The epigenome as a therapeutic target for Parkinson's disease

Parkinson’s disease (PD) is a common, progressive neurodegenerative disease characterised by degeneration of nigrostriatal dopaminergic neurons, aggregation of α-synuclein and motor symptoms. Current dopamine-replacement strategies provide symptomatic relief, however their effectiveness wear off over time and their prolonged use leads to disabling side-effects in PD patients. There is therefore a critical need to develop new drugs and drug targets to protect dopaminergic neurons and their axons from degeneration in PD. Over recent years, there has been robust evidence generated showing that epigenetic dysregulation occurs in PD patients, and that epigenetic modulation is a promising therapeutic approach for PD. This article first discusses the present evidence implicating global, and dopaminergic neuron-specific, alterations in the methylome in PD, and the therapeutic potential of pharmacologically targeting the methylome. It then focuses on another mechanism of epigenetic regulation, histone acetylation, and describes how the histone acetyltransferase (HAT) and histone deacetylase (HDAC) enzymes that mediate this process are attractive therapeutic targets for PD. It discusses the use of activators and/or inhibitors of HDACs and HATs in models of PD, and how these approaches for the selective modulation of histone acetylation elicit neuroprotective effects. Finally, it outlines the potential of employing small molecule epigenetic modulators as neuroprotective therapies for PD, and the future research that will be required to determine and realise this therapeutic potential.

The Trier Social Stress Test: principles and practice

Researchers interested in the neurobiology of the acute stress response in humans require a valid and reliable acute stressor that can be used under experimental conditions. The Trier Social Stress Test (TSST) provides such a testing platform. It induces stress by requiring participants to make an interview-style presentation, followed by a surprise mental arithmetic test, in front of an interview panel who do not provide feedback or encouragement. In this review, we outline the methodology of the TSST, and discuss key findings under conditions of health and stress-related disorder. The TSST has unveiled differences in males and females, as well as different age groups, in their neurobiological response to acute stress. The TSST has also deepened our understanding of how genotype may moderate the cognitive neurobiology of acute stress, and exciting new inroads have been made in understanding epigenetic contributions to the biological regulation of the acute stress response using the TSST. A number of innovative adaptations have been developed which allow for the TSST to be used in group settings, with children, in combination with brain imaging, and with virtual committees. Future applications may incorporate the emerging links between the gut microbiome and the stress response. Future research should also maximise use of behavioural data generated by the TSST. Alternative acute stress paradigms may have utility over the TSST in certain situations, such as those that require repeat testing. Nonetheless, we expect that the TSST remains the gold standard for examining the cognitive neurobiology of acute stress in humans.

Mechanisms of force-mediated regulation of transcription, chromatin remodeling and cell fate decisions

Tissue mechanics and cellular interactions influence every single cell in our bodies to drive morphogenesis. However, little is known about mechanisms by which cells sense physical forces and transduce them from the cytoskeleton to the nucleus to control gene expression and stem cell fate. We have identified a novel nuclear-mechanosensor complex, consisting of the nuclear membrane protein emerin (Emd), actin and non-muscle myosin IIA (NMIIA), that regulates transcription, chromatin remodeling and lineage commitment. Force-induced enrichment of Emd at the outer nuclear membrane leads to a compensation between H3K9me2,3 and H3K27me3 on constitutive heterochromatin. This strain-induced epigenetic switch is accompanied by the global rearrangement of chromatin. In parallel, forces promote local F-actin polymerization at the outer nuclear membrane, which limits the availability of nuclear G-actin. Subsequently, the reduction of nuclear G-actin results in attenuated global transcription and therefore increased H3K27me3 occupancy to reinforce gene silencing. Restoring nuclear actin levels in the presence of mechanical strain counteracts PRC2-mediated silencing of transcribed genes. This mechanosensory circuit is also observed in vivo. Depletion of NMIIA in mouse epidermis leads to decreased H3K27me3 levels and precocious lineage commitment, thus abrogating organ growth and patterning. Our results reveal how mechanical signals regulate nuclear architecture, chromatin organization and transcription to control cell fate decisions.

What are we missing about marine invasions? Filling in the gaps with evolutionary genomics

Research on invasion biology has been largely dominated by studies on the ecological effects of invasion events, although recently, evolutionary processes have been shown to be important to invasion success. This is largely attributed to novel genomic tools that provide new opportunities to unravel the natural history, taxonomy, and invasion pathways of invasive species, as well as the genetic basis of adaptive traits that allow them to expand within and beyond their native range. Despite these advances and the growing literature of genomic research on terrestrial pests, these tools have not been widely applied to marine invasive species. This is in part due to the perception that high levels of dispersal and connectivity in many invasive marine species can limit the opportunity for local adaptation. However, there is growing evidence that even in species with high dispersal potential, significant site-specific adaptation can occur. We review how these “omic” tools provide unprecedented opportunities to characterise the role of adaptive variation, physiological tolerance, and epigenetic processes in determining the success of marine invaders. Yet, rapid range expansion in invasions can confound the analysis of genomic data, so we also review how data should be properly analysed and carefully interpreted under such circumstances. Although there are a limited number of studies pioneering this research in marine systems, this review highlights how future studies can be designed to integrate ecological and evolutionary information. Such datasets will be imperative for the effective management of marine pests.

Alterations of the epigenome in brain cancer: loss of 5-hydroxymethylcytosine

Abstract : 5-Methylcytosine is an epigenetic mark, which can be oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in DNA by ten-eleven translocation (TET) oxygenases. It is an initial step in the demethylation of 5mC. Levels of 5hmC is relatively high in the brain compared to other organs, but these levels are known to be significantly reduced during the development of a brain tumor, especially in glioblastoma multiforme (GBM). However, no known mechanisms may fully explain this abnormality. The objectives of my project were to (1) understand the implications of the demethylation pathway mediated by TET, and (2) gain a deeper insight in the epigenetic make-up of brain tumors. (1) U87 cells were incubated with 5mC, 5hmC, 5-formylcytosine (5fC) or co-incubated of 5hmC with 3,4,5,6-tetrahydro-2’-deoxyuridine (dTHU) over a timeline of 0, 24, 48 and 96 hours. (2) 130 brain tumors (GBM= 79; grade II/III= 51) were obtained directly from surgery and immediately suspended in DNA extraction buffer. Both cell samples and tumor tissues underwent DNA extraction and DNA digestion protocols. The percent per cytosine (%/C) was obtained by quantification of 5mC, 5hmC, 5fC, 5-hydroxymethyluracil (5hmU) and 5formyluracil (5fU) using LC-MS/MS. (1) Cellular incubations showed that it is possible to increase levels of 5hmC in DNA, but also a slight increase in 5mC levels throughout the experiment. 5HmC levels dramatically increased by 1.9-fold after 96h. On the other hand, no increase was observed in 5fC levels. Both 5hmC and 5fC incubations were accompanied by high increases in 5hmU and 5fU levels respectively. The addition of dTHU to the 5hmC incubation decreased 5hmU incorporation by 65%. (2) The average levels of 5mC, 5hmC and 5fC, in brain tumors, were 4.0, 0.15 and 0.021 %/C respectively. 5HmU and 5fU levels were present at comparable levels of 5hmC and 5fC. Levels of 5hmC, 5hmU and 5fU were significantly lower in the DNA of GBM specimens. There was a strong correlation between 5mC with 5hmC and 5fC in GBM, but this was absent in low grade tumors. The presence of 5hmU and 5fU in brain tumor and the increase in their levels during cell incubations indicate a deamination activity in these cancerous cells, which may impinge on the cellular levels of 5hmC, in particular. Furthermore, upon the incubations with 5hmC, downstream levels of 5fC did not increase suggesting a TET malfunction. TET activity is maintained in GBMs, but impaired in low grade tumors due to isocitrate dehydrogenase-1 (IDH1) mutations. Therefore, in brain tumors, a strong deamination activity and TET impairment may lead to epigenetic reduction of 5hmC.

Influence de l’hypoxie dans la régulation du pH et les conséquences dans la progression tumorale et la résistance à la chimiothérapie

Résumé : La formation de métastases s’inscrit comme la finalité d’un processus darwinien dans lequel les cellules tumorales subissent des altérations génétiques et épigénétiques dans l’unique but de préserver un avantage prolifératif. L’environnement hypoxique, caractéristique des tumeurs solides, se révèle comme une pression de sélection et un facteur déterminant dans la progression tumorale. Face à l’hypoxie, une des adaptations majeures des cellules tumorales est le déséquilibre du pH cellulaire qui mène à la formation de métastases et à la résistance à la chimiothérapie. Cette thèse met en lumière de nouveaux liens moléculaires entre l’hypoxie et la régulation du pH dans des contextes d’invasion cellulaire et de chimiorésistance. Les échangeurs d’ions NHE1 et NHE6 sont au cœur de ces études où de nouveaux rôles dans la progression du cancer leur ont été attribués. Premièrement, nous avons observé l’influence de l’hypoxie sur la régulation de NHE1 par p90RSK et les conséquences fonctionnelles de cette interaction dans l’invasion cellulaire par les invadopodes. En conditions hypoxiques, NHE1 est activé par p90RSK résultant en une acidification extracellulaire. En modifiant le pH, NHE1 stimule la formation des invadopodes et la dégradation de la matrice extracellulaire. Ainsi, la phosphorylation de NHE1 par p90RSK en hypoxie apparaît comme un biomarqueur potentiel des cancers métastatiques. Peu étudié, le pH endosomal peut intervenir dans la chimiorésistance mais les mécanismes sont inconnus. Nous avons développé une méthode pour mesurer précisément le pH endosomal par microscopie. Ceci a permis d’illuminer un nouveau mécanisme de résistance induit par l’hypoxie et mettant en vedette l’échangeur NHE6. L’hypoxie favorise l’interaction de NHE6 avec RACK1 à la membrane plasmique empêchant la localisation endosomale de l’échangeur. Cette interaction mène à la séquestration de la doxorubicine dans des endosomes sur-acidifiés. Ces travaux mettent en évidence pour la première fois le rôle du pH endosomal et l’échangeur NHE6 comme des éléments centraux de la chimiorésistance induite par l’hypoxie. Cette thèse renforce donc l’idée voulant que les interactions entre les cellules tumorales et le microenvironnement hypoxique sont le « talon d’Achille » du cancer et la régulation du pH cellulaire est primordiale dans l’adaptation des cellules à l’hypoxie et l’instauration du phénotype malin du cancer. La découverte de nouveaux rôles pro-tumoraux pour NHE1 et NHE6 les placent à l’avant-plan pour le développement de stratégies thérapeutiques orientées contre la formation de métastases et la chimiorésistance.

Characterization of the cis‐regulatory regions governing ojoplano locus

Ojoplano (opo) is a vertebrate-specific gene that was first identified in medaka fish as a recessive mutant, showing both neural crest defects and a failure of optic cup folding. In humans, this gene is associated with genetic diseases including hereditary craniofacial malformations and schizophrenia. It is localized in a 2Mb gene desert flanked by insulator sequences, between the genes SLC35B and TFAp2a. This region, syntenic between all vertebrates, represents only 2% of chromosome 6. However, it includes 23% of the all conserved cis-regulatory elements in this chromosome. Using transgenesis assays in zebrafish, we screened the enhancer activity of this locus and obtain a collection of nine enhancers. These regulatory elements were all conserved from human to teleosts and showed epigenetic marks for enhancer activity. We could associate multiple enhancers with ororfacial celfting disease and in order to explore the functionality of the enhancers, we performed a bioinformatics analysis to search for transcription factor bindings in the enhancer sequences. In terms of gene regulation we observe that H6:10137 opo enhancer has two Vsx2 binding sites and that this transcription factor regulates the expression of opo during eye development. Our findings suggest that the regulation of Vsx2 over opo is essential for optic cup folding. So far, there is no clear connection between optic cup patterning and morphogenesis. Vsx2 provides this link by controlling the expression of opo.

Lymphotoxin-beta receptor and RANK signaling in TEL-JAK2-induced T-cell leukemia

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Revisión sistemática utilidad de asa y calcio con o sin vitamina d en la prevención de cáncer colorrectal y la recurrencia de pólipos adenomatosos en paciente con riesgo de padecer esta patología

Introducción: El cáncer colorrectal es una patología con alto impacto en la salud pública, debido a su prevalencia, incidencia, severidad, costo e impacto en la salud mental y física del individuo y la familia. Ensayos clínicos realizados en pacientes con antecedente de infarto al miocardio que consumían ácido acetil salicílico (asa), calcio con y sin vitamina D, mostraron asociación entre el consumo de estos medicamentos y disminución en la incidencia en cáncer colorrectal y pólipos adenomatosos. Objetivo: Evaluar la literatura sobre el uso de asa, calcio con y sin vitamina D con relación a su impacto en la prevención del cáncer colorrectal y pólipos adenomatosos. Métodos: Se realizó revisión sistemática buscando ensayos clínicos realizados en pacientes con factores de riesgo para cáncer colorrectal y pólipos adenomatosos que usaron asa, calcio con y sin vitamina D fueron incluidos. Resultados: se escogieron 105 para la revisión sistemática. Conclusiones: Es necesario desarrollar más estudios que lleven a evaluar el efecto protector de la aspirina, calcio y vitamina D. En los artículos revisados la aspirina a dosis de 81 a 325 mg día se correlaciona con reducción de riesgo de aparición de CRC aunque la dosis ideal, el tiempo de inicio y la duración de la ingesta continua no son claros. Hacen falta estudios que comparen poblaciones con ingesta de asa a diferentes dosis.

Análisis de los cambios epigenéticos en la metilación del DNA inducidos por la diabetes y sus posibles mecanismos

Los cambios epigenéticos son responsables de la aparición de muchas patologías humanas y sus causas son debido a factores ambientales como genéticos. Se ha descrito en enfermedades crónicas como la Diabetes Mellitus tipo 2 (T2DM) que se caracteriza por los estados de hiperglucemia y el incremento en el estrés oxidativo que conlleva a complicaciones micro y macro vasculares, asociado a una desmetilación global del genoma. Nuestra hipótesis corresponde a que los órganos diana son afectados por las alteraciones como la metilación e hidroximetilación como consecuencia del estrés oxidativo que luego repercuten en la persistencia de la enfermedad. Métodos: A partir de sangre periférica se analizaron los cambios globales en la metilación del DNA que son afectados por el estado metabólico de 60 individuos (40 pacientes, 20 controles sanos). Por técnicas de cuantificación se compararon los resultados obtenidos con los de la expresión de las enzimas involucradas. Por último, se realizó un estudio de microarreglos de metilación del DNA y de expresión obtenidos de la base de datos GEO para así comparar los resultados con nuestros datos experimentales. Resultados: Los pacientes diabéticos con pobre control metabólico presentaron mayores niveles de metilación que el grupo control y no se encontró alteración en las enzimas involucradas en este proceso. Los resultados fueron concordantes con el estudio de microarreglos. Conclusión: Los estudios experimentales y de microarreglos demostraron que la metilación es tejido específico y que existe una mayor oxidación en pacientes. Por ello proponemos una vía alterna de desmetilación no enzimática, basada en la oxidación directa de los grupos metilos generados por los estados oxidativos característicos de esta enfermedad.

Caracterización paraclínica de trabajadores con patologías respiratorias de un centro de referencia neumológico, Bucaramanga, 2014-2016

Introducción: La enfermedad respiratoria ocupacional es causada por la exposición a diferentes agentes en el trabajo. Las pruebas objetivas realizadas en sospecha de enfermedad respiratoria de origen laboral, son importantes herramientas que permiten realizar un adecuado diagnóstico, una detección precoz de la enfermedad respiratoria ocupacional, disminuye el progreso rápido de la patología, la morbilidad de los trabajadores y el impacto negativo sobre su futuro laboral. Objetivo: Caracterizar las pruebas paraclínicas de las patologías respiratorias de trabajadores, en un centro de referencia neumológico de Bucaramanga año 2014-2016. Materiales y métodos: Se realizó un estudio descriptivo retrospectivo con datos secundarios de 96 trabajadores que laboran en diferentes actividades económicas. Se incluyeron variables sociodemográficas, laborales, ayudas imagenológicas y pruebas de función pulmonar, realizando 3 grupos de acuerdo a su patología que fueron: Asma, síndrome de disfunción reactiva de la vía aérea y neumoconiosis. En el análisis estadístico se emplearon medidas de tendencia central y dispersión. Resultados: De los 96 trabajadores 84.4% son hombres, las actividades económicas más frecuentes fueron la industria del petróleo y gas en un 27.1% y trabajadores en materiales de construcción en un 19.8%. En la caracterización paraclínica por grupo de patología, para asma predominó la obstrucción en la espirometría (46.9%) y los volúmenes pulmonares con atrapamiento aéreo (95.5%), en RADS (síndrome de disfunción de vías aéreas reactivas) los volúmenes pulmonares con atrapamiento aéreo (77%) y en las neumoconiosis para Rx de tórax (90.3%) y Tac de tórax (100%) reportaron alteraciones parenquimatosas, espirometría con obstrucción (54.8%) y volúmenes pulmonares con atrapamiento aéreo (62.5 %).Discusión y Conclusiones: Las ocupaciones de mayor riesgo para desarrollo de neumopatías de origen ocupacional fuero, , son la minería y construcción y para asma la agricultura y manufacturas. Para asma se evidenció que no hay significancia diagnóstica para estudios imagenológicos pero sí para las pruebas de función pulmonar. Para neumoconiosis el estudio imagenológico es el de mayor importancia ya que en las radiografías se presentan cambios incluso mucho antes de la afectación de la función pulmonar. Para RADS se concluyó que la realización de un test de provocación con metacolina sería el Gold estándar para el diagnóstico. Las pruebas de función respiratoria son de vital importancia para determinar la enfermedad ocupacional en trabajadores expuestos para vigilancia y detección precoz, es conveniente la realización de protocolos para la evaluación y diagnóstico de la enfermedad respiratoria de origen ocupacional. Palabras claves: Neumoconiosis, asma ocupacional, función pulmonar, radiografía de tórax, ocupación, Colombia.