Roles for genomic imprinting and the zygotic genome in placental development

The placenta contains several types of feto-maternal interfaces where zygote-derived cells interact with maternal cells or maternal blood for the promotion of fetal growth and viability. The genetic factors regulating the interactions between different cell types within feto-maternal interfaces and the relative contributions of the maternal and zygotic genomes are poorly understood. Genomic imprinting, the epigenetic process responsible for parental origin-dependent functional differences between homologous chromosomes, has been proposed to contribute to these events. Previous studies showed that mouse conceptuses with an absence of imprinted differences between the two copies of chromosome 12 (upon paternal inheritance of both copies) die late in gestation and have a variety of defects, including placentomegaly. Here we examined the role of chromosome 12 imprinting in these placentae in more detail. We show that the spatial interactions between different cell types within feto-maternal interfaces are defective and identify abnormal behaviors in both zygote-derived and maternal cells that are attributed to the genome of the zygote but not the mother. These include compromised invasion of the maternal decidualized endometrium and the central maternal artery situated within it by zygote-derived trophoblast, abnormalities in the wall of the central maternal artery, and defects within the zygote-derived cellular layer of the labyrinth, which is in direct contact with maternal blood. These findings demonstrate multiple roles for chromosome 12 imprinting in the placenta that have not previously been associated with imprinting effects. They provide insights into the function of imprinting in placental development and have evolutionary and clinical implications.

Protein-coding genes are epigenetically regulated in Arabidopsis polyploids

The fate of redundant genes resulting from genome duplication is poorly understood. Previous studies indicated that ribosomal RNA genes from one parental origin are epigenetically silenced during interspecific hybridization or polyploidization. Regulatory mechanisms for protein-coding genes in polyploid genomes are unknown, partly because of difficulty in studying expression patterns of homologous genes. Here we apply amplified fragment length polymorphism (AFLP)–cDNA display to perform a genome-wide screen for orthologous genes silenced in Arabidopsis suecica, an allotetraploid derived from Arabidopsis thaliana and Cardaminopsis arenosa. We identified ten genes that are silenced from either A. thaliana or C. arenosa origin in A. suecica and located in four of the five A. thaliana chromosomes. These genes represent a variety of RNA and predicted proteins including four transcription factors such as TCP3. The silenced genes in the vicinity of TCP3 are hypermethylated and reactivated by blocking DNA methylation, suggesting epigenetic regulation is involved in the expression of orthologous genes in polyploid genomes. Compared with classic genetic mutations, epigenetic regulation may be advantageous for selection and adaptation of polyploid species during evolution and development.

Id1 regulation of cellular senescence through transcriptional repression of p16/Ink4a

The Id family of helix–loop–helix (HLH) transcriptional regulatory proteins does not possess a basic DNA-binding domain and functions as a negative regulator of basic HLH transcription factors. Id proteins coordinate cell growth and differentiation pathways within mammalian cells and have been shown to regulate G1-S cell-cycle transitions. Although much recent data has implicated Id1 in playing a critical role in modulating cellular senescence, no direct genetic evidence has been reported to substantiate such work. Here we show that Id1-null primary mouse embryo fibroblasts undergo premature senescence despite normal growth profiles at early passage. These cells possess increased expression of the tumor-suppressor protein p16/Ink4a but not p19/ARF, and have decreased cyclin-dependent kinase (cdk) 2 and cdk4 kinase activity. We also show that Id1 is able to directly inhibit p16/Ink4a but not p19/ARF promoter activity via its HLH domain, and that Id1inhibits transcriptional activation at E-boxes within the p16/Ink4a promoter. Our data provide, to our knowledge, the first genetic evidence for a role for Id1 as an inhibitor of cellular senescence and suggest that Id1 functions to delay cellular senescence through repression of p16/Ink4a. Because epigenetic and genetic abrogation of p16/Ink4a function has been implicated in the evolution of several human malignancies, we propose that transcriptional regulation of p16/Ink4a may also provide a mechanism for the dysregulation of normal cellular growth controls during the evolution of human malignancies.

Limited up-regulation of DNA methyltransferase in human colon cancer reflecting increased cell proliferation.

Epigenetic alterations in the genome of tumor cells have attracted considerable attention since the discovery of widespread alterations in DNA methylation of colorectal cancers over 10 years ago. However, the mechanism of these changes has remained obscure. el-Deiry and coworkers [el-Deiry, W. S., Nelkin, B. D., Celano, P., Yen, R. C., Falco, J. P., Hamilton, S. R. & Baylin, S. B. (1991) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88, 3470-3474], using a quantitative reverse transcription-PCR assay, reported 15-fold increased expression of DNA methyltransferase (MTase) in colon cancer, compared with matched normal colon mucosa, and a 200-fold increase in MTase mRNA levels compared with mucosa of unaffected patients. These authors suggested that increases in MTase mRNA levels play a direct pathogenetic role in colon carcinogenesis. To test this hypothesis, we developed a sensitive quantitative RNase protection assay of MTase, linear over three orders of magnitude. Using this assay on 12 colorectal carcinomas and matched normal mucosal specimens, we observed a 1.8- to 2.5-fold increase in MTase mRNA levels in colon carcinoma compared with levels in normal mucosa from the same patients. There was no significant difference between the normal mucosa of affected and unaffected patients. Furthermore, when the assay was normalized to histone H4 expression, a measure of S-phase-specific expression, the moderate increase in tumor MTase mRNA levels was no longer observed. These data are in contrast to the previously reported results, and they indicate that changes in MTase mRNA levels in colon cancer are nonspecific and compatible with other markers of cell proliferation.

Irreversibility of cellular aging and neoplastic transformation: a clonal analysis.

Prolonged incubation of NIH 3T3 cells under the growth constraint of confluence results in a persistent impairment of proliferation when the cells are subcultured at low density and a greatly increased probability of neoplastic transformation in assays for transformation. These properties, along with the large accumulation of age pigment bodies in the confluent cells, are cardinal cellular characteristics of aging in organisms and validate the system as a model of cellular aging. Two cultures labeled alpha and beta were obtained after prolonged confluence; both were dominated by cells that were both slowed in growth at low population density and enhanced in growth capacity at high density, a marker of neoplastic transformation. An experiment was designed to study the reversibility of these age-related properties by serial subculture at low density of the two uncloned cultures and their progeny clones derived from assuredly single cells. Both uncloned cultures had many transformed cells and a reduced growth rate on subculture. Serial subculture resulted in a gradual increase in growth rates of both populations, but a reversal of transformation only in the alpha population. The clones originating from both populations varied in the degree of growth impairment and neoplastic transformation. None of the alpha clones increased in growth rate on low density passage nor did the transformed clones among them revert to normal growth behavior. The fastest growing beta clone was originally slower than the control clone, but caught up to it after four weekly subcultures. The other beta clones retained their reduced growth rates. Four of the five beta clones, including the fastest grower, were transformed, and none reverted on subculture. We conclude that the apparent reversal of impaired growth and transformation in the uncloned parental alpha population resulted from the selective growth at low density of fast growing nontransformed clones. The reversal of impaired growth in the uncloned parental beta population was also the result of selective growth of fast growing clones, but in this case they were highly transformed so no apparent reversal of transformation occurred. The clonal results indicate that neither the impaired growth nor the neoplastic transformation found in aging cells is reversible. We discuss the possible contribution of epigenetic and genetic processes to these irreversible changes.

Cellular aging, destabilization, and cancer.

Three major characteristics of aging in animals are a slowdown of cell proliferation, an increase in residual bodies associated with age pigments, and a marked increase in the likelihood of neoplastic transformation. The 28 L subline of the NIH 3T3 line of mouse embryo fibroblasts exhibits all these characteristics when held at confluence for extended periods. The impairment of proliferation is the first behavioral characteristic detected in low density subcultures from the confluent cultures, and it persists through many cell generations of exponential multiplication. There is an equal degree of growth impairment among replicate cultures (lineages) recovered after each of 2 successive rounds of confluence, although heterogeneity appears after the third round. The growth impairment pervades the entire cell population of each lineage. The degree and duration of impairment increase with repeated rounds of confluence. A marked increase of residual bodies characteristic of age pigments occurs in the cytoplasm of all the cells kept under prolonged confluence. Neoplastic transformation first appears as foci of multilayered cells on a monolayered background of nontransformed cells. The transformed cells arise at different times in the lineages and originate from a very small fraction of the population. The transformed cells selectively overgrow the entire population in successive rounds of confluence leading to an increase in saturation density of each lineage at different times. Under cloning conditions, isolated colonies of transformed cells develop more slowly than colonies of nontransformed cells but eventually reach a higher population density. The regularity of persistent growth impairment among the lineages and the appearance of large numbers of residual bodies in all the cells of each population are more characteristic of an epigenetic process than of specific local mutations. although random chromosomal lesions cannot be ruled out. By contrast, the low frequency and stochastic character of neoplastic transformation are consistent with a conventional genetic origin. The advent in long-term confluent NIH 3T3 cultures of three cardinal characteristics of cellular aging in vivo recommends it as a model for aging cells.

Neoplastic development: paradoxical relation between impaired cell growth at low population density and excessive growth at high density.

The role of heritable, population-wide cell damage in neoplastic development was studied in the 28 L subline of NIH 3T3 cells. These cells differ from the 17(3c) subline used previously for such studies in their lower frequency of "spontaneous" transformation at high population density and their greater capacity to produce large, dense transformed foci. Three cultures of the 28 L subline of NIH 3T3 cells were held under the constraint of confluence for 5 wk (5 wk 1 degree assay) and then assayed twice in succession (2 degrees and 3 degrees assays) for transformed foci and saturation density. After the 2 degrees assay, the cells were also passaged at low density to determine their exponential growth rates and cloned to determine the size and morphological features of the colonies. Concurrent measurements were made in each case with control cells that had been kept only in frequent low-density passages and cells that had been kept at confluence for only 2 wk (2 wk 1 degree). Two of the three cultures transferred from the 2 degrees assay of the 5 wk 1 degree cultures produced light transformed foci, and the third produced dense foci. The light focus-forming cultures grew to twice the control saturation density in their 2 degrees assay and 6-8 times the control density in the 3 degrees assay; saturation densities for the dense focus formers were about 10 times the control values in both assays. All three of the cultures transferred from the 2 degrees assay of the 5 wk 1 degree cultures multiplied at lower rates than controls at low densities, but the dense focus formers multiplied faster than the light focus formers. The reduced rates of multiplication of the light focus formers persisted for > 50 generations of exponential multiplication at low densities. Isolated colonies formed from single cells of the light focus formers were of a lower population density than controls; colonies formed by the dense focus formers were slightly denser than the controls but occupied only half the area. A much higher proportion of the colonies from the 5 wk 1 degree cultures than the controls consisted of giant cells or mixtures of giant and normal-appearing cells. The results reinforce the previous conclusion that the early increases in saturation density and light focus formation are associated with, and perhaps caused by, heritable, population-wide damage to cells that is essentially epigenetic in nature. The more advanced transformation characterized by large increases in saturation density and dense focus formation could have originated from rare genetic changes, such as chromosome rearrangements, known to occur at an elevated frequency in cells destabilized by antecedent cellular damage.

Ruolo di Clusterina nella progressione del tumore prostatico

Clusterina (CLU) è una proteina ubiquitaria, presente nella maggior parte dei fluidi corporei e implicata in svariati processi fisiologici. Dalla sua scoperta fino ad oggi, CLU è risultata essere una proteina enigmatica, la cui funzione non è ancora stata compresa appieno. Il gene codifica per 3 varianti trascrizionali identificate nel database NCBI con i codici: NM_001831 (CLU 1 in questo lavoro di tesi), NR_038335 (CLU 2 in questo lavoro di tesi) e NR_045494 (CLU 3 in questo lavoro di tesi). Tutte le varianti sono trascritte come pre-mRNA contenenti 9 esoni e 8 introni e si differenziano per l’esone 1, la cui sequenza è unica e caratteristica di ogni variante. Sebbene in NCBI sia annotato che le varianti CLU 2 e CLU 3 non sono codificanti, tramite analisi bioinformatica è stato predetto che da tutti e tre i trascritti possono generarsi proteine di differente lunghezza e localizzazione cellulare. Tra tutte le forme proteiche ipotizzate, l’unica a essere stata isolata e sequenziata è quella tradotta dall’AUG presente sull’esone 2 che dà origine a una proteina di 449 aminoacidi. Il processo di maturazione prevede la formazione di un precursore citoplasmatico (psCLU) che subisce modificazioni post-traduzionali tra cui formazione di ponti disolfuro, glicosilazioni, taglio in due catene denominate β e α prima di essere secreta come eterodimero βα (sCLU) nell’ambiente extracellulare, dove esercita la sua funzione di chaperone ATP-indipendente. Oltre alla forma extracellulare, è possibile osservare una forma intracellulare con localizzazione citosolica la cui funzione non è stata ancora completamente chiarita. Questo lavoro di tesi si è prefissato lo scopo di incrementare le conoscenze in merito ai trascritti CLU 1 e CLU 2 e alla loro regolazione, oltre ad approfondire il ruolo della forma citosolica della proteina in relazione al signaling di NF-kB che svolge un ruolo importante nel processo di sviluppo e metastatizzazione del tumore. Nella prima parte, uno screening di differenti linee cellulari, quali cellule epiteliali di prostata e di mammella, sia normali sia tumorali, fibroblasti di origine polmonare e linfociti di tumore non-Hodgkin, ha permesso di caratterizzare i trascritti CLU 1 e CLU 2. Dall’analisi è emerso che la sequenza di CLU 1 è più corta al 5’ rispetto a quella depositata in NCBI con l’identificativo NM_001831 e il primo AUG disponibile per l’inizio della traduzione è localizzato sull’esone 2. È stato dimostrato che CLU 2, al contrario di quanto riportato in NCBI, è tradotto in proteina a partire dall’AUG presente sull’esone 2, allo stesso modo in cui viene tradotto CLU 1. Inoltre, è stato osservato che i livelli d’espressione dei trascritti variano notevolmente tra le diverse linee cellulari e nelle cellule epiteliali CLU 2 è espressa sempre a bassi livelli. In queste cellule, l’espressione di CLU 2 è silenziata per via epigenetica e la somministrazione di farmaci capaci di rendere la cromatina più accessibile, quali tricostatina A e 5-aza-2’-deossicitidina, è in grado di incrementarne l’espressione. Nella seconda parte, un’analisi bioinformatica seguita da saggi di attività in vitro in cellule epiteliali prostatiche trattate con farmaci epigenetici, hanno permesso di identificare, per la prima volta in uomo, una seconda regione regolatrice denominata P2, capace di controllare l’espressione di CLU 2. Rispetto a P1, il classico promotore di CLU già ampiamente studiato da altri gruppi di ricerca, P2 è un promotore debole, privo di TATA box, che nelle cellule epiteliali prostatiche è silente in condizioni basali e la cui attività incrementa in seguito alla somministrazione di farmaci epigenetici capaci di alterare le modificazioni post-traduzionali delle code istoniche nell’intorno di P2. Ne consegue un rilassamento della cromatina e un successivo aumento di trascrizione di CLU 2. La presenza di un’isola CpG differentemente metilata nell’intorno di P1 spiegherebbe, almeno in parte, i differenti livelli di espressione di CLU che si osservano tra le diverse linee cellulari. Nella terza parte, l’analisi del pathway di NF-kB in un modello sperimentale di tumore prostatico in cui CLU è stata silenziata o sovraespressa, ha permesso di capire come la forma citosolica di CLU abbia un ruolo inibitorio nei confronti dell’attività del fattore trascrizionale NF-kB. CLU inibisce la fosforilazione e l’attivazione di p65, il membro più rappresentativo della famiglia NF-kB, con conseguente riduzione della trascrizione di alcuni geni da esso regolati e coinvolti nel rimodellamento della matrice extracellulare, quali l’urochinasi attivatrice del plasminogeno, la catepsina B e la metallo proteinasi 9. È stato dimostrato che tale inibizione non è dovuta a un’interazione fisica diretta tra CLU e p65, per cui si suppone che CLU interagisca con uno dei componenti più a monte della via di segnalazione responsabile della fosforilazione ed attivazione di p65.

Investigação de mecanismos genéticos e epigenéticos em distúrbios do crescimento humano

Parcela considerável de pacientes com distúrbios de crescimento não têm a causa de seus quadros clínicos estabelecida, incluindo aproximadamente 50% dos pacientes com diagnóstico clínico de síndrome de Silver−Russell (SRS) e 10-20% dos pacientes com síndrome de Beckwith-Wiedemann (BWS). O objetivo deste estudo foi investigar as causas genéticas e epigenéticas de distúrbios de crescimento, de etiologia desconhecida, numa contribuição para o entendimento de mecanismos que regulam o crescimento. O estudo compreendeu: (1) a investigação de microdesequilíbrios cromossômicos, por aCGH; (2) a análise do perfil de expressão alelo-específica de genes sujeitos a imprinting (IG), por pirossequenciamento (PSQ) ou sequenciamento de Sanger; (3) a investigação do padrão de metilação global em pacientes com restrição de crescimento, utilizando microarray de metilação. A casuística constituiu-se de 41 pacientes não aparentados, com distúrbios de crescimento, de etiologia desconhecida: (1) 25, com hipótese diagnóstica de SRS; (2) seis, com restrição de crescimento intrauterino e peso ao nascimento abaixo do 10º percentil, associados a outros sinais clínicos; (3) sete, com hipótese diagnóstica de BWS; e (4) três, com macrossomia pré-natal ou pós-natal, associada a outros sinais. A investigação de microdesequilíbrios cromossômicos foi realizada em 40 pacientes. Foram detectadas 58 variantes raras em 30/40 pacientes (75%): 40 foram consideradas provavelmente benignas (18 pacientes, 45%), 12, com efeito patogênico desconhecido (11 pacientes, 27,5%), duas, provavelmente patogênicas (um paciente, 2,5%) e quatro, patogênicas (três pacientes, 7,5%). Essas frequências são comparáveis àquelas descritas em estudos que investigaram CNV em grupos de pacientes com distúrbios de crescimento e outras alterações congênitas, incluindo SRS, e mostram a importância da investigação de microdesequilíbrios cromossômicos nesses pacientes. A diversidade dos microdesequilíbrios cromossômicos identificados é reflexo da heterogeneidade clínica das casuísticas. Neste estudo, muitos dos pacientes com hipótese diagnóstica de SRS e BWS apresentavam sinais clínicos atípicos, explicando a ausência neles das alterações (epi)genéticas que causam essas síndromes. A identificação de CNV características de outras síndromes reflete a sobreposição de sinais clínicos com BWS e SRS. A análise do perfil de expressão alelo-específica de IG foi realizada em um subgrupo de 18 pacientes com restrição de crescimento. Trinta IG com função em proliferação celular, crescimento fetal ou neurodesenvolvimento foram inicialmente selecionados. Após seleção de SNP transcritos com alta frequência na população, genotipagem de pacientes, genitores e indivíduos controle, determinação da expressão dos IG em sangue periférico e seu padrão de expressão (mono ou bialélico), 13 IG, expressos no sangue, tiveram a expressão alelo-específica avaliada, sete deles por PSQ e seis por sequenciamento de Sanger. Alterações no perfil de expressão de dois genes, de expressão normalmente paterna, foram detectadas em 4/18 pacientes (22%). Este estudo é o primeiro a utilizar pirossequenciamento e sequenciamento de Sanger na avaliação do perfil de expressão alelo-específica de IG, em pacientes com restrição de crescimento. Apesar de terem limitações, ambas as técnicas mostraram-se robustas e revelaram alterações de expressão alélica interessantes; entretanto, a relação dessas alterações com o quadro clínico dos pacientes permanece por esclarecer. A investigação da metilação global do DNA foi realizada em subgrupo de 21 pacientes com restrição de crescimento e em 24 indivíduos controle. Dois tipos de análise foram realizados: (1) análise diferencial de grupo e (2) análise diferencial individual. Na primeira análise, em que foi comparado o padrão de metilação do grupo de pacientes com quadro clínico sugestivo de SRS (n=16) com o do grupo controle (n=24), não houve indicação de hipo ou hipermetilação global no grupo SRS. Na segunda análise, foi comparado o padrão de metilação de cada um dos 21 pacientes com restrição de crescimento e dos 24 indivíduos controle, com o padrão de metilação do grupo controle. O número médio de CpG hipermetilados e de segmentos diferencialmente metilados (SDM) foi significativamente maior nos pacientes. Foram identificados 82 SDM hipermetilados, estando 57 associados a gene(s) (69,5%), em 16 pacientes, e 51 SDM hipometilados, 41 deles associados a gene(s) (80,4%), em 10 pacientes. A análise de ontologia genética dos 61 genes associados aos SDM hipo ou hipermetilados nos pacientes destacou genes que atuam no desenvolvimento e na morfogênese do sistema esquelético e de órgãos fetais, e na regulação da transcrição gênica e de processos metabólicos. Alterações de metilação em genes que atuam em processos de proliferação e diferenciação celulares e crescimento foram identificadas em 9/20 dos pacientes (45%), sugerindo implicação clínica. Não foi detectada alteração epigenética comum aos pacientes com diagnóstico clínico de SRS, explicável provavelmente pela heterogeneidade clínica. A investigação de metilação global, utilizando microarray, produziu novos dados que podem contribuir para a compreensão de mecanismos moleculares que influenciam o crescimento pré- e pós-natal. Na translocação aparentemente equilibrada - t(5;6)(q35.2;p22.3)dn, detectada em paciente com suspeita clínica de SRS, a interrupção de um gene, pela quebra no cromossomo 6, pode ser a causa do quadro clínico; alternativamente, a translocação pode ter impactado a regulação de genes de desenvolvimento localizados próximos aos pontos de quebra. A análise de expressão em sangue periférico mostrou que os níveis de cDNA do gene, interrompido pelo ponto de quebra da translocação, estavam reduzidos à metade. Além de sinais típicos da SRS, a paciente apresentava algumas características clínicas sugestivas de displasia cleidocraniana. Assim, a translocação t(5;6) pode ter alterado a interação de genes de desenvolvimento e seus elementos reguladores, levando à desregulação de sua expressão espaço-temporal, e resultando num fenótipo atípico, com características sobrepostas de mais de uma síndrome genética

Influência da deficiência ou suplementação com selênio durante o período gestacional de ratas na suscetibilidade da progênie feminina à carcinogênese mamária

Fatores dietéticos como o selênio (Se) são apontados como importantes moduladores do risco de desenvolvimento do câncer de mama. Essa neoplasia pode apresentar sua origem no início do desenvolvimento e, assim, a alimentação materna poderia ter importantes repercussões na programação fetal da doença. A fim de verificar se diferentes concentração de selênio na dieta materna poderiam programar o risco da progênie feminina ao câncer de mama, ratas foram alimentadas com ração contendo 0,15 (CO), 1,0 (SUP) ou 0,05 (DEF) ppm de Se durante a gestação e sua progênie feminina iniciada com DMBA. A progênie do grupo SUP apresentou menor suscetibilidade à carcinogênese, indicado pelo menor número médio e multiplicidade de adenocarcinomas mamários (p< 0,05), enquanto a do grupo DEF apresentou maior suscetibilidade à carcinogênese, indicado pela maior incidência dos mesmos (p< 0,05). Mães do grupo DEF apresentaram menor concentração de Se no sangue (p< 0,05) e sua prole apresentou menor atividade da enzima GPx1 (p< 0,05). Além disso, observou-se na glândula mamária da progênie de 50 dias menor expressão (western blot e qPCR) de ERα, Her-2, EGFR e Ras no grupo SUP em comparação aos grupos CO e DEF (p< 0,05). Analisou-se, ainda, o padrão de metilação global do DNA (HPLC-DAD), expressão das enzimas DNMT1, 3a e 3b (qPCR), o padrão global de modificações pós traducionais em histonas (western blot) e o padrão de metilação da região promotora do gene Erα (modificação com bissulfito e pirossequenciamento) na glândula mamária da progênie de 50 dias. Não houve diferença no padrão de metilação global do DNA e expressão das enzimas DNMTs (p>0,05). Houve aumento na expressão de H4K16 acetilada nos grupos SUP e DEF (p< 0,05). Finalmente, em comparação a progênie do grupo DEF, a do grupo SUP apresentou região promotora de Erα com aumento marginal (p=0,07) na metilação de dois dinucleotídeos CpG. Conclui-se que o consumo de diferentes concentrações de Se na dieta materna tem impacto sobre a suscetibilidade da progênie ao câncer de mama na vida adulta através da modulação da expressão de receptores e oncogenes relacionados ao desenvolvimeto dessa neoplasia, além da influência em processos epigenéticos. Tais resultados apontam para a existência de uma \"janela de programação\" no início do desenvolvimento sensível a ação do Se, resultando em diminuição do risco de câncer de mama quando suplementado na dieta materna e o inverso quando de sua deficiencia.

Controle epigenético do gene imprinted SNRPN durante o desenvolvimento e reprogramação nuclear em equídeos

A tranferência nuclear de células somáticas (TNCS) está sendo utilizada para produzir cavalos de elite. No entanto, durante este procedimento pode ocorrer a perfuração da zona pelúcida, levando, ocasionalmente, à secção da massa celular interna, e conseqüente derivação de gêmeos monozigóticos. Além de serem relatadas alterações no processo de imprinting genômico, que conduzem ao desenvolvimento de doenças. Com a descoberta da possibilidade de reprogramar as células somáticas a um estado de pluripotência (iPSCs), estas células passaram a ser muito utilizadas em pesquisas de neurociência. Contudo, também ocorrem modificações epigenéticas durante esta reprogramação celular. Portanto, nossas hipóteses são que os gêmeos eqüinos gerados pela TNCS podem levar às irregularidades no desenvolvimento do sistema nervoso. O padrão de metilação do SNRPN nas estruturas dos fetos muares clonados, e as células iPSCs são diferentes dos padrões encontrados nos muares analisados. A expressão dos genes SNRPN, Necdin e UBE3A são maiores no cérebro, enquanto a expressão do H19 é maior nas membranas extra-embrionárias. Em nosso estudo, obtivemos duas gestações gemelares equinas derivadas da TNCS, que foram interrompidas com 40 e 60 dias de gestação, e comparados com gestações eqüinas únicas de idade similar. Diferenças no comprimento entre os embriões gêmeos foram observadas aos 40 (2.0 e 2.2 cm 10%) e aos 60 (6,5 e 8,5 cm 24%) dias de gestação. Somente o plexo coróide do quarto ventrículo apresentou-se mais desenvolvido nos fetos com maior comprimento. Ao analisarmos fetos muares clonados em diferentes idades gestacionais e compará-los com muares, nos períodos embrionário, fetal e adulto, não foi observada diferença no padrão de metilação do gene SNRPN. No entanto, na décima passagem das células iPSC o padrão de metilação alterou, em relação aos muares estudados e ao padrão observado nos fibroblastos. Ao analisarmos os fetos clonados nas diferentes idades gestacionais observou-se no cérebro menor expressão dos gene H19 e UBE3A, e maior expressão do gene SNRPN. Contudo, a expressão do gene Necdin variou entre as estruturas estudadas. Em conclusão, apesar dos gêmeos eqüinos provenientes de TNCS diferirem quanto ao tamanho, morfologicamente são iguais. Dentre as estruturas cerebrais o plexo coróide se apresentou mais desenvolvido nos fetos de maior comprimento. Os fetos muares clonados não apresentaram diferença no padrão de metilação do gene SNRPN. No entanto, as iPSCs apresentaram alteração no padrão de metilação deste gene na décima passagem. Embora os genes SNRPN, Necdin e UBE3A sejam expressos no cérebro, o SNRPN apresentou-se prevalente nessa estrutura

¿Las plantas pueden revertir su sexo?

The sex determination is an event of great relevance in the life cycle of those plants that reproduce sexually. In recent years we have obtained substantial advances in elucidating the mechanisms involved, and in particular the role of epigenetic factors, in plant sex determination. Taking into account the relevance of this topic especially for dioecious species threatened as Cycads studies have been underwent to determine the basis of epigenetics of sex and to test whether compounds such as the de-metilating agent 5-azacytidine may be involved in sexual expression. This paper reviews the main progress made within this context obtained in Z. furfuraceae as well as cases of reversal of sex in cycads and different plant species.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Le rôle de la méthylation de l’ADN dans les fonctions cérébrales fronto-limbiques et la réactivité au stress quotidien

La sérotonine (5-HT) joue un rôle crucial dans l'étiologie des troubles mentaux comme la dépression majeure, les troubles de comportement et les troubles anxieux. Des études ont montré que des altérations précoces du système 5-HT peuvent potentiellement influencer le développement du cerveau et le fonctionnement du système fronto-limbique, engendrant des conséquences pour la régulation émotionnelle. Il existe aussi des évidences que le stress précoce peut affecter la méthylation de l'ADN résultant d'une altération de l'expression génique. Toutefois, le lien entre la méthylation de l'ADN et la réactivité comportementale à des facteurs de stress de la vie quotidienne est inconnu. La méthylation du gène transporteur 5-HT (SLC6A4) est d'un intérêt particulier, étant donné le rôle de SLC6A4 dans le développement du cerveau, les troubles mentaux et la régulation du stress. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'association entre (1) les niveaux périphériques de méthylation de l'ADN dans le gène SLC6A4 et les réponses neurales aux stimuli émotionnels dans les circuits fronto-limbiques du cerveau, ainsi qu’entre (2) la méthylation périphérique de SLC6A4 et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne. Nous explorons également l'association entre les réponses neuronales fronto-limbique à des stimuli émotionnels et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne (3). À cette fin, vingt-deux personnes (11 femmes) d’âge moyen de 34,0 ans (SD : 1,5) avec différents niveaux de méthylation au gène SLC6A4 ont été recrutés à partir de deux études longitudinales. Les participants ont subi une analyse IRMf qui comprenait une tâche de traitement émotionnel. Un questionnaire en ligne sur la réactivité au stress quotidien de la vie a été réalisé pendant 5 jours consécutifs. Des analyses corrélationnelles et de régression ont été effectuées pour examiner les associations entre les variables primaires. Les résultats préliminaires de cette étude ont montré que la méthylation de l'ADN est associée à la désactivation significative du gyrus précentral et gyrus fusiforme respectivement face à des stimuli de peur et de tristesse. Aucune association significative n'a été observée entre les niveaux de méthylation et l'activation de l'amygdale. En outre, les scores obtenus aux variables de stress de la vie quotidienne tels que la détresse chronique ont été associées à la désactivation du précuneus et du cortex cingulaire postérieur face à la tristesse. Ces résultats suggèrent l'implication potentielle des processus épigénétiques dans l'activation cérébrale spécifique et la sensibilité au stress de la vie courante.

Expression at the Imprinted Dlk1-Gtl2 Locus Is Regulated by Proneural Genes in the Developing Telencephalon

Imprinting is an epigenetic mechanism that restrains the expression of about 100 genes to one allele depending on its parental origin. Several imprinted genes are implicated in neurodevelopmental brain disorders, such as autism, Angelman, and Prader-Willi syndromes. However, how expression of these imprinted genes is regulated during neural development is poorly understood. Here, using single and double KO animals for the transcription factors Neurogenin2 (Ngn2) and Achaete-scute homolog 1 (Ascl1), we found that the expression of a specific subset of imprinted genes is controlled by these proneural genes. Using in situ hybridization and quantitative PCR, we determined that five imprinted transcripts situated at the Dlk1-Gtl2 locus (Dlk1, Gtl2, Mirg, Rian, Rtl1) are upregulated in the dorsal telencephalon of Ngn2 KO mice. This suggests that Ngn2 influences the expression of the entire Dlk1-Gtl2 locus, independently of the parental origin of the transcripts. Interestingly 14 other imprinted genes situated at other imprinted loci were not affected by the loss of Ngn2. Finally, using Ngn2/Ascl1 double KO mice, we show that the upregulation of genes at the Dlk1-Gtl2 locus in Ngn2 KO animals requires a functional copy of Ascl1. Our data suggest a complex interplay between proneural genes in the developing forebrain that control the level of expression at the imprinted Dlk1-Gtl2 locus (but not of other imprinted genes). This raises the possibility that the transcripts of this selective locus participate in the biological effects of proneural genes in the developing telencephalon.