Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Étude de la collaboration entre les facteurs de transcription hématopoïétiques lors du développement et de la différenciation des cellules érythroïdes

La régulation transcriptionnelle des gènes est cruciale pour permettre le bon fonctionnement des cellules. Afin que les cellules puissent accomplir leurs fonctions, les gènes doivent être exprimés adéquatement dans le bon type cellulaire et au stade de développement et de différenciation approprié. Un dérèglement dans l’expression de un ou plusieurs gènes peut entraîner de graves conséquences sur le destin de la cellule. Divers éléments en cis (ex : promoteurs et enhancers) et en trans (machinerie transcriptionnelle et facteurs de transcription) sont impliqués dans la régulation de la transcription. Les gènes du locus humain beta-globine (hub) sont exprimés dans les cellules érythroïdes et sont finenement régulés lors du développement et de la différenciation. Des mutations dans différentes régions du locus causent entre autres les beta-thalassémies. Nous avons utilisé ce modèle bien caractérisé afin d’étudier différents mécanismes de régulation favorisés par les facteurs de transcription qui sont exprimés dans les cellules érythroïdes. Nous nous sommes intéressés à l’importance de l’élément en cis HS2 du Locus control region. Cet élément possède plusieurs sites de liaison pour des facteurs de transcription impliqués dans la régulation des gènes du locus hub. Nos résultats montrent que HS2 possède un rôle dans l’organisation de la chromatine du locus qui peut être dissocié de son rôle d’enhancer. De plus, HS2 n’est pas essentiel pour l’expression à haut niveau du gène beta alors qu’il est important pour l’expression des gènes gamma. Ceci suggère que le recrutement des différents facteurs au site HS2 lors du développement influence différement les gènes du locus. Dans un deuxième temps, nous avons investigué l’importance de HS2 lors de la différenciation des cellules érythroïdes. Il avait été rapporté que l’absence de HS2 influence grandement la potentialisation de la chromatine du gène beta. La potentialisation dans les cellules progénitrices favorise l’activation transcriptionnelle du gène dans les cellules matures. Nous avons caractérisé le recrutement de différents facteurs de transcription au site HS2 et au promoteur beta dans les cellules progénitrices hématopoïétiques (CPH) ainsi que dans les cellules érythroïdes matures. Nos résultats montrent que le facteur EKLF est impliqué dans la potentialisation de la chromatine et favorise le recrutement des facteurs BRG1, p45 et CBP dans les CPH. L’expression de GATA-1 dans les cellules érythroïdes matures permet le recrutement de GATA-1 au locus hub dans ces cellules. Ces données suggèrent que la combinaison de EKLF et GATA-1 est requise pour permettre une activation maximale du gène beta dans les cellules érythroïdes matures. Un autre facteur impliqué dans la régulation du locus hub est Ikaros. Nous avons étudié son recrutement au locus hub et avons observé que Ikaros est impliqué dans la répression des gènes gamma. Nos résultats montrent aussi que GATA-1 est impliqué dans la répression de ces gènes et qu’il interagit avec Ikaros. Ensemble, Ikaros et GATA-1 favorisent la formation d’un complexe de répression aux promoteurs gamma. Cette étude nous a aussi permis d’observer que Ikaros et GATA-1 sont impliqués dans la répression du gène Gata2. De façon intéressante, nous avons caractérisé le mécanisme de répression du gène Hes1 (un gène cible de la voie Notch) lors de la différenciation érythroïde. Similairement à ce qui a été observé pour les gènes gamma, Hes1 est aussi réprimé par Ikaros et GATA-1. Ces résultats suggèrent donc que la combinaison de Ikaros et GATA-1 est associée à la répression de plusieurs de gènes dans les cellules érythroïdes. Globalement cette thèse rapporte de nouveaux mécanismes d’action de différents facteurs de transcription dans les cellules érythroïdes. Particulièrement, nos travaux ont permis de proposer un modèle pour la régulation des gènes du locus hub lors du développement et de la différenciation. De plus, nous rapportons pour la première fois l’importance de la collaboration entre les facteurs Ikaros et GATA-1 dans la régulation transcriptionnelle de gènes dans les cellules érythroïdes. Des mutations associées à certains des facteurs étudiés ont été rapportées dans des cas de beta-thalassémies ainsi que de leucémies. Nos travaux serviront donc à avoir une meilleure compréhension des mécanismes d’action de ces facteurs afin de potentiellement pouvoir les utiliser comme cibles thérapeutiques.

Étude de l’interaction Ikaros/voie de signalisation Notch au cours de l'érythropoïèse

Tout au long de la vie d’un individu, il existe un nombre optimal de cellules à produire et de progéniteurs à conserver en réserve. On parle de maintien de l’homéostasie tissulaire. De façon générale, l’organisme a cinq possibilités pour réguler l’homéostasie : l’autorenouvellement et la quiescence, souvent utilisés pour maintenir un ‘pool’ fonctionnel de progéniteurs, la différenciation qui permet de produire des cellules effectrices, l’apoptose et la sénescence, qui permettent de limiter la production de cellules ou encore d’en faire diminuer le nombre quand elles sont en excès. La régulation de ces quatre mécanismes peut se faire de façon extrinsèque en passant par différentes voies de signalisation combinées à l’action intrinsèque de facteurs de transcription comme Ikaros et GATA1. Le facteur de transcription Ikaros joue un rôle critique dans le devenir des cellules progénitrices et la différenciation des lignages hématopoïétiques. Cependant, il demeure surtout connu pour son influence sur la voie Notch dans les cellules lymphoïdes, notamment les lymphocytes T. Les cellules érythroïdes sont hautement sensibles à l’environnement et donc, particulièrement adaptées à l’étude des régulations de l’homéostasie. Les résultats de différentes études ont permis de démontrer qu’Ikaros et la voie Notch influencent l’érythropoïèse. Cependant le détail de leurs actions demeure en grande partie inconnu à ce jour. Au cours de notre étude nous avons voulu déterminer l’action d’Ikaros dans le maintien de l’homéostasie des cellules érythroïdes et si son rôle passe par un dialogue avec la voie Notch. Nous avons voulu décrypter les mécanismes de régulation transcriptionnelle utilisés par Ikaros et par Notch au cours de l’érythropoïèse et leurs effets. Notre étude montre qu’Ikaros réprime à l’aide de GATA1 le gène Hes1, une cible importante de la voie Notch, en recrutant un complexe de la famille Polycomb, le PRC2 ii (Polycomb Repressive Complex 2). Cette répression permet la promotion de la différenciation des cellules érythroïdes. Au niveau du maintien de l’homéostasie par régulation de l’apoptose, Ikaros est connu pour cibler l’anti-apoptotique Bcl2l1 dans les lymphocytes. Puisque Gata-1, partenaire préférentiel d’Ikaros cible Bcl2l1 dans les cellules érythroïdes, nous avons caractérisé leur effet sur l’expression de Bcl2l1. Nous avons découvert qu’Ikaros active de façon directe Bcl2l1 et qu’il recrute sur le gène deux complexes partenaires d’élongation : un de la famille SET1/MLL, et le complexe P-TEFb-NuRD. En l’absence d’Ikaros, le fragment intracellulaire de Notch (NICD) et son cofacteur RBP-J remplacent Ikaros et favorisent l’hyper-activation de l’expression de Bcl2l1. Ceci est associé à la modification du complexe d’élongation recruté, ainsi qu’à la mise en place de modifications épigénétiques distinctes de celles observées avec Ikaros ce qui modifie l’élongation transcriptionnelle du gène. Ikaros et Notch sont fréquemment mutés ou présentent des fonctions altérées dans les leucémies. Notre étude montre un dialogue Ikaros/Notch influençant aussi bien la différenciation que l’apoptose et met en évidence l’existence d’un circuit génétique dont le dérèglement pourrait favoriser l’apparition d’une hématopoïèse maligne.

Elementos de regulação e microRNAs envolvidos na modulação dos níveis de hemoglobina fetal em indivíduos portadores de beta-hemoglobinopatias

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Molecular evolution of a malaria resistance gene (DARC) in primates

Genes involved in host-pathogen interactions are often strongly affected by positive natural selection. The Duffy antigen, coded by the Duffy antigen receptor for chemokines (DARC) gene, serves as a receptor for Plasmodium vivax in humans and for Plasmodium knowlesi in some nonhuman primates. In the majority of sub-Saharan Africans, a nucleic acid variant in GATA-1 of the gene promoter is responsible for the nonexpression of the Duffy antigen on red blood cells and consequently resistance to invasion by P. vivax. The Duffy antigen also acts as a receptor for chemokines and is expressed in red blood cells and many other tissues of the body. Because of this dual role, we sequenced a 3,000-bp region encompassing the entire DARC gene as well as part of its 5' and 3' flanking regions in a phylogenetic sample of primates and used statistical methods to evaluate the nature of selection pressures acting on the gene during its evolution. We analyzed both coding and regulatory regions of the DARC gene. The regulatory analysis showed accelerated rates of substitution at several sites near known motifs. Our tests of positive selection in the coding region using maximum likelihood by branch sites and maximum likelihood by codon sites did not yield statistically significant evidence for the action of positive selection. However, the maximum likelihood test in which the gene was subdivided into different structural regions showed that the known binding region for P. vivax/P. knowlesi is under very different selective pressures than the remainder of the gene. In fact, most of the gene appears to be under strong purifying selection, but this is not evident in the binding region. We suggest that the binding region is under the influence of two opposing selective pressures, positive selection possibly exerted by the parasite and purifying selection exerted by chemokines.

Single-stranded DNA-binding proteins regulate the abundance of LIM domain and LIM domain-binding proteins.

The LIM domain-binding protein Ldb1 is an essential cofactor of LIM-homeodomain (LIM-HD) and LIM-only (LMO) proteins in development. The stoichiometry of Ldb1, LIM-HD, and LMO proteins is tightly controlled in the cell and is likely a critical determinant of their biological actions. Single-stranded DNA-binding proteins (SSBPs) were recently shown to interact with Ldb1 and are also important in developmental programs. We establish here that two mammalian SSBPs, SSBP2 and SSBP3, contribute to an erythroid DNA-binding complex that contains the transcription factors Tal1 and GATA-1, the LIM domain protein Lmo2, and Ldb1 and binds a bipartite E-box-GATA DNA sequence motif. In addition, SSBP2 was found to augment transcription of the Protein 4.2 (P4.2) gene, a direct target of the E-box-GATA-binding complex, in an Ldb1-dependent manner and to increase endogenous Ldb1 and Lmo2 protein levels, E-box-GATA DNA-binding activity, and P4.2 and beta-globin expression in erythroid progenitors. Finally, SSBP2 was demonstrated to inhibit Ldb1 and Lmo2 interaction with the E3 ubiquitin ligase RLIM, prevent RLIM-mediated Ldb1 ubiquitination, and protect Ldb1 and Lmo2 from proteasomal degradation. These results define a novel biochemical function for SSBPs in regulating the abundance of LIM domain and LIM domain-binding proteins.

Distal enhancer regulation by promoter derepression in topologically constrained DNA in vitro

Long-range promoter–enhancer interactions are a crucial regulatory feature of many eukaryotic genes yet little is known about the mechanisms involved. Using cloned chicken βA-globin genes, either individually or within the natural chromosomal locus, enhancer-dependent transcription is achieved in vitro at a distance of 2 kb with developmentally staged erythroid extracts. This occurs by promoter derepression and is critically dependent upon DNA topology. In the presence of the enhancer, genes must exist in a supercoiled conformation to be actively transcribed, whereas relaxed or linear templates are inactive. Distal protein–protein interactions in vitro may be favored on supercoiled DNA because of topological constraints. In this system, enhancers act primarily to increase the probability of rapid and efficient transcription complex formation and initiation. Repressor and activator proteins binding within the promoter, including erythroid-specific GATA-1, mediate this process.

Temporal mapping of gene expression levels during the differentiation of individual primary hematopoietic cells

A hierarchical order of gene expression has been proposed to control developmental events in hematopoiesis, but direct demonstration of the temporal relationships between regulatory gene expression and differentiation has been difficult to achieve. We modified a single-cell PCR method to detect 2-fold changes in mRNA copies per cell (dynamic range, 250–250,000 copies/cell) and used it to sequentially quantitate gene expression levels as single primitive (CD34+,CD38−) progenitor cells underwent differentiation to become erythrocytes, granulocytes, or monocyte/macrophages. Markers of differentiation such as CD34 or cytokine receptor mRNAs and transcription factors associated with their regulation were assessed. All transcription factors tested were expressed in multipotent progenitors. During lineage-specific differentiation, however, distinct patterns of expression emerged. SCL, GATA-2, and GATA-1 expression sequentially extinguished during erythroid differentiation. PU.1, AML1B, and C/EBPα expression profiles and their relationship to cytokine receptor expression in maturing granulocytes could be distinguished from similar profiles in monocytic cells. These data characterize the dynamics of gene expression accompanying blood cell development and define a signature gene expression pattern for specific stages of hematopoietic differentiation.

Thrombopoietin rescues in vitro erythroid colony formation from mouse embryos lacking the erythropoietin receptor.

The interaction of the hormone erythropoietin and its receptor (EpoR) is though to be required for normal hematopoiesis. To define the role of EpoR in this process, the murine EpoR was disrupted by homologous recombination. Mice lacking the EpoR died in utero at embryonic day 11-12.5 with severe anemia. Embryonic erythropoiesis was markedly diminished, while fetal liver hematopoiesis was blocked at the proerythroblast stage. Other cell types known to express EpoR, including megakaryocytes, mast, and neural cells were morphologically normal. Reverse transcription-coupled PCR analysis of RNA from embryonic yolk sac, peripheral blood, and fetal liver demonstrated near normal transcripts levels for EKLF, thrombopoietin (Tpo), c-MPL, GATA-1, GATA-2, and alpha- and embryonic beta H1-globin but non for adult beta maj-globin. While colony-forming unit-erythroid (CFU-E) and burst-forming unit-erythroid (BFU-E) colonies were not present in cultures derived from EpoR-/- liver or yolk sac cells, hemoglobin-containing BFU-E colonies were detected in cultures treated with recombinant Tpo and Kit ligand or with Tpo and interleukin 3 and 11. Rescued BFU-E colonies expressed adult beta-globin and c-MPL and appeared morphologically normal. Thus, erythroid progenitors are formed in vivo in mice lacking the EpoR, and our studies demonstrate that a signal transmitted through the Tpo receptor c-MPL stimulates proliferation and terminal differentiation of these progenitors in vitro.

Intraembryonic hematopoietic cell migration during vertebrate development.

Vertebrate hematopoietic stem cells are derived from vental mesoderm, which is postulated to migrate to both extra- and intraembryonic positions during gastrula and neurula stages. Extraembryonic migration has previously been documented, but the origin and migration of intraembryonic hematopoietic cells have not been visualized. The zebrafish and most other teleosts do not form yolk sac blood islands during early embryogenesis, but instead hematopoiesis occurs solely in a dorsal location known as the intermediate cell mass (IM) or Oellacher. In this report, we have isolated cDNAs encoding zebrafish homologs of the hematopoietic transcription factors GATA-1 and GATA-2 and have used these markers to determine that the IM is formed from mesodermal cells in a posterior-lateral position on the yolk syncytial layer of the gastrula yolk sac. Surprisingly, cells of the IM then migrate anteriorly through most of the body length prior to the onset of active circulation and exit onto the yolk sac. These findings support a hypothesis in which the hematopoietic program of vertebrates is established by variations in homologous migration pathways of extra- and intraembryonic progenitors.

Absence of yolk sac hematopoiesis from mice with a targeted disruption of the scl gene.

The scl gene encodes a basic-helix-loop-helix transcription factor which was identified through its involvement in chromosomal translocations in T-cell leukemia. To elucidate its physiological role, scl was targeted in embryonic stem cells. Mice heterozygous for the scl null mutation were intercrossed and their offspring were genotyped. Homozygous mutant (scl-/-) pups were not detected in newborn litters, and analysis at earlier time points demonstrated that scl-/- embryos were dying around embryonic day 9.5. The scl-/- embryos were pale, edematous, and markedly growth retarded after embryonic day 8.75. Histological studies showed complete absence of recognizable hematopoiesis in the yolk sac of these embryos. Early organogenesis appeared to be otherwise normal. Culture of yolk sac cells of wild-type, heterozygous, and homozygous littermates confirmed the absence of hematopoietic cells in scl-/- yolk sacs. Reverse transcription PCR was used to examine the transcripts of several genes implicated in early hematopoiesis. Transcripts of GATA-1 and PU.1 transcription factors were absent from RNA from scl-/- yolk sacs and embryos. These results implicate scl as a crucial regulator of early hematopoiesis.

The rat Na+-sulfate cotransporter rNaS2: functional characterization, tissue distribution, and gene (slc13a4) structure

Inorganic sulfate is essential for numerous functions in mammalian physiology. In the present study, we characterized the functional properties of the rat Na+-sulfate cotransporter NaS2 (rNaS2), determined its tissue distribution, and identified its gene (slc13a4) structure. Expression of rNaS2 protein in Xenopus oocytes led to a Na+-dependent transport of sulfate that was inhibited by phosphate, thiosulfate, tungstate, selenate, oxalate, and molybdate, but not by citrate, succinate, or DIDS. Transport kinetics of rNaS2 determined a K-M for sulfate of 1.26 mM. Na+ kinetics determined a Hill coefficient of n=3.0 +/- 0.7, suggesting a Na+:SO42- stoichiometry of 3:1. rNaS2 mRNA was highly expressed in placenta, with lower levels found in the brain and liver. slc13a4 maps to rat chromosome 4 and contains 17 exons, spanning over 46 kb in length. This gene produces two alternatively spliced transcripts, of which the transcript lacking exon 2 is the most abundant form. Its 5' flanking region contains CAAT- and GC-box motifs and a number of putative transcription factor binding sites, including GATA-1, SP1, and AP-2 consensus sequences. This is the first study to characterize rNaS2 transport kinetics, define its tissue distribution, and resolve its gene (slc13a4) structure and 5' flanking region.

C/EBP delta and C/EBP gamma bind the CCAAT-box in the human beta-globin promoter and modulate the activity of the CACC-box binding protein, EKLF

Developmental- and tissue-specific expression of globin genes is mediated by a few key elements within the proximal promoter of each gene. DNA-binding assays previously identified NF-Y, GATA-1, C/EBP beta and C/EBP gamma as candidate regulators of beta-globin transcription via the CCAAT-box, a promoter element situated between CACC- and TATA-boxes. We have identified C/EBP delta as an additional beta-globin CCAAT-box binding protein. In reporter assays, we show that C/EBP delta can co-operate with EKLF, a CACC-box binding protein, to activate the beta-globin promoter, whereas C/EBP gamma inhibits the transcriptional activity of EKLF in this assay. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Functional characterization and genomic organization of the human Na+-sulfate cotransporter hNaS2 gene (SLC13A4)

Sulfate plays an essential role in human growth and development. Here, we characterized the functional properties of the human Na+-sulfate cotransporter (hNaS2), determined its tissue distribution, and identified its gene (SLC13A4) structure. Expression of hNaS2 protein in Xenopus oocytes led to a Na+-dependent transport of sulfate that was inhibited by thiosulfate, phosphate, molybdate. selenate and tungstate, but not by oxalate, citrate, succinate, phenol red or DIDS. Transport kinetics of hNaS2 determined a K, for sulfate of 0.38 mM, suggestive of a high affinity sulfate transporter. Na+ kinetics determined a Hill coefficient of 1.6 +/- 0.6, suggesting a Na: SO42- stoichiometry of 2:1. hNaS2 mRNA was highly expressed in placenta and testis, with intermediate levels in brain and lower levels found in the heart, thymus, and liver. The SLC13A4 gene contains 16 exons, spanning over 47 kb in length. Its 5'-flanking region contains CAAT- and GC-box motifs, and a number of putative transcription factor binding sites, including GATA-1, AP-1, and AP-2 consensus sequences. This is the first study to characterize hNaS2 transport kinetics, define its tissue distribution, and resolve its gene (SLC13A4) structure and 5' flanking region. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Molecular cloning and characterization of the mouse Na+ sulfate cotransporter gene (Slc13a4): structure and expression

Sulfate is an essential ion required for numerous functions in mammalian physiology. Due to its hydrophilic nature, cells require sulfate transporters on their plasma membranes to allow entry of sulfate into cells. In this study, we identified a new mouse Na+-sulfate cotransporter (mNaS2), characterized its tissue distribution and determined its cDNA and gene (Slc13a4) structures. mNaS2 mRNA was expressed in placenta, brain, lung, eye, heart, testis, thymus and liver. The mouse NaS2 cDNA spans 3384 nucleotides and its open frame encodes a protein of 624 amino acids. Slc13a4 maps to mouse chromosome 6131 and contains 16 exons, spanning over 40 kb in length. Its 5'-flanking region contains CART- and GC-box motifs and a number of putative transcription factor binding sites, including GATA-1, MTF-1, STAT6 and HNF4 consensus sequences. This is the first study to define the tissue distribution of mNaS2 and resolve its cDNA and gene structures, which will allow us to investigate mNaS2 gene expression in vivo and determine its role in mammalian physiology.