MicroRNA regulation and the variability of human cortical gene expression

Understanding the driving forces of gene expression variation within human populations will provide important insights into the molecular basis of human phenotypic variation. In the genome, the gene expression variability differs among genes, and at prese

Regulation of zygotic gene activation in the preimplantation mouse embryo: Global activation and repression of gene expression

Superimposed on the activation of the embryonic genome in the preimplantation mouse embryo is the formation of a transcriptionally repressive state during the two-cell stage. This repression appears mediated at the level of chromatin structure, because it is reversed by inducing histone hyperacetylation or inhibiting the second round of DNA replication. We report that of more than 200 amplicons analyzed by mRNA differential display, about 45% of them are repressed between the two-cell and four-cell stages. This repression is scored as either a decrease in amplicon expression that occurs between the two-cell and four-cell stages or on the ability of either trichostatin A tan inhibitor of histone deacetylases) or aphidicolin tan inhibitor of replicative DNA polymerases) to increase the level of amplicon expression. Results of this study also indicate that about 16% of the amplicons analyzed likely are novel genes whose sequence doesn't correspond to sequences in the current databases, whereas about 20% of the sequences expressed during this transition likely are repetitive sequences. Lastly, inducing histone hyperacetylation in the two-cell embryos inhibits cleavage to the four-cell stage. These results suggest that genome activation is global and relatively promiscuous and that a function of the transcriptionally repressive state is to dictate the appropriate profile of gene expression that is compatible with further development.

Expression regulation and functional characterization of a novel interferon inducible gene Gig2 and its promoter

Grass carp hemorrhagic virus (GCHV)-induced gene 2 (Gig2) is a novel gene previously identified from UV-inactivated GCHV-treated Carassius auratus blastulae embryonic (CAB) cells, suggesting that it should play a pivotal role in the interferon (IFN) antiviral response. In this study, a polyclonal anti-Gig2 antiserum was generated and used to study the inductive expression pattern by Western blot analysis, showing no basal expression in normal CAB cells but a significant up-regulation upon UV-inactivated GCHV, polyinosinic:polycytidylic acid (Poly I:Q and recombinant IFN (rIFN). However, constitutive expression of Gig2 is observed in all tested tissues from grass carp (Ctenopharyngodon idellus), and Poly I:C injection increases the relative amount of Gig2 protein in skin, spleen, trunk kidney, gill, hindgut and thymus. Moreover, the genomic sequence covering the whole Gig2 ORF and the upstream promoter region were amplified by genomic walking. Significantly, the Gig2 promoter contains three IFN-stimulated response elements (ISREs), nine GAAA/TfTC motifs and five gamma-IFN activating sites (GAS), which are the characteristics of genes responsive to both type I IFN and type 11 IFN. Subsequently, the complete Gig2 promoter sequence was cloned into pGL3-Basic vector, and its activity was measured by luciferase assays in the transfected CAB cells. The Gig2 promoter-driven construct is highly induced in CAB cells after treatment with Poly I:C or rIFN, and the functional capability is dependent on IFN regulatory factor 7 (IRF7), because its activity can be stimulated by IRF7. Collectively, the data provide strong evidence that Gig2 is indeed a novel IFN inducible gene and its expression is likely dependent on IRF7 upon Poly I:C or IFN. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Molecular coordinated regulation of gene expression during ovarian development in the penaeid shrimp

To understand the molecular events of ovarian development in penaeid shrimp, RNA arbitrarily primed polymerase chain reaction (RAP-PCR) was used to identify differentially expressed genes during ovarian maturation in Metapenaeus ensis. From a screening of 700 clones in a cDNA library of the shrimp ovary by the products of RAP-PCR of different maturation stages, 91 fragments with differentially expressed pattern as revealed by dot-blot hybridization were isolated and sequenced. Forty-two of these fragments show significant sequence similarity to known gene products and the differentially expressed pattern of 10 putative genes were further characterized via Northern hybridization. Putative glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase and arginine kinase are related to provision of energy for active cellular function in oocyte development. Translationally controlled tumor protein, actin, and keratin are related to the organization of cytoskeleton to accomplish growth and development of oocytes. High mobility group protein DSP1, heat shock protein 70, and nucleoside diphosphate kinase may act as repressors before the onset of ovarian maturation. Peptidyl-prolyl cis-trans isomerase and glutathione peroxidase are related to the stabilization of proteins and oocytes. This study provides new insights on the molecular events in the ovarian development in the shrimp.

Regulation and consequences of differential gene expression in diabetic kidney disease

DIN (diabetic nephropathy) is the leading cause of end-stage renal disease worldwide and develops in 25-40% of patients with Type 1 or Type 2 diabetes mellitus. Elevated blood glucose over long periods together with glomerular hypertension leads to progressive glomerulosclerosis and tubulointerstitial fibrosis in susceptible individuals. Central to the pathology of DIN are cytokines and growth factors such as TGF-beta (transforming growth factor beta) superfamily members, including BMPs (bone morphogenetic protein) and TGF-beta 1, which play key roles in fibrogenic responses of the kidney, including podocyte loss, mesangial cell hypertrophy, matrix accumulation and tubulointerstitial fibrosis. Many of these responses can be mimicked in in vitro models of cells cultured in high glucose. We have applied differential gene expression technologies to identify novel genes expressed in in vitro and in vivo models of DN and, importantly, in human renal tissue. By mining these datasets and probing the regulation of expression and actions of specific molecules, we have identified novel roles for molecules such as Gremlin, IHG-1 (induced in high glucose-1) and CTGF (connective tissue growth factor) in DIN and potential regulators of their bioactions.

Global down-regulation of HOX gene expression in PML-RAR alpha(+) acute promyelocytic leukemia identified by small-array real-time PCR

Acute promyelocytic leukemia (APL) is associated with a reciprocal and balanced translocation involving the retinoic acid receptor-alpha (RARalpha). All-trans retinoic acid (ATRA) is used to treat APL and is a potent morphogen that regulates HOX gene expression in embryogenesis and organogenesis. HOX genes are also involved in hematopoiesis and leukemogenesis. Thirty-nine mammalian HOX genes have been identified and classified into 13 paralogous groups clustered on 4 chromosomes. They encode a complex net-Work of transcription regulatory proteins whose precise targets remain poorly understood. The overall function of the network appears to be dictated by gene dosage. To investigate the mechanisms involved in HOX gene regulation in hematopoiesis and leukemogenesis by precise measurement of individual HOX genes, a small-array real-time HOX (SMART-HOX) quantitative polymerase chain reaction (PCR) platform was designed and validated. Application of SMART-HOX to 16 APL bone marrow samples revealed a global down-regulation of 26 HOX genes compared with normal controls. HOX gene expression was also altered during differentiation induced by ATRA in the PML-RARalpha(+) NB4 cell line. PML-RARalpha, fusion proteins have been reported to act as part of a repressor complex during myelold cell differentiation, and a model linking HOX gene expression to this PML-RARalpha repressor complex is now proposed.

Regulation of erythropoietin gene expression depends on two different oxygen-sensing mechanisms

Erythropoietin (Epo), a glycoprotein hormone produced principally in the fetal kidney and in the adult liver in response to hypoxia, is the prime regulator of growth and differentiation in erythroid progenitor cells. The regulation of Epo gene expression is not fully understood, but two mechanisms have been proposed. One involves the participation of a heme protein capable of reversible oxygenation and the other depends on the intracellular concentration of reactive oxygen species (ROS), assumed to be a function of pO2. We have investigated the production of Epo in response to three stimuli, hypoxia, cobalt chloride, and the iron chelator desferrioxamine, in Hep3B cells. As expected, hypoxia caused a marked rise in Epo production. When the cells were exposed to the paired stimuli of hypoxia and cobalt no further increase was found. In contrast, chelation of iron under hypoxic conditions markedly enhanced Epo production, suggesting that the two stimuli act by separate pathways. The addition of carbon monoxide inhibited hypoxia-induced Epo production, independent of desferrioxamine concentration. Taken together these data support the concept that pO2 and ROS are sensed independently.

Global down-regulation of HOX gene expression in PML-RARalpha + acute promyelocytic leukemia identified by small-array real-time PCR

Acute promyelocytic leukemia (APL) is associated with a reciprocal and balanced translocation involving the retinoic acid receptor-alpha (RARalpha). All-trans retinoic acid (ATRA) is used to treat APL and is a potent morphogen that regulates HOX gene expression in embryogenesis and organogenesis. HOX genes are also involved in hematopoiesis and leukemogenesis. Thirty-nine mammalian HOX genes have been identified and classified into 13 paralogous groups clustered on 4 chromosomes. They encode a complex network of transcription regulatory proteins whose precise targets remain poorly understood. The overall function of the network appears to be dictated by gene dosage. To investigate the mechanisms involved in HOX gene regulation in hematopoiesis and leukemogenesis by precise measurement of individual HOX genes, a small-array real-time HOX (SMART-HOX) quantitative polymerase chain reaction (PCR) platform was designed and validated. Application of SMART-HOX to 16 APL bone marrow samples revealed a global down-regulation of 26 HOX genes compared with normal controls. HOX gene expression was also altered during differentiation induced by ATRA in the PML-RARalpha(+) NB4 cell line. PML-RARalpha fusion proteins have been reported to act as part of a repressor complex during myeloid cell differentiation, and a model linking HOX gene expression to this PML-RARalpha repressor complex is now proposed.

Regulation of gene expression by SnRK1 kinases and miRNAs during the plant stress response

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Plant Physiology

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Role of histone methylation in the regulation of COX-2, iNOS, and mPGES-1 gene expression in human chondrocytes: Implication for Osteoarthritis

L'arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative, classée comme la forme la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée par la dégénérescence du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale, et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements structurels et fonctionnels sont dues à de nombreux facteurs. Les cytokines, les prostaglandines (PG), et les espèces réactives de l'oxygène sont les principaux médiateurs impliqués dans la pathophysiologie de l'OA. L'interleukine-1β (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire majeure qui joue un rôle crucial dans l'OA. L'IL-1β induit l'expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2), la microsomale prostaglandine E synthase-1 (mPGES-1), la synthase inductible de l'oxyde nitrique (iNOS), ainsi que leurs produits la prostaglandine E2 (PGE2) et l'oxyde nitrique (NO). Ce sont des médiateurs essentiels de la réponse inflammatoire au cours de l'OA qui contribuent aux mécanismes des douleurs, de gonflement, et de destruction des tissus articulaires. Les modifications épigénétiques jouent un rôle très important dans la régulation de l’expression de ces gènes pro-inflammatoires. Parmi ces modifications, la méthylation/ déméthylation des histones joue un rôle critique dans la régulation des gènes. La méthylation/ déméthylation des histones est médiée par deux types d'enzymes: les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) qui favorisent l’activation et/ou la répression de la transcription. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression des gènes de la COX-2, la mPGES-1, et l’iNOS. L'objectif de cette étude est de déterminer si la méthylation/déméthylation des histones contribute à la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS dans des chondrocytes OA humains induits par l'IL-1β. Nous avons montré que la méthylation de la lysine K4 de l'histone H3 (H3K4) par SET-1A contribue à l’activation des gènes COX-2 et iNOS dans les chondrocytes humains OA induite par l'IL-1β. Nous avons également montré que la lysine K9 de l’histone H3 (H3K9) est déméthylée par LSD1, et que cette déméthylation contribue à l’expression de la mPGES-1 induite par IL-1β dans les chondrocytes humains OA. Nous avons aussi trouvé que les niveaux d'expression des enzymes SET-1A et LSD1 sont élevés au niveau du cartilage OA. Nos résultats montrent, pour la première fois, l'implication de la méthylation/ déméthylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS. Ces données suggèrent que ces mécanismes pourraient être une cible potentielle pour une intervention pharmacologique dans le traitement de la physiopathologie de l'OA.

5-HT1A AND 5-HT2C RECEPTOR GENE EXPRESSION AND FUNCTIONAL REGULATION DURING RAT HEPATOCYTE PROLIFERATION AND APOPTOSIS

The work is an attempt to understand the role of 5-HT, 5-HT1A and 5-HT2C receptors in the regulation of liver cell proliferation using in vivo and in vitro models. The work also focuses on the brain serotonergic changes associated with hapatocyte proliferation and apoptosis to delineate its regulatory function. The investigation of mechanisms involving different models of hepatocyte proliferation contributes to our knowledge about serotonergic regulation of cell growth, apoptosis and carcinogenesis of liver. The study reveals that the alteration of the 5-HT1A and 5-HT2C receptor function and gene expression in the brain stem, cerebral cortex and hypothalamus play an important role in the sympathetic regulation of cell proliferation, neoplastic transformation and apoptosis. The functional balance between 5-HT1A and 5-HT2C receptor plays an important role in regulating hepatocyte proliferation, neoplastic transformation and hepatic apoptosis. The regulatory role of 5-HT1A and 5-HT2C receptor during neoplastic transformation and apoptosis could lead to possible therapeutic intervention in the treatment of cancers and have immense clinical importance.

Dopamine D1 and D2 Receptor Gene Expression and cGMP, IP3 and Ca2+ Regulation in the Brain Regions of Hypoxic Neonatal Rats: Role of Glucose, Oxygen and Epinephrine Supplementation

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Glutamate Receptor Gene Expression: IP3, cAMP, cGMP Functional Regulation in Hypoglycaemic and Diabetic Rats

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology