Epigenetics and alternative splicing

Dissertação de Mestrado, Oncobiologia: Mecanismos Moleculares do Cancro, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Characteristics of microRNAs and their potential relevance for the diagnosis and therapy of the acute respiratory distress syndrome: from bench to bedside

Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a complex disease associated with high morbidity and mortality. Biomarkers and specific pharmacologic treatment of the syndrome are lacking. MicroRNAs (miRNAs) are small (∼19–22 nucleotides) noncoding RNA molecules whose function is the regulation of gene expression. Their uncommon biochemical characteristics (eg, their resistance to degradation because of extreme temperature and pH fluctuations, freeze-thaw cycles, long storage times in frozen conditions, and RNAse digestion) and their presence in a wide range of different biological fluids and the relatively low number of individual miRNAs make these molecules good biomarkers in different clinical conditions. In addition, miRNAs are suitable therapeutic targets as their expression can be modulated by different available strategies. The aim of the present review is to offer clinicians a global perspective of miRNA, covering their structure and nomenclature, biogenesis, effects on gene expression, regulation of expression, and features as disease biomarkers and therapeutic targets, with special attention to ARDS. Because of the early stage of research on miRNAs applied to ARDS, attention has been focused on how knowledge sourced from basic and translational research could inspire future clinical studies.

Heat shock response in bacteria with large genomes: lessons from rhizobia

Rhizobia are important soil bacteria due to their ability to establish nitrogen-fixing symbioses with legume plants. In this dual lifestyle, as free-living bacteria or as plant symbiont, rhizobia are often exposed to different environmental stresses. The present chapter overviews the current knowledge on the heat shock response of rhizobia, highlighting how these large genome bacteria respond to heat from a transcriptional point of view. Response to heat shock in rhizobia involves genome wide changes in the transcriptome that may affect more than 30% of the genome and involve all replicons. In addition to the expected upregulation of genes already known to be involved in stress response (dnaK, groEL, ibpA, clpB), the reports on the heat shock response in rhizobia also showed particular aspects of stress response in these resourceful bacteria. The transcriptional response to heat in rhizobia includes the overexpression of a large number of genes involved in transcription and carbohydrate transport and metabolism. Additional studies are needed in order to better understand the transcriptional regulation of stress response in bacteria with large genomes.

LipL53, a temperature regulated protein from Leptospira interrogans that binds to extracellular matrix molecules

The regulation of gene expression by environmental signals, such as temperature and osmolarity, has been correlated with virulence. In this study, we characterize the protein LipL53 from Leptospira interrogans, previously shown to react with serum sample of individual diagnosed with leptospirosis and to be up-regulated by shift to physiological osmolarity. The recombinant protein was expressed in Escherichia coli system, in insoluble form, recovered by urea solubilization and further refolded by decreasing the denaturing agent concentration during the purification procedure. The secondary structure content of the recombinant LipL53, as assessed by circular dichroism, showed a mixture of beta-strands and alpha-helix. The presence of LipL53 transcript at 28 degrees C was only detected within the virulent strains. However, upon shifted of attenuated cultures of pathogenic strains from 28 degrees C to 37 degrees C and to 39 degrees C, this transcript could also be observed. LipL53 binds laminin, collagen IV, cellular and plasma fibronectin in dose-dependent and saturable manner. Animal challenge studies showed that LipL53, although immunogenic, elicited only partial protection in hamsters. LipL53 is probably surface exposed as seen through immunofluorescence confocal microscopy. Our results suggest that LipL53 is a novel temperature regulated adhesin of L. interrogans that may be relevant in the leptospiral pathogenesis. (C) 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

microRNAs in colon cancer: a roadmap for discovery.

Cancer omics data are exponentially created and associated with clinical variables, and important findings can be extracted based on bioinformatics approaches which can then be experimentally validated. Many of these findings are related to a specific class of non-coding RNA molecules called microRNAs (miRNAs) (post-transcriptional regulators of mRNA expression). The related research field is quite heterogeneous and bioinformaticians, clinicians, statisticians and biologists, as well as data miners and engineers collaborate to cure stored data and on new impulses coming from the output of the latest Next Generation Sequencing technologies. Here we review the main research findings on miRNA of the first 10 years in colon cancer research with an emphasis on possible uses in clinical practice. This review intends to provide a road map in the jungle of publications of miRNA in colorectal cancer, focusing on data availability and new ways to generate biologically relevant information out of these huge amounts of data.

Oligonucleotide-polyethylenimine complexes targeting retinal cells: structural analysis and application to anti-TGFbeta-2 therapy.

PURPOSE: The aim of this study was to characterize oligonucleotide-polyethylenimine (ODN/PEI) complex preparation for potential transfection of retinal cells in vitro and in vivo. METHODS: The effect of medium preparation [HEPES-buffered saline (HBS), water] on particle size and morphology was evaluated. Cultured Lewis rat retinal Müller glial (RMG) cells were transfected using fluorescein isothiocyanate (FITC)-ODN/PEI complexes specifically directed at transforming growth factor beta (TGFbeta)-2. Efficacy of transfection was evaluated using confocal microscopy, and regulation of gene expression was assayed using quantitative real-time RT-PCR and ELISA assay. One, 24, and 72 h after injection of FITC-ODN/PEI complexes into the vitreous of rat eyes, their distribution was analyzed on eye sections. RESULTS: Complexes prepared in HBS were smaller than complexes prepared in pure water and presented a core-shell structure. These particles showed a high cellular internalization efficacy, along with a significant and specific down-regulation of TGFbeta-2 expression and production in RMG cells, correlating with specific inhibition of cell growth at 72 h. In vivo, complexes efficiently transfect retinal cells and follow a transretinal migration at 24 h. After 72 h, ODN seems to preferentially target RMG cells without inducing any detectable toxicity. CONCLUSIONS: Specific down-regulation of TGFbeta-2 expression using ODN/PEI complexes may have potential interest for the treatment of retinal diseases associated with glial proliferation.

Interleukin-4 induced leukocyte differentiation

Monocytes, macrophages and dendritic cells (DCs) are important mediators of innate immune system, whereas T lymphocytes are the effector cells of adaptive immune responses. DCs play a crucial role in bridging innate and adaptive immunity. Naïve CD4+ Th progenitors (Thp) differentiate to functionally distinct effector T cell subsets including Th1, Th2 and Th17 cells, which while being responsible for specific immune functions have also been implicated in pathological responses, such as autoimmunity, asthma and allergy. The main objective of this thesis is to dissect the signalling networks involved in the IL-4 induced differentiation of two important leukocyte subtypes, Th2 cells and DCs. Gene expression profiling lead to identification of over 200 genes which are differentially expressed during cytokine induced differentiation of human monocytes to DCs or macrophages and which are likely to be essential for the proper biological functions of these cell types. Transcriptome analysis demonstrated the dynamic regulation of gene expression by IL-12 and IL-4 during the initiation of Th cell differentiation, which was partly counteracted by an immunosuppressive cytokine, TGFβ, present in the culture media. Results from RNAi mediated gene knockdown experiments and global gene expression analysis elucidated that SATB1 regulates multiple genes important for Th cell polarization or function as well as may compete with GATA3 for the reciprocal regulation of IL-5 transcription. In conclusion, the results obtained have extended our system-level understanding of the immune cell differentiation processes and provide an excellent basis for the further functional studies which could lead to development of improved therapeutic approaches for a range of immunological conditions.

Représentation et recherche de motifs cycliques et structuraux d’ARN connus dans les structures secondaires

L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail.

Conception de miARN artificiels basée sur la caractérisation de la boucle de régulation miR-20/E2F

La biologie moléculaire et, plus spécifiquement, la régulation de l’expression génique ont été révolutionnées par la découverte des microARN (miARN). Ces petits ARN d’une vingtaine de nucléotides sont impliqués dans la majorité des processus cellulaires et leur expression est dérégulée dans plusieurs maladies, comme le cancer. Un miARN reconnaît ses cibles principalement par son noyau, ce qui lui permet de réguler simultanément la traduction de centaines d’ARN messagers. Nos travaux ont montré l’existence d’une boucle de rétro-activation négative, entre deux miARN du polycistron miR-17-92 et trois facteurs de transcription de la famille E2F. E2F1, 2 et 3 induisent la transcription de miR-20 et miR-17 qui par la suite inhibent leur traduction. Nos résultats suggèrent l’implication de cette boucle dans la résistance à l’apoptose induite par E2F1 dans les cellules du cancer de la prostate, ce qui expliquerait en partie le potentiel oncogénique du polycistron miR-17-92. L’étude de ce motif de régulation nous a donc permis de réaliser le potentiel incroyable qu’ont les miARN à inhiber la traduction de plusieurs gènes. Basé sur les règles de reconnaissance des miARN, nous avons développé et validé MultiTar. Cet outil bioinformatique permet de trouver la séquence d’un miARN artificiel ayant le potentiel d’inhiber la traduction de gènes d’intérêts choisis par l’utilisateur. Afin de valider MultiTar, nous avons généré des multitargets pouvant inhiber l’expression des trois E2F, ce qui nous a permis de comparer leur efficacité à celle de miR-20. Nos miARN artificiels ont la capacité d’inhiber la traduction des E2F et de neutraliser leur fonction redondante de la progression du cycle cellulaire de façon similaire ou supérieur à miR-20. La fonctionnalité de notre programme, ouvre la voie à une stratégie flexible pouvant cibler le caractère multigénique de différents processus cellulaires ou maladies complexes, tel que le cancer. L’utilisation de miARN artificiels pourrait donc représenter une alternative intéressante aux stratégies déjà existantes, qui sont limitées à inhiber des cibles uniques. En plus d’élucider un réseau de régulation complexe impliquant les miARN, nous avons pu tirer profit de leur potentiel d’inhibition par la conception de miARN artificiels.

Régulation transcriptionnelle du gène de la protéine de liaison de la chlorophylle-a et de la péridinine chez le dinoflagellé Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés jouent un rôle très important dans l’écologie des océans en y réalisant une grande partie de la production primaire, en formant une association symbiotique avec les coraux et en ayant la capacité de produire des fleurs d’algues potentiellement toxiques pour les communautés côtières humaines et animales. Malgré tout, la biologie moléculaire des dinoflagellés n’a que très peu été étudiée dans les dernières années, les connaissances de processus de base comme la régulation de la transcription y étant fortement limitées. Une tentative pour élucider ce mécanisme a été réalisée chez les dinoflagellés photosynthétiques Lingulodinium polyedrum et Amphidinium carterae. Une expérience d’induction de la transcription du gène de la Peridinin chlorophyll-a binding protein, le complexe majeur de collecte de lumière, a été réalisée par une baisse de l’intensité lumineuse et a montré une faible augmentation (moins de 2 fois) du transcrit à court et long terme. Des expériences de simple-hybride et de retard sur gel (EMSA) ont été faits pour identifier de potentielles interactions protéine-ADN dans la région intergénique du gène PCP organisé en tandem. Ces essais ont été infructueux pour identifier de telles protéines. Une analyse du transcriptome de L. polyedrum a été effectuée, montrant une importante sous-représentation de domaines de liaison à l’ADN classique (comme Heat-shock factor, bZIP ou Myb) et une surreprésentation du domaine d’origine bactérienne Cold shock en comparaison avec d’autres eucaryotes unicellulaires. Ce travail suggère que les mécanismes de régulation transcriptionnelle des dinoflagellés pourraient différer substantiellement de ceux des autres eucaryotes.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Epigenetics and autoimmune diseases

Epigenetics is defined as the study of all inheritable and potentially reversible changes in genome function that do not alter the nucleotide sequence within the DNA. Epigenetic mechanisms such as DNA methylation, histone modification, nucleosome positioning, and microRNAs (miRNAs) are essential to carry out key functions in the regulation of gene expression. Therefore, the epigenetic mechanisms are a window to understanding the possible mechanisms involved in the pathogenesis of complex diseases such as autoimmune diseases. It is noteworthy that autoimmune diseases do not have the same epidemiology, pathology, or symptoms but do have a common origin that can be explained by the sharing of immunogenetic mechanisms. Currently, epigenetic research is looking for disruption in one or more epigenetic mechanisms to provide new insights into autoimmune diseases. The identification of cell-specific targets of epigenetic deregulation will serve us as clinical markers for diagnosis, disease progression, and therapy approaches.

Plant uncoupling mitochondrial proteins

Uncoupling proteins (UCPs) are membrane proteins that mediate purine nucleotide-sensitive free fatty acid-activated H(+) flux through the inner mitochondrial membrane. After the discovery of UCP in higher plants in 1995, it was acknowledged that these proteins are widely distributed in eukaryotic organisms. The widespread presence of UCPs in eukaryotes implies that these proteins may have functions other than thermogenesis. In this review, we describe the current knowledge of plant UCPs, including their discovery, biochemical properties, distribution, gene family, gene expression profiles, regulation of gene expression, and evolutionary aspects. Expression analyses and functional studies on the plant UCPs under normal and stressful conditions suggest that UCPs regulate energy metabolism in the cellular responses to stress through regulation of the electrochemical proton potential (Delta mu(H)+) and production of reactive oxygen species.