, des nouveaux haplotypes de l’acide désoxyribonucléique mitochondrial (ADNmt) peuvent apparaitre et croître de plusieurs façons tout au long de la durée d’une vie menant à l’hétéroplasmie. Par exemple, l’hétéroplasmie de l’ADNmt peut être créée artificiellement par des technologies reproductives assistées, ainsi que naturellement par le processus de vieillissement. De ce fait, la thèse de ce doctorat fut divisée en deux principaux objectifs. Le premier étant celui d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt produit par le transfert nucléaire des cellules somatiques (SCNT) lors du développement de l’embryon jusqu’au fœtus et aux tissus adultes de bovins clonés. En ce qui concerne le second objectif, il s’agit d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt causés par le vieillissement dans une cellule somatique adulte et dans des tissus germinaux durant l’ovogénèse, ainsi qu’au début de l’embryogenèse et dans la procédure de culture in vitro sur des souris. Dans la première série d’expériences sur des bovins, des fibroblastes fœtaux transportant une mutation d’ADNmt (insertion de 66 pb) furent fusionnés avec des ovocytes receveurs transportant l’ADNmt du type sauvage. La présence d’ADNmt venant de la cellule donneuse a été analysée à différents stades de développement, soit sur des embryons âgés de 17 jours (n=17), des fœtus âgés de 40 jours (n=3), des fœtus âgés de 60 jours (n=3), un fœtus âgé de 240 jours et 3 clones post-nataux âgés de 18 à 24 mois. Chaque individu s’est avéré être hétéroplasmique et 99 % (103/104) des échantillons de tissus analysés étaient également hétéroplasmiques. Cependant, l’ovaire venant du fœtus de 240 jours fut le seul à être homoplasmique pour l’ADNmt de l’ovocyte receveur. Dans la plupart des échantillons analysés (95,2 %, soit 99/104) la moyenne d’hétéroplasmie était de 1,46 %. Par contre, un fœtus âgé de 40 jours a présenté un niveau élevé d’hétéroplasmie (20,9 %), indiquant ainsi que des évènements rares d’augmentation de l’ADNmt des cellules donneuses peuvent survenir. Étant donné que la majorité des clones SCNT montrait de l’hétéroplasmie de l’ADNmt à des proportions comparables à celles des cellules donneuses au moment de la reconstruction de l’embryon, on a pu conclure que l’hétéroplasmie produite par des techniques de transfert nucléaire utilisant des cellules somatiques est due à une ségrégation neutre de l’ADNmt. Dans la seconde série d’expériences sur des souris, des femelles de différents âges, c.à.d. jeunes (0 – 8 mois), moyennes (8 – 16 mois) et vieilles (16 – 24 mois), ont été synchronisées (gonadotrophines) et sacrifiées dans le but d’obtenir des ovocytes au stade de vésicule germinal, et des ovocytes au stade métaphase-II produits in vivo et in vitro. De plus, des embryons in vivo et in vitro au stade de deux-cellules et des embryons au stade de blastocystes ont été obtenus de femelles jeunes. Différents tissus somatiques, venant de femelles des trois stades d’âge ont été obtenus : cerveau, foie, muscle et du cumulus ovocytaire. De plus, l’effet du vieillissement a été mesuré selon la fertilité de la femelle. En effet, les effets sur l’hétéroplasmie du vieillissement, du stade de développement et de la culture in vitro ont été mesurés dans des ovocytes et dans des embryons. Les effets du vieillissement sur les mitochondries ont été mesurés par rapport au nombre total de copies de l’ADNmt, au pourcentage des délétions communes et sur l’expression de trois gènes : Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. Il a été possible d’observer que la fertilité des femelles dans la colonie de souris diminuait avec l’âge. En fait, le vieillissement affectait l’ADNmt dans les tissus somatiques, cependant il n’avait pas d’effet sur le cumulus, les ovocytes et les embryons. Le nombre de délétions de l’ADNmt augmentait pendant la reprise de la méiose et celui-ci diminuait au début du développement embryonnaire. La culture in vitro n’affectait pas la quantité d’ADNmt dans la plupart des tissus germinaux. Puisque nous n’avons pas trouvé d’effet de l’âge dans la majorité des paramètres mitochondriaux analysés dans les ovocytes et les embryons, il est suggéré que la délétion commune de l’ADNmt dans les tissus germinaux est davantage reliée au statut cellulaire de la production d’énergie qu’au processus de vieillissement. Deux sources différentes de mutations de l’ADNmt produites dans les ovocytes normaux ou reconstitués ont produit différents résultats d’hétéroplasmie au début de l’embryogénèse. Chez les bovins, l’hétéroplasmie artificielle impliquant une petite insertion (66 pb) dans la région non codante (D-loop) de l’ADNmt a été vraisemblablement non nocive pour l’embryon, tolérant la persistance de l’ADNmt étranger pendant les différents stades du développement des clones. Chez les souris, l’hétéroplasmie naturelle produite par une grande délétion (4974 pb délétion commune) dans la région codante de l’ADNmt a été vraisemblablement nocive pour l’embryon et par conséquent éliminée pour assurer l’homoplasmie au début du développement embryonnaire.

Somatic Cell Therapy: A Genetic Rescue for a Tattered Immune System?

Étude de cas / Case study

The orphan nuclear receptor NR5A2 regulates peri-ovulatory events and their consequent luteinization in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2, également connu sous le nom de liver receptor homolog-1 (Lrh-1), est exprimé au niveau de l’ovaire chez la souris, exclusivement dans les cellules lutéales et de la granulosa. La perturbation de Nr5a2, spécifique aux cellules de la granulosa chez la souris à partir des follicules primaires dans la trajectoire du développement folliculaire a démontré que Nr5a2 est un régulateur clé de l’ovulation et de la fertilité chez la femelle. Notre hypothèse veut que Nr5a2 régule les évènements péri- et post-ovulatoires dans une séquence temporelle lors de la folliculogénèse. Afin d'étudier l’implication de Nr5a2 lors de l’ovulation et de la lutéinisation à différents stades du développement folliculaire, nous avons généré deux modèles de souris knockout spécifiques aux cellules de la granulosa pour Nr5a2: 1) Nr5a2Amhr2-/-, avec une réduction de Nr5a2 à partir des follicules primaires et subséquents; 2) Nr5a2Cyp19-/-, avec une réduction de Nr5a2 débutant au stade antral de développement en progressant. L’absence de Nr5a2 à partir des follicules antraux a résulté en une infertilité chez les femelles Nr5a2Cyp19-/-, de même qu’en des structures non-fonctionnelles similaires aux structures lutéales au niveau des ovaires, en une réduction des niveaux de progestérone synthétisée ainsi qu’en un échec dans le support d’une pseudo-gestation. La synthèse de progestérone a été entravée suite à l’absence de Nr5a2 par l’entremise d’une régulation à la baisse des gènes reliés au transport du cholestérol, Scarb1, StAR et Ldlr, démontré par qPCR. Les complexes cumulus-oocytes des femelles Nr5a2Cyp19-/- immatures super-stimulées ont subi une expansion in vivo, mais l’ovulation a été perturbée, possiblement par une régulation à la baisse du gène du récepteur de la progestérone (Pgr). Un essai d’expansion du cumulus in vitro a démontré une expansion défectueuse du cumulus chez les Nr5a2Amhr2-/-, associée à un dérèglement de la protéine des jonctions communicantes (Gja1; Cx43). Cependant, l’expansion du cumulus chez les Nr5a2Cyp19-/- n’a pas été autant affectée. Des résultats obtenus par qPCR ont démontré une régulation à la baisse dans l’expression des gènes Areg, Ereg, Btc et Tnfaip6 chez les deux modèles de cellules ovariennes knockout à 2h et 4h post hCG. Nous avons observé que 85% des oocytes, chez les deux génotypes mutants, peuvent subir une rupture de la vésicule germinative, confirmant leur capacité de maturation in vivo. La technique d’injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes a prouvé que les oocytes des deux génotypes mutants sont fertilisables et que 70% des embryons résultants ont poursuivi leur développement vers le stade de blastocyste, et ce, indépendamment du génotype. En conclusion, Nr5a2 régule la fertilité chez les femelles tout au long du processus du développement folliculaire. Il a été démontré que Nr5a2 est essentiel à la lutéinisation et que sa perturbation dans les cellules somatiques ovariennes ne compromet pas la capacité des oocytes à être fertilisés. En vue d’ensemble, nous avons fourni une investigation inédite et complète, utilisant de multiples modèles et techniques afin de déterminer les mécanismes par lesquels Nr5a2 régule les importants processus que sont l’expansion du cumulus, l’ovulation ainsi que la formation du corps jaune.

Dérivation de cellules souches pluripotentes induites autologues à partir du clonage somatique équin

Le recours aux cellules souches pour améliorer la réparation et guérison des blessures et maladies musculosquelettiques chez le cheval est de plus en plus fréquent. Les développements récents dans la reprogrammation cellulaire ont permis le développement de nouvelles sources de cellules souches pour ces thérapies régénératives. Des cellules souches pluripotentes induites (iPS) autologues peuvent être dérivées de cellules adultes par la reprogrammation directe à travers l'expression induite des gènes de pluripotence. Le clonage par transfert nucléaire (SCNT) suivi de la dérivation de cellules souches embryonnaires (ES) permet la reprogrammation indirecte des cellules adultes. Cependant, l’efficacité de ces deux méthodes pour la dérivation de cellules pluripotentes génétiquement stables est faible. Nous avons donc combiné les techniques SCNT et iPS dans le but de développer un protocole efficace de dérivation de cellules iPS autologues à partir de fibroblastes de la peau équine. Quatre facteurs de reprogrammation ont été introduits dans les cellules fibroblastes de fœtus clonés (ntFF) ainsi que les cellules ES provenant d’embryons clonés (ntES) pour induire leur reprogrammation en cellules iPS autologues. Les cellules ntFF-iPS et ntES-iPS ont des capacités prolifératives avancées et expriment des marqueurs de pluripotence importants. Par contre, les cellules ntES ont une efficacité de reprogrammation significativement supérieure aux cellules nt-FF et forment des colonies trois fois plus rapidement. Contrairement aux cellules ntES, les cellules ntES-iPS démontrent une augmentation de l’expression des marqueurs de pluripotence et survivent à la culture cellulaire prolongée. Les résultats présentés dans ce mémoire attestent que l’utilisation de la reprogrammation secondaire de cellules FF et ES clonées permet la production de cellules souches pluripotentes autologues stables chez le cheval.

Effets de la reprogrammation sur le gène empreinté H19 chez les équins

Lors de la fécondation, le génome subit des transformations épigénétiques qui vont guider le développement et le phénotype de l’embryon. L'avènement des techniques de reprogrammation cellulaire, permettant la dédifférenciation d'une cellule somatique adulte, ouvre la porte à de nouvelles thérapies régénératives. Par exemple, les procédures de transfert nucléaire de cellules somatique (SCNT) ainsi que la pluripotence par induction (IP) visent à reprogrammer une cellule somatique adulte différentiée à un état pluripotent similaire à celui trouvé durant la fécondation chez l'embryon sans en impacter l'expression génique vitale au fonctionnement cellulaire. Cependant, la reprogrammation partielle est souvent associée à une mauvaise méthylation de séquences géniques responsables de la régulation des empreintes géniques. Ces gènes, étudiés chez la souris, le bovin et l'humain, sont exprimés de manière monoallélique, parent spécifique et sont vitaux pour le développement embryonnaire. Ainsi, nous avons voulu définir le statut épigénétique du gène empreinté H19 chez l'équin, autant chez le gamètes que les embryons dérivés de manière in vivo, SCNT ainsi que les cellules pluripotentes induites (iPSC). Une région contrôle empreinté (ICR) riche en îlots CpG a été observée en amont du promoteur. Couplé avec une analyse de transcrit parent spécifique du gène H19, nous avons confirmé que l'empreinte du gène H19 suit le modèle insulaire décrit chez les autres mammifères étudiés et résiste à la reprogrammation induite par SCNT ou IP. La déméthylation partielle de l'ICR observée chez certains échantillons reprogrammés n'était pas suffisante pour induire une expression biallélique, suggérant un contrôle des empreintes chez les équins durant la reprogrammation.

Increased spinal pain sensitization : a new explanation for highly prevalent painful somatic symptoms in major depressive disorder?

Objectifs: Malgré que les patients souffrant de dépression majeure (DM) rapportent souvent des symptômes douloureux, la relation entre la douleur et la dépression n’est pas encore claire. Ce n’est que récemment que des études employant des paradigmes de sommation temporelle ont pu offrir une explication préliminaire de la cooccurrence de la douleur et de la dépression. Notre étude vise à évaluer la contribution des procédés spinaux et surpraspinaux dans la sensibilisation de la douleur dans la DM en utilisant un paradigme de sommation temporelle. Participants : Treize sujets sains et quatorze patients souffrant de DM ont été inclues dans l’analyse finale. Méthodes : Pour induire une sommation temporelle, nous avons utilisé des stimulations intermittentes du nerf sural de basses et hautes fréquences. La sensibilisation spinale de la douleur a été quantifiée en mesurant la variation de l’amplitude du réflex de retrait nociceptif (NFR) entre les deux conditions de stimulations, ainsi que la sensibilisation supraspinale de la douleur a été obtenue en mesurant le changement dans l’appréciation verbale de la douleur entre ces deux conditions. Résultats : Nous avons observé une sensibilisation plus élevée de la réponse NFR chez les patients dépressifs durant la condition de stimulation à haute fréquence, un effet qui n’a pas été reflété par une sensibilisation amplifiée des appréciations subjectives de la douleur durant l’expérience. Néanmoins, nous avons observé une association entre la sensibilisation spinale et les symptômes somatiques douloureux chez les patients DM. Conclusion : Ces résultats suggèrent une sensibilisation spinale amplifiée dans la DM, ce qui pourrait expliquer la prévalence élevée des symptômes somatiques douloureux chez ces patients.

Tissue- specific DNA methylation profiles in newborns

Experimental and epidemiological studies demonstrate that fetal growth restriction and low birth weight enhance the risk of chronic diseases in adulthood. Derangements in tissue-specific epigenetic programming of fetal and placental tissues are a suggested mechanism of which DNA methylation is best understood. DNA methylation profiles in human tissue are mostly performed in DNA from white blood cells. The objective of this study was to assess DNA methylation profiles of IGF2 DMR and H19 in DNA derived from four tissues of the newborn. We obtained from 6 newborns DNA from fetal placental tissue (n = 5), umbilical cord CD34+ hematopoietic stem cells (HSC) and CD34- mononuclear cells (MNC) (n = 6), and umbilical cord Wharton jelly (n = 5). HCS were isolated using magnetic-activated cell separation. DNA methylation of the imprinted fetal growth genes IGF2 DMR and H19 was measured in all tissues using quantitative mass spectrometry. ANOVA testing showed tissue-specific differences in DNA methylation of IGF2 DMR (p value 0.002) and H19 (p value 0.001) mainly due to a higher methylation of IGF2 DMR in Wharton jelly (mean 0.65, sd 0.14) and a lower methylation of H19 in placental tissue (mean 0.25, sd 0.02) compared to other tissues. This study demonstrates the feasibility of the assessment of differential tissue specific DNA methylation. Although the results have to be confirmed in larger sample sizes, our approach gives opportunities to investigate epigenetic profiles as underlying mechanism of associations between pregnancy exposures and outcome, and disease risks in later life.

Psychometric properties of the Somatic Complaints Scale in Spanish children and adults

Resumen tomado de la publicaci??n

Detection of somaclonal variation during cocoa somatic embryogenesis characterised using cleaved amplified polymorphic sequence and the new freeware Artbio

The scarcity and stochastic nature of genetic mutations presents a significant challenge for scientists seeking to characterise de novo mutation frequency at specific loci. Such mutations can be particularly numerous during regeneration of plants from in vitro culture and can undermine the value of germplasm conservation efforts. We used cleaved amplified polymorphic sequence (CAPS) analysis to characterise new mutations amongst a clonal population of cocoa plants regenerated via a somatic embryogenesis protocol used previously for cocoa cryopreservation. Efficacy of the CAPS system for mutation detection was greatly improved after an ‘a priori’ in silico screen of reference target sequences for actual and potential restriction enzyme recognition sites using a new freely available software called Artbio. Artbio surveys known sequences for existing restriction enzyme recognition sites but also identifies all single nucleotide polymorphism (SNP) deviations from such motifs. Using this software, we performed an in silico screen of seven loci for restriction sites and their potential mutant SNP variants that were possible from 21 restriction enzymes. The four most informative locus-enzyme combinations were then used to survey the regenerant populations for de novo mutants. We characterised the pattern of point mutations and, using the outputs of Artbio, calculated the ratio of base substitution in 114 somatic embryo-derived cocoa regenerants originating from two explant genotypes. We found 49 polymorphisms, comprising 26.3% of the samples screened, with an inferred rate of 2.8 × 10−3 substitutions/screened base. This elevated rate is of a similar order of magnitude to previous reports of de novo microsatellite length mutations arising in the crop and suggests caution should be exercised when applying somatic embryogenesis for the conservation of plant germplasm.

Overexpression of coconut AINTEGUMENTA-like gene, CnANT, promotes in vitro regeneration in transgenic Arabidopsis

Knowledge of the molecular biological changes underlying the process of embryogenesis is important for the improvement of somatic embryogenesis of coconut. Among the transcription factors that control the transition from vegetative to embryogenic growth, members of APETALA2/Ethylene-responsive element binding protein domain family play an important role in promoting embryo development. Significant insights into the role of AP2 genes have been obtained by the ectopic expression of AP2 sub family genes in transgenic Arabidopsis. A homolog of the AINTEGUMENTA-like gene that encodes the two AP2 domains and the linker region was identified in the coconut genome. Phylogenetic analysis showed that this gene, CnANT, encodes a protein that branched with BABY BOOM/PLETHORA clade in the AINTEGUMENTA-like major clade and was similar to the oil palm EgAP2-1 protein. According to real time RT-PCR results, higher expression of CnANT was observed in more mature zygotic embryos. Also, high CnANT expression was recorded in embryogenic callus compared to other stages of somatic embryogenesis. We examined the effect of ectopic CnANT expression on the development and regenerative capacity of transgenic Arabidopsis. Overexpression of CnANT in Arabidopsis induced hormone free regeneration of explants. Furthermore, ectopic expression of CnANT enhanced regeneration in vitro and suggested a role for this gene in cell proliferation during in vitro culture.

Highly efficient neural differentiation of human somatic stem cells, isolated by minimally invasive periodontal surgery

Neural stem cells (NSCs) are potential sources for cell therapy of neurodegenerative diseases and for drug screening. Despite their potential benefits, ethical and practical considerations limit the application of NSCs derived from human embryonic stem cells (ES) or adult brain tissue. Thus, alternative sources are required to satisfy the criteria of ready accessibility, rapid expansion in chemically defined media and reliable induction to a neuronal fate. We isolated somatic stem cells from the human periodontium that were collected during minimally invasive periodontal access flap surgery as part of guided tissue regeneration therapy. These cells could be propagated as neurospheres in serum-free medium, which underscores their cranial neural crest cell origin. Culture in the presence of epidermal growth factor (EGF) and fibroblast growth factor-2 (FGF-2) under serum-free conditions resulted in large numbers of nestin-positive/Sox-2-positive NSCs. These periodontium-derived (pd) NSCs are highly proliferative and migrate in response to chemokines that have been described as inducing NSC migration. We used immunocytochemical techniques and RT-PCR analysis to assess neural differentiation after treatment of the expanded cells with a novel induction medium. Adherence to substrate, growth factor deprivation, and retinoic acid treatment led to the acquisition of neuronal morphology and stable expression of markers of neuronal differentiation by more than 90% of the cells. Thus, our novel method might provide nearly limitless numbers of neuronal precursors from a readily accessible autologous adult human source, which could be used as a platform for further experimental studies and has potential therapeutic implications.