Epigenetics within the matrix:a neo-regulator of fibrotic disease

Fibrosis of any tissue is characterized by excessive extracellular matrix accumulation that ultimately destroys tissue architecture and eventually abolishes normal organ function. Although much research has focused on the mechanisms underlying disease pathogenesis, there are still no effective antifibrotic therapies that can reverse, stop or delay the formation of scar tissue in most fibrotic organs. As fibrosis can be described as an aberrant wound healing response, a recent hypothesis suggests that the cells involved in this process gain an altered heritable phenotype that promotes excessive fibrotic tissue accumulation. This article will review the most recent observations in a newly emerging field that links epigenetic modifications to the pathogenesis of fibrosis. Specifically, the roles of DNA methylation and histone modifications in fibrotic disease will be discussed.

Epigenetics, the epicenter of the hypoxic response

It is becoming increasingly apparent that epigenetics plays a crucial role in the cellular response to hypoxia. Such epigenetic regulation may work hand in hand with the hypoxia-induced transcription factor (HIF) family or may contribute in a more substantial way to the maintenance of a hypoxia-adapted cellular phenotype long after HIF has initiated the immediate response pathways. In this article we discuss the current research implicating epigenetic mechanisms in the cellular response to hypoxic environments. This includes; the role of epigenetics in both the stabilization and binding of HIF to its transcriptional targets, the role of histone demethylase enzymes following direct HIF transactivation, and finally, the impact of hypoxic environments on global patterns of histone modifications and DNA methylation.

Generation of an epigenetic signature by chronic hypoxia in prostate cells

Increasing levels of tissue hypoxia have been reported as a natural feature of the aging prostate gland and may be a risk factor for the development of prostate cancer. In this study, we have used PwR-1E benign prostate epithelial cells and an equivalently aged hypoxia-adapted PwR-1E sub-line to identify phenotypic and epigenetic consequences of chronic hypoxia in prostate cells. We have identified a significantly altered cellular phenotype in response to chronic hypoxia as characterized by increased receptor-mediated apoptotic resistance, the induction of cellular senescence, increased invasion and the increased secretion of IL-1 beta, IL6, IL8 and TNFalpha cytokines. In association with these phenotypic changes and the absence of HIF-1 alpha protein expression, we have demonstrated significant increases in global levels of DNA methylation and H3K9 histone acetylation in these cells, concomitant with the increased expression of DNA methyltransferase DMNT3b and gene-specific changes in DNA methylation at key imprinting loci. In conclusion, we have demonstrated a genome-wide adjustment of DNA methylation and histone acetylation under chronic hypoxic conditions in the prostate. These epigenetic signatures may represent an additional mechanism to promote and maintain a hypoxic-adapted cellular phenotype with a potential role in tumour development.

Régulation épigénétique de la défense antioxydante et de l'Angiopoietin-like 2 dans le contexte du vieillissement et des maladies cardiovasculaires

Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.

BPA occupational exposure assessment in Europe: a scientific gap

Bisphenol A (BPA), 2,2-bis(4-hydroxyphenyl) propane one is of the greatest volume industrial chemicals utilized in the world with increased production every year. Environmental exposure to this xenoestrogen is considered a generalized phenomenon with a Tolerable Daily Intake (TDI) of4 µg/kg body weight/day established by the European Food Safety Authority. Several studies have focused in estimate human daily intake and potential associated health effects of environmental exposures, however despite of the massive BPA production and consumption in European countries, with policarbonate and epoxy resins as the major applications, occupational exposure to BPA have been overlooked and considered safe by the European authorities.

Caractérisation des effets de l’hyperglycémie chronique dans la choroïde d’yeux diabétiques

But: Le diabète est un problème important de santé publique et la complication oculaire la plus commune est la rétinopathie diabétique (RD). Certaines études indiquent que la choroïde des patients diabétiques est affectée sans signe apparent de RD. Notre hypothèse est que l’élévation du stress oxydant liée à l’hyperglycémie chronique affecte la fonction choroïdienne à un stade précoce de la RD. Nous proposons d’étudier la glycolyse, le métabolisme mitochondrial, le stress nitrosatif et la méthylation de l’ADN ainsi que de caractériser les modifications histologiques dans la choroïde diabétique. Méthodes: L’expression des gènes/protéines associés à la glycolyse, au métabolisme mitochondrial et à la production de l’oxyde nitrique a été comparée par profilage génique et immunobuvardage Western entre les choroïdes saines et diabétiques. Les niveaux globaux de méthylation et d’hydroxyméthylation de l’ADN ont été quantifiés par immunoslot blot et HPLC-MS/MS dans ces tissus. Enfin, des coupes tissulaires d’yeux de donneurs sains ou diabétiques avec RD non proliférante (RDNP) ou proliférante (RDP) ont été colorées au trichrome de Masson et au Weigert. L’épaisseur de la choroïde et de la membrane de Bruch, ainsi que la densité et le diamètre des vaisseaux sanguins choroïdiens ont été analysés. Résultats: Nos résultats montrent une dérégulation de l’expression de certains transcrits de la choroïde diabétique, mais peu de différences au niveau de l’expression protéique des cibles validées. Le niveau global de méthylation de l’ADN est similaire entre les donneurs sains et diabétiques. Nos analyses histologiques démontrent une diminution de l’épaisseur de la choroïde et une dégénérescence des choriocapillaires et des veines/veinules chez les donneurs diabétiques atteints de RDP. Conclusions: L’étude de la choroïde est importante, car l’atteinte de ce tissu a de graves répercussions sur la fonction rétinienne. L’identification de cibles dans la choroïde ouvre de nouvelles perspectives pour un traitement préventif de la RD.

Diet and Probiotics during Pregnancy - Endorsing developmental Programming

Maternal obesity has been shown to increase the risk for adverse reproductive health outcomes such as gestational diabetes, hypertension, and preeclampsia. Moreover, several studies have indicated that overnutrition and maternal obesity adversely program the development of offspring by predisposing them to obesity and other chronic diseases later in life. The exact molecular mechanisms leading to developmental programming are not known, but it has recently been suggested that obesity-related low-grade inflammation, gut microbiota and epigenetic gene regulation (in particularly DNA methylation) participate in the developmental programming phenomenon. The aim of this thesis was to evaluate the effect of diet, dietary counseling and probiotic intervention during pregnancy in endorsing favorable developmental programming. The study population consisted of 256 mother-child pairs participating in a prospective, double-blinded dietary counselling and probiotic intervention (Lactobacillus rhamnosus GG and Bifidobacterium lactis Bb12) NAMI (Nutrition, Allergy, Mucosal immunology and Intestinal microbiota) study. Further overweight women were recruited from maternal welfare clinics in the area of Southwest Finland and from the prenatal outpatient clinic at Turku University Hospital. Dietary counseling was aimed to modify women’s dietary intake to comply with the recommended intake for pregnant women. Specifically, counseling aimed to affect the type of fat consumed and to increase the amount of fiber in the women’s diets. Leptin concentration was used as a marker for obesity-related low-grade inflammation, antioxidant vitamin status as an efficiency marker for dietary counselling and epigenetic DNA methylation of obesity related genes as a marker for probiotics influence. Results revealed that dietary intake may modify obesity-associated low-grade inflammation as measured by serum leptin concentration. Specifically, dietary fiber intake may lower leptin concentration in women, whereas the intakes of saturated fatty acids and sucrose have an opposite effect. Neither dietary counselling nor probiotic intervention modified leptin concentration in women, but probiotics tended to increase children’s leptin concentration. Dietary counseling was an efficient tool for improving antioxidant vitamin intake in women, which was reflected in the breast milk vitamin concentration. Probiotic intervention affected DNA methylation of dozens of obesity and weight gain related genes both in women and their children. Altogether these results indicate that dietary components, dietary counseling and probiotic supplementation during pregnancy may modify the intrauterine environment towards favorable developmental programming.

FACS-based purification of Arabidopsis microspores, sperm cells and vegetative nuclei

Background: The male germline in flowering plants differentiates by asymmetric division of haploid uninucleated microspores, giving rise to a vegetative cell enclosing a smaller generative cell, which eventually undergoes a second mitosis to originate two sperm cells. The vegetative cell and the sperm cells activate distinct genetic and epigenetic mechanisms to control pollen tube growth and germ cell specification, respectively. Therefore, a comprehensive characterization of these processes relies on efficient methods to isolate each of the different cell types throughout male gametogenesis. Results: We developed stable transgenic Arabidopsis lines and reliable purification tools based on Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS) in order to isolate highly pure and viable fractions of each cell/nuclei type before and after pollen mitosis. In the case of mature pollen, this was accomplished by expressing GFP and RFP in the sperm and vegetative nuclei, respectively, resulting in 99% pure sorted populations. Microspores were also purified by FACS taking advantage of their characteristic small size and autofluorescent properties, and were confirmed to be 98% pure. Conclusions: We provide simple and efficient FACS-based purification protocols for Arabidopsis microspores, vegetative nuclei and sperm cells. This paves the way for subsequent molecular analysis such as transcriptomics, DNA methylation analysis and chromatin immunoprecipitation, in the developmental context of microgametogenesis in Arabidopsis.

From genes to radioresistance in head and neck squamous cell carcinoma

Head and Neck Cancers (HNC) are a group of tumours located in the upper aero-digestive tract. Head and Neck Squamous Cell Carcinoma (HNSCC) represent about 90% of all HNC cases. It has been considered the sixth most malignant tumour worldwide and, despite clinical and technological advances, the five-year survival rate has not improved much in the last years. Nowadays, HNSCC is well established as a heterogeneous disease and that its development is due to accumulation of genetic events. Apart from the majority of the patients being diagnosed in an advanced stage, HNSCC is also a disease with poor therapeutic outcome. One of the therapeutic approaches is radiotherapy. However, this approach has different drawbacks like the radioresistance acquired by some tumour cells, leading to a worse prognosis. A major knowledge in radiation biology is imperative to improve this type of treatment and avoid late toxicities, maintaining patient quality of life in the subsequent years after treatment. Then, identification of genetic markers associated to radiotherapy response in patients and possible alterations in cells after radiotherapy are essential steps towards an improved diagnosis, higher survival rate and a better life quality. Not much is known about the radiation effects on cells, so, the principal aim of this study was to contribute to a more extensive knowledge about radiation treatment in HNSCC. For this, two commercial cell lines, HSC-3 and BICR-10, were used and characterized resorting to karyotyping, aCGH and MS-MLPA. These cell lines were submitted to different doses of irradiation and the resulting genetic and methylation alterations were evaluated. Our results showed a great difference in radiation response between the two cell lines, allowing the conclusion that HSC-3 was much more radiosensitive than BICR-10. Bearing this in mind, analysis of cell death, cell cycle and DNA damages was performed to try to elucidate the motifs behind this difference. The characterization of both cell lines allowed the confirmation that HSC-3 was derived from a metastatic tumour and the hypothesis that BICR-10 was derived from a dysplasia. Furthermore, this pilot study enabled the suggestion of some genetic and epigenetic alterations that cells suffer after radiation treatment. Additionally, it also allowed the association of some genetic characteristics that could be related to the differences in radiation response observable in this two cell lines. Taken together all of our results contribute to a better understanding of radiation effects on HNSCC allowing one further step towards the prediction of patients’ outcome, better choice of treatment approaches and ultimately a better quality of life.

Régulation épigénétique de la défense antioxydante et de l'Angiopoietin-like 2 dans le contexte du vieillissement et des maladies cardiovasculaires

Suite à l’exposition à des facteurs de risque incluant la malnutrition, la dyslipidémie, la sédentarité et les désordres métaboliques, les maladies cardiovasculaires (MCV) sont caractérisées par un état pro-oxydant et pro-inflammatoire, et une dérégulation de l’expression de divers facteurs responsables de l’homéostasie de l’environnement rédox et inflammatoire. L’implication d’enzymes antioxydantes telles que les superoxyde dismutases (SOD) et les glutathion peroxydases (Gpx), ainsi que la contribution de médiateurs pro-inflammatoires tels que l’angiopoietin-like 2 (Angptl2) ont été rapportées dans le cadre des MCV. Toutefois, les mécanismes moléculaires sensibles aux facteurs de risque et menant au développement des MCV sont peu connus. L’épigénétique est un mécanisme de régulation de l’expression génique sensible aux stimuli extracellulaires et pourrait donc contribuer au développement des MCV. La méthylation de l’ADN est un des mécanismes épigénétiques pouvant varier tant de manière gène-spécifique qu’à l’échelle génomique, et la conséquence de tels changements sur l’expression des gènes ciblés dépend du site de méthylation. Puisqu’il a été démontré que des variations au niveau de la méthylation de l’ADN peuvent être associées à divers contextes pathologiques incluant les MCV, le but de nos travaux était d’étudier le lien entre la méthylation de gènes antioxydants et pro-inflammatoires avec leurs répercussions fonctionnelles biologiques en présence de facteurs de risques associés aux MCV, tels que le vieillissement, la dyslipidémie et la sédentarité. Dans la première étude, nous avons observé que dans l’artère fémorale de souris vieillissantes, la méthylation au niveau du promoteur du gène Sod2, codant pour l’enzyme antioxydante superoxyde dismutase de type 2 (SOD2 ou MnSOD), diminue avec l’âge. Ceci serait associé à l’induction de l’expression de MnSOD, renforçant ainsi la défense antioxydante endogène. Le vieillissement étant associé à une accumulation de la production de radicaux libres, nous avons étudié la vasodilatation dépendante de l’endothélium qui est sensible au stress oxydant. Nous avons observé que la capacité vasodilatatrice globale a été maintenue chez les souris âgées, aux dépens d’une diminution des facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) et d’une contribution accentuée de la voie du monoxyde d’azote (NO). Nous avons ensuite utilisé deux approches visant à réduire les niveaux de stress oxydant in vivo, soit la supplémentation avec un antioxydant, la catéchine, et l’exposition chronique à de l’exercice physique volontaire. Ces interventions ont permis de prévenir à la fois les changements au niveau de la fonction endothéliale et de l’hypométhylation de Sod2. Cette première étude démontre donc la sensibilité de la méthylation de l’ADN à l’environnement rédox. Dans la deuxième étude, nous avons démontré une régulation de l’expression de l’enzyme antioxydante glutathion peroxydase 1 (Gpx1) en lien avec la méthylation de son gène codant, Gpx1, dans un contexte de dyslipidémie sévère. Nos résultats démontrent que dans le muscle squelettique de souris transgéniques sévèrement dyslipidémiques (LDLr-/-; hApoB+/+), Gpx1 est hyperméthylé, ce qui diminue l’expression de Gpx1 et affaiblit la défense antioxydante endogène. Chez ces souris, l’exercice physique chronique a permis d’augmenter l’expression de Gpx1 en lien avec une hypométhylation transitoire de son gène. Cette étude démontre que le stress oxydant associé à la dyslipidémie sévère altère les mécanismes de défense antioxydante, en partie via un mécanisme épigénétique. De plus, on observe également que l’exercice physique permet de renverser ces effets et peut induire des changements épigénétiques, mais de manière transitoire. La troisième étude avait pour but d’étudier la régulation de l’Angptl2, une protéine circulante pro-inflammatoire, dans le contexte des MCV. Nous avons observé que chez des patients coronariens, la concentration circulante d’Angptl2 est significativement plus élevée que chez des sujets sains et ce, en lien avec une hypométhylation de son gène, ANGPTL2, mesurée dans les leucocytes circulants. Nous sommes les premiers à démontrer qu’en réponse à l’environnement pro-inflammatoire associé à une MCV, l’expression de l’Angptl2 est stimulée par un mécanisme épigénétique. Nos études ont permis d’identifier des nouvelles régions régulatrices différentiellement méthylées situées dans les gènes impliqués dans la défense antioxydante, soit Sod2 en lien avec le vieillissement et Gpx1 en lien avec la dyslipidémie et l’exercice. Nous avons également démontré un mécanisme de régulation de l’Angptl2 dépendant de la méthylation d’ANGPTL2 et ce, pour la première fois dans un contexte de MCV. Ces observations illustrent la nature dynamique de la régulation épigénétique par la méthylation de l’ADN en réponse aux stimuli environnementaux. Nos études contribuent ainsi à la compréhension et l’identification de mécanismes moléculaires impliqués dans le développement du phénotype pathologique suite à l’exposition aux facteurs de risque, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques.

Metastability and dynamics of stem cells: from direct observations to inference at the single cell level

Organismal development, homeostasis, and pathology are rooted in inherently probabilistic events. From gene expression to cellular differentiation, rates and likelihoods shape the form and function of biology. Processes ranging from growth to cancer homeostasis to reprogramming of stem cells all require transitions between distinct phenotypic states, and these occur at defined rates. Therefore, measuring the fidelity and dynamics with which such transitions occur is central to understanding natural biological phenomena and is critical for therapeutic interventions.

While these processes may produce robust population-level behaviors, decisions are made by individual cells. In certain circumstances, these minuscule computing units effectively roll dice to determine their fate. And while the 'omics' era has provided vast amounts of data on what these populations are doing en masse, the behaviors of the underlying units of these processes get washed out in averages.

Therefore, in order to understand the behavior of a sample of cells, it is critical to reveal how its underlying components, or mixture of cells in distinct states, each contribute to the overall phenotype. As such, we must first define what states exist in the population, determine what controls the stability of these states, and measure in high dimensionality the dynamics with which these cells transition between states.

To address a specific example of this general problem, we investigate the heterogeneity and dynamics of mouse embryonic stem cells (mESCs). While a number of reports have identified particular genes in ES cells that switch between 'high' and 'low' metastable expression states in culture, it remains unclear how levels of many of these regulators combine to form states in transcriptional space. Using a method called single molecule mRNA fluorescent in situ hybridization (smFISH), we quantitatively measure and fit distributions of core pluripotency regulators in single cells, identifying a wide range of variabilities between genes, but each explained by a simple model of bursty transcription. From this data, we also observed that strongly bimodal genes appear to be co-expressed, effectively limiting the occupancy of transcriptional space to two primary states across genes studied here. However, these states also appear punctuated by the conditional expression of the most highly variable genes, potentially defining smaller substates of pluripotency.

Having defined the transcriptional states, we next asked what might control their stability or persistence. Surprisingly, we found that DNA methylation, a mark normally associated with irreversible developmental progression, was itself differentially regulated between these two primary states. Furthermore, both acute or chronic inhibition of DNA methyltransferase activity led to reduced heterogeneity among the population, suggesting that metastability can be modulated by this strong epigenetic mark.

Finally, because understanding the dynamics of state transitions is fundamental to a variety of biological problems, we sought to develop a high-throughput method for the identification of cellular trajectories without the need for cell-line engineering. We achieved this by combining cell-lineage information gathered from time-lapse microscopy with endpoint smFISH for measurements of final expression states. Applying a simple mathematical framework to these lineage-tree associated expression states enables the inference of dynamic transitions. We apply our novel approach in order to infer temporal sequences of events, quantitative switching rates, and network topology among a set of ESC states.

Taken together, we identify distinct expression states in ES cells, gain fundamental insight into how a strong epigenetic modifier enforces the stability of these states, and develop and apply a new method for the identification of cellular trajectories using scalable in situ readouts of cellular state.

Integrative genomic, epigenetic and metabolomic characterization of beef from grass-fed Angus steers

Beef constitutes a main component of the American diet and still represent the principal source of protein in many parts of the world. Currently, the meat market is experiencing an important transformation; consumers are increasingly switching from consuming traditional beef to grass-fed beef. People recognized products obtained from grass-fed animals as more natural and healthy. However, the true variations between these two production systems regarding various aspects remain unclear. This dissertation provides information from closely genetically related animals, in order to decrease confounding factors, to explain several confused divergences between grain-fed and grass-fed beef. First, we examined the growth curve, important economic traits and quality carcass characteristics over four consecutive years in grain-fed and grass-fed animals, generating valuable information for management decisions and economic evaluation for grass-fed cattle operations. Second, we performed the first integrated transcriptomic and metabolomic analysis in grass-fed beef, detecting alterations in glucose metabolism, divergences in free fatty acids and carnitine conjugated lipid levels, and altered β-oxidation. Results suggest that grass finished beef could possibly benefit consumer health from having lower total fat content and better lipid profile than grain-fed beef. Regarding animal welfare, grass-fed animals may experience less stress than grain-fed individuals as well. Finally, we contrasted the genome-wide DNA methylation of grass-fed beef against grain-fed beef using the methyl-CpG binding domain sequencing (MBD-Seq) method, identifying 60 differentially methylated regions (DMRs). Most of DMRs were located inside or upstream of genes and displayed increased levels of methylation in grass-fed individuals, implying a global DNA methylation increment in this group. Interestingly, chromosome 14, which has been associated with large effects on ADG, marbling, back fat, ribeye area and hot carcass weight in beef cattle, allocated the largest number of DMRs (12/60). The pathway analysis identified skeletal and muscular system as the preeminent physiological system and function, and recognized carbohydrates metabolism, lipid metabolism and tissue morphology among the highest ranked networks. Therefore, although we recognize some limitations and assume that additional examination is still required, this project provides the first integrative genomic, epigenetic and metabolomics characterization of beef produced under grass-fed regimen.

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.

Proscillaridin A effects on histone acetylation and C-MYC degradation in acute lymphoblastic leukemia

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) représente environ 25% des cancers pédiatriques diagnostiqués chaque année. Dans 80 % des cas, une rémission complète est observée. Cependant, les patients résistants aux traitements ainsi que les patients en rechute présentent un mauvais pronostique. Les altérations épigénétiques sont des facteurs essentiels dans le développement et la progression de la maladie, ainsi qu’à la résistance aux traitements. Lors d’un criblage de médicaments approuvés par la FDA, nous avons découvert des molécules ayant des caractéristiques anticancéreux et épigénétiques. Pour évaluer l’activité de ces molécules, nous avons procédé à un criblage secondaire sur plusieurs lignées cellulaires leucémiques. Nous avons découvert qu’une de ces molécules, un glucoside cardiotonique appelé la proscillaridine A, avait une activité anticancéreuse spécifique pour des cellules leucémiques. Nous faisons donc l’hypothèse que la proscillaridine A pourrait avoir des effets épigénétiques et anticancéreux dans des modèles précliniques de LLA. Pour tester cette hypothèse, nous avons traité deux lignées cellulaires de LLA Nalm-6 (LLA pre-B) et Molt-4 (T-LLA) in vitro pendant 2 à 96 heures à des doses pertinentes sur le plan clinique. Nous avons alors pu observer une inhibition de croissance qui était dépendante de la dose administrée dans les deux lignées cellulaires, avec des valeurs de 50% d’inhibition de croissance (CI50) de 3.0 nM pour les Nalm-6 et de et 2.3 nM pour les Molt-4. De plus, nos études sur le cycle cellulaire par BrdU démontrent un arrêt en phase G2/M. Nous avons également détecté par immunobuvardage de type western des baisses significatives de l’acétylation de résidus de l’histone 3. Les niveaux d’expression des enzymes responsables de cette acétylation, les histones acétyltransférases CBP, P300 et TIP60 ainsi que de l’oncogène C-MYC étaient également diminuées. Par des analyses de séquençage de l’ARN, nous avons observé une augmentation de l’expression des gènes impliquées dans les processus d’apoptose et de différentiation cellulaire, ainsi qu’une diminution des gènes impliqués dans la prolifération cellulaire comme en particulier les gènes cibles de C-MYC. Ces résultats prometteurs suggèrent le potentiel prometteur de la proscillaridine A comme nouvelle thérapie pour les patients atteints de LLA.