Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Role of Nuclear Angiotensin-II Receptor Mediated Signalling in Cardiovascular Remodelling

Le remodelage cardiaque est le processus par lequel la structure ou la fonction cardiaque change en réponse à un déséquilibre pathophysiologique tel qu'une maladie cardiaque, un contexte d'arythmie prolongée ou une modification de l'équilibre hormonal. Le système rénine-angiotensine (SRA) est un système hormonal largement étudié et il est impliqué dans de nombreuses activités associées au remodelage cardiovasculaire. L’existence d'un système circulatoire couplé à un système de tissus locaux est une représentation classique, cependant de nouvelles données suggèrent un SRA indépendant et fonctionnellement actif à l'échelle cellulaire. La compréhension de l'activité intracellulaire du SRA pourrait mener à de nouvelles pistes thérapeutiques qui pourraient prévenir un remodelage cardiovasculaire défavorable. L'objectif de cette thèse était d'élucider le rôle du SRA intracellulaire dans les cellules cardiaques. Récemment, les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), les protéines G et leurs effecteurs ont été détectés sur des membranes intracellulaires, y compris sur la membrane nucléaire, et les concepts de RCPG intracellulaires fonctionnels sont en voie d'être acceptés comme une réalité. Nous avons dès lors fait l'hypothèse que la signalisation du SRA délimitant le noyau était impliquée dans le contrôle de l'expression des gènes cardiaques. Nous avons démontré la présence de récepteurs d'angiotensine de type-1 (AT1R) et de type-2 (AT2R) nucléaires dans les cardiomyocytes ventriculaires adultes et dans une fraction nucléaire purifiée de tissu cardiaque. Des quantités d'Ang II ont été détectées dans du lysat de cardiomyocytes et des microinjections d'Ang-II-FITC ont donné lieu à des liaisons préférentielles aux sites nucléaires. L'analyse transcriptionnelle prouve que la synthèse d'ARN de novo dans des noyaux isolés stimulés à l'Ang-II, et l'expression des ARNm de NF-κB étaient beaucoup plus importants lorsque les noyaux étaient exposés à de l'Ang II par rapport aux cardiomyocytes intacts. La stimulation des AT1R nucléaires a engendré une mobilisation de Ca2+ via les récepteurs de l'inositol trisphosphate (IP3R), et le blocage des IP3R a diminué la réponse transcriptionnelle. Les méthodes disponibles actuellement pour l'étude de la signalisation intracrine sont limitées aux méthodes indirectes. L'un des objectifs de cette thèse était de synthétiser et caractériser des analogues d'Ang-II cellule-perméants afin d’étudier spécifiquement dans les cellules intactes l'activité intracellulaire du SRA. Nous avons synthétisé et caractérisé pharmacologiquement des analogues photosensibles Ang-II encapsulée en incorporant un groupement 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) photoclivable sur les sites actifs identifiés du peptide. Chacun des trois analogues d'Ang II encapsulée synthétisés et purifiés: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB et [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB a montré une réduction par un facteur deux ou trois de l'affinité de liaison envers AT1R et AT2R dans les dosages par liaison compétitive et une activité réduite dans la contraction de l'aorte thoracique. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans des cellules HEK a augmenté la phosphorylation d'ERK1/2 (via AT1R) et la production de cGMP (via AT2R) alors que dans les cardiomyocytes isolés elle générait une augmentation de Ca2+ nucléoplasmique et initiait la synthèse d'ARNr 18S et d'ARNm du NF-κB. Les fibroblastes sont les principaux générateurs de remodelage cardiaque structurel, et les fibroblastes auriculaires sont plus réactifs aux stimuli profibrotiques que les fibroblastes ventriculaires. Nous avons émis l'hypothèse que l’Ang-II intracellulaire et l'activation des AT1R et AT2R nucléaires associés contrôlaient les profils d'expression des gènes des fibroblastes via des systèmes de signalisation distincts et de ce fait jouaient un rôle majeur dans le développement de la fibrose cardiaque. Nous avons remarqué que les fibroblastes auriculaires expriment l’AT1R et l’AT2R nucléaire et l'Ang-II au niveau intracellulaire. L’expression d'AT1R nucléaire a été régulés positivement dans les cas d’insuffisance cardiaque (IC), tandis que l'AT2R nucléaire a été glycosylé post-traductionnellement. La machinerie protéique des protéines G, y compris Gαq/11, Gαi/3, et Gβ, a été observée dans des noyaux isolés de fibroblastes. AT1R et AT2R régulent l'initiation de la transcription du fibroblaste via les voies de transduction de signal d'IP3R et du NO. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans une culture de fibroblastes auriculaire déclenche la libération de Ca2+ nucléoplasmique, la prolifération, et la synthèse et sécrétion de collagène qui ne sont pas inhibées par les bloqueurs d'AT1R et/ou AT2R extracellulaires.

The nuclear pore complex and its transporters : from virus-host interactors to subverting the innate antiviral immunity

Les virus ont besoin d’interagir avec des facteurs cellulaires pour se répliquer et se propager dans les cellules d’hôtes. Une étude de l'interactome des protéines du virus d'hépatite C (VHC) par Germain et al. (2014) a permis d'élucider de nouvelles interactions virus-hôte. L'étude a également démontré que la majorité des facteurs de l'hôte n'avaient pas d'effet sur la réplication du virus. Ces travaux suggèrent que la majorité des protéines ont un rôle dans d'autres processus cellulaires tel que la réponse innée antivirale et ciblées pas le virus dans des mécanismes d'évasion immune. Pour tester cette hypothèse, 132 interactant virus-hôtes ont été sélectionnés et évalués par silençage génique dans un criblage d'ARNi sur la production interferon-beta (IFNB1). Nous avons ainsi observé que les réductions de l'expression de 53 interactants virus-hôte modulent la réponse antivirale innée. Une étude dans les termes de gène d'ontologie (GO) démontre un enrichissement de ces protéines au transport nucléocytoplasmique et au complexe du pore nucléaire. De plus, les gènes associés avec ces termes (CSE1L, KPNB1, RAN, TNPO1 et XPO1) ont été caractérisé comme des interactant de la protéine NS3/4A par Germain et al. (2014), et comme des régulateurs positives de la réponse innée antivirale. Comme le VHC se réplique dans le cytoplasme, nous proposons que ces interactions à des protéines associées avec le noyau confèrent un avantage de réplication et bénéficient au virus en interférant avec des processus cellulaire tel que la réponse innée. Cette réponse innée antivirale requiert la translocation nucléaire des facteurs transcriptionnelles IRF3 et NF-κB p65 pour la production des IFNs de type I. Un essai de microscopie a été développé afin d'évaluer l’effet du silençage de 60 gènes exprimant des protéines associés au complexe du pore nucléaire et au transport nucléocytoplasmique sur la translocation d’IRF3 et NF-κB p65 par un criblage ARNi lors d’une cinétique d'infection virale. En conclusion, l’étude démontre qu’il y a plusieurs protéines qui sont impliqués dans le transport de ces facteurs transcriptionnelles pendant une infection virale et peut affecter la production IFNB1 à différents niveaux de la réponse d'immunité antivirale. L'étude aussi suggère que l'effet de ces facteurs de transport sur la réponse innée est peut être un mécanisme d'évasion par des virus comme VHC.

ADRENERGIC RECEPTOR GENE EXPRESSION DURING PANCREATIC REGENERATION AND INSULIN SECRETION IN RATS –

In the present study, the changes in the brain EPI (Epinephrine), adrenergic receptors and the receptor gene expression were investigated during pancreatic regeneration and insulin secretion. The changes in the pancreatic islet EPI and adrenergic receptors were also studied in the pancreatectomised rats. The regulatory function of EPI in association with Epidermal growth factor (EGF) and glucose were investigated in rat islet cultures. In vitro studies were carried out using antagonists for adrenergic receptor subtypes to see their involvement in the islet DNA synthesis. The mechanism by which the peripheral EPI regulate insulin secretion was also investigated by studying the nuclear binding proteins in the pancreatic islets during pancreatic regeneration and diabetes. The study reveals that EPI can regulate the pancreatic islet cell proliferation by controlling the insulin synthesis and secretion. The brain adrenergic receptor gene expression and functional correlation regulate the pancreatic adrenergic receptors. The functional balance of α and β-adrenergic receptors controls the insulin secretion and pancreatic β-cell proliferation, which will have immense clinical significance in the treatment of Diabetes mellitus.

HelF, a suppressor of RNAi mediated gene silencing in Dictyostelium discoideum

RNA interference (RNAi) is a recently discovered process, in which double stranded RNA (dsRNA) triggers the homology-dependant degradation of cognate messenger RNA (mRNA). In a search for new components of the RNAi machinery in Dictyostelium, a new gene was identified, which was called helF. HelF is a putative RNA helicase, which shows a high homology to the helicase domain of Dicer, to the helicase domain of Dictyostelium RdRP and to the C. elegans gene drh-1, that codes for a dicer related DExH-box RNA helicase, which is required for RNAi. The aim of the present Ph.D. work was to investigate the role of HelF in PTGS, either induced by RNAi or asRNA. A genomic disruption of the helF gene was performed, which resulted in a distinct mutant morphology in late development. The cellular localization of the protein was elucidated by creating a HelF-GFP fusion protein, which was found to be localized in speckles in the nucleus. The involvement of HelF in the RNAi mechanism was studied. For this purpose, RNAi was induced by transformation of RNAi hairpin constructs against four endogenous genes in wild type and HelF- cells. The silencing efficiency was strongly enhanced in the HelF K.O. strain in comparison with the wild type. One gene, which could not be silenced in the wild type background, was successfully silenced in HelF-. When the helF gene was disrupted in a secondary transformation in a non-silenced strain, the silencing efficiency was strongly improved, a phenomenon named here “retrosilencing”. Transcriptional run-on experiments revealed that the enhanced gene silencing in HelF- was a posttranscriptional event, and that the silencing efficiency depended on the transcription levels of hairpin RNAs. In HelF-, the threshold level of hairpin transcription required for efficient silencing was dramatically lowered. The RNAi-mediated silencing was accompanied by the production of siRNAs; however, their amount did not depend on the level of hairpin transcription. These results indicated that HelF is a natural suppressor of RNAi in Dictyostelium. In contrast, asRNA mediated gene silencing was not enhanced in the HelF K.O, as shown for three tested genes. These results confirmed previous observations (H. Martens and W. Nellen, unpublished) that although similar, RNAi and asRNA mediated gene silencing mechanisms differ in their requirements for specific proteins. In order to characterize the function of the HelF protein on a molecular level and to study its interactions with other RNAi components, in vitro experiments were performed. Besides the DEAH-helicase domain, HelF contains a double-stranded RNA binding domain (dsRBD) at its N-terminus, which showed high similarity to the dsRBD domain of Dicer A from Dictyostelium. The ability of the recombinant dsRBDs from HelF and Dicer A to bind dsRNA was examined and compared. It was shown by gel-shift assays that both HelF-dsRBD and Dicer-dsRBD could bind directly to long dsRNAs. However, HelF-dsRBD bound more efficiently to dsRNA with imperfect matches than to perfect dsRNA. Both dsRBDs bound specifically to a pre-miRNA substrate (pre-let-7). The results suggested that most probably there were two binding sites for the proteins on the pre-miRNA substrate. Moreover, it was shown that HelF-dsRBD and Dicer-dsRBD have siRNA-binding activity. The affinities of the two dsRBDs to the pre-let-7 substrate were also examined by plasmon surface resonance analyses, which revealed a 9-fold higher binding affinity of the Dicer-dsRBD to pre-let-7 compared to that of the HelF-dsRBD. The binding of HelF-dsRBD to the pre-let-7 was impaired in the presence of Mg2+, while the Dicer-dsRBD interaction with pre-let-7 was not influenced by the presence of Mg2+. The results obtained in this thesis can be used to postulate a model for HelF function. In this, HelF acts as a nuclear suppressor of RNAi in wild type cells by recognition and binding of dsRNA substrates. The protein might act as a surveillance system to avoid RNAi initiation by fortuitous dsRNA formation or low abundance of dsRNA trigger. If the protein acts as an RNA helicase, it could unwind fold-back structures in the nucleus and thus lead to decreased RNAi efficiency. A knock-out of HelF would result in initiation of the RNAi pathway even by low levels of dsRNA. The exact molecular function of the protein in the RNAi mechanism still has to be elucidated. RNA interferenz (RNAi) ist ein in jüngster Zeit entdeckter Mechanismus, bei dem doppelsträngige RNA Moleküle (dsRNA) eine Homologie-abhängige Degradation einer verwandten messenger-RNA (mRNA) auslösen. Auf der Suche nach neuen Komponenten der RNAi-Maschinerie in Dictyostelium konnte ein neues Gen (helF) identifiziert werden. HelF ist eine putative RNA-Helikase mit einer hohen Homologie zur Helikasedomäne der bekannten Dicerproteine, der Helikasedomäne der Dictyostelium RdRP und zu dem C. elegans Gen drh-1, welches für eine Dicer-bezogene DExH-box RNA Helikase codiert, die am RNAi-Mechanismus beteiligt ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion von HelF im Zusammenhang des RNAi oder asRNA induzierten PTGS zu untersuchen. Es wurde eine Unterbrechung des helF-Gens auf genomischer Ebene (K.O.) vorgenommen, was bei den Mutanten zu einer veränderten Morphologie in der späten Entwicklung führte. Die Lokalisation des Proteins in der Zelle konnte mit Hilfe einer GFP-Fusion analysiert werden und kleinen Bereichen innerhalb des Nukleus zugewiesen werden. Im Weiteren wurde der Einfluss von HelF auf den RNAi-Mechanismus untersucht. Zu diesem Zweck wurde RNAi durch Einbringen von RNAi Hairpin-Konstrukten gegen vier endogene Gene im Wiltypstamm und der HelF--Mutante induziert. Im Vergleich zum Wildtypstamm konnte im HelF--Mutantenstamm eine stark erhöhte „Silencing“-Effizienz nachgewiesen werden. Ein Gen, welches nach RNAi Initiation im Wildtypstamm unverändert blieb, konnte im HelF--Mutantenstamm erfolgreich stillgelegt werden. Durch sekundäres Einführen einer Gendisruption im helF-Locus in einen Stamm, in welchem ein Gen nicht stillgelegt werden konnte, wurde die Effizienz des Stilllegens deutlich erhöht. Dieses Phänomen wurde hier erstmals als „Retrosilencing“ beschrieben. Mit Hilfe von transkriptionellen run-on Experimenten konnte belegt werden, dass es sich bei dieser erhöhten Stilllegungseffizienz um ein posttranskriptionelles Ereignis handelte, wobei die Stillegungseffizienz von der Transkriptionsstärke der Hairpin RNAs abhängt. Für die HelF--Mutanten konnte gezeigt werden, dass der Schwellenwert zum Auslösen eines effizienten Stillegens dramatisch abgesenkt war. Obwohl die RNAi-vermittelte Genstilllegung immer mit der Produktion von siRNAs einhergeht, war die Menge der siRNAs nicht abhängig von dem Expressionsniveau des Hairpin-Konstruktes. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei der HelF um einen natürlichen Suppressor des RNAi-Mechanismus in Dictyostelium handelt. Im Gegensatz hierzu war die as-vermittelte Stilllegung von drei untersuchten Genen im HelF-K.O. im Vergleich zum Wildyp unverändert. Diese Ergebnisse bestätigten frühere Beobachtungen (H. Martens und W. Nellen, unveröffentlicht), wonach die Mechanismen für RNAi und asRNA-vermittelte Genstilllegung unterschiedliche spezifische Proteine benötigen. Um die Funktion des HelF-Proteins auf der molekularen Ebene genauer zu charakterisieren und die Interaktion mit anderen RNAi-Komponenten zu untersuchen, wurden in vitro Versuche durchgeführt. Das HelF-Protein enthält, neben der DEAH-Helikase-Domäne eine N-terminale Doppelstrang RNA bindende Domäne (dsRBD) mit einer hohen Ähnlichkeit zu der dsRBD des Dicer A aus Dictyostelium. Die dsRNA-Bindungsaktivität der beiden dsRBDs aus HelF und Dicer A wurde analysiert und verglichen. Es konnte mithilfe von Gel-Retardationsanalysen gezeigt werden, dass sowohl HelF-dsRBD als auch Dicer-dsRBD direkt an lange dsRNAs binden können. Hierbei zeigte sich, dass die HelF-dsRBD eine höhere Affinität zu einem imperfekten RNA-Doppelstrang besitzt, als zu einer perfekt gepaarten dsRNA. Für beide dsRBDs konnte eine spezifische Bindung an ein pre-miRNA Substrat nachgewiesen werden (pre-let-7). Dieses Ergebnis legt nah, dass es zwei Bindestellen für die Proteine auf dem pre-miRNA Substrat gibt. Überdies hinaus konnte gezeigt werden, dass die dsRBDs beider Proteine eine siRNA bindende Aktivität besitzen. Die Affinität beider dsRBDs an das pre-let-7 Substrat wurde weiterhin mit Hilfe der Plasmon Oberflächen Resonanz untersucht. Hierbei konnte eine 9-fach höhere Bindeaffinität der Dicer-dsRBD im Vergleich zur HelF-dsRBD nachgewiesen werden. Während die Bindung der HelF-dsRBD an das pre-let-7 durch die Anwesenheit von Mg2+ beeinträchtigt war, zeigte sich kein Einfluß von Mg2+ auf das Bindeverhalten der Dicer-dsRBD. Mit Hilfe der in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse lässt sich ein Model für die Funktion von HelF postulieren. In diesem Model wirkt HelF durch Erkennen und Binden von dsRNA Substraten als Suppressor von der RNAi im Kern. Das Protein kann als Überwachungsystem gegen eine irrtümliche Auslösung von RNAi wirken, die durch zufällige dsRNA Faltungen oder eine zu geringe Häufigkeit der siRNAs hervorgerufen sein könnte. Falls das Protein eine Helikase-Aktivität besitzt, könnte es rückgefaltete RNA Strukturen im Kern auflösen, was sich in einer verringerten RNAi-Effizienz wiederspiegelt. Durch Ausschalten des helF-Gens würde nach diesem Modell eine erfolgreiche Auslösung von RNAi schon bei sehr geringer Mengen an dsRNA möglich werden. Das Modell erlaubt, die exakte molekulare Funktion des HelF-Proteins im RNAi-Mechanismus weiter zu untersuchen.

Triacylglycerol-rich lipoprotein-gene interactions in endothelial cells

Lipoproteins such as LDL (low-density lipoprotein) and oxidized LDL have potentially adverse effects on endothelial cells due to their ability to activate pro-inflammatory pathways regulated via the transcription factor NF-kappaB (nuclear factor kappaB). Triacylglycerol-rich lipoproteins (the chylomicrons, very-low-density lipoprotein and their respective remnant particles) have also been implicated in the induction of a pro-inflammatory phenotype and up-regulation of adhesion molecule expression. Although early studies supported the proposal that LPL (lipoprotein lipase)-mediated hydrolysis of TRLs (triglyceride-rich lipoproteins) at the endothelium could activate the NFkappaB pathway, more recent studies provide evidence of pro-and anti-inflammatory responses when cells are exposed to fatty acids of TRL particles. A large number of genes are up- and down-regulated when cells are exposed to TRL, with the net effect reflecting receptor- and nonreceptor-mediated pathways that are activated or inhibited depending on fatty acid type, the lipid and apolipoprotein composition of the TRL and the presence or absence of LPL. Early concepts of TRL particles as essentially pro-inflammatory stimuli to the endothelium provide an overly simplistic view of their impact on the vascular compartment.

Sequence analysis of the cupin gene family in Synechocystis PCC6803

The recently described cupin superfamily of proteins includes the germin and germinlike proteins, of which the cereal oxalate oxidase is the best characterized. This superfamily also includes seed storage proteins, in addition to several microbial enzymes and proteins with unknown function. All these proteins are characterized by the conservation of two central motifs, usually containing two or three histidine residues presumed to be involved with metal binding in the catalytic active site. The present study on the coding regions of Synechocystis PCC6803 identifies a previously unknown group of 12 related cupins, each containing the characteristic two-motif signature. This group comprises 11 single-domain proteins, ranging in length from 104 to 289 residues, and includes two phosphomannose isomerases and two epimerases involved in cell wall synthesis, a member of the pirin group of nuclear proteins, a possible transcriptional regulator, and a close relative-of a cytochrome c551 from Rhodococcus. Additionally, there is a duplicated, two-domain protein that has close similarity to an oxalate decarboxylase from the fungus Collybia velutipes and that is a putative progenitor of the storage proteins of land plants.

A genomewide survey of developmentally relevant genes in Ciona intestinalis - III. Genes for Fox, ETS, nuclear receptors and NF kappa B

A survey against the draft genome sequence and the cDNA/EST database of Ciona intestinalis identified a number of genes encoding transcription factors regulating a variety of processes including development. In the present study, we describe almost complete sets of genes for Fox, ETS-domain transcription factors, nuclear receptors, and NFkappaB as well as other factors regulating NFkappaB activity, with their phylogenetic nature. Vertebrate Fox transcription factors are currently delineated into 17 subfamilies: FoxA to FoxQ. The present survey yielded 29 genes of this family in the Ciona genome, 24 of which were Ciona orthologues of known Fox genes. In addition, we found 15 ETS aenes, 17 nuclear receptor genes, and several NFkappaB signaling pathway genes in the Ciona genome. The number of Ciona genes in each family is much smaller than that of vertebrates, which represents a simplified feature of the ascidian genome. For example, humans have two NFkappaB genes, three Rel genes, and five NFAT genes, while Ciona has one gene for each family. The Ciona genome also contains smaller numbers of genes for the NFkappaB regulatory system, i.e. after the split of ascidians/vertebrates, vertebrates evolved a more complex NFkappaB system. The present results therefore provide molecular information for the investigation of complex developmental processes, and an insight into chordate evolution.

p90 ribosomal S6 kinases play a significant role in early gene regulation in the cardiomyocyte response to Gq protein-coupled receptor stimuli, endothelin-1 and α1-adrenergic receptor agonists

Extracellular signal-regulated kinases 1/2 (ERK1/2) and their substrates, p90 ribosomal S6 kinases (RSKs), phosphorylate different transcription factors, contributing differentially to transcriptomic profiles. In cardiomyocytes, ERK1/2 are required for >70% of the transcriptomic response to endothelin-1. Here, we investigated the role of RSKs in the transcriptomic responses to Gq protein-coupled receptor agonists, endothelin-1, phenylephrine (generic α1-adrenergic receptor agonist) and A61603 (α1A-adrenergic receptor selective). Phospho-ERK1/2 and phospho-RSKs appeared in cardiomyocyte nuclei within 2-3 min of stimulation (endothelin-1>a61603≈phenylephrine). All agonists increased nuclear RSK2, but only endothelin-1 increased nuclear RSK1 content. PD184352 (inhibits ERK1/2 activation) and BI-D1870 (inhibits RSKs) were used to dissect the contribution of RSKs to the endothelin-1-responsive transcriptome. Of 213 RNAs upregulated at 1 h, 51% required RSKs for upregulation whereas 29% required ERK1/2 but not RSKs. The transcriptomic response to phenylephrine overlapped with, but was not identical to, endothelin-1. As with endothelin-1, PD184352 inhibited upregulation of most phenylephrine-responsive transcripts, but the greater variation in effects of BI-D1870 suggests that differential RSK signalling influences global gene expression. A61603 induced similar changes in RNA expression in cardiomyocytes as phenylephrine, indicating that the signal was mediated largely through α1A-adrenergic receptors. A61603 also increased expression of immediate early genes in perfused adult rat hearts and, as in cardiomyocytes, upregulation of the majority of genes was inhibited by PD184352. PD184352 or BI-D1870 prevented the increased surface area induced by endothelin-1 in cardiomyocytes. Thus, RSKs play a significant role in regulating cardiomyocyte gene expression and hypertrophy in response to Gq protein-coupled receptor stimulation.

PPARGC1A sequence variation and cardiovascular risk-factor levels: a study of the main genetic effects and gene x environment interactions in children from the European Youth Heart Study.

AIMS/HYPOTHESIS: The PPARGC1A gene coactivates multiple nuclear transcription factors involved in cellular energy metabolism and vascular stasis. In the present study, we genotyped 35 tagging polymorphisms to capture all common PPARGC1A nucleotide sequence variations and tested for association with metabolic and cardiovascular traits in 2,101 Danish and Estonian boys and girls from the European Youth Heart Study, a multicentre school-based cross-sectional cohort study. METHODS: Fasting plasma glucose concentrations, anthropometric variables and blood pressure were measured. Habitual physical activity and aerobic fitness were objectively assessed using uniaxial accelerometry and a maximal aerobic exercise stress test on a bicycle ergometer, respectively. RESULTS: In adjusted models, nominally significant associations were observed for BMI (rs10018239, p = 0.039), waist circumference (rs7656250, p = 0.012; rs8192678 [Gly482Ser], p = 0.015; rs3755863, p = 0.02; rs10018239, beta = -0.01 cm per minor allele copy, p = 0.043), systolic blood pressure (rs2970869, p = 0.018) and fasting glucose concentrations (rs11724368, p = 0.045). Stronger associations were observed for aerobic fitness (rs7656250, p = 0.005; rs13117172, p = 0.008) and fasting glucose concentrations (rs7657071, p = 0.002). None remained significant after correcting for the number of statistical comparisons. We proceeded by testing for gene x physical activity interactions for the polymorphisms that showed nominal evidence of association in the main effect models. None of these tests was statistically significant. CONCLUSIONS/INTERPRETATION: Variants at PPARGC1A may influence several metabolic traits in this European paediatric cohort. However, variation at PPARGC1A is unlikely to have a major impact on cardiovascular or metabolic health in these children.

Rescue of gene expression by modified REST decoy oligonucleotides in a cellular model of Huntington's disease

Transcriptional dysfunction is a prominent hallmark of Huntington's disease (HD). Several transcription factors have been implicated in the aetiology of HD progression and one of the most prominent is repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST). REST is a global repressor of neuronal gene expression and in the presence of mutant Huntingtin increased nuclear REST levels lead to elevated RE1 occupancy and a concomitant increase in target gene repression, including brain-derived neurotrophic factor. It is of great interest to devise strategies to reverse transcriptional dysregulation caused by increased nuclear REST and determine the consequences in HD. Thus far, such strategies have involved RNAi or mutant REST constructs. Decoys are double-stranded oligodeoxynucleotides corresponding to the DNA-binding element of a transcription factor and act to sequester it, thereby abrogating its transcriptional activity. Here, we report the use of a novel decoy strategy to rescue REST target gene expression in a cellular model of HD. We show that delivery of the decoy in cells expressing mutant Huntingtin leads to its specific interaction with REST, a reduction in REST occupancy of RE1s and rescue of target gene expression, including Bdnf. These data point to an alternative strategy for rebalancing the transcriptional dysregulation in HD.

1,8-Cineol inhibits nuclear translocation of NF-κB p65 and NF-κB-dependent transcriptional activity

Natural plant-derived products are commonly applied to treat a broad range of human diseases, including cancer as well as chronic and acute airway inflammation. In this regard, the monoterpene oxide 1,8-cineol, the active ingredient of the clinically approved drug Soledum®, is well-established for the therapy of airway diseases, such as chronic sinusitis and bronchitis, chronic obstructive pulmonary disease and bronchial asthma. Although clinical trials underline the beneficial effects of 1,8-cineol in treating inflammatory diseases, the molecular mode of action still remains unclear. Here, we demonstrate for the first time a 1,8-cineol-depending reduction of NF-κB-activity in human cell lines U373 and HeLa upon stimulation using lipopolysaccharides (LPS). Immunocytochemistry further revealed a reduced nuclear translocation of NF-κB p65, while qPCR and western blot analyses showed strongly attenuated expression of NF-κB target genes. Treatment with 1,8-cineol further led to increased protein levels of IκBα in an IKK-independent matter, while FRET-analyses showed restoring of LPS-associated loss of interaction between NF-κB p65 and IκBα. We likewise observed reduced amounts of phosphorylated c-Jun N-terminal kinase 1/2 protein in U373 cells after exposure to 1,8-cineol. In addition, 1,8-cineol led to decreased amount of nuclear NF-κB p65 and reduction of its target gene IκBα at protein level in human peripheral blood mononuclear cells. Our findings suggest a novel mode of action of 1,8-cineol through inhibition of nuclear NF-κB p65 translocation via IκBα resulting in decreased levels of proinflammatory NF-κB target genes and may therefore broaden the field of clinical application of this natural drug for treating inflammatory diseases.

Genetic variant rs17225178 in the ARNT2 gene is associated with Asperger Syndrome

Background Autism Spectrum Conditions (ASC) are neurodevelopmental conditions characterized by difficulties in communication and social interaction, alongside unusually repetitive behaviours and narrow interests. Asperger Syndrome (AS) is one subgroup of ASC and differs from classic autism in that in AS there is no language or general cognitive delay. Genetic, epigenetic and environmental factors are implicated in ASC and genes involved in neural connectivity and neurodevelopment are good candidates for studying the susceptibility to ASC. The aryl-hydrocarbon receptor nuclear translocator 2 (ARNT2) gene encodes a transcription factor involved in neurodevelopmental processes, neuronal connectivity and cellular responses to hypoxia. A mutation in this gene has been identified in individuals with ASC and single nucleotide polymorphisms (SNPs) have been nominally associated with AS and autistic traits in previous studies. Methods In this study, we tested 34 SNPs in ARNT2 for association with AS in 118 cases and 412 controls of Caucasian origin. P values were adjusted for multiple comparisons, and linkage disequilibrium (LD) among the SNPs analysed was calculated in our sample. Finally, SNP annotation allowed functional and structural analyses of the genetic variants in ARNT2. We tested the replicability of our result using the genome-wide association studies (GWAS) database of the Psychiatric Genomics Consortium (PGC). Results We report statistically significant association of rs17225178 with AS. This SNP modifies transcription factor binding sites and regions that regulate the chromatin state in neural cell lines. It is also included in a LD block in our sample, alongside other genetic variants that alter chromatin regulatory regions in neural cells. Conclusions These findings demonstrate that rs17225178 in the ARNT2 gene is associated with AS and support previous studies that pointed out an involvement of this gene in the predisposition to ASC.

Signaling pathways mediating cardiac myocyte gene expression in physiological and stress responses

The contractile cells in the heart (the cardiac myocytes) are terminally differentiated. In response to pathophysiological stresses, cardiac myocytes undergo hypertrophic growth or apoptosis, responses associated with the development of cardiac pathologies. There has been much effort expended in gaining an understanding of the stimuli which promote these responses, and in identifying the intracellular signaling pathways which are activated and potentially involved. These signaling pathways presumably modulate gene and protein expression to elicit the end-stage response. For the regulation of gene expression, the signal may traverse the cytoplasm to modulate nuclear-localized transcription factors as occurs with the mitogen-activated protein kinase or protein kinase B/Akt cascades. Alternatively, the signal may promote translocation of transcription factors from the cytoplasm to the nucleus as is seen with the calcineurin/NFAT and JAK/STAT systems. We present an overview of the principal signaling pathways implicated in the regulation of gene expression in cardiac myocyte pathophysiology, and summarize the current understanding of these pathways, the transcription factors they regulate and the changes in gene expression associated with the development of cardiac pathologies. Finally, we discuss how intracellular signaling and gene expression may be integrated to elicit the overall change in cellular phenotype.

Characterisation of chicken riboflavin carrier protein gene structure and promoter regulation by estrogen

Estrogen is an important steroid hormone that mediates most of its effects on regulation of gene expression by binding to intracellular receptors. The consensus estrogen response element (ERE) is a 13 bp palindromic inverted repeat with a three nucleotide spacer. However, several reports suggest that many estrogen target genes are regulated by diverse elements, such as imperfect EREs and ERE half sites (ERE 1/2),which are either the proximal or the distal half of the palindrome. To gain more insight into ERE half site-mediated gene regulation, we used a region from the estrogen-regulated chicken riboflavin carrier protein (RCP) gene promoter that contains ERE half sites. Using moxestrol, an analogue of estrogen and transient transfection of deletion and mutation containing RCP promoter/reporter constructs in chicken hepatoma (LMH2A) cells, we identified an estrogen response unit (ERU) composed of two consensus ERE 1/2 sites and one non-consensus ERE 1/2 site. Mutation of any of these sites within this ERU abolishes moxestrol response. Further, the ERU is able to confer moxestrol responsiveness to a heterologous promoter. Interestingly, RCP promoter is regulated by moxestrol in estrogen responsive human MCF-7 cells, but not in other cell lines such as NIH3T3 and HepG2 despite estrogen receptor-alpha (ER-�) co transfection. Electrophoretic mobility shift assays (EMSAs) with promoter regions encompassing the half sites and nuclear extracts from LMH2A cells show the presence of a moxestrol-induced complex that is abolished by a polyclonal anti-ER� antibody. Surprisingly, estrogen receptor cannot bind to these promoter elements in isolation. Thus, there appears to be a definite requirement for some other factor(s) in addition to estrogen receptor, for the generation of a suitable response of this promoter to estrogen. Our studies therefore suggest a novel mechanism of gene regulation by estrogen, involving ERE half sites without direct binding of ER to the cognate elements.