Implication of DNA methylation, CTCF and BORIS factors in the transcriptional regulation of the human telomerase catalytic subunit hTERT

RESUME La télomérase confère une durée de vie illimitée et est réactivée dans la plupart des cellules tumorales. Sa sous-unité catalytique hTERT est définie comme le facteur limitant pour son activation. De l'identification de facteurs liant la région régulatrice d'hTERT, au rôle de la méthylation de l'ADN et de la modification des histones, de nombreux modèles de régulation ont été suggérés. Cependant, aucun de ces modèles n'a pu expliquer l'inactivation de la télomérase dans la plupart des cellules somatiques et sa réactivation dans la majorité des cellules tumorales. De plus, les observations contradictoires entre le faible niveau d'expression d'ARN messager d'hTERT dans les cellules télomérase-positives et la très forte activité transcriptionnelle du promoteur d'hTERT en transfection restent incomprises. Dans cette étude, nous avons montré que la région proximale du gène hTERT (exon 1 et 2) était impliquée dans la répression de l'activité de son promoteur. Nous avons identifié le facteur CTCF comme étant un inhibiteur du promoteur d'hTERT, en se liant au niveau de son premier exon. La méthylation de l'exon 1 du gène hTERT, couramment observée dans les tumeurs mais pas dans les cellules normales, empêcherait la liaison de CTCF. L'étude du profil de méthylation du promoteur d'hTERT indique qu'une partie du promoteur reste déméthylée et qu'elle semble suffisante pour permettre une faible activité transcriptionnelle du gène hTERT. Ainsi, la méthylation particulière des régions régulatrices d'hTERT inhibe la liaison de CTCF tout en permettant une faible transcription du gène. Cependant, dans certaines cellules tumorales, le promoteur et la région proximale du gène hTERT ne sont pas méthylés. Dans les lignées cellulaires tumorales de tesitcules et d'ovaires, l'inhibition de CTCF est contrée par son paralogue BORIS, qui se lie aussi au niveau de l'exon 1 d'hTERT, mais permet ainsi l'activation du promoteur. L'étude de l'expression du gène BORIS montre qu'il est exclusivement exprimé dans les tissus normaux de testicules et d'ovaires jeunes, ainsi qu'à différents niveaux dans la plupart des tumeurs. Sa transcription est sous le contrôle de deux promoteurs. Le promoteur proximal est régulé par méthylation et un transcrit alternatif majoritaire, délété de l'exon 6, est trouvé lorsque ce promoteur est actif. Tous ces résultats conduisent à un modèle de régulation du gène hTERT qui tient compte du profil épigénétique du gène et qui permet d'expliquer le faible taux de transcription observé in vivo. De plus, l'expression de BORIS dans les cancers et son implication dans l'activation du gène hTERT pourrait permettre de comprendre les phénomènes de dérégulation épigénétique et d'immortalisation qui ont lieu durant la tumorigenèse. SUMMARY Telomerase confers an unlimited lifespan, and is reactivated in most tumor cells. The catalytic subunit of telomerase, hTERT, is defined as the limiting factor for telomerase activity. Between activators and repressors that bind to the hTERT 5' regulatory region, and the role of CpG methylation and histone acetylation, an abundance of regulatory models have been suggested. None of these models can explain the silence of telomerase in most somatic cells and its reactivation in tumor cells. Moreover, the contradictory observations of the low level of hTERT mRNA in telomerase-positive cells and the high transcriptional activity of the hTERT promoter in transfection experiments remain unresolved. In this study, we demonstrated that the proximal exonic region of the hTERT gene (exon 1 and 2) is involved in the inhibition of its promoter. We identified the protein CTCF as the inhibitor of the hTERT promoter, through its binding to the first exon. The methylation of the first exon region, which is often observed in cancer cells but not in noimal cells, represses CTCF binding. Study of hTERT promoter methylation shows a partial demethylation sufficient to activate the transcription of the hTERT gene. Therefore, we demonstrated that the particular methylation profile of the hTERT regulatory sequences inhibits the binding of CTCF, while it allows a low transcription of the gene. Nevertheless, in some tumor cells, the promoter and the proximal exonic region of hTERT are unmethylated. In testicular and ovarian cancer cell lines, CTCF inhibition is counteracted by its BORIS paralogue that also binds the hTERT first exon but allows the promoter activation. The study of BORIS gene regulation showed that this factor is exclusively expressed in normal tissue of testis and ovary of young woman, as well as in almost all tumors with different levels. Two promoters were found to induce its transcription. The proximal promoter was regulated by methylation. Moreover, a major alternative transcript, deleted of the exon 6, is detected when this promoter is active. All these results lead to a model for hTERT regulation that takes into account the epigenetic profile of the gene and provides an explanation for the low transcriptional level observed in vivo. BORIS expression in cancers and its implication in hTERT activation might also permit the understanding of epigenetic deregulation and immortalization phenomena that occur during tumorigenesis.

Génération d'une souris dépourvue du gène VIT32 de manière conditionnelle: étude du phénotype rénal chez les souris dépourvues de RGS2

Résumé Dans le rein, la vasopressine possède un rôle essentiel dans la régulation fine du transport d'eau et participe au contrôle de la réabsorption du sodium. Cette action est conduite par l'activation du récepteur à la vasopressine V2R situé dans l'anse de Henle, dans le tubule connecteur et dans le canal collecteur du néphron des rongeurs et conduit à la formation d'AMPc entraînant un mécanisme d'action caractérisé par deux phases distinctes. Le premier effet de la vasopressine est non génomique et a lieu rapidement après l'activation du récepteur, la deuxième phase est plus tardive et possède la caractéristique de moduler la transcription d'un réseau de gènes. Parmi ces gènes, plusieurs sont directement impliqués dans le transport d'eau et de sodium, comme l'Aqp2 et 3, ENaC et la Na,K-ATPase. L'identification des effets de la voie de signalisation de la vasopressine représente un point crucial pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la réabsorption de l'eau et du sodium dans le néphron. L'analyse en série de l'expression de gènes (SAGE) réalisée en 2001 dans notre laboratoire a permis de caractériser le transcriptome dépendant de la vasopressine dans la lignée cellulaire mpkCCDc14,a dérivée du canal collecteur cortical (CCD) de souris. Deux des transcrits induits par la vasopressine (VIT) ont fait l'objet des études de ce travail de thèse. Le premier est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) qui code pour une protéine ne possédant aucune homologie avec des domaines protéiques dont la fonction est connue. Dans le système d'expression de l'ovocyte de Xenopus laevis, VIT32 induit la maturation des ovocytes et diminue le courant sensible à l'amiloride de manière dépendante de la voie des MAPK. Dans les mpkCCDc14, l'inhibition de la voie des MAPK diminue le courant sodique en diminuant l'activité de la Na,K-ATPase, mais sans modifier le courant d'ENaC. Ainsi la voie de signalisation des MAPK peut avoir des cibles différentes suivant le système dans lequel elle est étudiée. C'est pourquoi nous avons décidé de poursuivre l'étude de VIT32 dans un contexte physiologique en créant une souris dépourvue du gène codant pour VIT32 de manière conditionnelle (conditional knockout). La première partie de cette thèse a donc consisté à générer cette souris. Le deuxième transcrit induit par la vasopressine qui a été étudié dans cette thèse est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, il a été montré que RGS2 inhibe des voies de signalisation dépendantes de récepteurs couplés à des protéines Gq et Gs. Dans notre étude, nous avons montré que dans le néphron de rein de souris, RGS2 est colocalisé avec V2R. In vivo, la vasopressine sécrétée lors d'une restriction en eau imposée à des souris augmente l'expression de RGS2. De plus, l'accumulation d'AMPc engendrée par l'action de la vasopressine sur les canaux collecteurs est significativement plus grande chez les souris dépourvues de RGS2 (rgs2 -/-). Cette induction de la signalisation de la vasopressine est corrélée à une augmentation de la réabsorption d'eau chez les souris rgs2 -/-. Ainsi RGS2 serait impliqué dans le rétrocontrôle négatif de la voie de signalisation de la vasopressine. Abstract In the kidney, vasopressin plays a key role in the control of water balance and participates in salt reabsorption. These actions are induced by the activation of V2 vasopressin receptor (V2R) located in the loop of Henle, in the connecting tubule and in the collecting duct leading to an increase in intracellular cAMP levels. The V2R-mediated vasopressin action elicits a rapid, non-genomic effect, during which water and salt reabsorption is rapidly increased and a late or genomic effect characterised by the long-term regulation of water and salt reabsorption through the transcriptional activation of a gene network that includes Aqp2, Aqp3, ENaC and Na,K-ATPase. Serial analysis of gene expression (SAGE) performed in 2001 in our laboratory characterised the vasopressin induced transcripts (VIT) in the mpkCCDc14 cell line. Two of them are studied in this thesis. The first one is VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) that encodes a protein that has no homology with any protein domain of known function. In the Xenopus laevis oocyte, VIT32 induces oocyte maturation and downregulates the ENaC amiloride sensitive current via the activation of the MAPK pathway. In mpkCCDc14 cell line, the MAPK pathway inhibition leads to a decrease of Na,K-ATPase activity without affecting ENaC current. Therefore, the MAPK pathway can act on different targets depending on the cellular context. Thus, we decided to investigate the function of VIT32 in its physiological environment by performing a conditional knockout mouse of VIT32. The first part of this thesis consisted in generating this mouse. The second studied vasopressin induced transcript is RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, RGS2 has been shown to inhibit Gq and Gs protein-coupled receptor pathway. In our study we show that RGS2 is co-localized with V2R in the mouse nephron. In vivo, vasopressin secreted during water restriction up-regulates RGS2 expression. Moreover, vasopressin-dependant accumulation of CAMP is significantly increased in the cortical collecting duct of RGS2 knockout mice. This increase is correlated with an increase in water reabsorption. RGS2 could be involved in the negative feedback regulation of V2R signalling. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 60% d'eau répartie à l'intérieur et à l'extérieur des cellules de notre organisme. Les cellules, unités fondamentales du vivant, puisent l'oxygène et les nutriments indispensables à leur fonctionnement dans le liquide extracellulaire. La composition du milieu doit être constante, car les variations peuvent perturber considérablement et parfois fatalement la fonction des cellules. Ainsi les organismes pluricellulaires ont développé des mécanismes permettant de contrôler la constance du milieu extracellulaire afin de maintenir l'état d'équilibre nommé homéostasie. Le rein joue un rôle majeur dans cette homéostasie grâce à sa capacité de réabsorber l'eau et les solutés en fonction des besoins de l'organisme. Cette fonction du rein est régulée par différentes hormones comme la vasopressine, qui permet de contrôler la réabsorption fine de l'eau et des solutés. Dans leurs membranes, les cellules possèdent des récepteurs leur permettant de répondre aux signaux extracellulaires comme le sont entre autres les hormones. Ainsi les cellules sensibles à la vasopressine possèdent un récepteur nommé V2R qui permet d'intégrer les signaux de la vasopressine en déclenchant tout une cascade d'événements conduisant à une modification de l'expression de certaines protéines impliquées directement ou non dans la réabsorption de l'eau et des solutés. Une étude précédente élaborée au sein de notre laboratoire a permis de répertorier les protéines dont l'expression est augmentée par de la vasopressine. Deux de ces protéines ont fait l'objet des études de cette thèse. La première protéine induite par la vasopressine est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32). Cette protéine est entre autres impliquée dans la réabsorption du sodium, mais la fonction précise de VIT32 dans ce transport n'a pas pu être déterminée. Une des approches possibles pour l'étude de la fonction d'une protéine est de supprimer son expression chez la souris et d'étudier les conséquences de son absence. Ces souris sont appelées des souris knockout, puisque la protéine en question ne peut plus agir. La première partie de cette thèse a donc consisté à générer une souris dépourvue du gène de VIT32. La deuxième protéine étudiée est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). Cette protéine inhibe certaines voies de signalisation activées par différentes hormones. Dans cette partie du travail de thèse, nous avons pu mettre en évidence que RGS2 agit comme un inhibiteur de la voie de signalisation de la vasopressine. En modifiant cette signalisation, RGS2 serait donc un médiateur du contrôle de la réabsorption d'eau dans les cellules du rein sensibles à la vasopressine.

Metabolic gene expression changes in astrocytes in Multiple Sclerosis cerebral cortex are indicative of immune-mediated signaling.

Emerging as an important correlate of neurological dysfunction in Multiple Sclerosis (MS), extended focal and diffuse gray matter abnormalities have been found and linked to clinical manifestations such as seizures, fatigue and cognitive dysfunction. To investigate possible underlying mechanisms we analyzed the molecular alterations in histopathological normal appearing cortical gray matter (NAGM) in MS. By performing a differential gene expression analysis of NAGM of control and MS cases we identified reduced transcription of astrocyte specific genes involved in the astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) and the glutamate-glutamine cycle (GGC). Additional quantitative immunohistochemical analysis demonstrating a CX43 loss in MS NAGM confirmed a crucial involvement of astrocytes and emphasizes their importance in MS pathogenesis. Concurrently, a Toll-like/IL-1β signaling expression signature was detected in MS NAGM, indicating that immune-related signaling might be responsible for the downregulation of ANLS and GGC gene expression in MS NAGM. Indeed, challenging astrocytes with immune stimuli such as IL-1β and LPS reduced their ANLS and GGC gene expression in vitro. The detected upregulation of IL1B in MS NAGM suggests inflammasome priming. For this reason, astrocyte cultures were treated with ATP and ATP/LPS as for inflammasome activation. This treatment led to a reduction of ANLS and GGC gene expression in a comparable manner. To investigate potential sources for ANLS and GGC downregulation in MS NAGM, we first performed an adjuvant-driven stimulation of the peripheral immune system in C57Bl/6 mice in vivo. This led to similar gene expression changes in spinal cord demonstrating that peripheral immune signals might be one source for astrocytic gene expression changes in the brain. IL1B upregulation in MS NAGM itself points to a possible endogenous signaling process leading to ANLS and GGC downregulation. This is supported by our findings that, among others, MS NAGM astrocytes express inflammasome components and that astrocytes are capable to release Il-1β in-vitro. Altogether, our data suggests that immune signaling of immune- and/or central nervous system origin drives alterations in astrocytic ANLS and GGC gene regulation in the MS NAGM. Such a mechanism might underlie cortical brain dysfunctions frequently encountered in MS patients.

Divergent evolution and purifying selection of the flaA gene sequences in Aeromonas

BACKGROUND: The bacterial flagellum is the most important organelle of motility in bacteria and plays a key role in many bacterial lifestyles, including virulence. The flagellum also provides a paradigm of how hierarchical gene regulation, intricate protein-protein interactions and controlled protein secretion can result in the assembly of a complex multi-protein structure tightly orchestrated in time and space. As if to stress its importance, plants and animals produce receptors specifically dedicated to the recognition of flagella. Aside from motility, the flagellum also moonlights as an adhesion and has been adapted by humans as a tool for peptide display. Flagellar sequence variation constitutes a marker with widespread potential uses for studies of population genetics and phylogeny of bacterial species. RESULTS: We sequenced the complete flagellin gene (flaA) in 18 different species and subspecies of Aeromonas. Sequences ranged in size from 870 (A. allosaccharophila) to 921 nucleotides (A. popoffii). The multiple alignment displayed 924 sites, 66 of which presented alignment gaps. The phylogenetic tree revealed the existence of two groups of species exhibiting different FlaA flagellins (FlaA1 and FlaA2). Maximum likelihood models of codon substitution were used to analyze flaA sequences. Likelihood ratio tests suggested a low variation in selective pressure among lineages, with an omega ratio of less than 1 indicating the presence of purifying selection in almost all cases. Only one site under potential diversifying selection was identified (isoleucine in position 179). However, 17 amino acid positions were inferred as sites that are likely to be under positive selection using the branch-site model. Ancestral reconstruction revealed that these 17 amino acids were among the amino acid changes detected in the ancestral sequence. CONCLUSION: The models applied to our set of sequences allowed us to determine the possible evolutionary pathway followed by the flaA gene in Aeromonas, suggesting that this gene have probably been evolving independently in the two groups of Aeromonas species since the divergence of a distant common ancestor after one or several episodes of positive selection. REVIEWERS: This article was reviewed by Alexey Kondrashov, John Logsdon and Olivier Tenaillon (nominated by Laurence D Hurst).

Molecular basis and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads

Les bactéries du genre Pseudomonas ont la capacité étonnante de s'adapter à différents habitats et d'y survivre, ce qui leur a permis de conquérir un large éventail de niches écologiques et d'interagir avec différents organismes hôte. Les espèces du groupe Pseudomonas fluorescens peuvent être facilement isolées de la rhizosphère et sont communément connues comme des Pseudomonas bénéfiques pour les plantes. Elles sont capables d'induire la résistance systémique des plantes, d'induire leur croissance et de contrer des phytopathogènes du sol. Un sous-groupe de ces Pseudomonas a de plus développé la capacité d'infecter et de tuer certaines espèces d'insectes. Approfondir les connaissances sur l'interaction de ces bactéries avec les insectes pourraient conduire au développement de nouveaux biopesticides pour la protection des cultures. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre la base moléculaire, l'évolution et la régulation de la pathogénicité des Pseudomonas plante-bénéfiques envers les insectes. Plus spécifiquement, ce travail a été orienté sur l'étude de la production de la toxine insecticide appelée Fit et sur l'indentification d'autres facteurs de virulence participant à la toxicité de la bactérie envers les insectes. Dans la première partie de ce travail, la régulation de la production de la toxine Fit a été évaluée par microscopie à épifluorescence en utilisant des souches rapportrices de Pseudomonas protegens CHA0 qui expriment la toxine insecticide fusionnée à une protéine fluorescente rouge, au site natif du gène de la toxine. Celle-ci a été détectée uniquement dans l'hémolymphe des insectes et pas sur les racines des plantes, ni dans les milieux de laboratoire standards, indiquant une production dépendante de l'hôte. L'activation de la production de la toxine est contrôlée par trois protéines régulatrices dont l'histidine kinase FitF, essentielle pour un contrôle précis de l'expression et possédant un domaine "senseur" similaire à celui de la kinase DctB qui régule l'absorption de carbone chez les Protéobactéries. Il est donc probable que, durant l'évolution de FitF, un réarrangement de ce domaine "senseur" largement répandu ait contribué à une production hôte-spécifique de la toxine. Les résultats de cette étude suggèrent aussi que l'expression de la toxine Fit est plutôt réprimée en présence de composés dérivés des plantes qu'induite par la perception d'un signal d'insecte spécifique. Dans la deuxième partie de ce travail, des souches mutantes ciblant des facteurs de virulence importants identifiés dans des pathogènes connus ont été générées, dans le but d'identifier ceux avec une virulence envers les insectes atténuée. Les résultats ont suggéré que l'antigène O du lipopolysaccharide (LPS) et le système régulateur à deux composantes PhoP/PhoQ contribuent significativement à la virulence de P. protegens CHA0. La base génétique de la biosynthèse de l'antigène O dans les Pseudomonas plante-bénéfiques et avec une activité insecticide a été élucidée et a révélé des différences considérables entre les lignées suite à des pertes de gènes ou des acquisitions de gènes par transfert horizontal durant l'évolution de certaines souches. Les chaînes latérales du LPS ont été montrées comme vitales pour une infection des insectes réussie par la souche CHA0, après ingestion ou injection. Les Pseudomonas plante-bénéfiques, avec une activité insecticide sont naturellement résistants à la polymyxine B, un peptide antimicrobien modèle. La protection contre ce composé antimicrobien particulier dépend de la présence de l'antigène O et de la modification du lipide A, une partie du LPS, avec du 4-aminoarabinose. Comme les peptides antimicrobiens cationiques jouent un rôle important dans le système immunitaire des insectes, l'antigène O pourrait être important chez les Pseudomonas insecticides pour surmonter les mécanismes de défense de l'hôte. Le système PhoP/PhoQ, connu pour contrôler les modifications du lipide A chez plusieurs bactéries pathogènes, a été identifié chez Pseudomonas chlororaphis PCL1391 et P. protegens CHA0. Pour l'instant, il n'y a pas d'évidence que des modifications du lipide A contribuent à la pathogénicité de cette bactérie envers les insectes. Cependant, le senseur-kinase PhoQ est requis pour une virulence optimale de la souche CHA0, ce qui suggère qu'il régule aussi l'expression des facteurs de virulence de cette bactérie. Les découvertes de cette thèse démontrent que certains Pseudomonas associés aux plantes sont de véritables pathogènes d'insectes et donnent quelques indices sur l'évolution de ces microbes pour survivre dans l'insecte-hôte et éventuellement le tuer. Les résultats suggèrent également qu'une recherche plus approfondie est nécessaire pour comprendre comment ces bactéries sont capables de contourner ou surmonter la réponse immunitaire de l'hôte et de briser les barrières physiques pour envahir l'insecte lors d'une infection orale. Pour cela, les futures études ne devraient pas uniquement se concentrer sur le côté bactérien de l'interaction hôte-microbe, mais aussi étudier l'infection du point de vue de l'hôte. Les connaissances gagnées sur la pathogénicité envers les insectes des Pseudomonas plante-bénéfiques donnent un espoir pour une future application en agriculture, pour protéger les plantes, non seulement contre les maladies, mais aussi contre les insectes ravageurs. -- Pseudomonas bacteria have the astonishing ability to survive within and adapt to different habitats, which has allowed them to conquer a wide range of ecological niches and to interact with different host organisms. Species of the Pseudomonas fluorescens group can readily be isolated from plant roots and are commonly known as plant-beneficial pseudomonads. They are capable of promoting plant growth, inducing systemic resistance in the plant host and antagonizing soil-borne phytopathogens. A defined subgroup of these pseudomonads evolved in addition the ability to infect and kill certain insect species. Profound knowledge about the interaction of these particular bacteria with insects could lead to the development of novel biopesticides for crop protection. This thesis thus aimed at a better understanding of the molecular basis, evolution and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads. More specifically, it was outlined to investigate the production of an insecticidal toxin termed Fit and to identify additional factors contributing to the entomopathogenicity of the bacteria. In the first part of this work, the regulation of Fit toxin production was probed by epifluorescence microscopy using reporter strains of Pseudomonas protegens CHAO that express a fusion between the insecticidal toxin and a red fluorescent protein in place of the native toxin gene. The bacterium was found to express its insecticidal toxin only in insect hemolymph but not on plant roots or in common laboratory media. The host-dependent activation of Fit toxin production is controlled by three local regulatory proteins. The histidine kinase of this regulatory system, FitF, is essential for the tight control of toxin expression and shares a sensing domain with DctB, a sensor kinase regulating carbon uptake in Proteobacteria. It is therefore likely that shuffling of a ubiquitous sensor domain during the evolution of FitF contributed to host- specific production of the Fit toxin. Findings of this study additionally suggest that host-specific expression of the Fit toxin is mainly achieved by repression in the presence of plant-derived compounds rather than by induction upon perceiving an insect-specific signal molecule. In the second part of this thesis, mutant strains were generated that lack factors previously shown to be important for virulence in prominent pathogens. A screening for attenuation in insect virulence suggested that lipopolysaccharide (LPS) O-antigen and the PhoP-PhoQ two-component regulatory system significantly contribute to virulence of P. protegens CHAO. The genetic basis of O-antigen biosynthesis in plant-beneficial pseudomonads displaying insect pathogenicity was elucidated and revealed extensive differences between lineages due to reduction and horizontal acquisition of gene clusters during the evolution of several strains. Specific 0 side chains of LPS were found to be vital for strain CHAO to successfully infect insects by ingestion or upon injection. Insecticidal pseudomonads with plant-beneficial properties were observed to be naturally resistant to polymyxin B, a model antimicrobial peptide. Protection against this particular antimicrobial compound was dependent on the presence of O-antigen and modification of the lipid A portion of LPS with 4-aminoarabinose. Since cationic antimicrobial peptides play a major role in the immune system of insects, O-antigenic polysaccharides could be important for insecticidal pseudomonads to overcome host defense mechanisms. The PhoP-PhoQ system, which is well-known to control lipid A modifications in several pathogenic bacteria, was identified in Pseudomonas chlororaphis PCL1391 and P. protegens CHAO. No evidence was found so far that lipid A modifications contribute to insect pathogenicity in this bacterium. However, the sensor kinase PhoQ was required for full virulence of strain CHAO suggesting that it additionally regulates the expression of virulence factors in this bacterium. The findings of this thesis demonstrate that certain plant-associated pseudomonads are true insect pathogens and give some insights into how these microbes evolved to survive within and eventually kill the insect host. Results however also point out that more in-depth research is needed to know how exactly these fascinating bacteria manage to bypass or overcome host immune responses and to breach physical barriers to invade insects upon oral infection. To achieve this, future studies should not only focus on the bacterial side of the microbe-host interactions but also investigate the infection from a host-oriented view. The knowledge gained about the entomopathogenicity of plant-beneficial pseudomonads gives hope for their future application in agriculture to protect plants not only against plant diseases but also against insect pests.

Developmental and tissue-specific involvement of peroxisome proliferator-activated receptor-alpha in the control of mouse uncoupling protein-3 gene expression.

Uncoupling protein-3 (UCP3) is a member of the mitochondrial carrier family expressed preferentially in skeletal muscle and heart. It appears to be involved in metabolic handling of fatty acids in a way that minimizes excessive production of reactive oxygen species. Fatty acids are powerful regulators of UCP3 gene transcription. We have found that the role of peroxisome proliferator-activated receptor-α (PPARα) on the control of UCP3 gene expression depends on the tissue and developmental stage. In adults, UCP3 mRNA expression is unaltered in skeletal muscle from PPARα-null mice both in basal conditions and under the stimulus of starvation. In contrast, UCP3 mRNA is down-regulated in adult heart both in fed and fasted PPARα-null mice. This occurs despite the increased levels of free fatty acids caused by fasting in PPARα-null mice. In neonates, PPARα-null mice show impaired UCP3 mRNA expression in skeletal muscle in response to milk intake, and this is not a result of reduced free fatty acid levels. The murine UCP3 promoter is activated by fatty acids through either PPARα or PPARδ but not by PPARγ or retinoid X receptor alone. PPARδ-dependent activation could be a potential compensatory mechanism to ensure appropriate expression of UCP3 gene in adult skeletal muscle in the absence of PPARα. However, among transcripts from other PPARα and PPARδ target genes, only those acutely induced by milk intake in wild-type neonates were altered in muscle or heart from PPARα-null neonates. Thus, PPARα-dependent regulation is required for appropriate gene regulation of UCP3 as part of the subset of fatty-acid-responsive genes in neonatal muscle and heart.

Control of gene expression in Trypanosomatidae

The study of mechanisms which control gene expression in trypanosomatids has developed at an increasing rate since 1989 when the first successful DNA transfection experiments were reported. Using primarily Trypanosoma brucei as a model, several groups have begun to elucidate the basic control mechanisms and to define the cellular factors involved in mRNA transcription, processing and translation in these parasites. This review focuses on the most recent studies regarding a subset of genes that are expressed differentially during the life cycle of three groups of parasites. In addition to T. brucei, I will address studies on gene regulation in a few species of Leishmania and the results obtained by a much more limited group of laboratories studying gene expression in Trypanosoma cruzi. It is becoming evident that the regulatory strategies chosen by different species of trypanosomatids are not similar, and that for these very successful parasites it is probably advantageous to employ multiple mechanisms simultaneously. In addition, with the increasing numbers of parasite genes that have now been submitted to molecular dissection, it is also becoming evident that, among the various strategies for gene expression control, there is a predominance of regulatory pathways acting at the post-transcriptional level.

Oxidative stress: molecular perception and transduction of signals triggering antioxidant gene defenses

Molecular oxygen (O2) is the premier biological electron acceptor that serves vital roles in fundamental cellular functions. However, with the beneficial properties of O2 comes the inadvertent formation of reactive oxygen species (ROS) such as superoxide (O2·-), hydrogen peroxide, and hydroxyl radical (OH·). If unabated, ROS pose a serious threat to or cause the death of aerobic cells. To minimize the damaging effects of ROS, aerobic organisms evolved non-enzymatic and enzymatic antioxidant defenses. The latter include catalases, peroxidases, superoxide dismutases, and glutathione S-transferases (GST). Cellular ROS-sensing mechanisms are not well understood, but a number of transcription factors that regulate the expression of antioxidant genes are well characterized in prokaryotes and in yeast. In higher eukaryotes, oxidative stress responses are more complex and modulated by several regulators. In mammalian systems, two classes of transcription factors, nuclear factor kB and activator protein-1, are involved in the oxidative stress response. Antioxidant-specific gene induction, involved in xenobiotic metabolism, is mediated by the "antioxidant responsive element" (ARE) commonly found in the promoter region of such genes. ARE is present in mammalian GST, metallothioneine-I and MnSod genes, but has not been found in plant Gst genes. However, ARE is present in the promoter region of the three maize catalase (Cat) genes. In plants, ROS have been implicated in the damaging effects of various environmental stress conditions. Many plant defense genes are activated in response to these conditions, including the three maize Cat and some of the superoxide dismutase (Sod) genes.

Les R-loops et leurs conséquences sur l'expression génique chez Escherichia coli.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus.

Globin Gene Expression: Role of Transcription Factors

La dérégulation de l'expression génétique est une base pathophysiologique de plusieurs maladies. On a utilisé le locus du gène β-globine humain comme modèle pour élucider le mécanisme de régulation de la transcription génétique et évaluer son expression génétique durant l'érythropoïèse. La famille des protéines 'E' est composée de facteurs de transcription qui possèdent plusieurs sites de liaison au sein de locus du gène β-globine, suggérant leur rôle potentiel dans la régulation de l’expression de ces gènes. Nous avons montré que les facteurs HEB, E2A et ETO2 interagissent d’une manière significative avec la région contrôle du Locus (LCR) et avec les promoteurs des gènes de la famille β-globine. Le recrutement de ces facteurs au locus est modifié lors de l'érythropoïèse dans les cellules souches hematopoitiques et les cellules erythroides de souris transgéniques pour le locus de la β-globine humain, ainsi que dans les cellules progénitrices hématopoïétiques humaines. De plus par cette étude, nous démontrons pour la première fois que le gène β-globine humain est dans une chromatine active et qu’il interagit avec des facteurs de transcriptions de type suppresseurs dans les cellules progénitrices lymphoïdes (voie de différentiation alternative). Cette étude a aussi été faite dans des souris ayant une génétique mutante caractérisée par l'absence des facteurs de transcription E2A ou HEB.

Étude du polymorphisme du gène majeur d’histocompatibilité de classe IIb (MHIIb) chez l’omble de fontaine (Salvelinus fontinalis)

Les molécules classiques du complexe majeur d’histocompatibilité de classe II (CMHII) sont des glycoprotéines de surface spécialisées dans la présentation de peptides, principalement dérivés de pathogènes extracellulaires, aux récepteurs des lymphocytes T CD4+ afin d’initier la réponse immunitaire adaptative. Elles sont encodées, avec celles du CMH de classe I, par les gènes les plus polymorphiques identifiés jusqu’à maintenant, avec plusieurs loci et une grande diversité allélique à chacun d’eux. De plus, le polymorphisme des gènes du CMHII n’est pas limité qu’aux séquences codantes. Il est également observé dans les promoteurs où on a démontré ses effets sur le niveau d’expression des gènes. La variation de la régulation d’un gène est considérée comme un facteur important et pour laquelle des modifications morphologiques, physiologiques et comportementales sont observées chez tous les organismes. Des séquences d’ADN répétées impliquées dans cette régulation ont été identifiées dans les régions non-codantes des génomes. D’un autre côté, la sélection par les pathogènes permettrait l’évolution et le maintien du polymorphisme des gènes du CMH chez les vertébrés. À ce sujet, plusieurs études ont montré l’implication de différents allèles du CMH dans la résistance ou la susceptibilité aux maladies. Cette étude avait pour objectifs de caractériser le polymorphisme du gène MHIIb chez l’omble de fontaine (Salvelinus fontinalis) et de documenter ses effets au niveau de la survie conférée par des allèles et/ou génotypes particuliers lors d’une infection, ainsi que sur la variation du niveau d’expression du gène dans différentes conditions. Dans une première partie, nous avons identifié un total de 6 allèles du gène MHIIb, désignés Safo-DAB*0101 à Safo-DAB*0601, qui montrent une grande similarité avec les séquences codantes provenant de poissons téléostéens et de l’humain. L’analyse des séquences du domaine b1 a permis de détecter l’effet d’une pression sélective positive pour maintenir le polymorphisme dans cette région de la molécule. Quatre de ces allèles ont été testés lors d’une expérience d’infection avec le pathogène Aeromonas salmonicida afin d’évaluer l’effet qu’ils pouvaient avoir sur la survie des poissons. Nous avons trouvé que l’allèle DAB*0101 était significativement associé à la résistance à la furonculose. En plus d’avoir été identifié chez les individus homozygotes pour cet allèle, l’effet a également été remarqué au niveau de la survie les poissons de génotype DAB*0101/*0201. À l’opposé, les facteurs de risque élevé obtenus pour les génotypes DAB*0201/*0301 et DAB*0301/*0401 suggèrent plutôt une association à la susceptibilité. Étant donné la faible fréquence à laquelle l’allèle DAB*0101 a été retrouvé dans la population, le modèle de la sélection dépendante de la fréquence pourrait expliquer l’avantage conféré par ce dernier et souligne l’importance de ce mécanisme pour le maintien du polymorphisme du gène MHIIb chez l’omble de fontaine. Dans une seconde partie, nous avons rapporté la présence d’un minisatellite polymorphique formé d’un motif de 32 nucléotides dans le second intron du gène MHIIb, et pour lequel un nombre exclusif de répétitions du motif a été associé à chaque allèle (69, 27, 20, 40, 19 et 25 répétitions pour les allèles DAB*0101 à DAB*0601 respectivement). L’expression relative de quatre allèles a été évaluée dans des poissons hétérozygotes aux températures de 6 ºC et 18 ºC. Les résultats indiquent que les allèles possédant un long minisatellite montrent une réduction de l’expression du gène d’un facteur 1,67 à 2,56 par rapport aux allèles qui en contiennent un court. De même, des allèles qui incluent des minisatellites de tailles similaires n’affichent pas de différence significative au niveau de l’abondance du transcrit aux deux températures. De plus, l’effet répressif associé aux longs minisatellites est amplifié à la température de 18 ºC dans des poissons de trois génotypes différents. Nous avons finalement observé une augmentation significative par un facteur 2,08 de l’expression totale du gène MHIIb à la température de 6 ºC. Ces résultats appuient l’implication des séquences d’ADN répétées dans la régulation de l’activité transcriptionnelle d’un gène et suggèrent qu’un minisatellite sensible aux différences de températures pourrait être soumis aux forces sélectives et jouer un rôle important dans l’expression de gènes et l’évolution des organismes poïkilothermes.

“Reconstruction of Gene Regulatory Network from Expression Profile of Plasma RNA Data of Colorectal Cancer Patients using Soft Computing Techniques”

Microarray data analysis is one of data mining tool which is used to extract meaningful information hidden in biological data. One of the major focuses on microarray data analysis is the reconstruction of gene regulatory network that may be used to provide a broader understanding on the functioning of complex cellular systems. Since cancer is a genetic disease arising from the abnormal gene function, the identification of cancerous genes and the regulatory pathways they control will provide a better platform for understanding the tumor formation and development. The major focus of this thesis is to understand the regulation of genes responsible for the development of cancer, particularly colorectal cancer by analyzing the microarray expression data. In this thesis, four computational algorithms namely fuzzy logic algorithm, modified genetic algorithm, dynamic neural fuzzy network and Takagi Sugeno Kang-type recurrent neural fuzzy network are used to extract cancer specific gene regulatory network from plasma RNA dataset of colorectal cancer patients. Plasma RNA is highly attractive for cancer analysis since it requires a collection of small amount of blood and it can be obtained at any time in repetitive fashion allowing the analysis of disease progression and treatment response.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Divergence Involving Global Regulatory Gene Mutations in an Escherichia coli Population Evolving under Phosphate Limitation

Many of the important changes in evolution are regulatory in nature. Sequenced bacterial genomes point to flexibility in regulatory circuits but we do not know how regulation is remodeled in evolving bacteria. Here, we study the regulatory changes that emerge in populations evolving under controlled conditions during experimental evolution of Escherichia coli in a phosphate-limited chemostat culture. Genomes were sequenced from five clones with different combinations of phenotypic properties that coexisted in a population after 37 days. Each of the distinct isolates contained a different mutation in 1 of 3 highly pleiotropic regulatory genes (hfq, spoT, or rpoS). The mutations resulted in dissimilar proteomic changes, consistent with the documented effects of hfq, spoT, and rpoS mutations. The different mutations do share a common benefit, however, in that the mutations each redirect cellular resources away from stress responses that are redundant in a constant selection environment. The hfq mutation lowers several individual stress responses as well the small RNA-dependent activation of rpoS translation and hence general stress resistance. The spoT mutation reduces ppGpp levels, decreasing the stringent response as well as rpoS expression. The mutations in and upstream of rpoS resulted in partial or complete loss of general stress resistance. Our observations suggest that the degeneracy at the core of bacterial stress regulation provides alternative solutions to a common evolutionary challenge. These results can explain phenotypic divergence in a constant environment and also how evolutionary jumps and adaptive radiations involve altered gene regulation.

Xylella fastidiosa: An in vivo system to study possible survival strategies within citrus xylem vessels based on global gene expression analysis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)