Inhibition of HDAC3- and HDAC6-promoted survivin expression plays an important role in SAHA-induced autophagy and viability reduction in breast cancer cells

SAHA is a class I HDAC/HDAC6 co-inhibitor and an autophagy inducer currently undergoing clinical investigations in breast cancer patients. However, the molecular mechanism of action of SAHA in breast cancer cells remains unclear. In this study, we found that SAHA is equally effective in targeting cells of different breast cancer subtypes and tamoxifen sensitivity. Importantly, we found that down-regulation of survivin plays an important role in SAHA-induced autophagy and cell viability reduction in human breast cancer cells. SAHA decreased survivin and XIAP gene transcription, induced survivin protein acetylation and early nuclear translocation in MCF7 and MDA-MB-231 breast cancer cells. It also reduced survivin and XIAP protein stability in part through modulating the expression and activation of the 26S proteasome and heat-shock protein 90. Interestingly, targeting HDAC3 and HDAC6, but not other HDAC isoforms, by siRNA/pharmacological inhibitors mimicked the effects of SAHA in modulating the acetylation, expression, and nuclear translocation of survivin and induced autophagy in MCF7 and MDA-MB-231 cancer cells. Targeting HDAC3 also mimicked the effect of SAHA in up-regulating the expression and activity of proteasome, which might lead to the reduced protein stability of survivin in breast cancer cells. In conclusion, this study provides new insights into SAHA's molecular mechanism of actions in breast cancer cells. Our findings emphasize the complexity of the regulatory roles in different HDAC isoforms and potentially assist in predicting the mechanism of novel HDAC inhibitors in targeted or combinational therapies in the future.

Disruption of the class IIa HDAC corepressor complex increases energy expenditure and lipid oxidation

Drugs that recapitulate aspects of the exercise adaptive response have the potential to provide better treatment for diseases associated with physical inactivity. We previously observed reduced skeletal muscle class IIa HDAC (histone deacetylase) transcriptional repressive activity during exercise. Here, we find that exercise-like adaptations are induced by skeletal muscle expression of class IIa HDAC mutants that cannot form a corepressor complex. Adaptations include increased metabolic gene expression, mitochondrial capacity, and lipid oxidation. An existing HDAC inhibitor, Scriptaid, had similar phenotypic effects through disruption of the class IIa HDAC corepressor complex. Acute Scriptaid administration to mice increased the expression of metabolic genes, which required an intact class IIa HDAC corepressor complex. Chronic Scriptaid administration increased exercise capacity, whole-body energy expenditure and lipid oxidation, and reduced fasting blood lipids and glucose. Therefore, compounds that disrupt class IIa HDAC function could be used to enhance metabolic health in chronic diseases driven by physical inactivity.

L'acide valproïque inhibe la progression dans le cycle cellulaire chez Saccharomyces cerevisiae

L’acétylation est une modification post-traductionnelle des protéines essentielles. Elle est impliquée dans bon nombre de processus cellulaires importants comme la régulation de la structure de la chromatine et le recrutement de protéines. Deux groupes d’enzymes, soient les lysines acétyltransférases et les lysines désacétylases, régulent cette modification, autant sur les histones que sur les autres protéines. Au cours des dernières années, de petites molécules inhibitrices des désacétylases ont été découvertes. Certaines d’entre elles semblent prometteuses contre diverses maladies telles le cancer. L’acide valproïque, un inhibiteur de deux des trois classes des désacétylases, a un effet antiprolifératif chez plusieurs organismes modèles. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à cet effet restent encore méconnus. Ce mémoire met en lumière l’effet pH dépendant de l’acide valproïque sur différentes voies cellulaires importantes chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Il démontre que ce composé a la capacité d’inhiber la transition entre les phases G1 et S par son action sur l’expression des cyclines de la phase G1. De plus, il inhibe l’activation de la kinase principale de la voie activée suite à un stress à la paroi cellulaire. L’acide valproïque occasionne également un arrêt dans la réplication de l’ADN sans y causer de dommage. Il s’agit là d’un effet unique qui, à notre connaissance, n’est pas observable avec d’autres agents qui inhibent la progression en phase S.

L'acide valproïque inhibe la progression dans le cycle cellulaire chez Saccharomyces cerevisiae

L’acétylation est une modification post-traductionnelle des protéines essentielles. Elle est impliquée dans bon nombre de processus cellulaires importants comme la régulation de la structure de la chromatine et le recrutement de protéines. Deux groupes d’enzymes, soient les lysines acétyltransférases et les lysines désacétylases, régulent cette modification, autant sur les histones que sur les autres protéines. Au cours des dernières années, de petites molécules inhibitrices des désacétylases ont été découvertes. Certaines d’entre elles semblent prometteuses contre diverses maladies telles le cancer. L’acide valproïque, un inhibiteur de deux des trois classes des désacétylases, a un effet antiprolifératif chez plusieurs organismes modèles. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à cet effet restent encore méconnus. Ce mémoire met en lumière l’effet pH dépendant de l’acide valproïque sur différentes voies cellulaires importantes chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Il démontre que ce composé a la capacité d’inhiber la transition entre les phases G1 et S par son action sur l’expression des cyclines de la phase G1. De plus, il inhibe l’activation de la kinase principale de la voie activée suite à un stress à la paroi cellulaire. L’acide valproïque occasionne également un arrêt dans la réplication de l’ADN sans y causer de dommage. Il s’agit là d’un effet unique qui, à notre connaissance, n’est pas observable avec d’autres agents qui inhibent la progression en phase S.

H3K4me3 - dependent epigenetic memory regulates transcriptional reactivation in the oocyte

SELECTED ORAL COMMUNICATIONS, SESSION 52: EPIGENETIC PATTERN IN OOCYTE AND EMBRYO, Tuesday 16 June 2015. This article/study appears in: Abstract book of the 31st ESHRE Annual Meeting, Lisbon, Portugal, 14-17 June 2015.

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.

Cartographie des cassures bicaténaires du remodelage chromatinien du spermatide et développement des outils techniques associés.

Résumé : La phase haploïde de la spermatogenèse (spermiogenèse) est caractérisée par une modification importante de la structure de la chromatine et un changement de la topologie de l’ADN du spermatide. Les mécanismes par lesquels ce changement se produit ainsi que les protéines impliquées ne sont pas encore complètement élucidés. Mes travaux ont permis d’établir la présence de cassures bicaténaires transitoires pendant ce remodelage par l’essai des comètes et l’électrophorèse en champ pulsé. En procédant à des immunofluorescences sur coupes de tissus et en utilisant un extrait nucléaire hautement actif, la présence de topoisomérases ainsi que de marqueurs de systèmes de réparation a été confirmée. Les protéines de réparation identifiées font partie de systèmes sujets à l’erreur, donc cette refonte structurale de la chromatine pourrait être génétiquement instable et expliquer le biais paternel observé pour les mutations de novo dans de récentes études impliquant des criblages à haut débit. Une technique permettant l’immunocapture spécifique des cassures bicaténaires a été développée et appliquée sur des spermatides murins représentant différentes étapes de différenciation. Les résultats de séquençage à haut débit ont montré que les cassures bicaténaires (hotspots) de la spermiogenèse se produisent en majorité dans l’ADN intergénique, notamment dans les séquences LINE1, l’ADN satellite et les répétions simples. Les hotspots contiennent aussi des motifs de liaisons des protéines des familles FOX et PRDM, dont les fonctions sont entre autres de lier et remodeler localement la chromatine condensée. Aussi, le motif de liaison de la protéine BRCA1 se trouve enrichi dans les hotspots de cassures bicaténaires. Celle-ci agit entre autres dans la réparation de l’ADN par jonction terminale non-homologue (NHEJ) et dans la réparation des adduits ADN-topoisomérase. De façon remarquable, le motif de reconnaissance de la protéine SPO11, impliquée dans la formation des cassures méiotiques, a été enrichi dans les hotspots, ce qui suggère que la machinerie méiotique serait aussi utilisée pendant la spermiogenèse pour la formation des cassures. Enfin, bien que les hotspots se localisent plutôt dans les séquences intergéniques, les gènes ciblés sont impliqués dans le développement du cerveau et des neurones. Ces résultats sont en accord avec l’origine majoritairement paternelle observée des mutations de novo associées aux troubles du spectre de l’autisme et de la schizophrénie et leur augmentation avec l’âge du père. Puisque les processus du remodelage de la chromatine des spermatides sont conservés dans l’évolution, ces résultats suggèrent que le remodelage de la chromatine de la spermiogenèse représente un mécanisme additionnel contribuant à la formation de mutations de novo, expliquant le biais paternel observé pour certains types de mutations.

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.

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.