Globin Gene Expression: Role of Transcription Factors

La dérégulation de l'expression génétique est une base pathophysiologique de plusieurs maladies. On a utilisé le locus du gène β-globine humain comme modèle pour élucider le mécanisme de régulation de la transcription génétique et évaluer son expression génétique durant l'érythropoïèse. La famille des protéines 'E' est composée de facteurs de transcription qui possèdent plusieurs sites de liaison au sein de locus du gène β-globine, suggérant leur rôle potentiel dans la régulation de l’expression de ces gènes. Nous avons montré que les facteurs HEB, E2A et ETO2 interagissent d’une manière significative avec la région contrôle du Locus (LCR) et avec les promoteurs des gènes de la famille β-globine. Le recrutement de ces facteurs au locus est modifié lors de l'érythropoïèse dans les cellules souches hematopoitiques et les cellules erythroides de souris transgéniques pour le locus de la β-globine humain, ainsi que dans les cellules progénitrices hématopoïétiques humaines. De plus par cette étude, nous démontrons pour la première fois que le gène β-globine humain est dans une chromatine active et qu’il interagit avec des facteurs de transcriptions de type suppresseurs dans les cellules progénitrices lymphoïdes (voie de différentiation alternative). Cette étude a aussi été faite dans des souris ayant une génétique mutante caractérisée par l'absence des facteurs de transcription E2A ou HEB.

Étude de la régulation du facteur de transcription NF-kB dans l'infection par le RSV

L’infection par le Virus Respiratoire Syncytial cause des affections pulmonaires aiguës en pédiatrie caractérisée par une réponse inflammatoire excessive médiée par la production de cytokines par les cellules épithéliales des voies aériennes. Les gènes codant pour ces cytokines sont régulés par le facteur de transcription NF-κB (p50/p65) dont l’activation est classiquement induite par la phosphorylation de son inhibiteur IκBα, ce qui permet l’accumulation de l’hétérodimère au noyau. Par contre, nous avons récemment identifié la phosphorylation en sérine 536 de la sous-unité p65 comme une autre étape essentielle à son activation lors de l’infection des AEC par RSV. Le travail présenté dans ce mémoire a permis de démontrer que l’inhibition de l’expression de RIG-I, de Cardif ou de TRAF6, 3 protéines impliquées dans la reconnaissance cellulaire des virus, conduit à l’inhibition de cette phosphorylation en réponse à RSV. Nous avons également établi à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques et d’ARNi que, parmi les diverses kinases connues pour phosphoryler p65 en réponse à divers stimulus, IKKα/β sont essentielles à cette phosphorylation lors d’une stimulation par RSV. Puisque TRAF6 est bien connu dans la littérature pour activer le complexe IKK, nous proposons que TRAF6, après reconnaissance de l’ARN viral de RSV par RIG-I, active le complexe IKK qui induit la phosphorylation de la sousunité p65 de NF-κB, permettant l’expression de gènes cibles. D’autre part, nous avions précédemment démontré que Nox2, un isoforme de NADPH oxydase, contrôle l’activation de NF-κB en régulant les phosphorylations de IκBα et p65. Nous montrons ici que l’inhibition de Nox2 réduit fortement l’activité du complexe kinase IKK. De plus, la présence au niveau basal de Nox2 est critique pour le niveau d’ARN messager de Cardif. Nous proposons donc que la régulation de la phosphorylation de p65 en ser536 par Nox2 soit via son effet sur Cardif en permettant la fonctionnalité de la voie RIG-I.

Identification et caractérisation des cibles transcriptionnelles de ETV6, un facteur de transcription impliqué dans la leucémie de l’enfant.

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) est responsable d’environ 25% de l’ensemble des cancers pédiatriques. Chez 85% des enfants diagnostiqués, la LLA entraîne une prolifération massive et incontrôlée de lymphocytes immatures de type précurseurs B dans la moelle osseuse (LLA pré-B). Des avancées intéressantes ont été faites au cours des trente dernières années et ont mené à une augmentation de l’efficacité des traitements thérapeutiques. Plus de 80% des enfants atteints de LLA seront guéris de cette maladie. Malheureusement, ces traitements manquent de spécificité à cause du manque de connaissances sur les mécanismes moléculaires impliqués durant l’initiation et le développement de la LLA pré-B pédiatrique. En d’autres termes, nous connaissons peu de chose sur l’étiologie de cette maladie. Plus de 25% des enfants atteints de la LLA pré-B présentent la translocation chromosomique t(12;21)(p13;q22) qui implique les gènes ETV6 et AML1. Celle-ci est formée in utero et mène à l’expression de la protéine chimère transcriptionnelle ETV6-AML1, dont la présence seule ne suffit pas au développement de la LLA pré-B. Ainsi, d’autres événements génétiques sont nécessaires au développement de cette leucémie. La délétion de l’allèle résiduel de ETV6 est un événement génétique fréquemment rencontré au moment du diagnostic de la LLA pré-B t(12;21)+. Cette délétion entraîne l’inactivation complète de ETV6 dans les lymphocytes pré-B leucémiques. ETV6 est un répresseur transcriptionnel de la famille Ets. Mon hypothèse de recherche est que ETV6 agit comme gène suppresseur de tumeur dans la LLA pré-B pédiatrique. L’inactivation de ETV6 causerait une dérégulation de l’expression de ses cibles transcriptionnelles et, par le fait même, favoriserait l’initiation et le déroulement de la leucémogenèse pédiatrique. Dans le cadre de mon projet, comme peu de cibles transcriptionnelles de ETV6 sont connues, j’ai effectué des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine et des essais luciférases qui ont permis d’identifier six nouvelles cibles transcriptionnelles: TP53 (p53 et Δ133p53), SPHK1, IL-18, PTGER4 et LUM. J’ai démontré que la régulation transcriptionnelle médiée par ETV6 requiert la présence de ses deux domaines fonctionnels: PNT (interactions protéiques) et ETS (liaison à l’ADN). Ces domaines favorisent la reconnaissance d’un site EBS consensus dans une région située près du promoteur de base. Ce mécanisme peut dépendre du promoteur régulé par ETV6, mais également du contexte cellulaire. Des études fonctionnelles réalisées sur des lymphocytes pré-B leucémiques ont permis de mesurer l’impact de la dérégulation de l’expression des cibles transcriptionnelles de ETV6 sur trois voies biologiques: la prolifération cellulaire, l’apoptose induite par un stress génotoxique et la migration cellulaire dirigée par la voie de signalisation CXCL12/CXCR4. Ceci a permis de démontrer l’implication des gènes SPHK1, IL-18 et PTGER4 durant la leucémogenèse pédiatrique. Cette étude est une des premières à suggérer le rôle de ETV6 comme gène suppresseur de tumeur dans la LLA pré-B pédiatrique. Suite à l’inactivation du répresseur transcriptionnel ETV6, l’augmentation de l’expression de ses cibles transcriptionnelles favoriserait la prolifération et la survie des lymphocytes pré-B leucémiques dans la moelle osseuse. L’identification de nouveaux gènes impliqués dans le développement de la LLA pré-B pédiatrique ouvre la porte au développement de nouveaux traitements thérapeutiques qui pourront présenter une meilleure spécificité envers l’étiologie de la maladie.

Rôle de l'acétylation du facteur de transcription IRF3

L’immunité innée est notre premier mécanisme de défense contre l’invasion des pathogènes. Cette défense est basée sur la reconnaissance d’éléments invariables des pathogènes par des récepteurs encodés dans les lignées germinales. Dans la réponse anti-virale, le facteur de transcription Interferon Regulatory Factor 3 (IRF3) joue un rôle clé dans la réponse interféron de type I, combattant ainsi la réplication virale et conférant un état anti-viral aux cellules infectées ainsi qu’aux cellules avoisinantes. IRF3 est une protéine dont l’activation et la phosphorylation sont régulées par les kinases TBK1 et IKKi. Nous proposons ici que l’acétylation est une modification post-traductionnelle importante dans la régulation de l’activité d’IRF3. Nous avons observé par immunobuvardage qu’IRF3 est acétylé de façon basale et que cette acétylation est induite par la présence du co-facteur CBP et est inhibée par la présence de la kinase TBK1. Par spectrométrie de masse, nous avons ensuite identifié huit lysines sujettes à l’acétylation sur IRF3. Aussi, par mutagénèse dirigée, nous avons muté de façon ponctuelle chacun de ces sites et avons déterminé que la mutation de la lysine 87 inhibe la capacité d’IRF3 à s’attacher à l’ADN en EMSA et à transactiver son élément de réponse en essai luciférase. Aussi, nous proposons que l’acétylation masque la charge positive de la lysine 87 et contrôle de façon négative l’activité du facteur de transcription IRF3. Notre groupe démontre ainsi pour la première fois l’acétylation du facteur de transcription dans un modèle cellulaire et propose que ce processus joue un rôle inhibiteur dans la régulation de la protéine.

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.

L’immunoprotéasome : producteur de peptides-CMH I et régulateur de l’expression génique

Le système ubiquitine-protéasome est le principal mécanisme par lequel les protéines intracellulaires sont dégradées. Le protéasome dit constitutif (PC) est donc essentiel à l’homéostasie mais aussi à la régulation de la majorité des processus cellulaires importants. La découverte d’un deuxième type de protéasome, appelé immunoprotéasome (IP), soulève toutefois de nouvelles questions. Pourquoi existe-t-il plus d’un type de protéasome ? L’IP a-t-il des rôles redondants ou complémentaires avec le PC ? L’IP étant présent principalement dans les cellules immunitaires ou stimulées par des cytokines, plusieurs groupes ont tenté de définir son rôle dans la réponse immunitaire. Or, l’implication de son homologue constitutif dans un éventail de processus non spécifiquement immunitaires nous laisse croire que l’IP pourrait lui aussi avoir un impact beaucoup plus large. L’objectif de cette thèse était donc de caractériser certains rôles cellulaires de l’IP dans les cellules dendritiques. Nous avons d’abord étudié l’impact global de l’IP sur la présentation antigénique de classe I. Ce faisant, nous avons pu déterminer ses deux contributions principales, soit l’augmentation drastique du nombre et de la diversité des peptides présentés sur les complexes majeurs d’histocompatibilité de classe I. Les différences de clivage entre le PC et l’IP pourraient expliquer en partie cette diversité du répertoire peptidique, notamment par l’affinité apparente de l’IP pour les régions protéiques non structurées. Dans un deuxième temps, nous avons dévoilé un nouveau rôle de l’IP sur un processus dépassant le cadre immunitaire : la transcription. Nous avons découvert que l’IP modifie l’abondance des ARNm en agissant principalement au niveau de leur synthèse. L’impact de l’IP sur le transcriptome est majeur et serait dû en partie à une dégradation différente de facteurs de transcription des familles IRF, STAT et NF-kB. Les cellules dendritiques IP-déficientes activent moins efficacement les lymphocytes T CD8+ et nous croyons que cette défaillance est causée (du moins en partie) par la perturbation transcriptomique provoquée par l’absence d’IP. Il importe donc de comprendre les différents rôles moléculaires de l’IP afin de mieux définir sa contribution globale au fonctionnement de la cellule et comprendre l’avantage évolutif, au niveau de l’organisme, procuré par une telle plasticité du système ubiquitine-protéasome.

Forkhead (FOX) transcription factors and the cell cycle: measurement of DNA binding by FoxO and FoxM transcription factors

Certain forkhead (FOX) transcription factors have been shown to play an intrinsic role in controlling cell cycle progression. In particular, the FoxO subclass has been shown to regulate cell cycle entry and exit, whereas the expression and activity of FoxM1 is important for the correct coupling of DNA synthesis to mitosis. In this chapter, I describe a method for measuring FoxO and FoxM1 transcription factor DNA binding in nuclear extracts from mammalian cells.

Nuclear Factor-kappaB controls the reaggregation of 3D neurosphere cultures in vitro

The approach of reaggregation involves the regeneration and self-renewal of histotypical 3D spheres from isolated tissue kept in suspension culture. Reaggregated spheres can be used as tumour, genetic, biohybrid and neurosphere models. In addition the functional superiority of 3D aggregates over conventional 2D cultures developed the use of neurospheres for brain engineering of CNS diseases. Thus 3D aggregate cultures created enormous interest in mechanisms that regulate the formation of multicellular aggregates in vitro. Here we analyzed mechanisms guiding the development of 3D neurosphere cultures. Adult neural stem cells can be cultured as self-adherent clusters, called neurospheres. Neurospheres are characterised as heterogeneous clusters containing unequal stem cell sub-types. Tumour necrosis factor-alpha (TNF-alpha is one of the crucial inflammatory cytokines with multiple actions on several cell types. TNF-alpha strongly activates the canonical Nuclear Factor Kappa-B (NF- kappaB) pathway. In order to investigate further functions of TNF in neural stem cells (NSCs) we tested the hypothesis that TNF is able to modulate the motility and/or migratory behaviour of SVZ derived adult neural stem cells. We observed a significantly faster sphere formation in TNF treated cultures than in untreated controls. The very fast aggregation of isolated NSCs (<2h) is a commonly observed phenomenon, though the mechanisms of 3D neurosphere formation remain largely unclear. Here we demonstrate for the first time, increased aggregation and enhanced motility of isolated NSCs in response to the TNF-stimulus. Moreover, this phenomenon is largely dependent on activated transcription factor NF-kappaB. Both, the pharmacological blockade of NF-kappaB pathway by pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC) or Bay11-7082 and genetic blockade by expression of a transdominant-negative super-repressor IkappaB-AA1 led to decreased aggregation.

DAILY VARIATION OF CONSTITUTIVELY ACTIVATED NUCLEAR FACTOR KAPPA B (NFKB) IN RAT PINEAL GLAND

In mammals, the production of melatonin by the pineal gland is mainly controlled by the suprachiasmatic nuclei (SCN), the master clock of the circadian system. We have previously shown that agents involved in inflammatory responses, such as cytokines and corticosterone, modulate pineal melatonin synthesis. The nuclear transcription factor NFKB, detected by our group in the rat pineal gland, modulates this effect. Here, we evaluated a putative constitutive role for the pineal gland NFKB pathway. Male rats were kept under 12 h: 12 h light-dark (LD) cycle or under constant darkness (DD) condition. Nuclear NFKB was quantified by electrophoretic mobility shift assay on pineal glands obtained from animals killed throughout the day at different times. Nuclear content of NFKB presented a daily rhythm only in LD-entrained animals. During the light phase, the amount of NFKB increased continuously, and a sharp drop occurred when lights were turned off. Animals maintained in a constant light environment until ZT 18 showed diurnal levels of nuclear NFKB at ZT15 and ZT18. Propranolol (20 mg/kg, i.p., ZT 11) treatment, which inhibits nocturnal sympathetic input, impaired nocturnal decrease of NFKB only at ZT18. A similar effect was observed in free-running animals, which secreted less nocturnal melatonin. Because melatonin reduces constitutive NFKB activation in cultured pineal glands, we propose that this indolamine regulates this transcription factor pathway in the rat pineal gland, but not at the LD transition. The controversial results regarding the inhibition of pineal function by constant light or blocking sympathetic neurotransmission are discussed according to the hypothesis that the prompt effect of lights-off is not mediated by noradrenaline, which otherwise contributes to maintaining low levels of nuclear NFKB at night. In summary, we report here a novel transcription factor in the pineal gland, which exhibits a constitutive rhythm dependent on environmental photic information. (Author correspondence: rpmarkus@usp.br)

Amyloid beta-peptide activates nuclear factor-kappa B through an N-methyl-D-aspartate signaling pathway in cultured cerebellar cells

Amyloid P-peptide (A beta) likely causes functional alterations in neurons well prior to their death. Nuclear factor-kappa B (NF-kappa B), a transcription factor that is known to play important roles in cell survival and apoptosis, has been shown to be modulated by A beta in neurons and glia, but the mechanism is unknown. Because A beta has also been shown to enhance activation of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors, we investigated the role of NMDA receptor-mediated intracellular signaling pathways in A beta-induced NF-kappa B activation in primary cultured rat cerebellar cells. Cells were treated with different concentrations of A beta 1-40 (1 or 2 mu M) for different periods (6, 12, or 24 hr). MK-801 (NMDA antagonist), manumycin A and FTase inhibitor 1 (farnesyltransferase inhibitors), PP1 (Src-family tyrosine kinase inhibitor), PD98059 [mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitor], and LY294002 [phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-k) inhibitor] were added 20 min before A beta treatment of the cells. A beta induced a time- and concentration-dependent activation of NF-kappa B (1 mu M, 12 hr); both p50/p65 and p50/p50 NF-kappa B dimers were involved. This activation was abolished by MK-801 and attenuated by manumycin A, FTase inhibitor 1, PP1, PD98059, and LY294002. AP at 1 mu M increased the expression of inhibitory protein I kappa B, brain-derived neurotrophic factor, inducible nitric oxide synthase, tumor necrosis factor-alpha, and interleukin-1 beta as shown by RTPCR assays. Collectively, these findings suggest that AP activates NF-kappa B by an NMDA-Src-Ras-like protein through MAPK and PI3-k pathways in cultured cerebellar cells. This pathway may mediate an adaptive, neuroprotective response to A beta. (c) 2007 Wiley-Liss, Inc.

Cocaine induces cell death and activates the transcription nuclear factor kappa-b in pc12 cells

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

DNA methylation in the CTCF-binding site I and the expression pattern of the H19 gene: Does positive expression predict poor prognosis in early stage head and neck carcinomas?

Loss of allele-specific expression by the imprinted genes IGF2 and H19 has been correlated with a differentially methylated region (DMR) upstream to the H19 gene. The H19-DMR contains seven potential CCCTC-binding factor (CTCF) binding sites. CTCF is a chromatin insulator and a multifunctional transcription factor whose binding to the H19-DMR is suppressed by DNA methylation. Our study included a group of 41 head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) samples. The imprinting status of the H19 gene was analyzed in 11 out of 35 positive cases for H19 gene expression, and only 1 of them showed loss of imprinting. We detected a significant correlation (P=0.041, Fisher's exact test) between H19 expression and tumor recurrence. Among H19 positive cases, six were T2, in which five developed recurrence and/or metastasis. Inversely, in the group of tumors that showed no H19 gene expression, 5 out of 24 were T2 and only I presented regional recurrence. These data support the hypothesis that H19 expression could be used as a prognostic marker to indicate recurrence in early stage tumors. We also examined the methylation of the CTCF binding site 1 in a subgroup of these samples. The H19 gene silencing and loss of imprinting were not correlated with the methylation pattern of the CTCF binding site 1. However, the significant correlation between H19 expression and tumor recurrence suggest that this transcript could be a marker for the progression of HNSCC. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Genomic organization of the Neurospora crassa gsn gene: possible involvement of the STRE and HSE elements in the modulation of transcription during heat shock

Glycogen synthase, an enzyme involved in glycogen biosynthesis, is regulated by phosphorylation and by the allosteric ligand glucose-6-phosphate (G6P). In addition, enzyme levels can be regulated by changes in gene expression. We recently cloned a cDNA for glycogen synthase (gsn) from Neurospora crassa, and showed that gsn transcription decreased when cells were exposed to heat shock (shifted from 30degreesC to 45degreesC). In order to understand the mechanisms that control gsn expression, we isolated the gene, including its 5' and 3' flanking regions, from the genome of N. crassa. An ORF of approximately 2.4 kb was identified, which is interrupted by four small introns (II-V). Intron I (482 bp) is located in the 5'UTR region. Three putative Transcription Initiation Sites (TISs) were mapped, one of which lies downstream of a canonical TATA-box sequence (5'-TGTATAAA-3'). Analysis of the 5'-flanking region revealed the presence of putative transcription factor-binding sites, including Heat Shock Elements (HSEs) and STress Responsive Elements (STREs). The possible involvement of these motifs in the negative regulation of gsn transcription was investigated using Electrophoretic Mobility Shift Assays (EMSA) with nuclear extracts of N. crassa mycelium obtained before and after heat shock, and DNA fragments encompassing HSE and STRE elements from the 5'-flanking region. While elements within the promoter region are involved in transcription under heat shock, elements in the 5'UTR intron may participate in transcription during vegetative growth. The results thus suggest that N. crassa possesses trans-acting elements that interact with the 5'-flanking region to regulate gsn transcription during heat shock and vegetative growth.

Interação entre o gene TKN2 (KNOX-type I) e o miR156 node durante a transição de fase vegetativa para reprodutiva em tomateiro (Solanum lycopersicum)

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Genética) - IBB

Mechanical loading induces the expression of a Pol I regulon at the onset of skeletal muscle hypertrophy

von Walden F, Casagrande V, Ostlund Farrants AK, Nader GA. Mechanical loading induces the expression of a Pol I regulon at the onset of skeletal muscle hypertrophy. Am J Physiol Cell Physiol 302: C1523-C1530, 2012. First published March 7, 2012; doi:10.1152/ajpcell.00460.2011.-The main goal of the present study was to investigate the regulation of ribosomal DNA (rDNA) gene transcription at the onset of skeletal muscle hypertrophy. Mice were subjected to functional overload of the plantaris by bilateral removal of the synergist muscles. Mechanical loading resulted in muscle hypertrophy with an increase in rRNA content. rDNA transcription, as determined by 45S pre-rRNA abundance, paralleled the increase in rRNA content and was consistent with the onset of the hypertrophic response. Increased transcription and protein expression of c-Myc and its downstream polymerase I (Pol I) regulon (POL1RB, TIF-1A, PAF53, TTF1, TAF1C) was also consistent with the increase in rRNA. Similarly, factors involved in rDNA transcription, such as the upstream binding factor and the Williams syndrome transcription factor, were induced by mechanical loading in a corresponding temporal fashion. Chromatin immunoprecipitation revealed that these factors, together with Pol I, were enriched at the rDNA promoter. This, in addition to an increase in histone H3 lysine 9 acetylation, demonstrates that mechanical loading regulates rRNA synthesis by inducing a gene expression program consisting of a Pol I regulon, together with accessory factors involved in transcription and chromatin remodeling at the rDNA promoter. Altogether, these data indicate that transcriptional and epigenetic mechanisms take place in the regulation of ribosome production at the onset of muscle hypertrophy.