Histone deacetylase inhibitors suppress thymidylate synthase gene expression and synergize with the fluoropyrimidines in colon cancer cells

Despite recent therapeutic advances, the response rates to chemotherapy for patients with metastatic colon cancer remain at approximately 50% with the fluoropyrimidine, 5-fluorouracil (5-FU), continuing to serve as the foundation chemotherapeutic agent for the treatment of this disease. Previous studies have demonstrated that overexpression of thymidylate synthase (TS) is a key determinant of resistance to 5-FU-based chemotherapy. Therefore, there is a significant need to develop alternative therapeutic strategies to overcome TS-mediated resistance. In this study, we demonstrate that the histone deacetylase inhibitors (HDACi) vorinostat and LBH589 significantly downregulate TS gene expression in a panel of colon cancer cell lines. Downregulation of TS was independent of p53, p21 and HDAC2 expression and was achievable in vivo as demonstrated by mouse xenograft models. We provide evidence that HDACi treatment leads to a potent transcriptional repression of the TS gene. Combination of the fluoropyrimidines 5-FU or FUdR with both vorinostat and LBH589 enhanced cell cycle arrest and growth inhibition. Importantly, the downstream effects of TS inhibition were significantly enhanced by this combination including the inhibition of acute TS induction and the enhanced accumulation of the cytotoxic nucleotide intermediate dUTP. These data demonstrate that HDACi repress TS expression at the level of transcription and provides the first evidence suggesting a direct mechanistic link between TS downregulation and the synergistic interaction observed between HDACi and 5-FU. This study provides rationale for the continued clinical evaluation of HDACi in combination with 5-FU-based therapies as a strategy to overcome TS-mediated resistance.

The histone demethylase JMJD2A/KDM4A links ribosomal RNA transcription to nutrients and growth factors availability

The interplay between methylation and demethylation of histone lysine residues is an essential component of gene expression regulation and there is considerable interest in elucidating the roles of proteins involved. Here we report that histone demethylase KDM4A/JMJD2A, which is involved in the regulation of cell proliferation and is overexpressed in some cancers, interacts with RNA Polymerase I, associates with active ribosomal RNA genes and is required for serum-induced activation of rDNA transcription. We propose that KDM4A controls the initial stages of transition from 'poised', non-transcribed rDNA chromatin into its active form. We show that PI3K, a major signalling transducer central for cell proliferation and survival, controls cellular localization of KDM4A and consequently its association with ribosomal DNA through the SGK1 downstream kinase. We propose that the interplay between PI3K/SGK1 signalling cascade and KDM4A constitutes a mechanism by which cells adapt ribosome biogenesis level to the availability of growth factors and nutrients.

Epigenetic mechanisms of effector y&T cell differentiation : focus on histone modifications and microRNAs

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Imunologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

Deregulated expression of selected histone methylases and demethylases in prostate carcinoma

Prostate cancer (PCa), a leading cause of cancer-related morbidity and mortality, arises through the acquisition of genetic and epigenetic alterations. Deregulation of histone methyltransferases (HMTs) or demethylases (HDMs) has been associated with PCa development and progression. However, the precise influence of altered HMTs or HDMs expression and respective histone marks in PCa onset and progression remains largely unknown. To clarify the role of HMTs and HDMs in prostate carcinogenesis, expression levels of 37 HMTs and 20 HDMs were assessed in normal prostate and PCa tissue samples by RT-qPCR. SMYD3, SUV39H2, PRMT6, KDM5A, and KDM6A were upregulated, whereas KMT2A-E (MLL1-5) and KDM4B were downregulated in PCa, compared with normal prostate tissues. Remarkably, PRMT6 was the histone modifier that best discriminated normal from tumorous tissue samples. Interestingly, EZH2 and SMYD3 expression levels significantly correlated with less differentiated and more aggressive tumors. Remarkably, SMYD3 expression levels were of independent prognostic value for the prediction of disease-specific survival of PCa patients with clinically localized disease submitted to radical prostatectomy. We concluded that expression profiling of HMTs and HDMs, especially SMYD3, might be of clinical usefulness for the assessment of PCa patients and assist in pre-therapeutic decision-making.

Phenotypic impact of deregulated expression of class I histone deacetylases in urothelial cell carcinoma of the bladder

Deregulated expression of histone deacetylases (HDACs) has been implicated in tumorigenesis. Herein, we investigated class I HDACs expression in bladder urothelial cell carcinoma (BUCC), its prognostic value and biological significance. Significantly increased transcript levels of all HDACs were found in BUCC compared to 20 normal mucosas, and these were higher in lower grade and stage tumors. Increased HDAC3 levels were associated with improved patient survival. SiRNA experiments showed decrease cell viability and motility, and increased apoptosis. We concluded that class I HDACs play an important role in bladder carcinogenesis through deregulation of proliferation, migration and apoptosis, constituting putative therapeutic targets

Inheritance of histone H3 variants across mitotic cell divisions

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Molecular Biology.

Phosphorylation du CTD de l'ARN polymérase II et impact de l'histone H2A.Z sur le positionnement des nucléosomes chez S. cerevisiae

La phosphorylation du domaine C-terminal de l’ARN polymérase II permet à ce complexe protéique d’exécuter la transcription des gènes, en plus de coupler à la transcription des événements moléculaires comme la maturation des ARNm. Mes résultats montrent que même si cette phosphorylation suit un patron similaire à l’ensemble des gènes, il existe des exceptions pouvant être dues à des mécanismes alternatifs de phosphorylation du CTD. Le présent ouvrage s’intéresse également au rôle qu’occupe la variante d’histone H2A.Z dans l’organisation de la chromatine. Des études précédentes on montré que le positionnement de certains nucléosomes le long de l’ADN serait influencé par H2A.Z et aurait une influence sur la capacité de transcrire les gènes. Par une approche génomique utilisant les puces à ADN, j’ai cartographié l’impact de la délétion de H2A.Z sur la structure des nucléosomes. Enfin, des résultats intéressants sur la dynamique d’incorporation de H2A.Z à la chromatine ont été obtenus.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Histone H2A exogène induit à différenciation et la sénescence des cellules cancéreuses

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Histone H2B-R95A mutant identifies the pheromone pathway that signals cell cycle arrest during rapamycin response

La rapamycine est un immunosuppresseur utilisé pour traiter plusieurs types de maladies dont le cancer du rein. Son fonctionnement par l’inhibition de la voie de Tor mène à des changements dans des processus physiologiques, incluant le cycle cellulaire. Chez Saccharomyces cerevisiae, la rapamycine conduit à une altération rapide et globale de l’expression génique, déclenchant un remodelage de la chromatine. Nous proposons que les modifications des histones peuvent jouer un rôle crucial dans le remodelage de la chromatine en réponse à la rapamycine. Notre objectif principal est d’identifier d’une banque de mutants d’histone les variantes qui vont échouer à répondre à la rapamycine dans une tentative de réaliser une caractérisation des modifications d’histone critiques pour la réponse à cette drogue. Ainsi, nous avons réalisé un criblage d’une banque de mutants d’histone et identifié plusieurs mutants d‘histone dont la résistance à la rapamycine a été altérée. Nous avons caractérisé une de ces variantes d’histone, à savoir H2B, qui porte une substitution de l’alanine en arginine en position 95 (H2B-R95A) et démontré que ce mutant est extrêmement résistant à la rapamycine, et non à d’autres drogues. Des immunoprécipitations ont démontré que H2B-R95A est défectueux pour former un complexe avec Spt16, un facteur essentiel pour la dissociation de H2A et H2B de la chromatine, permetant la réplication et la transcription par les ADN et ARN polymérases, respectivement. Des expériences de ChIP-Chip et de micropuce ont démontré que l’arginine 95 de H2B est requise pour recruter Spt16 afin de permettre l’expression d’une multitude de gènes, dont certains font partie de la voie des phéromones. Des évidences seront présentées pour la première fois démontrant que la rapamycine peut activer la voie des phéromones et qu’une défectuosité dans cette voie cause la résistante à cette drogue.

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.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Characterization of Histone H2A Derived Antimicrobial Peptides, Harriottins, from Sicklefin Chimaera Neoharriotta pinnata (Schnakenbeck, 1931) and Its Evolutionary Divergence with respect to CO1 and Histone H2A

Antimicrobial peptides (AMPs) are humoral innate immune components of fishes that provide protection against pathogenic infections. Histone derived antimicrobial peptides are reported to actively participate in the immune defenses of fishes. Present study deals with identification of putative antimicrobial sequences from the histone H2A of sicklefin chimaera, Neoharriotta pinnata. A 52 amino acid residue termed Harriottin-1, a 40 amino acid Harriottin-2, and a 21 mer Harriottin-3 were identified to possess antimicrobial sequence motif. Physicochemical properties andmolecular structure ofHarriottins are in agreement with the characteristic features of antimicrobial peptides, indicating its potential role in innate immunity of sicklefin chimaera. The histone H2A sequence of sicklefin chimera was found to differ from previously reported histone H2A sequences. Phylogenetic analysis based on histone H2A and cytochrome oxidase subunit-1 (CO1) gene revealed N. pinnata to occupy an intermediate position with respect to invertebrates and vertebrates

Histone H4 gene expression and morphological changes on shoot apices of strawberry (Fragaria x ananassa Duch.) during floral induction

To investigate flower induction in June-bearing strawberry plants, morphological changes in shoot apices and Historic H4 expression in the central zone during flower initiation were observed. Strawberry plants were placed under flower inducible, short-day conditions (23 degrees C/17 degrees C, 10 h day length) for differing number of days (8, 16, 20, 24 or 32 days) and then these plants were transferred to non-inducible, long-day conditions (25 degrees C/20 degrees C, 14 h day length). The shoot apices of plants placed under short-day conditions for 8 days were flat, similar to shoot apices of plants in the vegetative phase of development, and Histone H4 was not expressed in the central zone during the experimental period. On the other hand, the shoot apices of plants placed under short-day conditions for 16 days remained flat, similar to shoot apices of plants placed under short-day conditions for 8 days, but Histone H4 was expressed in the central zone at the end of the short-day treatment. Morphological changes in the shoot apices of these plants were observed 8 days after the change in day-length. These plants developed differentiated flower organs after they were grown for another 30 days under long-day conditions. These results indicate that changes in the expression pattern of the Histone H4 gene occur before morphological changes during flower induction and that the expression of the gene in the central zone can be used as one of the indicators of the flowering process in strawberries. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.