Association of the XPD and XRCC3 gene polymorphisms with oral squamous cell carcinoma in a Northeastern Brazilian population: A pilot study

Objective to evaluate the association between XPD and XRCC3 polymorphisms and oral squamous cell carcinoma (OSCC). Design the sample consisted of 54 cases of OSCC and 40 cases of inflammatory fibrous hyperplasia (IFH). Genotypes were determined by the polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP) method. Results XPD-Lys/Gln was more common in IFH (n = 28; 70%) than in OSCC (n = 24; 44.4%) (OR: 0.3; p < 0.05). XPD-Gln was more frequent in high-grade lesions (0.48) than in low-grade lesions (0.21) (OR: 3.4; p < 0.05). The Gln/Gln genotype was associated with III and IV clinical stages (OR: 0.07; p < 0.05). XRCC3-Met was more frequent in OSCC (0.49) than in IFH (0.35) (OR: 2.6; p < 0.05). The Met/Met genotype was associated with the presence of metastases (OR: 8.1; p < 0.05) and with III and IV clinical stages (OR: 0.07; p < 0.05). Conclusions in this sample, the frequency of XPD-Gln in IFH suggests that this variant may protect against OSCC. The presence of the XRCC3-Met allele seems to contribute to the development of OSCC, metastases and more advanced stages in these lesions.

Associação da imunoexpressão das proteínas XRCC1, TFIIH E XPF com características clinicopatológicas e sobrevida em carcinoma epidermoide de língua oral

DNA repair systems, genes and proteins are essential for genome integrity maintenance, avoiding serious diseases such as cancer. Deregulation in the expression of those proteins has been associated with both the risk of development and evolution of various human cancers, including oral squamous cell carcinoma. The purpose of this study was to analyze the immunoreactivity of the DNA repair proteins XRCC1, THIIF and XPF in oral tongue squamous cell carcinoma (OTSCC) and to investigate its association with clinical and histopathological parameters, outcome and 5-year survival rate. Seventy-four cases of OTSCC were analyzed semi-quantitatively through immunohistochemistry. We observed that DNA repair proteins were highly expressed in parenchymal cells; however, we only observed a significant association between XRCC1 high expression and better clinical staging (p=0,02). Cox regression showed that tumor size (p<0,01), lymph node involvement (p=0,04), tumor stage (p=0,02) and depth of invasion> 4mm (p=0,05) were prognostic factors. The results of this experiment suggest that XRCC1, TFIIH and XPF participate in the tumorigenic process, however, their immunoexpression may not be used as an independent prognostic indicator for OTSCC.

Associação da imunoexpressão das proteínas XRCC1, TFIIH E XPF com características clinicopatológicas e sobrevida em carcinoma epidermoide de língua oral

DNA repair systems, genes and proteins are essential for genome integrity maintenance, avoiding serious diseases such as cancer. Deregulation in the expression of those proteins has been associated with both the risk of development and evolution of various human cancers, including oral squamous cell carcinoma. The purpose of this study was to analyze the immunoreactivity of the DNA repair proteins XRCC1, THIIF and XPF in oral tongue squamous cell carcinoma (OTSCC) and to investigate its association with clinical and histopathological parameters, outcome and 5-year survival rate. Seventy-four cases of OTSCC were analyzed semi-quantitatively through immunohistochemistry. We observed that DNA repair proteins were highly expressed in parenchymal cells; however, we only observed a significant association between XRCC1 high expression and better clinical staging (p=0,02). Cox regression showed that tumor size (p<0,01), lymph node involvement (p=0,04), tumor stage (p=0,02) and depth of invasion> 4mm (p=0,05) were prognostic factors. The results of this experiment suggest that XRCC1, TFIIH and XPF participate in the tumorigenic process, however, their immunoexpression may not be used as an independent prognostic indicator for OTSCC.

Caracterização do material particulado e avaliação do risco ocupacional e mecanismos moleculares associados à queima artesanal da castanha de caju

Brazil is among the largest cashew nut producers of the world. However, the roasting process is still carried out artisanally, especially in the Brazilian semiarid region. In face of this occupational problem, the aim of this study was to perform a physical-chemical characterization of the particulate matter (PM) emitted by the roasting of cashew nuts, as well as to determine the occupational risk and molecular mechanisms associated. The most evident PM characteristics were the prevalence of fine particles, typical biomass burning morphologies such as tar ball and the presence of the elements K, Cl, S, Ca and Fe. In addition, atmospheric modeling analyses suggest that these particles can reach neighboring regions of the emission source. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with carcinogenic potential, such as benzo[a]pyrene, dibenz[a,h]anthracene, benzo[a]anthracene, benzo[b]fluoranthene, chrysene, benzo[k]fluoranthene, indeno[1,2,3-c,d]pyrene and benzo[j]fluoranthene were the most abundant PAHs found in the two air monitoring campaigns. Among the identified oxy-PAH the benzanthrone (7H-benz[d,e]anthracen-7-one) had the highest concentration and the evaluation of lifetime cancer risk showed an increase of 12 to 37 cases of cancer for every 10,000 exposed people. Chemical analysis of roasted cashew nuts identified the PAHs: phenanthrene, benzo[g,h,i]perylene, pyrene and benzo[a]pyrene, besides the 3-pentadecilfenol allergen (urushiol analogue) as prevalent. Occupational exposure to PAHs was confirmed by the increase of urinary 1-hydroxypyrene levels and genotoxic effects were evidenced by the increase on micronuclei and nuclear bud frequency in exfoliated buccal mucosa cells among the exposed workers. Other biomarkers of effects such as karyorrhexis, pyknotic, karyolytic, condensed chromatin and binucleated cells also have their frequencies increased when compared to an unexposed control group. The investigation of the molecular mechanisms associated with the PM organic extract showed cytotoxicity in human lung cell lines (A549) at concentrations ≥ 4 nM BaPeq. Using non-cytotoxic doses the extract was able to activate proteins involved in the DNA damage response pathway (Chk1 and p53). Moreover, the specific contribution of the four most representative PAHs in the cashew nut roasting sample showed that benzo[a]pyrene was the most efficient to activate Chk1 and p53. Finally, the organic extract was able to increase persistently the mRNA expression involved in the PAHs metabolism (CYP1A1 and CYP1B1), inflammatory response (IL-8 and TNF-α) and cell cycle arrest (CDKN1A) for DNA repair (DDB2). The high PM concentrations and its biological effects associated warn of the serious harmful effects of artisanal cashew nut roasting and urgent actions should be taken to the sustainable development of this activity.

Caracterização do material particulado e avaliação do risco ocupacional e mecanismos moleculares associados à queima artesanal da castanha de caju

Brazil is among the largest cashew nut producers of the world. However, the roasting process is still carried out artisanally, especially in the Brazilian semiarid region. In face of this occupational problem, the aim of this study was to perform a physical-chemical characterization of the particulate matter (PM) emitted by the roasting of cashew nuts, as well as to determine the occupational risk and molecular mechanisms associated. The most evident PM characteristics were the prevalence of fine particles, typical biomass burning morphologies such as tar ball and the presence of the elements K, Cl, S, Ca and Fe. In addition, atmospheric modeling analyses suggest that these particles can reach neighboring regions of the emission source. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with carcinogenic potential, such as benzo[a]pyrene, dibenz[a,h]anthracene, benzo[a]anthracene, benzo[b]fluoranthene, chrysene, benzo[k]fluoranthene, indeno[1,2,3-c,d]pyrene and benzo[j]fluoranthene were the most abundant PAHs found in the two air monitoring campaigns. Among the identified oxy-PAH the benzanthrone (7H-benz[d,e]anthracen-7-one) had the highest concentration and the evaluation of lifetime cancer risk showed an increase of 12 to 37 cases of cancer for every 10,000 exposed people. Chemical analysis of roasted cashew nuts identified the PAHs: phenanthrene, benzo[g,h,i]perylene, pyrene and benzo[a]pyrene, besides the 3-pentadecilfenol allergen (urushiol analogue) as prevalent. Occupational exposure to PAHs was confirmed by the increase of urinary 1-hydroxypyrene levels and genotoxic effects were evidenced by the increase on micronuclei and nuclear bud frequency in exfoliated buccal mucosa cells among the exposed workers. Other biomarkers of effects such as karyorrhexis, pyknotic, karyolytic, condensed chromatin and binucleated cells also have their frequencies increased when compared to an unexposed control group. The investigation of the molecular mechanisms associated with the PM organic extract showed cytotoxicity in human lung cell lines (A549) at concentrations ≥ 4 nM BaPeq. Using non-cytotoxic doses the extract was able to activate proteins involved in the DNA damage response pathway (Chk1 and p53). Moreover, the specific contribution of the four most representative PAHs in the cashew nut roasting sample showed that benzo[a]pyrene was the most efficient to activate Chk1 and p53. Finally, the organic extract was able to increase persistently the mRNA expression involved in the PAHs metabolism (CYP1A1 and CYP1B1), inflammatory response (IL-8 and TNF-α) and cell cycle arrest (CDKN1A) for DNA repair (DDB2). The high PM concentrations and its biological effects associated warn of the serious harmful effects of artisanal cashew nut roasting and urgent actions should be taken to the sustainable development of this activity.

Topoisomerase 1 (Top1)-associated Genome Instability in Yeast: Effects of Persistent Cleavage Complexes or Increased Top1 Levels

Topoisomerase 1 (Top1), a Type IB topoisomerase, functions to relieve transcription- and replication-associated torsional stress in DNA. Top1 cleaves one strand of DNA, covalently associates with the 3’ end of the nick to form a Top1-cleavage complex (Top1cc), passes the intact strand through the nick and finally re-ligates the broken strand. The chemotherapeutic drug, Camptothecin, intercalates at a Top1cc and prevents the crucial re-ligation reaction that is mediated by Top1, resulting in the conversion of a nick to a toxic double-strand break during DNA replication or the accumulation of Top1cc. This mechanism of action preferentially targets rapidly dividing tumor cells, but can also affect non-tumor cells when patients undergo treatment. Additionally, Top1 is found to be elevated in numerous tumor tissues making it an attractive target for anticancer therapies. We investigated the effects of Top1 on genome stability, effects of persistent Top1-cleavage complexes and elevated Top1 levels, in Saccharomyces cerevisiae. We found that increased levels of the Top1cc resulted in a five- to ten-fold increase in reciprocal crossovers, three- to fifteen fold increase in mutagenesis and greatly increased instability within the rDNA and CUP1 tandem arrays. Increased Top1 levels resulted in a fifteen- to twenty-two fold increase in mutagenesis and increased instability in rDNA locus. These results have important implications for understanding the effects of CPT and elevated Top1 levels as a chemotherapeutic agent.

Genetic Analysis of Mitotic Recombination in Saccharomyces cerevisiae

Mitotic genome instability can occur during the repair of double-strand breaks (DSBs) in DNA, which arise from endogenous and exogenous sources. Studying the mechanisms of DNA repair in the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae has shown that Homologous Recombination (HR) is a vital repair mechanism for DSBs. HR can result in a crossover event, in which the broken molecule reciprocally exchanges information with a homologous repair template. The current model of double-strand break repair (DSBR) also allows for a tract of information to non-reciprocally transfer from the template molecule to the broken molecule. These “gene conversion” events can vary in size and can occur in conjunction with a crossover event or in isolation. The frequency and size of gene conversions in isolation and gene conversions associated with crossing over has been a source of debate due to the variation in systems used to detect gene conversions and the context in which the gene conversions are measured.

In Chapter 2, I use an unbiased system that measures the frequency and size of gene conversion events, as well as the association of gene conversion events with crossing over between homologs in diploid yeast. We show mitotic gene conversions occur at a rate of 1.3x10-6 per cell division, are either large (median 54.0kb) or small (median 6.4kb), and are associated with crossing over 43% of the time.

DSBs can arise from endogenous cellular processes such as replication and transcription. Two important RNA/DNA hybrids are involved in replication and transcription: R-loops, which form when an RNA transcript base pairs with the DNA template and displaces the non-template DNA strand, and ribonucleotides embedded into DNA (rNMPs), which arise when replicative polymerase errors insert ribonucleotide instead of deoxyribonucleotide triphosphates. RNaseH1 (encoded by RNH1) and RNaseH2 (whose catalytic subunit is encoded by RNH201) both recognize and degrade the RNA in within R-loops while RNaseH2 alone recognizes, nicks, and initiates removal of rNMPs embedded into DNA. Due to their redundant abilities to act on RNA:DNA hybrids, aberrant removal of rNMPs from DNA has been thought to lead to genome instability in an rnh201Δ background.

In Chapter 3, I characterize (1) non-selective genome-wide homologous recombination events and (2) crossing over on chromosome IV in mutants defective in RNaseH1, RNaseH2, or RNaseH1 and RNaseH2. Using a mutant DNA polymerase that incorporates 4-fold fewer rNMPs than wild type, I demonstrate that the primary recombinogenic lesion in the RNaseH2-defective genome is not rNMPs, but rather R-loops. This work suggests different in-vivo roles for RNaseH1 and RNaseH2 in resolving R-loops in yeast and is consistent with R-loops, not rNMPs, being the the likely source of pathology in Aicardi-Goutières Syndrome patients defective in RNaseH2.

Defining the Role of the Histone Methyltransferase, PR-Set7, in Maintaining the Genome Integrity of Drosophila Melanogaster

The complete and faithful duplication of the genome is essential to ensure normal cell division and organismal development. Eukaryotic DNA replication is initiated at multiple sites termed origins of replication that are activated at different time through S phase. The replication timing program is regulated by the S-phase checkpoint, which signals and repairs replicative stress. Eukaryotic DNA is packaged with histones into chromatin, thus DNA-templated processes including replication are modulated by the local chromatin environment such as post-translational modifications (PTMs) of histones.

One such epigenetic mark, methylation of lysine 20 on histone H4 (H4K20), has been linked to chromatin compaction, transcription, DNA repair and DNA replication. H4K20 can be mono-, di- and tri-methylated. Monomethylation of H4K20 (H4K20me1) is mediated by the cell cycle-regulated histone methyltransferase PR-Set7 and subsequent di-/tri- methylation is catalyzed by Suv4-20. Prior studies have shown that PR-Set7 depletion in mammalian cells results in defective S phase progression and the accumulation of DNA damage, which may be partially attributed to defects in origin selection and activation. Meanwhile, overexpression of mammalian PR-Set7 recruits components of pre-Replication Complex (pre-RC) onto chromatin and licenses replication origins for re-replication. However, these studies were limited to only a handful of mammalian origins, and it remains unclear how PR-Set7 impacts the replication program on a genomic scale. Finally, the methylation substrates of PR-Set7 include both histone (H4K20) and non-histone targets, therefore it is necessary to directly test the role of H4K20 methylation in PR-Set7 regulated phenotypes.

I employed genetic, cytological, and genomic approaches to better understand the role of H4K20 methylation in regulating DNA replication and genome stability in Drosophila melanogaster cells. Depletion of Drosophila PR-Set7 by RNAi in cultured Kc167 cells led to an ATR-dependent cell cycle arrest with near 4N DNA content and the accumulation of DNA damage, indicating a defect in completing S phase. The cells were arrested at the second S phase following PR-Set7 downregulation, suggesting that it was an epigenetic effect that coupled to the dilution of histone modification over multiple cell cycles. To directly test the role of H4K20 methylation in regulating genome integrity, I collaborated with the Duronio Lab and observed spontaneous DNA damage on the imaginal wing discs of third instar mutant larvae that had an alanine substitution on H4K20 (H4K20A) thus unable to be methylated, confirming that H4K20 is a bona fide target of PR-Set7 in maintaining genome integrity.

One possible source of DNA damage due to loss of PR-Set7 is reduced origin activity. I used BrdU-seq to profile the genome-wide origin activation pattern. However, I found that deregulation of H4K20 methylation states by manipulating the H4K20 methyltransferases PR-Set7 and Suv4-20 had no impact on origin activation throughout the genome. I then mapped the genomic distribution of DNA damage upon PR-Set7 depletion. Surprisingly, ChIP-seq of the DNA damage marker γ-H2A.v located the DNA damage to late replicating euchromatic regions of the Drosophila genome, and the strength of γ-H2A.v signal was uniformly distributed and spanned the entire late replication domain, implying stochastic replication fork collapse within late replicating regions. Together these data suggest that PR-Set7-mediated monomethylation of H4K20 is critical for maintaining the genomic integrity of late replicating domains, presumably via stabilization of late replicating forks.

In addition to investigating the function of H4K20me, I also used immunofluorescence to characterize the cell cycle regulated chromatin loading of Mcm2-7 complex, the DNA helicase that licenses replication origins, using H4K20me1 level as a proxy for cell cycle stages. In parallel with chromatin spindown data by Powell et al. (Powell et al. 2015), we showed a continuous loading of Mcm2-7 during G1 and a progressive removal from chromatin through S phase.

Identification of potentially pathogenic variants in candidate breast and ovarian cancer susceptibility genes in BRCAX patients

Mutations within the BRCA1 and BRCA2 genes account for approximately 20% of hereditary breast cancers, with a further 10%–15% being attributable to rare mutations in moderate-risk genes and common variants in low-risk genes. The genes harbouring mutations in the remaining ∼65% of hereditary breast cancers are unknown. The identification of mutation carriers in hereditary breast and ovarian cancer (hboc) families is critical for determining who is most at risk of developing the disease and therefore who should be offered risk-reducing procedures or more intensive screening, or both.

Many of the high- and moderate-risk genes for hereditary breast cancers encode proteins that work in concert to maintain genomic stability and in dna damage signalling and repair. A novel BRCA1 protein complex identified within the research group whose target genes are involved in dna repair provided novel candidates for hboc susceptibility genes. These 12 candidate genes were sequenced in a cohort of 675 affected individuals from the Kathleen Cunningham Foundation Consortium for Research into Familial Breast Cancer (kConFab) with hereditary breast or ovarian cancer, but with no mutations in known susceptibility genes (BRCAx patients). This analysis identified 20 individuals (each from a different BRCAx family) with different potentially pathogenic variants across 6 of the candidate hboc susceptibility genes. The family members of each BRCAx index case were tested for the presence of the specific mutation identified in the proband to examine segregation with disease. To further expand on the potential role of the novel candidate hboc susceptibility genes identified in this study, the genetic variation of a second cohort of 520 Northern Irish BRCAx patients is being characterized using a 61-gene panel.

A global expression-based analysis of the consequences of the t(4;14) translocation in myeloma

Purpose: Our purpose in this report was to define genes and pathways dysregulated as a consequence of the t(4;14) in myeloma, and to gain insight into the downstream functional effects that may explain the different prognosis of this subgroup.Experimental Design: Fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) overexpression, the presence of immunoglobulin heavy chain-multiple myeloma SET domain (IgH-MMSET) fusion products and the identification of t(4;14) breakpoints were determined in a series of myeloma cases. Differentially expressed genes were identified between cases with (n = 55) and without (n = 24) a t(4;14) by using global gene expression analysis.Results: Cases with a t(4;14) have a distinct expression pattern compared with other cases of myeloma. A total of 127 genes were identified as being differentially expressed including MMSET and cyclin D2, which have been previously reported as being associated with this translocation. Other important functional classes of genes include cell signaling, apoptosis and related genes, oncogenes, chromatin structure, and DNA repair genes. Interestingly, 25% of myeloma cases lacking evidence of this translocation had up-regulation of the MMSET transcript to the same level as cases with a translocation.Conclusions: t(4;14) cases form a distinct subgroup of myeloma cases with a unique gene signature that may account for their poor prognosis. A number of non-t(4;14) cases also express MMSET consistent with this gene playing a role in myeloma pathogenesis.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.

Development of gene expression-based biomarkers of exposure to metals and pesticides in the freshwater amphipod Hyalella azteca

Ecological risk assessment (ERA) is a framework for monitoring risks of exposure and adverse effects of environmental stressors to populations or communities of interest. One tool of ERA is the biomarker, which is a characteristic of an organism that reliably indicates exposure to or effects of a stressor like chemical pollution. Traditional biomarkers which rely on characteristics at the tissue level and higher often detect only acute exposures to stressors. Sensitive molecular biomarkers may detect lower stressor levels than traditional biomarkers, which helps inform risk mitigation and restoration efforts before populations and communities are irreversibly affected. In this study I developed gene expression-based molecular biomarkers of exposure to metals and insecticides in the model toxicological freshwater amphipod Hyalella azteca. My goals were to not only create sensitive molecular biomarkers for these chemicals, but also to show the utility and versatility of H. azteca in molecular studies for toxicology and risk assessment. I sequenced and assembled the H. azteca transcriptome to identify reference and stress-response gene transcripts suitable for expression monitoring. I exposed H. azteca to sub-lethal concentrations of metals (cadmium and copper) and insecticides (DDT, permethrin, and imidacloprid). Reference genes used to create normalization factors were determined for each exposure using the programs BestKeeper, GeNorm, and NormFinder. Both metals increased expression of a nuclear transcription factor (Cnc), an ABC transporter (Mrp4), and a heat shock protein (Hsp90), giving evidence of general metal exposure signature. Cadmium uniquely increased expression of a DNA repair protein (Rad51) and increased Mrp4 expression more than copper (7-fold increase compared to 2-fold increase). Together these may be unique biomarkers distinguishing cadmium and copper exposures. DDT increased expression of Hsp90, Mrp4, and the immune response gene Lgbp. Permethrin increased expression of a cytochrome P450 (Cyp2j2) and decreased expression of the immune response gene Lectin-1. Imidacloprid did not affect gene expression. Unique biomarkers were seen for DDT and permethrin, but the genes studied were not sensitive enough to detect imidacloprid at the levels used here. I demonstrated that gene expression in H. azteca detects specific chemical exposures at sub-lethal concentrations, making expression monitoring using this amphipod a useful and sensitive biomarker for risk assessment of chemical exposure.

Étude du comportement de la chromatine, de la régulation de la transcription et réparation des gènes de l’ARNr avant la réplication de l’ADN et assemblage de la réparation par excision de nucléotides chez Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Le nucléole est considéré comme étant une « usine » à produire des ribosomes. Cette production est la fonction la plus énergivore de la cellule. Elle met en jeu les trois ARN polymérases et représente 80% de l’activité de transcription au sein d’une cellule. Les trois quarts de cette activité de transcription correspondent à la synthèse des ARNr par l’ARN polymérase I (ARNPI). Ainsi mieux comprendre les mécanismes cellulaires se déroulant à l’intérieur de ce compartiment permettra le développement de nouveaux traitements contre le cancer. La synthèse d’ARNr par l’ARNPI est régulée à trois niveaux : l’initiation de la transcription, l’élongation et le nombre de gènes de l’ARNr en transcription. La plupart des travaux qui se sont intéressés à ces niveaux de régulation ont été réalisés avec des cellules en phase exponentielle de croissance. Au cours de mes travaux, je me suis attardé sur la régulation de la transcription par l’ARNPI au cours de la phase G1 du cycle cellulaire et au début de la phase S. Ainsi mes résultats ont montré que si la chromatine des gènes de l’ARNr est essentiellement dépourvue de nucléosomes, la régulation de l’ARNPI diffère dans des cellules en G1 et au début de la phase S. J’ai pu de ce fait observer qu’en G1, la transcription de l’ARNPI se concentre sur un nombre réduit de gènes en transcription. Dans des cellules arrêtées au début de la phase S avec de l’hydroxyurée, la transcription de l’ARNPI est perturbée par un défaut de maturation de l’ARNR. Fort de ces résultats sur la nature des gènes ribosomaux en phase G1, je me suis attardé à la réparation de ces gènes lors de cette phase. Alors que dans des cellules en phase exponentielle de croissance irradiées avec des UVC, la chromatine des gènes de l’ARNr se ferme ; je n’ai pas observé la formation de nucléosomes suite à l’irradiation de cellules synchronisée en G1. Mes résultats montrent également que la réparation est plus efficace. Parallèlement, j’ai exploré l’assemblage du complexe de réparation par excision de nucléotides. Toutefois, les résultats obtenus sont peu concluants.

Étude de la réparation des lésions induites par les UVs dans les extrémités chromosomiques de la levure Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Les télomères sont des structures nucléoprotéiques spécialisées qui assurent la stabilité du génome en protégeant les extrémités chromosomiques. Afin d’empêcher des activités indésirables, la réparation des dommages à l’ADN doit être convenablement régulée au niveau des télomères. Pourtant, il existe peu d’études de la réparation des dommages induits par les ultraviolets (UVs) dans un contexte télomérique. Le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER pour « Nucleotide Excision Repair ») permet d’éliminer les photoproduits. La NER est un mécanisme très bien conservé de la levure à l’humain. Elle est divisée en deux sous voies : une réparation globale du génome (GG-NER) et une réparation couplée à la transcription (TC-NER) plus rapide et plus efficace. Dans notre modèle d’étude, la levure Saccharomyces cerevisiae, une forme compactée de la chromatine nommée plus fréquemment « hétérochromatine » a été décrite. Cette structure particulière est présente entre autres, au niveau des régions sous-télomériques des extrémités chromosomiques. La formation de cette chromatine particulière implique quatre protéines nommées Sir (« Silent Information Regulator »). Elle présente différentes marques épigénétiques dont l’effet est de réprimer la transcription. L’accès aux dommages par la machinerie de réparation est-il limité par cette chromatine compacte ? Nous avons donc étudié la réparation des lésions induites par les UVs dans différentes régions associées aux télomères, en absence ou en présence de protéines Sir. Nos données ont démontré une modulation de la NER par la chromatine, dépendante des nucléosomes stabilisés par les Sir, dans les régions sous-télomériques. La NER était moins efficace dans les extrémités chromosomiques que dans les régions plus proches du centromère. Cet effet était dépendant du complexe YKu de la coiffe télomérique, mais pas dépendant des protéines Sir. La transcription télomériques pourrait aider la réparation des photoproduits, par l’intermédiaire de la sous-voie de TC-NER, prévenant ainsi la formation de mutations dans les extrémités chromosomiques. Des ARN non codants nommés TERRA sont produits mais leur rôle n’est pas encore clair. Par nos analyses, nous avons confirmé que la transcription des TERRA faciliterait la NER dans les différentes régions sous-télomériques.