SOX9 enhances aggrecan gene promoter/enhancer activity and is up-regulated by retinoic acid in a cartilage-derived cell line, TC6

SOX9 is a transcription factor that plays a key role in chondrogenesis, Aggrecan is one of the major structural components in cartilage; however, the molecular mechanism of aggrecan gene regulation has not yet been fully elucidated, TC6 is a clonal chondrocytic cell line derived from articular cartilage, The purpose of this study was to examine whether SOX9 modulates aggrecan gene expression and to further identify molecules that regulate Sox9 expression in TC6 cells. SOX9 overexpression in TC6 cells enhanced by similar to 3-fold the transcriptional activity of the AgCAT-8 construct containing S-kilobase (kb) promoter/first exon/first intron fragments of the aggrecan gene. SOX9 enhancement of aggrecan promoter activity was lost when we deleted a 4.5-kb fragment from the 3'-end of the 8-kb fragment corresponding to the region including the first intron, In TC6 cells, SOX9 enhanced the transcriptional activity of a reporter construct containing the Sry/Sox consensus sequence >10-fold. SOX9 enhancement of aggrecan gene promoter activity and SOX9 transactivation through the Sry/Sox consensus sequence were not observed in osteoblastic osteosarcoma cells (ROS17/2.8), indicating the dependence on the cellular background. Northern blot analysis indicated that TC6 cells constitutively express Sox9 mRNA at relatively low levels. To examine regulation of Sox9 gene expression, we investigated the effects of calciotropic hormones and cytokines, Among these, retinoic acid (RA) specifically enhanced Sox9 mRNA expression in TC6 cells. The basal levels of Sox9 expression and its enhancement by RA were observed similarly at both permissive (33 degrees C) and nonpermissive (39 degrees C) temperatures. Furthermore, RA treatment enhanced the transcriptional activity of a reporter construct containing the Sry/Sox consensus sequence in TC6 cells. Moreover, RA treatment also enhanced the transcriptional activity of another reporter construct containing the enhancer region of the type II procollagen gene in TC6 cells. These observations indicate that SOX9 enhances aggrecan promoter activity and that its expression is up-regulated by RA in TC6 cells.

The human melanocortin-1 receptor locus: analysis of transcription unit, locus polymorphism and haplotype evolution

The complete sequence of the MCIR locus has been assembled, the coding region of the gene is intronless and placed within a 12 kb region flanked by the NULP1 and TUBB4 genes. The immediate promoter region has an E-box site with homology to the M-box consensus known to bind the microphthalmia transcription factor (MITF), however, promoter deletion analysis and transactivation studies have failed to show activation through this element by MITF. Polymorphism within the coding region, immediate 5' promoter region and a variable number tandem repeat (VNTR) minisatellite within the locus have been examined in a collection of Caucasian families and African individuals. Haplotype analysis shows linkage disequilibrium between the VNTR and MCIR coding region red hair variant alleles which can be used to estimate the age of these missense changes. Assuming a mean VNTR mutation rate of 1% and a star phylogeny, we estimate the Arg151Cys variant arose 7500 years before the present day, suggesting these variants may have arisen in the Caucasian population more recently than previously thought. (C) 2001 Published by Elsevier Science B.V.

Copper transfer from the Cu(I) chaperone, CopZ, to the repressor, Zn(II)CopY: Metal coordination environments and protein interactions

Extracellular copper regulates the DNA binding activity of the CopY repressor of Enterococcus hirae and thereby controls expression of the copper homeostatic genes encoded by the cop operon. CopY has a CxCxxxxCxC metal binding motif. CopZ, a copper chaperone belonging to a family of metallochaperones characterized by a MxCxxC metal binding motif, transfers copper to CopY. The copper binding stoichiometries of CopZ and CopY were determined by in vitro metal reconstitutions. The stoichiometries were found to be one copper(l) per CopZ and two copper(l) per CopY monomer. X-ray absorption studies suggested a mixture of two- and three-coordinate copper in Cu(1)CopZ, but a purely three-coordinate copper coordination with a Cu-Cu interaction for Cu(1)(2)CopY. The latter coordination is consistent with the formation of a compact binuclear Cu(l)-thiolate core in the CxCxxxxCxC binding motif of CopY. Displacement of zinc, by copper. from CopY was monitored with 2,4-pyridylazoresorcinol. Two copper(l) ions were required to release the single zinc(II) ion bound per CopY monomer. The specificity of copper transfer between CopZ and CopY was dependent on electrostatic interactions. Relative copper binding affinities of the proteins were investigated using the chelator, diethyldithiocarbamic acid (DDC). These data suggest that CopY has a higher affinity for copper than CopZ. However, this affinity difference is not the sole factor in the copper exchange: a charge-based interaction between the two proteins is required for the transfer reaction to proceed. Gain-of-function mutation of a CopZ homologue demonstrated the necessity of four lysine residues on the chaperone for the interaction with CopY. Taken together, these results suggest a mechanism for copper exchange between CopZ and CopY.

Peroxisome proliferator-activated receptor beta expression in human breast epithelial cell lines of tumorigenic and non-tumorigenic origin

Peroxisome proliferator-activated receptor beta (PPARbeta) is a member of the nuclear hormone receptor superfamily and is a ligand activated transcription factor. although the precise genes that it regulates and its physiological and pathophysiological role remain unclear. In view of the association of PPARbeta with colon cancer and increased mRNA levels of PPARbeta in colon tumours we sought in this study to examine the expression of PPARbeta in human breast epithelial cells of tumorigenic (MCF-7 and MDA-MB-231) and non-tumorigenic origin (MCF-10A). Using quantitative RT-PCR we measured PPARbeta mRNA levels in MCF-7. MDA-MB-231 and MCF-10A cells at various stages in culture. After serum-deprivation, MDA-MB-231 and MCF-10A cells had a 4.2- and 3.8-fold statistically greater expression of PPARbeta compared with MCF-7 cells. The tumorigenic cell lines also exhibited a significantly greater level of PPARbeta mRNA after serum deprivation compared with subconfluence whereas such an effect was not observed in non-tumorigenic MCF-10A cells. The expression of PPARbeta was inducible upon exposure to the PPARbeta ligand bezafibrate. Our results suggest that unlike colon cancer. PPARbeta overexpression is not an inherent property of breast cancer cell lines. However, the dynamic changes in PPARbeta mRNA expression and the ability of PPARbeta in the MCF-7 cells to respond to ligand indicates that PPARbeta may play a role in mammary gland carcinogenesis through activation of downstream genes via endogenous fatty acid ligands or exogenous agonists. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The VCAM-1 gene that encodes the vascular cell adhesion molecule is a target of the Sry-related high mobility group box gene, Sox18

VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1) and Sox18 are involved in vascular development. VCAM-1 is an important adhesion molecule that is expressed on endothelial cells and has a critical role in endothelial activation, inflammation, lymphatic pathophysiology, and atherogenesis. The Sry-related high mobility group box factor Sox18 has previously been implicated in endothelial pathologies. Mutations in human and mouse Sox18 leads to hypotrichosis and lymphedema. Furthermore, both Sox18 and VCAM-1 have very similar spatio-temporal patterns of expression, which is suggestive of crosstalk. We use biochemical techniques, cell culture systems, and the ragged opossum (RaOP) mouse model with a naturally occurring mutation in Sox18 to demonstrate that VCAM-1 is an important target of Sox18. Transfection, site-specific mutagenesis, and gel shift analyses demonstrated that Sox18 directly targeted and trans-activated VCAM-1 expression. Importantly, the naturally occurring Sox18 mutant attenuates the expression and activation of VCAM-1 in vitro. Furthermore, in vivo quantitation of VCAM-1 mRNA levels in wild type and RaOP mice demonstrates that RaOP animals show a dramatic and significant reduction in VCAM-1 mRNA expression in lung, skin, and skeletal muscle. Our observation that the VCAM-1 gene is an important target of SOX18 provides the first molecular insights into the vascular abnormalities in the mouse mutant ragged and the human hypotrichosis-lymphedematelangiectasia disorder.

Cellular polarity in aging: role of redox regulation and nutrition

Cellular polarity concerns the spatial asymmetric organization of cellular components and structures. Such organization is important not only for biological behavior at the individual cell level, but also for the 3D organization of tissues and organs in living organisms. Processes like cell migration and motility, asymmetric inheritance, and spatial organization of daughter cells in tissues are all dependent of cell polarity. Many of these processes are compromised during aging and cellular senescence. For example, permeability epithelium barriers are leakier during aging; elderly people have impaired vascular function and increased frequency of cancer, and asymmetrical inheritance is compromised in senescent cells, including stem cells. Here, we review the cellular regulation of polarity, as well as the signaling mechanisms and respective redox regulation of the pathways involved in defining cellular polarity. Emphasis will be put on the role of cytoskeleton and the AMP-activated protein kinase pathway. We also discuss how nutrients can affect polarity-dependent processes, both by direct exposure of the gastrointestinal epithelium to nutrients and by indirect effects elicited by the metabolism of nutrients, such as activation of antioxidant response and phase-II detoxification enzymes through the transcription factor nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2). In summary, cellular polarity emerges as a key process whose redox deregulation is hypothesized to have a central role in aging and cellular senescence.

Expression of YAP4 in Saccharomyces cerevisiae under osmotic stress

YAP4, a member of the yeast activator protein (YAP) gene family, is induced in response to osmotic shock in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The null mutant displays mild and moderate growth sensitivity at 0.4 M and 0.8 M NaCl respectively, a fact that led us to analyse YAP4 mRNA levels in the hog1 (high osmolarity glycerol) mutant. The data obtained show a complete abolition of YAP4 gene expression in this mutant, placing YAP4 under the HOG response pathway. YAP4 overexpression not only suppresses the osmosensitivity phenotype of the yap4 mutant but also relieves that of the hog1 mutant. Induction, under the conditions tested so far, requires the presence of the transcription factor Msn2p, but not of Msn4p, as YAP4 mRNA levels are depleted by at least 75% in the msn2 mutant. This result was further substantiated by the fact that full YAP4 induction requires the two more proximal stress response elements. Furthermore we find that GCY1, encoding a putative glycerol dehydrogenase, GPP2, encoding a NAD-dependent glycerol-3-phosphate phosphatase, and DCS2, a homologue to a decapping enzyme, have decreased mRNA levels in the yap4 -deleted strain. Our data point to a possible, as yet not entirely understood, role of the YAP4 in osmotic stress response.

Analysis of a 17.9 kb region from Saccharomyces cerevisiae chromosome VII reveals the presence of eight open reading frames, including BRF1 (TFIIIB70) and GCN5 genes

We report the nucleotide sequence of a 17,893 bp DNA segment from the right arm of Saccharomyces cerevisiae chromosome VII. This fragment begins at 482 kb from the centromere. The sequence includes the BRF1 gene, encoding TFIIIB70, the 5' portion of the GCN5 gene, an open reading frame (ORF) previously identified as ORF MGA1, whose translation product shows similarity to heat-shock transcription factors and five new ORFs. Among these, YGR250 encodes a polypeptide that harbours a domain present in several polyA binding proteins. YGR245 is similar to a putative Schizosaccharomyces pombe gene, YGR248 shows significant similarity with three ORFs of S. cerevisiae situated on different chromosomes, while the remaining two ORFs, YGR247 and YGR251, do not show significant similarity to sequences present in databases.

The role of complex chromosome translocations in leukemia

Resumo A tumorigénese é um processo de transformação celular que se desenrola tipicamente em várias etapas. Os diferentes níveis de evolução tumoral resultam da acumulação sucessiva de mutações genéticas numa célula normal que lhe conferem uma vantagem selectiva no respectivo meio tecidular. As mutações podem manifestar-se sob a forma de alterações nucleotídicas pontuais ao nível da sequência de DNA, levando a uma desregulação da função proteíca ou à formação de proteínas não-funcionais, ou através de alterações cromossómicas numéricas ou estruturais. Na leucemia, por exemplo, os genes híbridos que resultam de translocações cromossómicas desempenham um importante papel no processo tumorigénico. Estes genes são transcritos sob a forma de um RNA mensageiro de fusão, o qual é traduzido numa proteína híbrida com função oncogénica. Frequentemente, os subtipos de doença leucémica estão associados com translocações cromossómicas que envolvem 2 pontos de quebra recorrentes e específicos. É disto exemplo a leucemia mielóide crónica, em que uma translocação recíproca entre os cromossomas 9 e 22 conduz à formação de um gene de fusão BCR-ABL1. Em diferentes subtipos de doença, existe também uma pequena proporção de casos que apresenta translocações cromossómicas complexas, que envolvem um ou mais pontos de quebra adicionais em outras localizações genómicas além das que estão implicadas na formação dos genes de fusão. Por vezes, os pontos de quebra estão também associados a delecções extensas de material genético que se pensa terem uma função importante na tumorigénese. No entanto, o papel destas regiões genómicas no desenvolvimento tumoral não tem sido um motivo recorrente de estudo. Neste contexto, o objectivo desta dissertação foi o de determinar o potencial papel tumorigénico de alterações génicas adicionais ocorridas nos pontos de quebra de translocações cromossómicas complexas. Para a prossecução do objectivo proposto, foram estudados 5 rearranjos cromossómicos distintos associados com diferentes tipos de doença hematológica maligna, nomeadamente a leucemia linfoblástica aguda de células B (2 casos), leucemia mielóide aguda, neoplasma mieloproliferativo e síndrome mielodisplásico/neoplasma ieloproliferativo, não classificável. O mapeamento dos pontos de quebra foi efectuado utilizando a hibridação fluorescente in situ e diferentes metodologias de biologia molecular, tendo como base a informação inicial da análise citogenética. Em casos seleccionados, o papel dos novos genes candidatos foi avaliado in vitro utilizando modelos de linhas celulares, nomeadamente no que respeita às funções de controlo da proliferação celular e de regulação transcricional. De entre os 5 casos estudados, quatro deles evidenciaram translocações complexas envolvendo 3 cromossomas, nomeadamente t(12;21;5)(p13;q22;q13), t(12;6;15)(p13;p24~25;q22), t(9;11;19)(p22;q23;p13) e t(X;20;16)(p11;q13;q23). No caso remanescente, foi observada uma translocação dicêntrica dic(9;12)(p11;p11) acompanhada de delecções extensas em ambos os pontos de quebra. Nos casos com t(12;21;5) e t(9;11;19) as translocações estavam associadas com a presença de genes de fusão recorrentes, nomeadamente TV6(12p13)-RUNX1(21q22) e TLL(11q23)-MLLT3(9p22), indicando que se tratavam de rearranjos complexos das translocações t(12;21) e t(9;11) associadas com a leucemia linfoblástica aguda de células B e a leucemia mielóide aguda, respectivamente. O papel dos pontos de quebra adicionais foi estudado em detalhe no caso com t(9;11;19). Através da metodologia de long distance inverse-polymerase chain reaction, foram identificados os pontos de quebra na sequência de DNA dos 3 cromossomas envolvidos na translocação. Além dos pontos de quebra nos genes MLL e MLLT3, foi observado que o local de quebra no cromossoma 19 interrompeu a sequência de um novo gene, designado CCDC94,conduzindo à sua haplo-insuficiência nas células com t(9;11;19). Através de ensaios de reverse transcription-polymerase chain reaction verificámos que o gene CCDC94 é expresso ubiquitariamente em tecidos humanos normais. A análise informática da sequência prevista da proteína CCDC94 indicou uma elevada identidade de aminoácidos com a proteína cwf16, envolvida na regulação do ciclo celular da levedura Schizosaccharomyces pombe. Através da clonagem do DNA complementar de CCDC94 em vectores de expressão, e após a transfecção destes em culturas de linhas celulares in vitro, observámos que este gene codifica uma proteína de localização exclusivamente nuclear. A expressão ectópica da proteína CCDC94 diminuiu a progressão do ciclo celular e a proliferação das células em cultura. Inversamente, a supressão do transcrito do gene CCDC94 através de interferência de RNA conduziu a um aumento significativo da proliferação celular, confirmando que CCDC94 regula negativamente a proliferação e a progressão do ciclo celular. Estes resultados mostram que os pontos de quebra adicionais, presentes em translocações cromossómicas complexas em leucemia, podem resultar na haplo-insuficiência de genes controladores dos mecanismos proliferativos, cooperando desta forma com a acção das proteínas de fusão para proporcionar ao clone leucémico uma proliferação celular descontrolada. Nos restantes 3 casos estudados não foram identificados genes de fusão. Ao invés, todos aqueles apresentaram delecções de extensão variável associadas com os pontos de quebra cromossómicos. No caso com t(12;6;15), identificámos uma delecção de 1.2 megabases de DNA na banda 12p13 que resultou na eliminação de 9 genes incluindo ETV6 e CDKN1B. O gene ETV6 codifica um factor de transcrição que é essencial para a formação das diferentes linhagens hematopoiéticas na medula óssea, enquanto CDKN1B é traduzido numa proteína responsável por bloquear a entrada das células na fase G1 do ciclo celular e,consequentemente, por travar a proliferação celular. Neste contexto, os resultados obtidos indicam que a perda simultânea de ETV6 e de CDKN1B, através de uma translocação cromossómica complexa, constituiu uma acção cooperativa na leucemogénese. A mesma noção pode aplicar-se ao caso com dic(9;12), no qual pelo menos 2 genes que codificam para factores de transcrição importantes na linhagem hematopoiética, PAX5 no cromossoma 9 e ETV6 no cromossoma 12, estavam deleccionados como resultado do rearranjo cromossómico. Dado que o factor de transcrição PAX5 regula negativamente a expressão do gene FLT3, que desempenha uma função pró-proliferativa, é expectável que a haplo-insuficiência de PAX5 no caso com dic(9;12) terá tido como consequência uma elevação dos níveis de expressão de FLT3, contribuindo deste modo para uma proliferação celular aumentada. A t(X;20;16) foi identificada num doente com trombocitémia essencial (TE), uma doença que está intimamente relacionada com alterações de vias intracelulares reguladas por citocinas. Neste caso, através da utilização de um array genómico, identificámos a presença de pequenas delecções associadas com os pontos de quebra nos cromossomas 16 e 20. No cromossoma 16 apenas um gene, MAF, estava deleccionado, enquanto no cromossoma 20 a delecção tinha abrangido 3 genes. Dos genes deleccionados, dois deles, NFATC2 (20q13) e MAF (16q23), codificam proteínas que operam como reguladores transcricionais de citocinas hematopoiéticas. Dado que NFATC2 se localiza numa região que constitui um alvo frequente de delecções em neoplasmas ieloproliferativos, incluindo a trombocitémia essencial,efectuámos um estudo detalhado do papel deste gene na proliferação megacariocítica e na regulação da expressão de uma citocina hematopoiética (GM-CSF), implicada na maturação das diferentes linhagens mielóides. Utilizando um modelo de linha celular de trombocitémia essencial, verificámos que a supressão do transcrito do gene NFATC2 in vitro, por interferência de RNA, estava associada com um aumento da proliferação celular. Em concordância, o bloqueio da activação da proteína NFATC2 através de um inibidor específico da sua interacção com a calcineurina, conduziu a um aumento da proliferação celular in vitro. Utilizando a PCR quantitativa em tempo real, detectou-se um aumento da produção do RNA de GM-CSF em ambos os ensaios celulares, indicando que o factor de transcrição NFATC2 pode regular negativamente a expressão de GM-CSF em células de trombocitémia essencial. No geral, estes resultados mostram que a redução dos níveis fisiológicos do transcrito NFATC2, ou a redução da respectiva actividade proteica, estão relacionados com a proliferação de megacariocitos através do aumento da produção de GM-CSF. De acordo com estes resultados, verificámos que as células dos doentes com TE apresentam níveis mais baixos do transcrito NFATC2 do que a população normal. Dado que o factor de transcrição MAF desempenha igualmente um papel como regular transcricional de citocinas, é plausível que a haplo-insuficiência dos genes NFATC2 e MAF, resultante do rearranjo cromossómico complexo t(X;20;16), teve um efeito cooperativo importante na patogénese da trombocitémia essencial através da alteração do padrão normal de expressão das citocinas hematopoiéticas. Em síntese, efectuámos nesta dissertação um estudo citogenético de 4 translocações cromossómicas complexas incluindo t(12;21;5), t(12;6;15), t(9;11;19) e t(X;20;16), e de uma translocação dicêntrica dic(9;12), associadas com diferentes neoplasmas hematológicos. Em casos seleccionados efectuámos também um estudo molecular detalhado das regiões dos pontos de quebra. Esta análise permitiu-nos identificar 2 genes, CCDC94 no cromossoma 19 e NFATC2 no cromossoma 20, cuja haplo-insuficiência pode promover o aumento da proliferação celular das células leucémicas. A partir destes estudos podem ser retiradas 2 noções principais: (i) Os pontos de quebra adicionais, que ocorrem em translocações complexas associadas com a formação de genes de fusão, podem ter como consequência a desregulação de genes controladores da proliferação celular (e.g., CCDC94); (ii) As translocações complexas caracterizadas pela ausência de genes de fusão recorrentes poderão estar preferencialmente associadas com a presença de delecções, envolvendo um ou mais genes, nos pontos de quebra; nestas situações, serão necessários pelo menos 2 genes com funções celulares semelhantes (e.g., NFATC2 e MAF) ou complementares (e.g., ETV6 e CDKN1B) para, quando deleccionados, promoverem de forma cooperativa a leucemogénese. Nestes termos, o modelo de alterações genéticas sequenciais que caracteriza o desenvolvimento do cancro pode ser substituído por um modelo em que vários genes-alvo são simultaneamente desregulados pela formação de uma translocação cromossómica complexa, evitando deste modo a necessidade de ocorrência de alterações genéticas subsequentes.----------------------ABSTRACT: Tumourigenesis is a multistep process which results from the accumulation of successive genetic mutations in a normal cell. In leukemia for instance, recurrent translocations play a part in this process by generating fusion genes which lead to the production of hybrid proteins with an oncogenic role. However, a minor subset of chromosomal translocations referred to as complex or variant involves extra breakpoints at variable genome locations in addition to those implicated in the formation of fusion genes. We aimed to describe in this work the role, if any, of genes located at extra breakpoint locations or which are affected by breakpoint-adjacent deletions through the study of 5 leukemia patients.Two of the patients presented with TV6(12p13)-RUNX1(21q22) and MLL(11q23)- MLLT3(9p22) fusion genes as a result of a t(12;21;5) and a t(9;11;19), respectively. Detailed molecular characterization of the extra breakpoint at chromosome 19 in the latter case revealed that a novel ubiquitously expressed gene, CCDC94, with a potential role in cell cycle regulation, was disrupted by the breakpoint. We demonstrated using in vitro cellular assays that this gene codifies for a nuclear protein which negatively regulates cell cycle progression. These data shows that extra breakpoint locations of complex translocations may result in haplo-insufficiency of critical proliferation genes, thereby cooperating with the generation of hybrid proteins to provide unrestrained cell proliferation. In the other 3 patients there were reakpoint-associated deletions which precluded the formation of putative fusion genes. In a case with a t(12;6;15) we characterized a deletion at 12p13 which eliminated ETV6 and 8 other genes including CDKN1B. These findings indicate that concomitant loss of ETV6 and CDKN1B, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor responsible for blocking entry of cells into the G1 phase of the cell cycle, acted cooperatively to promote leukemogenic proliferation. The same notion applied to a case with a dic(9;12) in which 2 genes encoding hematopoietic transcription factors - ETV6 and PAX5 (9p13)- were deleted as a result of breakpoint-adjacent deletions. Similarly, we found that 2 transcription factor genes involved in the regulation of cytokine expression, NFATC2 (20q13) and MAF (16q23), were involved in deletions contiguous to the breakpoints in a patient with a t(X;20;16). In vitro suppression of NFATC2 mRNA or inhibiton of NFATC2 protein activity enhanced cell proliferation as a result of an increase in the production of a myeloid-lineage stimulating hematopoietic cytokine, GM-CSF. These results suggest that haplo-insufficiency of NFATC2 and MAF genes had a cooperative effect in inducing cell proliferation as a result of a disregulation of cytokine production. Two main conclusions may be drawn from our studies: (i) In complex translocations associated with the production of fusion genes, additional breakpoints may cooperate in tumourigenesis by targeting genes that control cell proliferation; (ii) In complex translocations associated with small breakpoint-adjacent deletions, at least 2 genes with similar or complementary functions need to be deregulated to promote tumourigenesis.

Analysis of PAX2 gene alterations in renal cell tumors

Dissertation for applying to a Master’s Degree in Molecular Genetics and Biomedicine submitted to the Sciences and Technology Faculty of New University of Lisbon

The role of α2,3- and α2,6-sialylation

RESUMO: Os glicoconjugados que decoram a superfície celular e os lípidos e proteínas secretados ocupam o ponto de encontro onde normalmente ocorrem interacções críticas homólogas (hospedeiro-hospedeiro) e heterólogas (hospedeiro-patogénio). Apesar de ser largamente aceite que os glicanos são parte integrante do processo de imunidade, continua a não ser claro qual o papel que os glicanos, em toda a sua diversidade, tomam no quadro geral da imunidade. Os glicanos, que são frequentemente terminados por resíduos de ácido siálico, podem ser alterados por factores externos, tais como patogénios, ou por acontecimentos fisiológicos celulares específicos. Normalmente em posição terminal, as glico-estruturas que contêm ácido siálico assumem um papel fundamental numa quantidade substancial de receptores imunes envolvidos na adesividade e tráfico celular, tal como as Selectinas e as Siglecs, das quais se sabe apresentarem uma relevante função imune. À altura do início desta tese, era sabido que os ácidos siálicos expressos à superfície das células poderiam modular mecanismos importantes nas respostas imunes adaptativas. Considerando a posição de charneira que as células dendríticas (DCs) ocupam na transição da resposta imune inata para a adaptativa, antecipámos que os ácidos siálicos poderiam também modular mecanismos relevantes nas DCs humanas. As DCs têm uma função muito relevante na verificação e captura antigénica, migração para os gânglios linfáticos e apresentação antigénica aos linfócitos, uma sequência de funções que conduz, em ultima instância, à indução da resposta inata adaptativa. Considerando estas premissas, a nossa hipótese principal foi que os ácidos siálicos podem influenciar funções relevantes das DCs, tais como captura de antigénios, maturação, migração para os gânglios linfáticos e apresentação antigénica às células Para testar esta hipótese, dividimos o trabalho em quatro partes: 1) Analisámos os glicanos sialilados de superfície, expressos durante a diferenciação de monócitos humanos em DCs (moDCs). Os nossos dados mostraram que a expressão dos glicanos com ligações em O (O-glicanos) e sialilados em α2,3, assim como glicanos com ligações em N (N-glicanos) sialilados em α2,6 e α2,3 aumentou durante o processo de diferenciação das moDCs. Contribuindo para esta nova configuração glicosídica, três sialiltransferases (STs) poderão estar envolvidas: a ST6Gal-1 correlaciona-se com a expressão aumentada de N-glicanos sialilados em α2,6; a ST3Gal-1 contribui para a sialilação em α2,3 de O-glicanos, em especial de antigénios T; e a ST3Gal-4 poderá ser responsável pelo aumento de N-glicanos sialilados em α2,3. Após estímulo e consequente maturação das moDCs, ambos os níveis de expressão génica de ST6Gal-1 e ST3Gal-4 são negativamente modificados sendo, também, que a expressão de ST3Gal-1 varia consoante o estímulo. 2) Estudámos posteriormente as consequências da modulação dos ácidos siálicos de superfície nas funções das DCs. Observámos que a remoção dos ácidos siálicos de superfície diminui significativamente a capacidade de macropinocitose e endocitose mediada por receptores nas moDCs. Em contrapartida, o tratamento com sialidase aumentou significativamente a capacidade das moDCs para fagocitar Escherichia coli. Determinou-se também que este mecanismo requer a existência de ácido siálico presente nas E. coli indicando um mecanismo de interacção hospedeiro-patogénio dependente de ácido siálico em ambas as partes envolvidas. As moDCs tratadas com sialidase também apresentam um nível superior de expressão de moléculas de MHC e moléculas co-estimulatórias, sugerindo um fenótipo celular mais maduro. Recorrendo ao modelo de ratinho, utilizaram-se DCs derivadas de células da medula (BMDCs) de ratinhos deficientes em ST3Gal-1 e ST6Gal-1. Estes ensaios revelaram que quer a endocitose quer a maturação são influenciadas por modificações 37 nos glicanos sialilados em α2,3 ou α2,6. A detecção e quantificação de proteínas Nglicosiladas e sialiladas em α2,6 apontou para um potencial envolvimento de integrinas β2 nestes mecanismos. 3) O efeito da sialilação em α2,6 na migração das DCs para os gânglios linfáticos foi também analisado. Observámos que BMDCs deficientes para ST6Gal-1 apresentam uma redução de cerca de 50% nos níveis de migração das DCs para os gânglios linfáticos, tal como aferido em ensaios de inflamação in situ e estudos de transferência adoptiva de células. Uma redução dos níveis deste tipo de migração foi também observada quando BMDCs nativas foram transferidas para ratinhos receptores deficientes em ST6Gal-1. São, contudo, necessários mais ensaios de forma a identificar as moléculas envolvidas neste processo. 4) Por último, analisámos o impacto da sialilação na estimulação antigénica das DCs às células T. Assim, concluiu-se que moDCs tratadas com sialidase apresentam um nível de expressão superior de IL-12, TNF-ɑ, IL-6 e IL-10, e activação do factor de transcrição nuclear kappa B (NF-κB). As DCs tratadas com sialidase induziram uma maior proliferação nas células T, com expressão correspondente de interferão-γ. Este dado sugere que a remoção de ácidos siálicos de superfície contribui para o desenvolvimento de uma resposta pro-inflamatória do tipo 1 por células T auxiliares (resposta Th1). Considerando estes dados no seu todo, concluímos que o ácido siálico tem um papel marcante nas funções imunes das DCs. Alterações à concentração de ácido siálico à superfície das células podem alterar a endocitose/fagocitose, maturação, migração para os tecidos e gânglios linfáticos e capacidade estimulatória para com as células T. Complementando estes dados, as ligações glicosídicas de ácidos siálicos criados por ST6Gal-1 e ST3Gal-1 são funcionalmente relevantes. A modulação programada da sialilação do glicocálice, mediada por sialidases individuais ou sialiltransferases é uma possibilidade aceitável para a melhoria da fagocitose por DCs e da sua potência imunológica. Este facto tem um significado particular para imunoterapias baseadas em DCs, podendo provar-se decisivo para a sua eficiência e aplicabilidade num futuro muito próximo.-------------------------------ABSTRACT: Glycans decorating cell surface and secreted proteins and lipids occupy the junction where critical host–host and host-pathogen interactions occur. In spite of the wide acceptance that glycans are centrally implicated in immunity, exactly how glycans and their variety and variability contribute to the overall immune response remains poorly defined. Glycans, frequently terminated by sialic acid residues, may be modified by external factors such as pathogens or upon specific physiological cellular events. The terminal, privileged positions of sialic acid-modified structures makes them key, fundamental determinants for a number of immune receptors with known involvement in cellular adhesiveness and cell trafficking, such as Selectins and Siglecs, with known relevant immune functions. At the time this thesis was initiated, it was established that sialic acids expressed at cell surface could modulate important mechanisms of the adaptive immune responses. Given the key role of dendritic cells (DCs) in the transition from innate to the adaptive immune responses, we anticipated that sialic acids could also modulate important mechanisms of human DCs. DCs have a relevant role in antigen screening and uptake, migration to lymph nodes and antigen presentation to lymphocytes, ultimately triggering the adaptive immune response. Therefore, our primary hypothesis was that sialic acids may modulate DC functions, such as antigen uptake, maturation, homing to lymph nodes and antigen presentation to T cells. To test this hypothesis, we divided our work in four parts. 1) Surface sialylated glycans expressed during differentiation from human monocytes to DCs (moDCs) were analyzed. Our data showed that α2,3-sialylated O-glycans and α2,6- and α2,3-sialylated N-glycans expression increased during moDC differentiation. Three main sialyltransferases (STs) are committed with this new glycan configuration: ST6Gal- 1 correlates with the increased expression of α2,6-sialylated N-glycans; ST3Gal-1 32 contributes for the α2,3-sialylation of O-glycans, especially T antigens; and ST3Gal-4 may contribute for the increased α2,3-sialylated N-glycans. Upon moDC maturation, ST6Gal-1 and ST3Gal-4 are downregulated and ST3Gal-1 is altered in a stimulus dependent manner. 2) We subsequently analyzed the consequences of the modulation of cell surface sialic acids in DC functions. We observed that removing surface sialic acid by sialidase significantly decreased the capacity of moDCs to micropinocytose and receptormediated endocytose. In contrast, treatment with a sialidase significantly improved the capacity of moDCs to phagocytose Escherichia coli. The improved phagocytosis mechanism required E. coli sialic acids, indicating a mechanism of host–pathogen interaction dependent on sialic acid moieties. Sialidase-treated moDCs have increased expression of MHC and co-stimulatory molecules, suggesting a more mature phenotype. Experiments using mouse bone marrow-derived DCs (BMDCs) from ST3Gal-1-/- and ST6Gal-1-/- strains indicated that endocytosis and maturation are influenced by changes in either α2,3 or α2,6-sialylated glycans. The analysis of α2,6-sialylated, N-glycosylated proteins, strongly suggested the potential involvement of β2 integrins, underlying these mechanisms. 3) The effect of α2,6-sialylation in DC homing to lymph nodes was also analyzed. We observed that BMDCs deficient for ST6Gal-1 have an almost 50% reduction in DC homing, as assayed by in situ inflammation and adoptive transfer studies. A reduction in DC homing was also observed when wild type BMDCs were transferred into ST6Gal-1-/- recipient mice. Further investigations are necessary to identify the molecules involved in this process. 4) Finally, we also analyzed the impact of sialylation on DCs ability to prime T cells. Sialidase-treated moDCs show increased gene expression of IL-12, TNF-α, IL-6 and IL- 10 cytokines, and activation of the transcription factor nuclear factor-κB. Sialidase33 treated DCs induced a higher proliferative response of T cells with concomitant higher expression of interferon-γ, suggesting that the clearance of cell surface sialic acids contributes to the development of a T helper type 1 proinflammatory response. Together, our data strongly support sialic acid’s relevance in DC immune functions. Alterations of cell surface sialic acid content can alter the endocytosis/phagocytosis, maturation, migration/homing and the ability for T cell priming in human DCs. Moreover, sialic acid linkages created by ST6Gal-1 and ST3Gal-1 are functionally relevant. The engineering of cell surface sialylation, mediated by individual sialidases or sialyltransferases is a likely possibility to fine tune DC phagocytosis and immunological potency, with particular significance to DC-based therapies.

The Role of the Fbox Protein CG6758 in Xbp1s Induced Retinal Degeneration in Drosophila

The Unfolded Protein Response (UPR) is a signaling pathway that is activated by an accumulation of unfolded or misfolded proteins in the endoplasmic reticulum (ER) that causes ER stress. The activation of the UPR aims to restore ER homeostasis by attenuation of ER client protein translation, increased transcription of ER chaperones and ER associated degradation (ERAD) factors. If ER stress is too long or too strong, cells may die. The main signaling branch of the UPR is mediated by the ER transmembrane protein IRE1 and the transcription factor Xbp1. The active, spliced form of Xbp1 (Xbp1spliced) acts as a transcription factor with protective function against toxic protein aggregation. However, overexpression of Xbp1spliced in the developing Drosophila eye causes degeneration of the eye (“glossy” eye phenotype).(...)

Modeling microbes: New methods for integrated metabolic and regulatory network reconstruction

PhD Thesis in Bioengineering

The retinoid-related orphan receptor RORα promotes keratinocyte differentiation via FOXN1.

RORα is a retinoid-related orphan nuclear receptor that regulates inflammation, lipid metabolism, and cellular differentiation of several non-epithelial tissues. In spite of its high expression in skin epithelium, its functions in this tissue remain unclear. Using gain- and loss-of-function approaches to alter RORα gene expression in human keratinocytes (HKCs), we have found that this transcription factor functions as a regulator of epidermal differentiation. Among the 4 RORα isoforms, RORα4 is prominently expressed by keratinocytes in a manner that increases with differentiation. In contrast, RORα levels are significantly lower in skin squamous cell carcinoma tumors (SCCs) and cell lines. Increasing the levels of RORα4 in HKCs enhanced the expression of structural proteins associated with early and late differentiation, as well as genes involved in lipid barrier formation. Gene silencing of RORα impaired the ability of keratinocytes to differentiate in an in vivo epidermal cyst model. The pro-differentiation function of RORα is mediated at least in part by FOXN1, a well-known pro-differentiation transcription factor that we establish as a novel direct target of RORα in keratinocytes. Our results point to RORα as a novel node in the keratinocyte differentiation network and further suggest that the identification of RORα ligands may prove useful for treating skin disorders that are associated with abnormal keratinocyte differentiation, including cancer.