Les protéines Staufen et leurs rôles dans la régulation posttranscriptionnelle de l’expression des gènes, la réponse aux dommages à l’ADN et le cycle cellulaire

Les différents mécanismes de régulation posttranscriptionnelle de l’expression des gènes sont de plus en plus reconnus comme des processus essentiels dans divers phénomènes physiologiques importants, comme la prolifération cellulaire et la réponse aux dommages à l’ADN. Deux des protéines impliquées dans ce type de régulation sont Staufen1 (Stau1) et Staufen2 (Stau2). Elles sont des protéines de liaison à l’ARN double brin qui contribuent au transport de l’ARN messager (ARNm), au contrôle de la traduction, à l’épissage alternatif et sont responsables de la dégradation de certains ARNm spécifiques. Les protéines Staufen peuvent en effet s’associer à des ARNm bien précis, d’autant plus que, majoritairement, Stau1 et Stau2 ne se retrouvent pas en complexe avec les mêmes cibles. De nombreuses évidences récentes montrent l’implication de divers mécanismes de régulation posttranscriptionnelle dans la réponse aux dommages à l’ADN, plusieurs protéines de liaison à l’ARN y participant d’ailleurs. De façon importante, cette réponse dicte un ou plusieurs destin(s) à la cellule qui doit réagir à la suite de dommages à l’intégrité de son ADN: réparation de l’ADN, arrêt de la prolifération cellulaire, apoptose. Nous avons donc fait l’hypothèse que l’expression de Stau1 et/ou de Stau2 pourrait être affectée en réponse à un stress génotoxique, ce qui pourrait avoir comme conséquence de moduler l’expression et/ou la stabilité de leurs ARNm cibles. De même, notre laboratoire a récemment observé que l’expression de Stau1 varie pendant le cycle cellulaire, celle-ci étant plus élevée jusqu’au début de la mitose (prométaphase), puis elle diminue alors que les cellules complètent leur division. Par conséquent, nous avons fait l’hypothèse que Stau1 pourrait lier des ARNm de façon différentielle dans des cellules bloquées en prométaphase et dans des cellules asynchrones. D’un côté, en employant la camptothécine (CPT), une drogue causant des dommages à l’ADN, pour traiter des cellules de la lignée de cancer colorectal HCT116, nous avons observé que seule l’expression de Stau2 est réduite de façon considérable, tant au niveau de la protéine que de l’ARNm. L’utilisation d’autres agents cytotoxiques a permis de confirmer cette observation initiale. De plus, nous avons constaté que l’expression de Stau2 est touchée même dans des conditions n’engendrant pas une réponse apoptotique, ce qui suggère que cette déplétion de Stau2 est possiblement importante pour la mise en place d’une réponse appropriée aux dommages à l’ADN. D’ailleurs, la surexpression de Stau2 conjointement avec le traitement à la CPT entraîne un retard dans l’induction de l’apoptose dans les cellules HCT116. Nous avons aussi montré que la diminution de l’expression de Stau2 est due à une régulation de sa transcription en réponse au stress génotoxique, ce pourquoi une région minimale du promoteur putatif de Stau2 est nécessaire. Également, nous avons identifié que le facteur de transcription E2F1, couramment impliqué dans la réponse aux dommages à l’ADN, peut contrôler l’expression de Stau2. Ainsi, E2F1 permet une augmentation de l’expression de Stau2 dans des cellules non traitées, mais cette hausse est abolie dans des cellules traitées à la CPT, ce qui suggère que la CPT pourrait agir en inhibant l’activation transcriptionnelle de Stau2 par E2F1. Enfin, nous avons observé que certains ARNm associés à Stau2, et codant pour des protéines impliquées dans la réponse aux dommages à l’ADN et l’apoptose, sont exprimés différemment dans des cellules traitées à la CPT et des cellules non traitées. D’un autre côté, nous avons identifié les ARNm associés à Stau1 lors de la prométaphase, alors que l’expression de Stau1 est à son niveau le plus élevé pendant le cycle cellulaire, grâce à une étude à grande échelle de micropuces d’ADN dans des cellules HEK293T. Nous avons par la suite confirmé l’association entre Stau1 et certains ARNm d’intérêts, donc codant pour des protéines impliquées dans la régulation de la prolifération cellulaire et/ou le déroulement de la mitose. Une comparaison de la liaison de ces ARNm à Stau1 dans des cellules bloquées en prométaphase par rapport à des cellules asynchrones nous a permis de constater une association préférentielle dans les cellules en prométaphase. Ceci suggère une augmentation potentielle de la régulation de ces ARNm par Stau1 à ce moment du cycle cellulaire. Les données présentées dans cette thèse indiquent vraisemblablement que la régulation posttranscriptionnelle de l’expression génique contrôlée par les protéines Staufen se fait en partie grâce à la modulation de l’expression de Stau1 et de Stau2 en fonction des conditions cellulaires. Nous envisageons alors que cette variation de l’expression des protéines Staufen ait des conséquences sur des sous-ensembles d’ARNm auxquels elles sont liées et que de cette façon, elles jouent un rôle pour réguler des processus physiologiques essentiels comme la réponse aux dommages à l’ADN et la progression dans le cycle cellulaire.

Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

L'impact de l'infiltration lymphocytaire sur le pronostic de l'adénocarcinome du pancréas

L’objectif principal de cette étude est de déterminer la valeur pronostique de l’infiltrat lymphocytaire dans l’adénocarcinome du pancréas. Les densités des lymphocytes T CD3+, CD4+, CD8+, FOXP3+ et CD45RO+ intratumoraux (T) et péritumoraux (PT) de 111 spécimens ont été mesurées avec des micromatrices tissulaires. Un Index Lymphocytaire (IL) a été créé basé sur les valeurs des CD4+ T, CD8+ PT et le ratio CD3+ T/PT regroupant les patients selon que les tumeurs présentaient aucune (IL---), 1 à 2 (IL+/-) ou les 3 caractéristiques immunitaires favorables (IL+++). La survie médiane des patients atteints d’un cancer du pancréas est significativement différente selon la catégorie d’index lymphocytaire; elle était de 14 mois pour IL---, de 19 mois pour IL +/- et de 29 mois pour IL+++ (p=0,01). L’IL est un facteur indépendant de survie en analyse multivariée ainsi que la différenciation tumorale et l’utilisation d’un traitement adjuvant. L’IL est un facteur pronostique de survie des adénocarcinomes du pancréas réséqués et devrait pouvoir permettre une meilleure classification des patients.

Identification and characterization of new biomarkers in aggressive subtypes of breast cancer

En 2015, la récidive tumorale et les métastases du cancer du sein demeurent une cause importante de décès à travers le monde. Toutefois, ces cancers sont souvent hétérogènes car en dépit d’un phénotype similaire, l’évolution clinique et la réponse au traitement peuvent varier considérablement. Il y a donc un intérêt évident à identifier et à caractériser de nouveaux biomarqueurs pour permettre classer les tumeurs mammaires dans des sous-groupes plus homogènes. Notre hypothèse est que chaque cancer mammaire possède des caractéristiques distinctes au plan des altérations du génome et des profils d’expression géniques et que ces changements se traduisent cliniquement par une prédisposition à former des métastases ou à répondre ou non à la chimiothérapie et aux thérapies ciblées. Dans le cadre de nos travaux, nous nous sommes intéressés aux sous-types agressifs de tumeurs mammaires et notamment les cancers de type triple négatif. Nous avons aussi tenté d’identifier des marqueurs capables de distinguer l’une de l’autre les tumeurs de type luminal A et luminal B. Pour ce faire, nous avons d’abord utilisé une stratégie in silico à partir de données publiques (micro-puces d’ADN et séquençage de l’ARN). Nous avons ensuite construit sept micro-matrices tissulaires (TMA) provenant de tissus mammaires normaux et tumoraux fixés à la formaline et enrobés en paraffine. Ces outils nous ont permis d’évaluer par immunohistochimie les niveaux d’expression différentielle des marqueurs suivants : ANXA1, MMP-9, DP103 et MCM2. Ceux-ci ont été comparés aux marqueurs usuels du cancer du sein (ER, PR, HER2, CK5/6 et FOXA1) et corrélés aux données cliniques (survie globale et métastase). Nos résultats indiquent que ces nouveaux marqueurs jouent un rôle important dans l’évolution clinique défavorable des tumeurs de haut grade. Dans un premier article nous avons montré que l’expression d’ANXA1 est dérégulée dans les cancers de type triple-négatif et aussi, dans une certaine mesure, dans les tumeurs HER2+. Nous croyons qu’ANXA1 permet de mieux comprendre le processus d’hétérogénéité tumorale et facilite l’identification des tumeurs de haut grade. Nous proposons également qu’ d’ANXA1 stimule la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) et la formation des métastases. Dans un second temps, nous avons montré que les niveaux d’expression de MMP-9 reflètent la différenciation cellulaire et corrèlent avec les sous-types de cancers mammaires ayant un mauvais pronostic. Nous estimons que MMP-9 permet de mieux comprendre et d’identifier les tumeurs mammaires à haut risque. De fait, la surexpression de MMP-9 est associée à une augmentation des métastases, une récidive précoce et une diminution de la survie globale. Dans le cadre d’un troisième article, nous avons montré que la surexpression du marqueur de prolifération MCM2 s’observe dans les cancers triple-négatifs, HER2+ et Luminal B par comparaison aux cancers luminal A (p< 0.0001). Nos résultats suggèrent qu’en utilisant un seuil de 40% de noyaux marqués, nous pourrions distinguer l’une de l’autre les tumeurs de type luminal A et luminal B. Cela dit, avant de pouvoir envisager l’utilisation de ce marqueur en clinique, une étude de validation sur une nouvelle cohorte de patientes s’impose. En somme, les résultats de nos travaux suggèrent qu’ANXA1, MMP-9 et MCM2 sont des marqueurs intéressants pour mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques impliqués dans la progression tumorale et le développement des métastases. À terme, ces nouveaux marqueurs pourraient être utilisés seuls ou en combinaison avec d’autres gènes candidats pour permettre le développement de trousses « multigènes » ou d’essais protéomiques multiplex pour prédire l’évolution clinique des cancers mammaires.

Prevalence et caracterisation de Staphylococcus aureus resistant a la methicilline d'origine aviaire au Quebec

Le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) est un enjeu majeur en santé publique. Il est responsable d’une grande variété d’infections. Les “Livestock Associated-MRSA” (LA-MRSA) sont des SARM ayant comme origine les animaux de production tels le porc ou la volaille. Ils constituent un risque de transmission à l’humain via la chaîne alimentaire. Les LA-MRSA peuvent former du biofilm ce qui augmente leur tolérance aux stress environnementaux. Le biofilm est partiellement régulé par le système Agr. Il n’existe aucune donnée sur les ‘LA-MRSA’ d’origine aviaire au Québec. Les objectifs de ce projet étaient : (i) de déterminer la prévalence de ces SARM dans la viande de poulet et le poulet à griller de la province de Québec et (ii) de caractériser les isolats retrouvés. La collecte d’échantillons s’est effectuée dans 43 épiceries (309 cuisses et pilons de poulet) et dans deux abattoirs (échantillons nasaux et fécaux de 200 poulets) de la Montérégie. La prévalence de SARM a été évaluée à 1.29% (IC 95%: 0.35-3.28) et 0% dans la viande et les oiseaux respectivement. Les isolats testés se sont révélés résistants aux bêta-lactamines (n=15), à la tétracycline (n=10), à l’oxytétracycline (n=10), à la spectinomycine (n=10) et à la tobramycine (n=1). Le typage a révélé deux clones différents (ST398-V, n=10; et ST8-IVa ’USA300’, n=5). La présence de gènes de résistance aux antibiotiques (blaZ, blaR, blaI, erm(A), lnu(A), aad(D), fosB, tet(K), tet(L) et spc) ainsi que plusieurs gènes codant pour l’évasion du système immunitaire (IEC), la production de toxines ou encore pour la production de biofilm ont aussi été détectés. Une forte production de biofilm a été observée pour la majorité des isolats (n=11) à l’exception de certains isolats ST398. Le taux d’expression du système Agr n’a révélé aucune différence particulière entre les SARM testés. Pour conclure, nos données indiquent une faible prévalence de SARM chez la volaille et la viande de poulet. Les isolats ont été catégorisés en deux génotypes, dont un portant plus de gènes de résistance aux antibiotiques (ST398) et l’autre possédant plus de gènes de virulence (ST8).

Dissection moléculaire de la sénescence cellulaire induite par le stress et la thérapie dans le cancer de l’ovaire et son impact sur la réponse des patientes

Le cancer de l’ovaire (COv) est le cancer gynécologique le plus létal chez la femme et les traitements existants, chirurgie et chimiothérapie, ont peu évolué au cours des dernières décennies. Nous proposons que la compréhension des différents destins cellulaires tels que la sénescence que peuvent choisir les cellules du cancer de l’ovaire en réponse à la chimiothérapie pourrait conduire à de nouvelles opportunités thérapeutiques. La sénescence cellulaire a été largement associée à l’activité de la protéine TP53, qui est mutée dans plus de 90% des cas de cancer de l’ovaire séreux de haut grade (COv-SHG), la forme la plus commune de la maladie. Dans nos travaux, à partir d’échantillons dérivés de patientes, nous montrons que les cultures primaires du cancer de l’ovaire séreux de haut grade exposées au stress ou à des drogues utilisées en chimiothérapie entrent en senescence grâce à l’activité d’un isoforme du gène CDKN2A (p16INK4A). Dans ces cellules, nous avons évalué les caractéristiques fondamentales de la sénescence cellulaire tels que les altérations morphologiques, l’activité béta galactosidase associée à la sénescence, les dommages à l’ADN, l’arrêt du cycle cellulaire et le phénotype sécrétoire associé à la sénescence. En utilisant des micromatrices tissulaires construites à partir d’échantillons humains de COv-SHG pré- et post-chimiothérapie, accompagnées de leurs données cliniques, nous avons quantifié des marqueurs de sénescence incluant une diminution de la prolifération cellulaire quelques semaines après chimiothérapie. De façon intéressante, l’expression de p16INK4A dans les échantillons de COv-SHG prétraitement corrèle avec une survie prolongée des patientes suite au traitement. Ceci suggère ainsi pour la première fois un impact biologique bénéfique pour la présence de cellules cancéreuses qui sont capable d’activer la sénescence, particulièrement pour le traitement du cancer de l’ovaire. Dans le but de complémenter les thérapies actuelles avec des approches de manipulation pharmacologique de la sénescence, nos résultats suggèrent qu’il serait important de déterminer l’impact positif ou négatif de la sénescence induite par la thérapie sur la progression de la maladie et la survie, pour chaque type de cancer de façon indépendante.

Regulation of GABA(A) and glutamate receptor expression, synaptic facilitation and long-term potentiation in the hippocampus of prion mutant mice

Background: Prionopathies are characterized by spongiform brain degeneration, myoclonia, dementia, and periodic electroencephalographic (EEG) disturbances. The hallmark of prioniopathies is the presence of an abnormal conformational isoform (PrP(sc)) of the natural cellular prion protein (PrP(c)) encoded by the Prnp gene. Although several roles have been attributed to PrP(c), its putative functions in neuronal excitability are unknown. Although early studies of the behavior of Prnp knockout mice described minor changes, later studies report altered behavior. To date, most functional PrP(c) studies on synaptic plasticity have been performed in vitro. To our knowledge, only one electrophysiological study has been performed in vivo in anesthetized mice, by Curtis and coworkers. They reported no significant differences in paired-pulse facilitation or LTP in the CA1 region after Schaffer collateral/commissural pathway stimulation. Principal Findings: Here we explore the role of PrP(c) expression in neurotransmission and neural excitability using wild-type, Prnp -/- and PrP(c)-overexpressing mice (Tg20 strain). By correlating histopathology with electrophysiology in living behaving mice, we demonstrate that both Prnp -/- mice but, more relevantly Tg20 mice show increased susceptibility to KA, leading to significant cell death in the hippocampus. This finding correlates with enhanced synaptic facilitation in paired-pulse experiments and hippocampal LTP in living behaving mutant mice. Gene expression profiling using Illumina microarrays and Ingenuity pathways analysis showed that 129 genes involved in canonical pathways such as Ubiquitination or Neurotransmission were co-regulated in Prnp -/- and Tg20 mice. Lastly, RT-qPCR of neurotransmission-related genes indicated that subunits of GABA(A) and AMPA-kainate receptors are co-regulated in both Prnp -/- and Tg20 mice. Conclusions/Significance: Present results demonstrate that PrP(c) is necessary for the proper homeostatic functioning of hippocampal circuits, because of its relationships with GABA(A) and AMPA-Kainate neurotransmission. New PrP(c) functions have recently been described, which point to PrP(c) as a target for putative therapies in Alzheimer's disease. However, our results indicate that a "gain of function" strategy in Alzheimer's disease, or a "loss of function" in prionopathies, may impair PrP(c) function, with devastating effects. In conclusion, we believe that present data should be taken into account in the development of future therapies.

Development of a Fully Automated Image Analysis Method for High Density cDNA and array CGH Microarray Based Genomic Studies

In this thesis, different techniques for image analysis of high density microarrays have been investigated. Most of the existing image analysis techniques require prior knowledge of image specific parameters and direct user intervention for microarray image quantification. The objective of this research work was to develop of a fully automated image analysis method capable of accurately quantifying the intensity information from high density microarrays images. The method should be robust against noise and contaminations that commonly occur in different stages of microarray development.

SCAPA (Spacially Addressable Protein Array) – a Novel Protein Array for the Differential Profiling of Ligand-receptor Induced Signalling

While protein microarray technology has been successful in demonstrating its usefulness for large scale high-throughput proteome profiling, performance of antibody/antigen microarrays has been only moderately productive. Immobilization of either the capture antibodies or the protein samples on solid supports has severe drawbacks. Denaturation of the immobilized proteins as well as inconsistent orientation of antibodies/ligands on the arrays can lead to erroneous results. This has prompted a number of studies to address these challenges by immobilizing proteins on biocompatible surfaces, which has met with limited success. Our strategy relates to a multiplexed, sensitive and high-throughput method for the screening quantification of intracellular signalling proteins from a complex mixture of proteins. Each signalling protein to be monitored has its capture moiety linked to a specific oligo ‘tag’. The array involves the oligonucleotide hybridization-directed localization and identification of different signalling proteins simultaneously, in a rapid and easy manner. Antibodies have been used as the capture moieties for specific identification of each signaling protein. The method involves covalently partnering each antibody/protein molecule with a unique DNA or DNA derivatives oligonucleotide tag that directs the antibody to a unique site on the microarray due to specific hybridization with a complementary tag-probe on the array. Particular surface modifications and optimal conditions allowed high signal to noise ratio which is essential to the success of this approach.

Compositions in life science data

The aim of this talk is to convince the reader that there are a lot of interesting statistical problems in presentday life science data analysis which seem ultimately connected with compositional statistics. Key words: SAGE, cDNA microarrays, (1D-)NMR, virus quasispecies

Analysis of wheat SAGE tags reveals evidence for widespread antisense transcription

BACKGROUND: Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) is a powerful tool for genome-wide transcription studies. Unlike microarrays, it has the ability to detect novel forms of RNA such as alternatively spliced and antisense transcripts, without the need for prior knowledge of their existence. One limitation of using SAGE on an organism with a complex genome and lacking detailed sequence information, such as the hexaploid bread wheat Triticum aestivum, is accurate annotation of the tags generated. Without accurate annotation it is impossible to fully understand the dynamic processes involved in such complex polyploid organisms. Hence we have developed and utilised novel procedures to characterise, in detail, SAGE tags generated from the whole grain transcriptome of hexaploid wheat. RESULTS: Examination of 71,930 Long SAGE tags generated from six libraries derived from two wheat genotypes grown under two different conditions suggested that SAGE is a reliable and reproducible technique for use in studying the hexaploid wheat transcriptome. However, our results also showed that in poorly annotated and/or poorly sequenced genomes, such as hexaploid wheat, considerably more information can be extracted from SAGE data by carrying out a systematic analysis of both perfect and "fuzzy" (partially matched) tags. This detailed analysis of the SAGE data shows first that while there is evidence of alternative polyadenylation this appears to occur exclusively within the 3' untranslated regions. Secondly, we found no strong evidence for widespread alternative splicing in the developing wheat grain transcriptome. However, analysis of our SAGE data shows that antisense transcripts are probably widespread within the transcriptome and appear to be derived from numerous locations within the genome. Examination of antisense transcripts showing sequence similarity to the Puroindoline a and Puroindoline b genes suggests that such antisense transcripts might have a role in the regulation of gene expression. CONCLUSION: Our results indicate that the detailed analysis of transcriptome data, such as SAGE tags, is essential to understand fully the factors that regulate gene expression and that such analysis of the wheat grain transcriptome reveals that antisense transcripts maybe widespread and hence probably play a significant role in the regulation of gene expression during grain development.

Linking molecular and population stress responses in Daphnia magna exposed to cadmium

DNA microarrays can be used to measure environmental stress responses. If they are to be predictive of environmental impact, we need to determine if altered gene expression translates into negative impacts on individuals and populations. A large cDNA microarray (14000 spots) was created to measure molecular stress responses to cadmium in Daphnia magna,the most widely used aquatic indicator species, and relate responses to population growth rate (pgr). We used the array to detect differences in the transcription of genes in juvenile D. magna (24 h old) after 24 h exposure to a control and three cadmium concentrations (6, 20, and 37 mu g Cd2+ L-1). Stress responses at the population level were estimated following a further 8 days exposure. Pgr was approximately linear negative with increasing cadmium concentration over this range. The microarray profile of gene expression in response to acute cadmium exposure begins to provide an overview of the molecular responses of D. magna, especially in relation to growth and development. Of the responding genes, 29% were involved with metabolism including carbohydrate, fat and peptide metabolism, and energy production, 31% were involved with transcription/translation, while 40% of responding genes were associated with cellular processes like growth and moulting, ion transport, and general stress responses (which included oxidative stress). Our production and application of a large Daphnia magna microarray has shown that measured gene responses can be logically linked to the impact of a toxicant such as cadmium on somatic growth and development, and consequently pgr.

Expression of target and reference genes in Daphnia magna exposed to ibuprofen

Background: Transcriptomic techniques are now being applied in ecotoxicology and toxicology to measure the impact of stressors and develop understanding of mechanisms of toxicity. Microarray technology in particular offers the potential to measure thousands of gene responses simultaneously. However, it is important that microarrays responses should be validated, at least initially, using real-time quantitative polymerase chain reaction (QPCR). The accurate measurement of target gene expression requires normalisation to an invariant internal control e. g., total RNA or reference genes. Reference genes are preferable, as they control for variation inherent in the cDNA synthesis and PCR. However, reference gene expression can vary between tissues and experimental conditions, which makes it crucial to validate them prior to application. Results: We evaluated 10 candidate reference genes for QPCR in Daphnia magna following a 24 h exposure to the non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID) ibuprofen (IB) at 0, 20, 40 and 80 mg IB l(-1). Six of the 10 candidates appeared suitable for use as reference genes. As a robust approach, we used a combination normalisation factor (NF), calculated using the geNorm application, based on the geometric mean of three selected reference genes: glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, ubiquitin conjugating enzyme and actin. The effects of normalisation are illustrated using as target gene leukotriene B4 12-hydroxydehydrogenase (Ltb4dh), which was upregulated following 24 h exposure to 63-81 mg IB l(-1). Conclusions: As anticipated, use of the NF clarified the response of Ltb4dh in daphnids exposed to sublethal levels of ibuprofen. Our findings emphasise the importance in toxicogenomics of finding and applying invariant internal QPCR control(s) relevant to the study conditions.

Identification of hepatic molecular mechanisms of action of alpha-tocopherol using global gene expression profile analysis in rats

The recent discovery that vitamin E (VE) regulates gene activity at the transcriptional level indicates that VE may exert part of its biological effects by mechanisms which may be independent of its well-recognised antioxidant function. The objective of this study was the identification of hepatic vitamin E-sensitive genes and examination of the effects of VE on their corresponding biological endpoints. Two groups of male rats were randomly assigned to either a VE-sufficient diet or to a control diet deficient in VE for 290 days. High-density oligonucleotide microarrays comprising over 7000 genes were used to assess the transcriptional response of the liver. Differential gene expression was monitored over a period of 9 months, at four different time-points, and rats were individually profiled. This experimental strategy identified several VE-sensitive genes, which were chronically altered by dietary VE. VE supplementation down-regulated scavenger receptor CD36, coagulation factor IX and 5-alpha-steroid reductase type 1 mRNA levels while hepatic gamma glutamyl-cysteinyl synthetase was significantly up-regulated. Measurement of the corresponding biological endpoints such as activated partial thromboplastin time, plasma dihydrotestosterone and hepatic glutathione substantiated the gene chip data which indicated that dietary VE plays an important role in a range of metabolic processes within the liver. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Regulation of the cardiomyocyte transcriptome vs translatome by endothelin-1 and insulin: translational regulation of 5' terminal oligopyrimidine tract (TOP) mRNAs by insulin

Background: Changes in cellular phenotype result from underlying changes in mRNA transcription and translation. Endothelin-1 stimulates cardiomyocyte hypertrophy with associated changes in mRNA/protein expression and an increase in the rate of protein synthesis. Insulin also increases the rate of translation but does not promote overt cardiomyocyte hypertrophy. One mechanism of translational regulation is through 5' terminal oligopyrimidine tracts (TOPs) that, in response to growth stimuli, promote mRNA recruitment to polysomes for increased translation. TOP mRNAs include those encoding ribosomal proteins, but the full panoply remains to be established. Here, we used microarrays to compare the effects of endothelin-1 and insulin on the global transcriptome of neonatal rat cardiomyocytes, and on mRNA recruitment to polysomes (i.e. the translatome). Results: Globally, endothelin-1 and insulin (1 h) promoted >1.5-fold significant (false discovery rate < 0.05) changes in expression of 341 and 38 RNAs, respectively. For these transcripts with this level of change there was little evidence of translational regulation. However, 1336 and 712 RNAs had >1.25-fold significant changes in expression in total and/or polysomal RNA induced by endothelin-1 or insulin, respectively, of which ~35% of endothelin-1-responsive and ~56% of insulin-responsive transcripts were translationally regulated. Of mRNAs for established proteins recruited to polysomes in response to insulin, 49 were known TOP mRNAs with a further 15 probable/possible TOP mRNAs, but 49 had no identifiable TOP sequences or other consistent features in the 5' untranslated region. Conclusions: Endothelin-1, rather than insulin, substantially affects global transcript expression to promote cardiomyocyte hypertrophy. Effects on RNA recruitment to polysomes are subtle, with differential effects of endothelin-1 and insulin on specific transcripts. Furthermore, although insulin promotes recruitment of TOP mRNAs to cardiomyocyte polysomes, not all recruited mRNAs are TOP mRNAs.