Fish-Specific Duplicated dmrt2b Contributes to a Divergent Function through Hedgehog Pathway and Maintains Left-Right Asymmetry Establishment Function

Gene duplication is thought to provide raw material for functional divergence and innovation. Fish-specific dmrt2b has been identified as a duplicated gene of the dmrt2a/terra in fish genomes, but its function has remained unclear. Here we reveal that Dmrt2b knockdown zebrafish embryos display a downward tail curvature and have U-shaped somites. Then, we demonstrate that Dmrt2b contributes to a divergent function in somitogenesis through Hedgehog pathway, because Dmrt2b knockdown reduces target gene expression of Hedgehog signaling, and also impairs slow muscle development and neural tube patterning through Hedgehog signaling. Moreover, the Dmrt2b morphants display defects in heart and visceral organ asymmetry, and, some lateral-plate mesoderm (LPM) markers expressed in left side are randomized. Together, these data indicate that fish-specific duplicated dmrt2b contributes to a divergent function in somitogenesis through Hedgehog pathway and maintains the common function for left-right asymmetry establishment.

Analyse génétique moléculaire du gène de la voie non-canonique Frizzled/Dishevelled PRICKLE1 dans les anomalies du tube neural chez l’humain

La voie de la polarité planaire cellulaire (PCP), aussi connue sous le nom de la voie non-canonique du Frizzled/Dishevelled, contrôle le processus morphogénétique de l'extension convergente (CE) qui est essentiel pour la gastrulation et la formation du tube neural pendant l'embryogenèse. La signalisation du PCP a été récemment associée avec des anomalies du tube neural (ATN) dans des modèles animaux et chez l'humain. Prickle1 est une protéine centrale de la voie PCP, exprimée dans la ligne primitive et le mésoderme pendant l'embryogenèse de la souris. La perte ou le gain de fonction de Prickle1 mène à des mouvements de CE fautifs chez le poisson zèbre et la grenouille. PRICKLE1 interagit directement avec deux autres membres de la voie PCP, Dishevelled et Strabismus/Vang. Dans notre étude, nous avons investigué le rôle de PRICKLE1 dans l'étiologie des ATN dans une cohorte de 810 patients par le re-séquençage de son cadre de lecture et des jonctions exon-intron. Le potentiel pathogénique des mutations ainsi identifiées a été évalué par des méthodes bioinformatiques, suivi par une validation fonctionnelle in vivo dans un système poisson zèbre. Nous avons identifié dans notre cohorte un total de 9 nouvelles mutations dont sept: p.Ile69Thr, p.Asn81His, p.Thr275Met, p.Arg682Cys et p.Ser739Phe, p.Val550Met et p.Asp771Asn qui affectent des acides aminés conservés. Ces mutations ont été prédites in silico d’affecter la fonction de la protéine et sont absentes dans une large cohorte de contrôles de même origine ethnique. La co-injection de ces variantes avec le gène prickle1a de type sauvage chez l’embryon de poisson zèbre a démontré qu’une mutation, p.Arg682Cys, modifie dans un sens négatif le phénotype du défaut de la CE produit par pk1 de type sauvage. Notre étude démontre que PK1 peut agir comme facteur prédisposant pour les ATN chez l’humain et élargit encore plus nos connaissances sur le rôle des gènes de la PCP dans la pathogenèse de ces malformations.

Études génétiques moléculaires du gène de la polarité planaire SCRIBBLE1 chez les anomalies du tube neural

Les anomalies du tube neural (ATN), incluant l'anencéphalie et le spina-bifida, représentent un groupe de malformations congénitales très fréquentes chez l'homme. Ces anomalies sont causées par un défaut partiel ou complet de la fermeture du tube neurale au cours de l'embryogenèse. Les ATN ont une étiologie complexe et multifactorielle impliquant des facteurs environnementaux et génétiques. La voie de signalisation non-canonique du Frizzled (Fz)/Dishevelled (Dvl) contrôle la polarité cellulaire planaire (PCP) et le processus morphogénétique appelé l’extension convergente qui est essentiel pour la gastrulation et la fermeture du tube neural. Très important, des mutations des gènes de cette voie étaient fortement associées aux ATN chez la souris et l’humain. Scribble est un gène de la voie PCP qui cause une sévère ATN chez la souris Circletail. Notre étude vise à analyser le rôle de SCRIBBLE1 dans les ATN humains par des analyses de séquence de son cadre de lecture et ses jonctions exon-introns. Notre étude comporte 396 patients recrutés au Centre Spina Bifida de l’hôpital Gaslini en Gènes, Italie et 83 patients recrutés au Centre Spina Bifida de l’hôpital Sainte Justine. Les patients sont affectés par plusieurs formes d’ATN. Nous avons identifié neuf mutations rares et non synonymes chez 10 patients, p.Asp93Ala (c. 435G>A), p.Gly145Arg (c. 278A>C), p.Gly263Ser (c. 786C>A), p.Gly469Ser (c. 1405G>A), p.Pro649His (c. 1946C>A), p.Gln808His (c. 2424G>T), p.Val1066Met (c. 3196G>A), p.Arg1150Gln (c. 3480G>A) et p.Thr1422Met (c. 4266C>T). Cinque mutations, p.Gly263Ser, p.Pro649His, p.Gln808His, p.Arg1150Gln, p.Thr1422Met, étaient absentes dans les contrôles analysés et prédites d’être pathogéniques in silico. Cette étude montre que des mutations rares dans SCRIB1 pourraient augmenter le risque des ATN dans une fraction des patients. L’identification des gènes prédisposant aux ATN nous aidera à mieux comprendre les mécanismes pathogéniques impliqués dans ces maladies.

Identification et caractérisation d’une souris mutante Skam26Jus comme un nouveau modèle des anomalies du tube neural

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN.

Études génétiques moléculaires des gènes de la polarité planaire cellulaire dans les anomalies du tube neural chez l’Homme

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales parmi les plus fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés par 1000 naissances. Elles résultent d’un défaut de fermeture du tube neural pendant l’embryogenèse. Les formes les plus courantes d'ATN chez l'homme sont l'anencéphalie et le spina-bifida. Leur étiologie est complexe impliquant à la fois des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. Un dérèglement dans la signalisation Wnt, incluant la signalisation canonique Wnt/β-caténine et non-canonique de la polarité planaire cellulaire (PCP), peut causer respectivement le cancer ou les anomalies du tube neural (ATN). Les deux voies semblent s’antagoniser mutuellement. Dans cette étude, nous investiguons les rôles de Lrp6 et deANKRD6, entant qu’interrupteurs moléculaires entre les deux voies de signalisation Wnt, et CELSR1, en tant que membre de la PCP, chez la souris mutante Skax26m1Jus, générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera, et dans une cohorte de patients humains ATN. Pour Lrp6, nous avons démontré que Skax26m1Jus représente un allèle hypermorphe de Lrp6 avec une augmentation de l’activité de la signalisation Wnt/canonique et une diminution de l’activité JNK induite par la voie PCP. Nous avons également montré que Lrp6Skax26m1Jus interagit génétiquement avec un mutant PCP (Vangl2Lp) où les doubles hétérozygotes ont montré une fréquence élevée d’ATN et des défauts dans la polarité des cellules ciliées de la cochlée. Particulièrement, notre étude démontre l'association des nouvelles et rares mutations faux-sens dans LRP6 avec les ATN humaines. Nous montrons que trois mutations de LRP6 causent une activité canonique réduite et non-canonique élevée. Pour ANKRD6, nous avons identifié quatre nouvelles et rares mutations faux-sens chez 0,8% des patients ATN et deux chez 1,3% des contrôles. Notamment, seulement deux, des six mutations validées (p.Pro548Leu et p.Arg632His) ont démontré un effet significatif sur l’activité de ANKRD6 selon un mode hypomorphique. Pour CELSR1, nous avons identifié une mutation non-sens dans l'exon 1 qui supprime la majeure partie de la protéine et une délétionde 12 pb. Cette perte de nucléotides ne change pas le cadre de lecture et élimine un motif putatif de phosphorylation par la PKC " SSR ". Nous avons également détecté un total de 13 nouveaux et rares variants faux-sens qui avaient été prédits comme étant pathogènes in silico. Nos données confirment le rôle inhibiteur de Lrp6 dans la signalisation PCP pendant la neurulation et indiquent aussi que les mutations faux-sens identifiées chez LRP6 et ANKRD6 pourraient affecter un équilibre réciproque et un antagonisme très sensible à un dosage précis entre les deux voies Wnt. Ces variants peuvent aussi agir comme facteurs prédisposants aux ATN. En outre, nos résultats impliquent aussi CELSR1 comme un facteur de risque pour les anomalies du tube neural ou l’agénésie caudale. Nos résultats fournissent des preuves supplémentaires que la voie de signalisation PCP a un rôle pathogène dans ces malformations congénitales et un outil important pour mieux comprendre leurs mécanismes moléculaires.

Role of the Protein Tyrosine Kinase 7 gene in human neural tube defects

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des anomalies développementales où le tube neural reste ouvert (1-2/1000 naissances). Afin de prévenir cette maladie, une connaissance accrue des processus moléculaires est nécessaire. L’étiologie des ATN est complexe et implique des facteurs génétiques et environnementaux. La supplémentation en acide folique est reconnue pour diminuer les risques de développer une ATN de 50-70% et cette diminution varie en fonction du début de la supplémentation et de l’origine démographique. Les gènes impliqués dans les ATN sont largement inconnus. Les études génétiques sur les ATN chez l’humain se sont concentrées sur les gènes de la voie métabolique des folates du à leur rôle protecteur dans les ATN et les gènes candidats inférés des souris modèles. Ces derniers ont montré une forte association entre la voie non-canonique Wnt/polarité cellulaire planaire (PCP) et les ATN. Le gène Protein Tyrosine Kinase 7 est un membre de cette voie qui cause l’ATN sévère de la craniorachischisis chez les souris mutantes. Ptk7 interagit génétiquement avec Vangl2 (un autre gène de la voie PCP), où les doubles hétérozygotes montrent une spina bifida. Ces données font de PTK7 comme un excellent candidat pour les ATN chez l’humain. Nous avons re-séquencé la région codante et les jonctions intron-exon de ce gène dans une cohorte de 473 patients atteints de plusieurs types d’ATN. Nous avons identifié 6 mutations rares (fréquence allélique <1%) faux-sens présentes chez 1.1% de notre cohorte, dont 3 sont absentes dans les bases de données publiques. Une variante, p.Gly348Ser, a agi comme un allèle hypermorphique lorsqu'elle est surexprimée dans le modèle de poisson zèbre. Nos résultats impliquent la mutation de PTK7 comme un facteur de risque pour les ATN et supporte l'idée d'un rôle pathogène de la signalisation PCP dans ces malformations.

Expression and regulation of Nkd-1, an intracellular component of Wnt signalling pathway in the chick embryo

The Wnt family of secreted signalling molecules control a wide range of developmental processes in all metazoans. The intracellular response to Wnt signalling depends on the choice of signalling cascade activated in the responding cell. Cells can activate either the canonical pathway that modulates gene expression to control cellular differentiation and proliferation, or the non-canonical pathway that controls cell polarity and movement. Recent work has identified the protein Naked Cuticle to act as an intracellular switch to promote the non-canonical pathway at the expense of the canonical pathway. We have cloned chick Naked Cuticle-1 (cNkd-1) and show that it is expressed in a dynamic manner during early embryogenesis. We show that it is expressed in the somites and in particular regions where cells are undergoing movement. Lastly, we show that the expression of cNkd-1 is regulated by Wnt expression originating from the neural tube. This study provides evidence that non-canonical Wnt signalling plays a part in somite development.

Rho Signaling Pathway and Apical Constriction in the Early Lens Placode

Epithelial invagination in many model systems is driven by apical cell constriction, mediated by actin and myosin II contraction regulated by GTPase activity. Here we investigate apical constriction during chick lens placode invagination. Inhibition of actin polymerization and myosin II activity by cytochalasin D or blebbistatin prevents lens invagination. To further verify if lens placode invaginate through apical constriction, we analyzed the role of Rho-ROCK pathway. Rho GTPases expression at the apical portion of the lens placode occurs with the same dynamics as that of the cytoskeleton. Overexpression of the pan-Rho inhibitor C3 exotoxin abolished invagination and had a strong effect on apical myosin II enrichment and a mild effect on apical actin localization. In contrast, pharmacological inhibition of ROCK activity interfered significantly with apical enrichment of both actin and myosin. These results suggest that apical constriction in lens invagination involves ROCK but apical concentration of actin and myosin are regulated through different pathways upstream of ROCK. genesis 49: 368-379, 2011. (C) 2011 Wiley-Liss, Inc.

Ethanolic fermentation: new functions for an old pathway

Ethanolic fermentation is an ancient metabolic pathway. In plants, it is a major route of {ATP} production under anaerobic conditions. In addition, recent developments suggest that the pathway has important functions in the presence of oxygen. Both of the enzymes required for the production of acetaldehyde and ethanol, pyruvate decarboxylase and alcohol dehydrogenase, are highly abundant in pollen, resulting in fermentation in fully oxygenated cells. Acetaldehyde toxicity is an inevitable side effect of aerobic fermentation. Could acetaldehyde be the elusive pollen factor that contributes to male sterility in cmsT maize? The versatility of this ancient pathway is also illustrated by the induction of aerobic fermentation by environmental stress and activation of a defense response by overexpression of pyruvate decarboxylase.

Association of folate metabolic pathway genes with human spina bifida meningomyelocele

Neural tube defects including spina bifida meningomyelocele (SBMM) are common malformations of the brain and spinal cord, and include all abnormalities resulting from lack of closure of the developing neural tube during embryological development.^ The specific aims of this study were to determine if single nucleotide polymorphic variants (SNPs) in the folate/homocysteine metabolic pathway genes confer a risk for NTD susceptibility within this SBMM population.^ In completion of the first specific aim, two novel SNPs were identified in the FOLR1 gene in Chromosome 11of patients including one in non-coding exon 1 with a C → T transition at nucleotide position 71578317 and another in non-coding exon 3 with a T → G transversion at nucleotide position 71579123. It will be important to determine if these variants are present in the respective parents of these individuals. If they are in fact de novo variants, then these SNPs may be more likely to contribute to the birth defect.^ The second project aim was to analyze genotypes associated with SBMM risk by transmission disequilibrium tests (TDT) and association was detected on several SNPs across the folate metabolic pathway genes in this population. SNPs with significant RC-TDT values were found within the DHFR gene (rs1650723), the MTRR gene (rs327592), the FOLR2 gene (rs13908), four tightly linked variants in the FOLR3 gene (rs7925545, rs7926875, rs7926987, rs7926360) and a variant in the SLC19A1 gene (rs1888530). The product of each of these genes performs a vital function in the folate metabolic pathway. It is conceivable, therefore, that if the individual SNP or SNPs can be proven to perturb the function in some way that they may be involved in the disruption of folate metabolism and in the resulting birth defect. Validating the results of this study in other independent populations will further strengthen the evidence that dysfunction of folate enzymes and receptors may confer SBMM risk in humans. ^

Miocene-Pliocene record of Pollen, charcoal and carbon isotopes of plant waxes of ODP Hole 175-1081A

Modern savannah grasslands were established during the late Miocene and Pliocene (8-3 million years ago). In the tropics, grasslands are dominated by grasses that use the C4 photosynthetic pathway, rather than the C3 pathway. The C4 pathway is better adapted to warm, dry and low-CO2 conditions, leading to suggestions that declining atmospheric CO2 levels, increasing aridity and enhanced rainfall seasonality allowed grasses using this pathway to expand during this interval. The role of fire in C4 expansion may have been underestimated. Here we use analyses of pollen, microscopic charcoal and the stable isotopic composition of plant waxes from a marine sediment core off the coast of Namibia to reconstruct the relative timing of changes in plant composition and fire activity for the late Miocene and Pliocene. We find that in southwestern Africa, the expansion of C4 grasses occurred alongside increasing aridity and enhanced fire activity. During further aridification in the Pliocene, the proportion of C4 grasses in the grasslands increased, while the grassland contracted and deserts and semi-deserts expanded. Our results are consistent with the hypothesis that ecological disturbance by fire was an essential feedback mechanism leading to the establishment of C4 grasslands in the Miocene and Pliocene.

Profiles of diatoms, pollen, XRD, XRF and organic composition of two sediment cores (PG2022 and PG2023) from Lake Kyutyunda in Yakutia, NE Siberia, Russia

Although the climate development over the Holocene in the Northern Hemisphere is well known, palaeolimnological climate reconstructions reveal spatiotemporal variability in northern Eurasia. Here we present a multi-proxy study from north-eastern Siberia combining sediment geochemistry, and diatom and pollen data from lake-sediment cores covering the last 38,000 cal. years. Our results show major changes in pyrite content and fragilarioid diatom species distributions, indicating prolonged seasonal lake-ice cover between ~13,500 and ~8,900 cal. years BP and possibly during the 8,200 cal. years BP cold event. A pollen-based climate reconstruction generated a mean July temperature of 17.8°C during the Holocene Thermal Maximum (HTM) between ~8,900 and ~4,500 cal. years BP. Naviculoid diatoms appear in the late Holocene indicating a shortening of the seasonal ice cover that continues today. Our results reveal a strong correlation between the applied terrestrial and aquatic indicators and natural seasonal climate dynamics in the Holocene. Planktonic diatoms show a strong response to changes in the lake ecosystem due to recent climate warming in the Anthropocene. We assess other palaeolimnological studies to infer the spatiotemporal pattern of the HTM and affirm that the timing of its onset, a difference of up to 3,000 years from north to south, can be well explained by climatic teleconnections. The westerlies brought cold air to this part of Siberia until the Laurentide ice-sheet vanished 7,000 years ago. The apparent delayed ending of the HTM in the central Siberian record can be ascribed to the exceedance of ecological thresholds trailing behind increases in winter temperatures and decreases in contrast in insolation between seasons during the mid to late Holocene as well as lacking differentiation between summer and winter trends in paleolimnological reconstructions.