Clinical potential of oligonucleotide-based therapeutics in the respiratory system

The discovery of an ever-expanding plethora of coding and non-coding RNAs with nodal and causal roles in the regulation of lung physiology and disease is reinvigorating interest in the clinical utility of the oligonucleotide therapeutic class. This is strongly supported through recent advances in nucleic acids chemistry, synthetic oligonucleotide delivery and viral gene therapy that have succeeded in bringing to market at least three nucleic acid-based drugs. As a consequence, multiple new candidates such as RNA interference modulators, antisense, and splice switching compounds are now progressing through clinical evaluation. Here, manipulation of RNA for the treatment of lung disease is explored, with emphasis on robust pharmacological evidence aligned to the five pillars of drug development: exposure to the appropriate tissue, binding to the desired molecular target, evidence of the expected mode of action, activity in the relevant patient population and commercially viable value proposition.

MiRNA 34a: a therapeutic target for castration-resistant prostate cancer

INTRODUCTION: Development of a therapy for bone metastases is of paramount importance for castration-resistant prostate cancer (CRPC). The osteomimetic properties of CRPC confer a propensity to metastasize to osseous sites. Micro-ribonucleic acid (miRNA) is non-coding RNA that acts as a post-transcriptional regulator of multiple proteins and associated pathways. Therefore identification of miRNAs could reveal a valid third generation therapy for CRPC. Areas covered: miR34a has been found to play an integral role in the progression of prostate cancer, particularly in the regulation of metastatic genes involved in migration, intravasation, extravasation, bone attachment and bone homeostasis. The correlation between miR34a down-regulation and metastatic progression has generated substantial interest in this field. Expert opinion: Examination of the evidence reveals that miR34a is an ideal target for gene therapy for metastatic CRPC. We also conclude that future studies should focus on the effects of miR34a upregulation in CRPC with respect to migration, translocation to bone micro-environment and osteomimetic phenotype development. The success of miR34a as a therapeutic is reliant on the development of appropriate delivery systems and targeting to the bone micro-environment. In tandem with any therapeutic studies, biomarker serum levels should also be ascertained as an indicator of successful miR34a delivery.

miRNAs as therapeutic agents in neurodegeneration, a pilot study

L’échec des différents essais cliniques souligne la nécessité de développer des nouvelles thérapies pour la maladie d’Alzheimer (MA), la cause la plus commune de démence. Les microARNs (miARNs) sont les ARNs non-codants les plus étudiés et ils jouent un rôle important dans la modulation de l’expression des gènes et de multiples voies de signalisation. Des études antérieures, dont celles de mon laboratoire d’accueil, ont permis de développer l’hypothèse que certains membres de la famille miR-15/107 (c.-à-d. miR-15ab, miR-16, miR-195, miR-424, and miR-497) pourraient être utilisés comme agents thérapeutiques dans MA. En effet, cette famille avait le potentiel de réguler de multiples gènes associés à MA, tels que la protéine précurseur de l’amyloïde (APP), la β-secrétase (BACE1), et la protéine Tau. Tel que démontré dans ce projet de thèse, j’ai choisi miR-16 comme cible thérapeutique potentielle pour MA parmi tous les membres de la famille. L’essai luciférase dans ce projet confirme que miR-16 peut réguler simultanément APP et BACE1, directement par une interaction avec la région non-codante en 3’ de l’ARNm). Notamment, nous observons aussi une réduction de la production des peptides amyloïdes et de la phosphorylation de Tau après une augmentation de miR-16 en cellule. J’ai ensuite validé mes résultats in vivo dans la souris en utilisant une méthode de livraison de miR-16 via une pompe osmotique implanté dans le cerveau. Dans ce cas, l’expression des protéines d’intérêts (APP, BACE1, Tau) a été mesurée par immunobuvardage et PCR à temps réel. Après validation, ces résultats ont été complémentés par une étude protéomique (iTRAQ) du tronc cérébral et de l’hippocampe, deux régions associées à la maladie. Ces données m’ont permis d’identifier d’autres protéines régulées par miR-16 in vivo, incluant α-Synucléine, Transferrine receptor1, et SRm300. Une autre observation intéressante : les voies régulées par miR-16 in vivo sont directement en lien avec le stress oxydatif et la neurodégénération. En résumé, ce travail démontre l’efficacité et la faisabilité d’utiliser un miARN comme outil thérapeutique pour la maladie d’Alzheimer. Ces résultats rentrent dans un cadre plus vaste de découvrir de nouvelles cibles pour MA, et en particulier la forme sporadique de la maladie qui représente plus de 95% de tous les cas. Évidemment, la découverte d’une molécule pouvant cibler simultanément les deux pathologies de la maladie (plaques amyloïdes et hyper phosphorylation de tau) est nouvelle et intéressante, et ce domaine de recherche ouvre la porte aux autres petits ARNs non-codants dans MA et les maladies neurodégénératives connexes.

Hmx1 Function In Lateral Facial Development

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

MicroRNAs

Os microRNAs (miRNAs) são curtas cadeias de RNA não codificante, com cerca de 18 a 25 nucleotídeos, que regulam os níveis de mRNAs que são produzidos a partir de genes codificantes de proteínas. A descoberta dos miRNAs e a sua subsequente caracterização estrutural e funcional revelou a existência de um novo processo de regulação pós-transcricional da expressão génica em células eucarióticas que afeta uma grande variedade de funções celulares. A senescência acompanha o processo de evelhecimento dos organismos e é manifestada pela perda da capacidade proliferativa das células em resposta a diversos fatores de stress que desencadeiam alterações moleculares específicas. Na última década foram identificados e caracterizados vários miRNAs que participam na regulação do fenótipo da senescência celular, quer através da modulação de vias de sinalização endógenas que controlam a progressão do ciclo celular, quer através da secreção de factores de sinalização. Vários estudos têm também revelado a enorme potencialidade dos miRNAs como biomarcadores e alvos moleculares de novas abordagens terapêuticas. No futuro, é expectável que os avanços científicos possam ser transferidos para a prática clínica com vista a uma efetiva prevenção, vigilância e tratamento do envelhecimento prematuro e de doenças associadas ao envelhecimento.

Genetic control of development in the parasitic nematode Haemonchus contortus by microRNAs

The parasitic nematode Haemonchus contortus has a major impact on the welfare and economic sustainability of small ruminant farming throughout the world. Increasing drug resistance requires the development of novel therapeutic agents. To further this process, we examined the fundamental biology of development in H. contortus, specifically, the potential role of microRNAs (miRNAs). miRNAs are short, non-coding RNA molecules that negatively regulate gene expression. In the free-living nematode Caenorhabditis elegans, miRNAs regulate a variety of genes including those involved in development. This thesis describes the expression patterns, potential targets and possible functions of miRNAs in H. contortus throughout development.

The role of microRNA 21 in the development of in-stent restenosis

Coronary heart disease is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Percutaneous coronary intervention (PCI) has become the most widely used method of coronary artery revascularisation. The use of stents to hold open atherosclerosis induced arterial narrowing has significantly reduced elastic recoil and acute vessel occlusion following balloon angioplasty. However, bare metal stents have been associated with in-stent restenosis attributed to vascular smooth muscle cell (VSMC) hyperplasia and excessive neointimal formation. The resultant luminal renarrowing may manifest clinically with the return of symptoms such as chest pain or shortness of breath. The development of drug eluting stents has significantly reduced the incidence of in-stent restenosis (ISR). Unfortunately the antiproliferative medications used not only inhibit VSMC proliferation but also re-endothelialisation of the stented vessel. In addition, the drug impregnated polymer coating has been associated with a chronic inflammatory response within the vessel wall predisposing patients to stent thrombosis. Thus the identification of novel therapies which promote vessel healing without excessive proliferative or inflammatory response may improve long term outcome and reduce the need for repeated revascularisation. MicroRNAs (miRs) are short (18-25 nucleotide) non-coding RNAs acting to regulate gene expression. By binding to the 3’untranslated region of mRNA they act to fine tune gene expression either by mRNA degradation or translational repression. Originally identified in coordinating tissue development microRNAs have also been shown to play important roles coordinating the inflammatory response and in numerous cardiovascular diseases. MiR-21 has been identified in human atherosclerotic plaques, arteriosclerosis obliterans and abdominal aortic aneurysms. In addition, its up regulation has been documented in preclinical models of vascular injury. This study sought to identify the role of miR-21 in the development of ISR. Utilising a small animal model of stenting and in vitro techniques, we sought to investigate its influence upon VSMC and immune cell response following stenting. 19 The refinement of a murine stenting model within the Baker laboratory and the electrochemical dissolution of the metal stent from within harvested vascular tissues significantly improved the ability to perform detailed histological analysis. In addition, identification of miRNAs using in situ hybridisation was achieved for the first time within stented tissue. Neointimal formation and ISR was significantly reduced in mice in which miR-21 had been genetically deleted. In addition, neointimal composition was found to be altered in miR-21 KO mice with reductions in VSMC and elastin content demonstrated. Importantly, no difference in re-endothelialisation was observed. In vitro analysis demonstrated that VSMCs from miR-21 KO mice had both reduced proliferative and migratory capacity following platelet derived growth factor stimulation. Molecular analysis revealed that these differences may, at least in part, be due to de-repression of programmed cell death 4 (PDCD4). PDCD4 is a known miR-21 target within VSMCs implicated in the suppression of proliferation and promotion of apoptosis. Unfortunately, initial attempts at antimiR mediated knockdown of miR-21 in vivo, failed to produce a similar change in the suppression of ISR. Furthermore, a significant alteration in macrophage polarisation state within the neointima of miR-21 WT and KO mice was noted. Immunohistochemical staining revealed a preponderance of anti-inflammatory M2 macrophages in KO mice. Analysis of bone marrow derived macrophages from miR-21 KO mice demonstrated an increased level of the peroxisome proliferation activating receptor-γ (PPARγ) which facilitates M2 polarisation. Importantly, significant alterations in numerous pro-inflammatory cytokines, which also have mitogenic effects, were also found following genetic deletion of miR-21. In Summary, this is the first study to look at miRs in the development of ISR. MiR-21 plays an important role in the development of ISR by influencing the proliferative response of VSMCs and modulating the immune response following stent deployment. Further attempts to modulate miR-21 expression following PCI may reduce ISR and the need for repeat revascularisation while also reducing the risk of stent thrombosis.

Étude de la réparation des lésions induites par les UVs dans les extrémités chromosomiques de la levure Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Les télomères sont des structures nucléoprotéiques spécialisées qui assurent la stabilité du génome en protégeant les extrémités chromosomiques. Afin d’empêcher des activités indésirables, la réparation des dommages à l’ADN doit être convenablement régulée au niveau des télomères. Pourtant, il existe peu d’études de la réparation des dommages induits par les ultraviolets (UVs) dans un contexte télomérique. Le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER pour « Nucleotide Excision Repair ») permet d’éliminer les photoproduits. La NER est un mécanisme très bien conservé de la levure à l’humain. Elle est divisée en deux sous voies : une réparation globale du génome (GG-NER) et une réparation couplée à la transcription (TC-NER) plus rapide et plus efficace. Dans notre modèle d’étude, la levure Saccharomyces cerevisiae, une forme compactée de la chromatine nommée plus fréquemment « hétérochromatine » a été décrite. Cette structure particulière est présente entre autres, au niveau des régions sous-télomériques des extrémités chromosomiques. La formation de cette chromatine particulière implique quatre protéines nommées Sir (« Silent Information Regulator »). Elle présente différentes marques épigénétiques dont l’effet est de réprimer la transcription. L’accès aux dommages par la machinerie de réparation est-il limité par cette chromatine compacte ? Nous avons donc étudié la réparation des lésions induites par les UVs dans différentes régions associées aux télomères, en absence ou en présence de protéines Sir. Nos données ont démontré une modulation de la NER par la chromatine, dépendante des nucléosomes stabilisés par les Sir, dans les régions sous-télomériques. La NER était moins efficace dans les extrémités chromosomiques que dans les régions plus proches du centromère. Cet effet était dépendant du complexe YKu de la coiffe télomérique, mais pas dépendant des protéines Sir. La transcription télomériques pourrait aider la réparation des photoproduits, par l’intermédiaire de la sous-voie de TC-NER, prévenant ainsi la formation de mutations dans les extrémités chromosomiques. Des ARN non codants nommés TERRA sont produits mais leur rôle n’est pas encore clair. Par nos analyses, nous avons confirmé que la transcription des TERRA faciliterait la NER dans les différentes régions sous-télomériques.

Macrophages and CD4 T-cells in rheumatoid arthritis and their modulation by JAK inhibitors

Background: Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic inflammatory arthritis that causes significant morbidity and mortality and has no cure. Although early treatment strategies and biologic therapies such as TNFα blocking antibodies have revolutionised treatment, there still remains considerable unmet need. JAK kinase inhibitors, which target multiple inflammatory cytokines, have shown efficacy in treating RA although their exact mechanism of action remains to be determined. Stratified medicine promises to deliver the right drug to the right patient at the right time by using predictive ‘omic biomarkers discovered using bioinformatic and “Big Data” techniques. Therefore, knowledge across the realms of clinical rheumatology, applied immunology, bioinformatics and data science is required to realise this goal. Aim: To use bioinformatic tools to analyse the transcriptome of CD14 macrophages derived from patients with inflammatory arthritis and define a JAK/STAT signature. Thereafter to investigate the role of JAK inhibition on inflammatory cytokine production in a macrophage cell contact activation assay. Finally, to investigate JAK inhibition, following RA synovial fluid stimulation of monocytes. Methods and Results: Using bioinformatic software such as limma from the Bioconductor repository, I determined that there was a JAK/STAT signature in synovial CD14 macrophages from patients with RA and this differed from psoriatic arthritis samples. JAK inhibition using a JAK1/3 inhibitor tofacitinib reduced TNFα production when macrophages were cell contact activated by cytokine stimulated CD4 T-cells. Other pro-inflammatory cytokines such as IL-6 and chemokines such as IP-10 were also reduced. RA synovial fluid failed to stimulate monocytes to phosphorylate STAT1, 3 or 6 but CD4 T-cells activated STAT3 with this stimulus. RNA sequencing of synovial fluid stimulated CD4 T-cells showed an upregulation of SOCS3, BCL6 and SBNO2, a gene associated with RA but with unknown function and tofacitinib reversed this. Conclusion: These studies demonstrate that tofacitinib is effective at reducing inflammatory mediator production in a macrophage cell contact assay and also affects soluble factor mediated stimulation of CD4 T-cells. This suggests that the effectiveness of JAK inhibition is due to inhibition of multiple cytokine pathways such as IL-6, IL-15 and interferon. RNA sequencing is a useful tool to identify non-coding RNA transcripts that are associated with synovial fluid stimulation and JAK inhibition but these require further validation. SBNO2, a gene that is associated with RA, may be biomarker of tofacitinib treatment but requires further investigation and validation in wider disease cohorts.

Les microARNs

International audience

Identifying cancer-related microRNAs based on gene expression data

International audience

Differential expression in “rogue” paramutation in peas (Pisum sativum L.)

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Past, present and future of epigenetics applied to livestock breeding

This article reviews the concept of Lamarckian inheritance and the use of the term epigenetics in the field of animal genetics. Epigenetics was first coined by Conrad Hal Waddington (1905–1975), who derived the term from the Aristotelian word epigenesis. There exists some controversy around the word epigenetics and its broad definition. It includes any modification of the expression of genes due to factors other than mutation in the DNA sequence. This involves DNA methylation, post-translational modification of histones, but also linked to regulation of gene expression by non-coding RNAs, genome instabilities or any other force that could modify a phenotype. There is little evidence of the existence of transgenerational epigenetic inheritance in mammals, which may commonly be confounded with environmental forces acting simultaneously on an individual, her developing fetus and the germ cell lines of the latter, although it could have an important role in the cellular energetic status of cells. Finally, we review some of the scarce literature on the use of epigenetics in animal breeding programs.

La perturbation du locus Nr2f1-K12 entraine une différenciation gliale précoce dans un nouveau modèle murin de mégacôlon aganglionnaire

La maladie de Hirschsprung est une affection congénitale de la motilité intestinale caractérisée par un segment aganglionnaire dans le côlon terminal. Un criblage génétique par mutation insertionnelle aléatoire chez la souris nous a permis d’identifier la lignée transgénique Spot dont les homozygotes souffrent de mégacôlon aganglionnaire. L’analyse d’intestins d’embryons mutants a révélé une baisse de prolifération et un délai de migration des cellules de la crête neurale entériques (CCNe) progénitrices dus à leur différenciation gliale précoce, entrainant un défaut de colonisation de l’intestin et une aganglionose du côlon. Le séquençage du génome Spot indique que le transgène s’est inséré à l’intérieur du locus K12-Nr2f1 sur le chromosome 13, une région dépourvue de gènes préalablement associés à la maladie, perturbant également une séquence non-codante très conservée dans l’évolution. K12 est un gène d’ARN long non codant (ARNlnc) et antisens du gène Nr2f1, lui-même impliqué dans la gliogénèse du système nerveux central. Le séquençage du transcriptome des CCN a montré une surexpression de Nr2f1 et des formes courtes de K12 chez Spot et des essais luciférase ont révélé l’activité répressive de l’élément conservé. Nous avons observé l’expression de K12 dans les CCNe et sa localisation subcellulaire dans des zones transcriptionnellement actives du noyau. Avec l’émergence des ARNlnc régulateurs, ces données nous permettent de pointer deux nouveaux gènes candidats associés à une différenciation gliale prématurée du SNE menant au mégacôlon aganglionnaire, en supposant que la régulation de Nr2f1 se fait par son antisens, K12.

La perturbation du locus Nr2f1-K12 entraine une différenciation gliale précoce dans un nouveau modèle murin de mégacôlon aganglionnaire

La maladie de Hirschsprung est une affection congénitale de la motilité intestinale caractérisée par un segment aganglionnaire dans le côlon terminal. Un criblage génétique par mutation insertionnelle aléatoire chez la souris nous a permis d’identifier la lignée transgénique Spot dont les homozygotes souffrent de mégacôlon aganglionnaire. L’analyse d’intestins d’embryons mutants a révélé une baisse de prolifération et un délai de migration des cellules de la crête neurale entériques (CCNe) progénitrices dus à leur différenciation gliale précoce, entrainant un défaut de colonisation de l’intestin et une aganglionose du côlon. Le séquençage du génome Spot indique que le transgène s’est inséré à l’intérieur du locus K12-Nr2f1 sur le chromosome 13, une région dépourvue de gènes préalablement associés à la maladie, perturbant également une séquence non-codante très conservée dans l’évolution. K12 est un gène d’ARN long non codant (ARNlnc) et antisens du gène Nr2f1, lui-même impliqué dans la gliogénèse du système nerveux central. Le séquençage du transcriptome des CCN a montré une surexpression de Nr2f1 et des formes courtes de K12 chez Spot et des essais luciférase ont révélé l’activité répressive de l’élément conservé. Nous avons observé l’expression de K12 dans les CCNe et sa localisation subcellulaire dans des zones transcriptionnellement actives du noyau. Avec l’émergence des ARNlnc régulateurs, ces données nous permettent de pointer deux nouveaux gènes candidats associés à une différenciation gliale prématurée du SNE menant au mégacôlon aganglionnaire, en supposant que la régulation de Nr2f1 se fait par son antisens, K12.