Modélisation de réseaux d'interactions des microARN et analyse et validation expérimentale de leurs boucles minimales avec des facteurs de transcription

Les microARN (miARN) sont de petits ARN non-codants qui répriment la traduction de leurs gènes cibles par hybridation à leur ARN messager (ARNm). L'identification de cibles biologiquement actives de miARN est cruciale afin de mieux comprendre leurs rôles. Ce problème est cependant difficile parce que leurs sites ne sont définis que par sept nucléotides. Dans cette thèse je montre qu'il est possible de modéliser certains aspects des miARN afin d'identifier leurs cibles biologiquement actives à travers deux modélisations d'un aspect des miARN. La première modélisation s'intéresse aux aspects de la régulation des miARN par l'identification de boucles de régulation entre des miARN et des facteurs de transcription (FT). Cette modélisation a permis, notamment, d'identifier plus de 700 boucles de régulation miARN/FT, conservées entre l'humain et la souris. Les résultats de cette modélisation ont permis, en particulier, d'identifier deux boucles d'auto-régulation entre LMO2 et les miARN miR-223 et miR-363. Des expériences de transplantation de cellules souches hématopoïétiques et de progéniteurs hématopoïétiques ont ensuite permis d'assigner à ces deux miARN un rôle dans la détermination du destin cellulaire hématopoïétique. La deuxième modélisation s'intéresse directement aux interactions des miARN avec les ARNm afin de déterminer les cibles des miARN. Ces travaux ont permis la mise au point d'une méthode simple de prédiction de cibles de miARN dont les performances sont meilleures que les outils courant. Cette modélisation a aussi permis de mettre en lumière certaines conséquences insoupçonnées de l'effet des miARN, telle que la spécificité des cibles de miARN au contexte cellulaire et l'effet de saturation de certains ARNm par les miARN. Cette méthode peut également être utilisée pour identifier des ARNm dont la surexpression fait augmenter un autre ARNm par l'entremise de miARN partagés et dont les effets sur les ARNm non ciblés seraient minimaux.

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

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

Modulation de la stabilité de l'ARNm alphaENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires : détermination du rôle des séquences 3' non traduites

Le transport actif de sodium par les cellules épithéliales alvéolaires est le principal mécanisme impliqué dans la régulation du niveau de liquide dans le poumon distal. Le canal épithélial sodique (ENaC) exprimé par les cellules épithéliales alvéolaires est essentiel à la résorption du liquide des poumons à la naissance ainsi que la résolution de l'œdème pulmonaire chez l'adulte. L'activité et l'expression du canal ENaC sont modulées par de nombreux stress pathophysiologiques. L'inflammation pulmonaire constitue un facteur important dans l'inhibition de l'expression du canal ENaC et pourrait favoriser la formation d'œdème pulmonaire. Nous avons précédemment démontré que différentes cytokines pro-inflammatoires, ainsi que les lipopolysaccharides (LPS) de Pseudomonas aeruginosa, inhibent l'expression de l'ARNm αENaC par des mécanismes de régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle. Ces résultats suggèrent que les mécanismes qui modulent la stabilité des ARNm αENaC pourraient jouer un rôle important dans la régulation du niveau d’expression du transcrit en condition inflammatoire. Le principal objectif de mes travaux était de caractériser les mécanismes de modulation de l’ARNm αENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires lors de différents stress pathophysiologiques et déterminer si cette modulation pouvait s’expliquer en partie par une régulation de la stabilité du transcrit. Mes travaux montrent que les LPS et la cycloheximide inhibent l’expression de l’ARNm αENaC de façon similaire via l’activation des voies de signalisation des MAPK ERK1/2 et p38. Cependant, les mécanismes de modulation de l’expression de l'ARNm αENaC sont différents puisque les LPS répriment la transcription du gène, alors que la cycloheximide diminuerait la stabilité du transcrit via des mécanismes post-transcriptionnels impliquant la région 3' non traduite (3'UTR) de l'ARNm αENaC. Pour mieux étudier le rôle du 3'UTR dans ce processus, nous avons développé un modèle Tet-Off nous permettant de mesurer la demi-vie de l’ARNm αENaC indépendamment de l’utilisation d’un inhibiteur de la transcription comme l'actinomycine D (Act. D). Nous avons montré que la demi-vie de l’ARNm αENaC était de 100min, un temps beaucoup plus court que celui rapporté dans la littérature. Nous avons démontré que l’Act. D a un effet stabilisateur important sur l’ARNm αENaC et qu’il ne peut être utilisé pour évaluer la stabilité du transcrit. À l’aide de différents mutants de délétion, nous avons entrepris de déterminer la nature des régions du 3’UTR impliquées dans la modulation de la stabilité du transcrit. Nous avons trouvé que le 3’UTR joue un rôle à la fois de stabilisation (région 3’UTR proximale) et de déstabilisation (région 3’UTR distale) du transcrit. Notre système nous a finalement permis de confirmer que la diminution de l’ARNm αENaC observée en présence de TNF-α s’expliquait en partie par une diminution importante de la stabilité du transcrit induite par cette cytokine. Enfin, nous avons identifié la nature des protéines pouvant se lier au 3’UTR de l’ARNm αENaC et déterminé lesquelles pouvaient moduler la stabilité du transcrit. Des trois protéines candidates trouvées, nous avons confirmé que la surexpression de DHX36 et TIAL1 diminue le niveau de transcrit par un mécanisme impliquant la stabilité du messager. Les travaux présentés ici montrent la complexité des voies de signalisation induites par différents stress sur les cellules épithéliales alvéolaires et montrent comment la stabilité de l’ARNm αENaC et en particulier, les séquences du 3’UTR jouent un rôle important dans la modulation du niveau de transcrit. Le modèle Tet-Off que nous avons développé permet d’estimer le temps de demi-vie réel de l’ARNm αENaC et montre que le 3’UTR du messager joue un rôle complexe dans la stabilisation du messager en condition de base ainsi qu’en condition pro-inflammatoire. Enfin, nous avons identifié deux protéines liant l’ARNm qui pourraient jouer un rôle important dans la modulation de la stabilité du transcrit.

Évolution à fine échelle des sites d'épissage des introns dans les gènes des oomycètes

Les introns sont des portions de gènes transcrites dans l’ARN messager, mais retirées pendant l’épissage avant la synthèse des produits du gène. Chez les eucaryotes, on rencontre les introns splicéosomaux, qui sont retirés de l’ARN messager par des splicéosomes. Les introns permettent plusieurs processus importants, tels que l'épissage alternatif, la dégradation des ARNs messagers non-sens, et l'encodage d'ARNs fonctionnels. Leurs rôles nous interrogent sur l'influence de la sélection naturelle sur leur évolution. Nous nous intéressons aux mutations qui peuvent modifier les produits d'un gène en changeant les sites d'épissage des introns. Ces mutations peuvent influencer le fonctionnement d'un organisme, et constituent donc un sujet d'étude intéressant, mais il n'existe actuellement pas de logiciels permettant de les étudier convenablement. Le but de notre projet était donc de concevoir une méthode pour détecter et analyser les changements des sites d'épissage des introns splicéosomaux. Nous avons finalement développé une méthode qui repère les évènements évolutifs qui affectent les introns splicéosomaux dans un jeu d'espèces données. La méthode a été exécutée sur un ensemble d'espèces d'oomycètes. Plusieurs évènements détectés ont changé les sites d’épissage et les protéines, mais de nombreux évènements trouvés ont modifié les introns sans affecter les produits des gènes. Il manque à notre méthode une étape finale d'analyse approfondie des données récoltées. Cependant, la méthode actuelle est facilement reproductible et automatise l'analyse des génomes pour la détection des évènements. Les fichiers produits peuvent ensuite être analysés dans chaque étude pour répondre à des questions spécifiques.

Définition du mécanisme de localisation des ARNm cen et ik2 aux centrosomes chez la Drosophile

L’organisation cellulaire repose sur une distribution organisée des macromolécules dans la cellule. Deux ARNm, cen et ik2, montrent une colocalisation parfaite aux centrosomes. Ces deux gènes font partie du même locus sur le chromosome 2L de Drosophila melanogaster et leur région 3’ non traduite (3’UTR) se chevauchent. Dans le mutant Cen, le transport de Ik2 est perturbé, mais dans le mutant Ik2, la localisation de cen n’est aucunement affectée. Ces résultats suggèrent que cen est le régulateur principal de la co-localisation de cen et ik2 aux centrosomes et que cette co-localisation se produit par un mécanisme impliquant la région complémentaire au niveau du 3’UTR des deux transcrits. La localisation de cen au niveau des centrosomes dans les cellules épithéliales de l’embryon est conservée dans différentes espèces de Drosophile : D. melanogater, D. simulans, D. virilis et D. mojavensis. Cependant, la localisation de ik2 n’est pas conservée dans D. virilis et D. mojavensis, deux espèces dont les gènes cen et ik2 sont dissociés dans le génome. Ces résultats suggèrent que la proximité de Cen et Ik2 dans le génome est importante afin d’avoir un événement de co-localisation de ces deux transcrits. J’ai généré différentes lignées de mouches transgéniques dans lesquelles un transgène contenant la séquence GFP fusionnée à différentes partie de Cen (partie codante, 3’UTR, Cod+3’UTR) qui sont sous le contrôle du promoteur UAS et qui sont gal4 inductibles. La région codante de l’ARNm cen était suffisante pour avoir un ciblage précis du transcrit aux centrosomes.

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.

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

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

Calicivirus translation initiation requires an interaction between VPg and eIF4E

Unlike other positive-stranded RNA viruses that use either a 5'-cap structure or an internal ribosome entry site to direct translation of their messenger RNA, calicivirus translation is dependent on the presence of a protein covalently linked to the 50 end of the viral genome (VPg). We have shown a direct interaction of the calicivirus VPg with the cap-binding protein eIF4E. This interaction is required for calicivirus mRNA translation, as sequestration of eIF4E by 4E-BP1 inhibits translation. Functional analysis has shown that VPg does not interfere with the interaction between eIF4E and the cap structure or 4E-BP1, suggesting that VPg binds to eIF4E at a different site from both cap and 4E-BP1. This work lends support to the idea that calicivirus VPg acts as a novel 'cap substitute' during initiation of translation on virus mRNA.

Phylogenomics of eukaryotes: Impact of missing data on large alignments

Resolving the relationships between Metazoa and other eukaryotic groups as well as between metazoan phyla is central to the understanding of the origin and evolution of animals. The current view is based on limited data sets, either a single gene with many species (e.g., ribosomal RNA) or many genes but with only a few species. Because a reliable phylogenetic inference simultaneously requires numerous genes and numerous species, we assembled a very large data set containing 129 orthologous proteins (similar to30,000 aligned amino acid positions) for 36 eukaryotic species. Included in the alignments are data from the choanoflagellate Monosiga ovata, obtained through the sequencing of about 1,000 cDNAs. We provide conclusive support for choanoflagellates as the closest relative of animals and for fungi as the second closest. The monophyly of Plantae and chromalveolates was recovered but without strong statistical support. Within animals, in contrast to the monophyly of Coelomata observed in several recent large-scale analyses, we recovered a paraphyletic Coelamata, with nematodes and platyhelminths nested within. To include a diverse sample of organisms, data from EST projects were used for several species, resulting in a large amount of missing data in our alignment (about 25%). By using different approaches, we verify that the inferred phylogeny is not sensitive to these missing data. Therefore, this large data set provides a reliable phylogenetic framework for studying eukaryotic and animal evolution and will be easily extendable when large amounts of sequence information become available from a broader taxonomic range.

Eag 1, Eag 2 and Kcnn3 gene brain expression of isolated reared rats

The Eag1 and Eag2, voltage-dependent potassium channels, and the small-conductance calcium-activated potassium channel (Kcnn3) are highly expressed in limbic regions of the brain, where their function is still unknown. Eag1 co-localizes with tyrosine hydroxilase enzyme in the substantia nigra and ventral tegmental area. Kcnn3 deficiency leads to enhanced serotonergic and dopaminergic neurotransmission accompanied by distinct alterations in emotional behaviors. As exposure to stress is able to change the expression and function of several ion channels, suggesting that they might be involved in the consequences of stress, we aimed at investigating Eag 1, Eag2 and Kcnn3 mRNA expression in the brains of rats submitted to isolation rearing. As the long-lasting alterations in emotional and behavioral regulation after stress have been related to changes in serotonergic neurotransmission, expressions of serotonin Htr1a and Htr2a receptors in male Wistar rats` brain were also investigated. Rats were reared in isolation or in groups of five for nine weeks after weaning. Isolated and socially reared rats were tested for exploratory activity in the open field test for 5 min and brains were processed for reverse-transcription coupled to quantitative polymerase chain reaction (qRT-PCR). Isolated reared rats showed decreased exploratory activity in the open field. Compared to socially reared rats, isolated rats showed reduced Htr2a mRNA expression in the striatum and brainstem and reduced Eag2 mRNA expression in all examined regions except cerebellum. To our knowledge, this is the first work to show that isolation rearing can change Eag2 gene expression in the brain. The involvement of this channel in stress-related behaviors is discussed.

Endothelial and inducible nitric oxide synthases in oocytes of cattle

Nitric oxide (NO) is a chemical messenger generated by the activity of the nitric oxide synthases (NOS). The NOS/NO system appears to be involved in oocyte maturation, but there are few studies on gene expression and protein activity in oocytes of cattle. The present study aimed to investigate gene expression and protein activity of NOS in immature and in vitro matured oocytes of cattle. The influence of pre-maturation culture with butyrolactone I in NOS gene expression was also assessed. The following experiments were performed: (1) detection of the endothelial (eNOS) and inducible (iNOS) isoforms in the ovary by immunohistochemistry; (2) detection of eNOS and iNOS in the oocytes before and after in vitro maturation (W) by immunofluorescence; (3) eNOS and iNOS mRNA and protein in immature and in vitro matured oocytes, with or without pre-maturation, by real time PCR and Western blotting, respectively; and (4) NOS activity in immature and in vitro matured oocytes by NADPH-diaphorase. eNOS and iNOS were detected in oocytes within all follicle categories (primary, secondary and tertiary), and other compartments of the ovary and in the cytoplasm of immature and in vitro matured oocytes. Amount of mRNA for both isoforms decreased after IVM but was maintained after pre-maturation culture. The NOS protein was detected in immature (pre-mature or not) and was still detected in similar amount after pre-maturation and maturation for both isoforms. NOS activity was detected only in part of the immature oocytes. In conclusion, isoforms of NOS (eNOS and iNOS) are present in oocytes of cattle from early folliculogenesis up to maturation; in vitro maturation influences amount of mRNA and NOS activity. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Cytoplasmic maturation of bovine oocytes: Structural and biochemical modifications and acquisition of developmental competence

Oocyte maturation is a long process during which oocytes acquire their intrinsic ability to support the subsequent stages of development in a stepwise manner, ultimately reaching activation of the embryonic genome. This process involves complex and distinct, although linked, events of nuclear and cytoplasmic maturation. Nuclear maturation mainly involves chromosomal segregation, whereas cytoplasmic maturation involves organelle reorganization and storage of mRNAs, proteins and transcription factors that act in the overall maturation process, fertilization and early embryogenesis. Thus, for didactic purposes, we subdivided cytoplasmic maturation into: (1) organelle redistribution, (2) cytoskeleton dynamics, and (3) molecular maturation. Ultrastructural analysis has shown that mitochondria, ribosomes, endoplasmic reticulum, cortical granules and the Golgi complex assume different positions during the transition from the germinal vesicle stage to metaphase II. The cytoskeletal microfilaments and microtubules present in the cytoplasm promote these movements and act on chromosome segregation. Molecular maturation consists of transcription, storage and processing of maternal mRNA, which is stored in a stable, inactive form until translational recruitment. Polyadenylation is the main mechanism that initiates protein translation and consists of the addition of adenosine residues to the 3` terminal portion of mRNA. Cell cycle regulators, proteins, cytoplasmic maturation markers and components of the enzymatic antioxidant system are mainly transcribed during this stage. Thus, the objective of this review is to focus on the cytoplasmic maturation process by analyzing the modifications in this compartment during the acquisition of meiotic competence for development. (c) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Viable Calves Produced by Somatic Cell Nuclear Transfer Using Meiotic-Blocked Oocytes

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) has had an enormous impact on our understanding of biology and remains a unique tool for multiplying valuable laboratory and domestic animals. However, the complexity of the procedure and its poor efficiency are factors that limit a wider application of SCNT. In this context, oocyte meiotic arrest is an important option to make SCNT more flexible and increase the number of cloned embryos produced. Herein, we show that the use of butyrolactone I in association with brain-derived neurotrophic factor (BDNF) to arrest the meiotic division for 24 h prior to in vitro maturation provides bovine (Bos indicus) oocytes capable of supporting development of blastocysts and full-term cloned calves at least as efficiently as nonarrested oocytes. Furthermore, the procedure resulted in cloned blastocysts with an 1.5- and twofold increase of POU5F1 and IFNT2 expression, respectively, which are well-known markers of embryonic viability. Mitochondrial DNA (mtDNA) copy number was diminished by prematuration in immature oocytes (718,585 +/- 34,775 vs. 595,579 +/- 31,922, respectively, control and treated groups) but was unchanged in mature oocytes (522,179 +/- 45,617 vs. 498,771 +/- 33,231) and blastocysts (816,627 +/- 40,235 vs. 765,332 +/- 51,104). To our knowledge, this is the first report of cloned offspring born to prematured oocytes, indicating that meiotic arrest could have significant implications for laboratories working with SCNT and in vitro embryo production.

Clock Genes, Melanopsins, Melatonin, and Dopamine Key Enzymes and Their Modulation by Light and Glutamate in Chicken Embryonic Retinal Cells

The avian circadian system is composed of the retina, the mammalian homolog region of the suprachiasmatic nucleus (SNC), and the pineal gland. The retina, itself, displays many rhythmic physiological events, such as movements of photoreceptor cells, opsin expression, retinal reisomerization, and melatonin and dopamine production and secretion. Altogether, these rhythmic events are coordinated to predict environmental changes in light conditions during the day, optimizing retina function. The authors investigated the expression pattern of the melanopsin genes Opn4x and Opn4m, the clock genes Clock and Per2, and the genes for the key enzymes N-Acetyltransferase and Tyrosine Hidroxylase in chicken embryo dispersed retinal cells. Primary cultures of chicken retina from 8-day-old embryos were kept in constant dark (DD), in 12-h light/12-h dark (12L:12D), in 12L:12D followed by DD, or in DD in the absence or presence of 100 mu M glutamate for 12 h. Total RNA was extracted throughout a 24-h span, every 3 h starting at zeitgeber time 0 (ZT0) of the 6th day, and submitted to reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) followed by quantitative PCR (qPCR) for mRNA quantification. The data showed no rhythmic pattern of transcription for any gene in cells kept in DD. However under a light-dark cycle, Clock, Per2, Opn4m, N-Acetyltransferase, and Tyrosine Hydroxylase exhibited rhythmic patterns of transcription. In DD, 100 mu M glutamate was able to induce rhythmic expression of Clock, strongly inhibited the expression of Tyrosine Hydroxylase, and, only at some ZTs, of Opn4x and Opn4m. The neurotransmitter had no effect on Per2 and N-Acetyltransferase transcription. The authors confirmed the expression of the protein OPN4x by immunocytochemistry. These results suggest that chicken embryonic retinal cells contain a functional circadian clock, whose synchronization requires light-dark cycle or glutamate stimuli. (Author correspondence: amdlcast@ib.usp.br).

Melanopsin and Clock Genes: Regulation by Light and Endothelin in the Zebrafish ZEM-2S Cell Line

It is well known that clocks are present in brain regions other than the suprachiasmatic nucleus and in many peripheral tissues. In the teleost, Danio rerio, peripheral oscillators can be directly synchronized by light. Danio rerio ZEM-2S embryonic cells respond to light with differential growth: cells kept in constant light exhibited a strong inhibition of proliferation, whereas in cells kept in light:dark (LD) cycles (14L:10D and 10L:14D) or in constant darkness (DD), the doubling times were not statistically different. We demonstrated by RT-PCR followed by PCR that ZEM-2S cells express two melanopsins, Opn4x and Opn4m, and the six Cry genes. The presence of the protein OPN4x was demonstrated by immunocytochemistry. The pattern of temporal expression of the genes Opn4x, Per1, Cry1b, and Clock was studied in ZEM-2S cells kept for five days in 12L:12D or DD. In 12L:12D, the clock genes Per 1 and Cry1b exhibited robust circadian expression, while Opn4x and Clock expression seemed to vary in an ultradian pattern. Both Per1 and Cry1b genes had higher expression during the L phase; Clock gene had an increase in expression coincident with the D phase, and during the subjective night. In DD, the temporal variation of Per1 and Cry1b genes was greatly attenuated but not extinguished, and the higher expressions were shifted to the transition times between subjective day and night, demonstrating that Per and Cry1b were synchronized by the LD cycle. Clock and Opn4x kept the ultradian oscillation, but the rhythm was not statistically significant. As endothelins (ET) have been reported to be a potent stimulator of Per genes in rodents, we investigated the effect of endothelin on ZEM-2S cells, which express ETA receptors. Cells were kept in 12D:12L for five days, and then treated with 10-11 to 10-8M ET-1 for 24h. ET-1 exhibited a biphasic effect on Opn4x expression. At 10-11M, the hormone exerted a highly significant stimulation of Opn4x expression during the L phase and introduced a circadian oscillatory pattern. At 10-10M, a significant increase was seen at ZT21 and ZT0 (i.e., at the end of the D phase and beginning of the L phase), whereas 10-9 and 10-8M ET-1 inhibited the expression of Opn4x at most ZTs. Clock expression was unaffected by 10-8M ET-1; however, in the presence of lower concentrations, the expression was enhanced at some ZTs, strengthening the ultradian oscillation. ET-1 at 10-11 and 10-10M had no effect on Per1 circadian expression; however, 10-9 and 10-8M ET-1 reduced the amplitude of Per1 expression in the beginning of the L phase. ET-1 effects were less evident on Cry 1b. For both genes, the reduction in expression was not sufficient to abolish the circadian oscillatory pattern. Based on these results and data in the literature, a link between ET-1 stimulation of ETA receptors may be established by E4BP4 binding to the promoters and consequent inhibition of gene expression.