The Molecular Consequences of CK2-mediated Phosphorylation of the TGA2 Transcription Factor within Systemic Acquired Resistance of Arabidopsis thaliana

During infection, the model plant Arabidopsis thaliana is capable of activating long lasting defence responses both in tissue directly affected by the pathogen and in more distal tissue. Systemic acquired resistance (SAR) is a type of systemic defence response deployed against biotrophic pathogens resulting in altered plant gene expression and production of antimicrobial compounds. One such gene involved in plant defence is called pathogenesis-related 1 (PR1) and is under the control of several protein regulators. TGA II-clade transcription factors (namely TGA2) repress PR1 activity prior to infection by forming large oligomeric complexes effectively blocking gene transcription. After pathogen detection, these complexes are dispersed by a mechanism unknown until now and free TGA molecules interact with the non-expressor of pathogenesis-related gene 1 (NPR1) protein forming an activating complex enabling PR1 transcription. This study elucidates the TGA2 dissociation mechanism by introducing protein kinase CK2 into this process. This enzyme efficiently phosphorylates TGA2 resulting in two crucial events. Firstly, the DNA-binding ability of this transcription factor is completely abolished explaining how the large TGA2 complexes are quickly evicted from the PR1 promoter. Secondly, a portion of TGA2 molecules dissociate from the complexes after phosphorylation which likely makes them available for the formation of the TGA2-NPR1 activating complex. We also show that phosphorylation of a multiserine motif found within TGA2’s N terminus is responsible for the change of affinity to DNA, while modification of a single threonine in the leucine zipper domain seems to be responsible for deoligomerization. Despite the substantial changes caused by phosphorylation, TGA2 is still capable of interacting with NPR1 and these proteins together form a complex on DNA promoting PR1 transcription. Therefore, we propose a change in the current model of how PR1 is regulated by adding CK2 which targets TGA2 displacing it’s complexes from the promoter and providing solitary TGA2 molecules for assembly of the activating complex. Amino acid sequences of regions targeted by CK2 in Arabidopsis TGA2 are similar to those found in TGA2 homologs in rice and tobacco. Therefore, the molecular mechanism that we have identified may be conserved among various plants, including important crop species, adding to the significance of our findings.

The role of transcription factor Pitx1 and its regulation by hypoxia in Adolescent Idiopathic Scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est définie comme une courbure de la colonne vertébrale supérieure à 10 degrés, qui est de cause inconnue et qui affecte de façon prépondérante les adolescents. Des études précédentes sur des modèles murins ont démontré une inactivation partielle du gène Pitx1. Cette inactivation partielle provoque une déformation spinale sévère lors du développement des souris Pitx1+/-, ce qui est grandement similaire au phénotype de la SIA. En se basant sur ces observations, nous postulons que la perte de fonction de Pitx1 pourrait avoir un rôle dans la SIA et pourrait être régulée par des mécanismes moléculaires spécifiques. En effet, des études faites sur l’expression de Pitx1 révèlent une perte de son expression dans les ostéoblastes dérivés de patients SIA au niveau de l’ARNm. Nous émettons l’hypothèse que la perte de Pitx1 dans la SIA pourrait être déclenchée par des facteurs hypoxiques puisqu’il est connu que Pitx1 est réprimé par l’hypoxie et que HIF-2 alpha est surexprimés dans les ostéoblastes des patients SIA même dans des conditions normoxiques. De plus, nous avons découvert une mutation dans le domaine ODD des HIF-1 alpha chez certains patients SIA (3,1%). Une fonction connue de ce domaine est de stabiliser et d’augmenter l’activité transcriptionnelle de HIF-1 alpha dans des conditions normoxiques. Nous avons confirmé, par la technique EMSA, l’existence d’un élément de réponse fonctionnel à l’hypoxie au niveau du promoteur de Pitx1. Cependant, des co-transfections avec des vecteurs d’expression pour HIF-1 alpha et HIF-2 alpha, en présence de leur sous-unité beta ARNT, ont conduit à une activation du promoteur de Pitx1 dans la lignée cellulaire MG-63 ainsi que dans les ostéoblastes des sujets contrôles. Il est intéressant de constater qu’aucune activité du promoteur de Pitx1 dans les ostéoblastes SIA n’a été observée, même après la co-expression de HIF-2 alpha et ARNT, confirmant le fait que l’expression de Pitx1 est abrogée dans la SIA. Dans l’ensemble, nos résultats démontrent un rôle important de Pitx1 dans la SIA et une possible régulation par des facteurs hypoxiques.

The BTB/POZ Transcription Factor Miz-1 Is Required To Regulate The Commitment, Survival And Differentiation Of Early B And T Cell Lineages

Les lymphocytes B et T sont issus de cellules progénitrices lymphoïdes de la moelle osseuse qui se différencient grâce à l’action de facteurs de transcription, cytokines et voies de signalisation, dont l’interleukine-7 (IL-7)/IL-7 récepteur (IL-7R). Le facteur de transcription c-Myc est exprimé par les cellules lymphoïdes et contrôle leur croissance et leur différenciation. Cette régulation transcriptionnelle peut être coordonnée par le complexe c-Myc/Myc-Interacting Zinc finger protein-1 (Miz-1). Le but de ce projet était de comprendre les mécanismes qui impliquent Miz-1 et le complexe c-Myc/Miz-1 dans le développement des lymphocytes B et T. Pour réaliser ce projet, des souris déficientes pour le domaine de transactivation de Miz-1 (Miz-1POZ) et des souris à allèles mutantes pour c-MycV394D, mutation qui empêche l’interaction avec Miz-1, ont été générées. La caractérisation des souris Miz 1POZ a démontré que l’inactivation de Miz-1 perturbe le développement des lymphocytes B et T aux stades précoces de leur différenciation qui dépend de l’IL-7. L’analyse de la cascade de signalisation IL-7/IL-7R a montré que ces cellules surexpriment la protéine inhibitrice SOCS1 qui empêche la phosphorylation de STAT5 et perturbe la régulation à la hausse de la protéine de survie Bcl-2. De plus, Miz-1 se lie directement au promoteur de SOCS1 et contrôle son activité. En plus de contrôler l’axe IL-7/IL-7R/STAT5/Bcl-2 spécifiquement aux stades précoces du développement afin d’assurer la survie des progéniteurs B et T, Miz-1 régule l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B afin de coordonner les signaux nécessaires pour la différenciation des cellules immatures. La caractérisation des souris c-MycV394D a montré, quant à elle, que les fonctions de Miz-1 dans les cellules B et T semblent indépendantes de c-Myc. Les cellules T des souris Miz-1POZ ont un défaut de différenciation additionnel au niveau de la -sélection, étape où les signaux initiés par le TCR remplacent ceux induits par IL-7 pour assurer la prolifération et la différenciation des thymocytes en stades plus matures. À cette étape du développement, une forme fonctionnelle de Miz-1 semble être requise pour contrôler le niveau d’activation de la voie p53, induite lors du processus de réarrangement V(D)J du TCR. L’expression de gènes pro-apoptotiques PUMA, NOXA, Bax et du régulateur de cycle cellulaire p21CIP1 est régulée à la hausse dans les cellules des souris Miz-1POZ. Ceci provoque un débalancement pro-apoptotique qui empêche la progression du cycle cellulaire des cellules TCR-positives. La survie des cellules peut être rétablie à ce stade de différenciation en assurant une coordination adéquate entre les signaux initiés par l’introduction d’un TCR transgénique et d’un transgène codant pour la protéine Bcl-2. En conclusion, ces études ont montré que Miz-1 intervient à deux niveaux du développement lymphoïde: l’un précoce en contrôlant la signalisation induite par l’IL-7 dans les cellules B et T, en plus de l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B; et l’autre tardif, en coordonnant les signaux de survie issus par le TCR et p53 dans les cellules T. Étant donné que les thymocytes et lymphocytes B immatures sont sujets à plusieurs rondes de prolifération, ces études serviront à mieux comprendre l’implication des régulateurs du cycle cellulaire comme c-Myc et Miz-1 dans la génération des signaux nécessaires à la différenciation non aberrante et à la survie des ces cellules. Enfin, les modèles expérimentaux, souris déficientes ou à allèles mutantes, utilisés pour ce travail permettront de mieux définir les bases moléculaires de la transformation maligne des lymphocytes B et T et de révéler les mécanismes conduisant au lymphome.

Role of the homeodomain transcription factor Hoxa13 in embryonic development and formation of extra-embryonic structures

La famille des gènes Hox code pour des facteurs de transcription connus pour leur contribution essentielle à l’élaboration de l’architecture du corps et ce, au sein de tout le règne animal. Au cours de l’évolution chez les vertébrés, les gènes Hox ont été redéfinis pour générer toute une variété de nouveaux tissus/organes. Souvent, cette diversification s’est effectuée via des changements quant au contrôle transcriptionnel des gènes Hox. Chez les mammifères, la fonction de Hoxa13 n’est pas restreinte qu’à l’embryon même, mais s’avère également essentielle pour le développement de la vascularisation fœtale au sein du labyrinthe placentaire, suggérant ainsi que sa fonction au sein de cette structure aurait accompagné l’émergence des espèces placentaires. Au chapitre 2, nous mettons en lumière le recrutement de deux autres gènes Hoxa, soient Hoxa10 et Hoxa11, au compartiment extra-embryonnaire. Nous démontrons que l’expression de Hoxa10, Hoxa11 et Hoxa13 est requise au sein de l’allantoïde, précurseur du cordon ombilical et du système vasculaire fœtal au sein du labyrinthe placentaire. De façon intéressante, nous avons découvert que l’expression des gènes Hoxa10-13 dans l’allantoïde n’est pas restreinte qu’aux mammifères placentaires, mais est également présente chez un vertébré non-placentaire, indiquant que le recrutement des ces gènes dans l’allantoïde précède fort probablement l’émergence des espèces placentaires. Nous avons généré des réarrangements génétiques et utilisé des essais transgéniques pour étudier les mécanismes régulant l’expression des gènes Hoxa dans l’allantoïde. Nous avons identifié un fragment intergénique de 50 kb capable d’induire l’expression d’un gène rapporteur dans l’allantoïde. Cependant, nous avons trouvé que le mécanisme de régulation contrôlant l’expression du gène Hoxa au sein du compartiment extra-embryonnaire est fort complexe et repose sur plus qu’un seul élément cis-régulateur. Au chapitre 3, nous avons utilisé la cartographie génétique du destin cellulaire pour évaluer la contribution globale des cellules exprimant Hoxa13 aux différentes structures embryonnaires. Plus particulièrement, nous avons examiné plus en détail l’analyse de la cartographie du destin cellulaire de Hoxa13 dans les pattes antérieures en développement. Nous avons pu déterminer que, dans le squelette du membre, tous les éléments squelettiques de l’autopode (main), à l’exception de quelques cellules dans les éléments carpiens les plus proximaux, proviennent des cellules exprimant Hoxa13. En contraste, nous avons découvert que, au sein du compartiment musculaire, les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes (Hoxa13lin+) s’étendent à des domaines plus proximaux du membre, où ils contribuent à générer la plupart des masses musculaires de l’avant-bras et, en partie, du triceps. De façon intéressante, nous avons découvert que les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes ne sont pas distribuées uniformément parmi les différents muscles. Au sein d’une même masse musculaire, les fibres avec une contribution Hoxa13lin+ différente peuvent être identifiées et les fibres avec une contribution semblable sont souvent regroupées ensemble. Ce résultat évoque la possibilité que Hoxa13 soit impliqué dans la mise en place de caractéristiques spécifiques des groupes musculaires, ou la mise en place de connections nerf-muscle. Prises dans leur ensemble, les données ici présentées permettent de mieux comprendre le rôle de Hoxa13 au sein des compartiments embryonnaires et extra-embryonnaires. Par ailleurs, nos résultats seront d’une importance primordiale pour soutenir les futures études visant à expliquer les mécanismes transcriptionnels soutenant la régulation des gènes Hoxa dans les tissus extra-embryonnaires.

Caractérisation du Prostate-derived Ets transcription factor (PDEF) comme antigène tumoral candidat des cancers invasifs du sein

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

Genesis and expansion of metazoan transcription factor gene classes

We know little about the genomic events that led to the advent of a multicellular grade of organization in animals, one of the most dramatic transitions in evolution. Metazoan multicellularity is correlated with the evolution of embryogenesis, which presumably was underpinned by a gene regulatory network reliant on the differential activation of signaling pathways and transcription factors. Many transcription factor genes that play critical roles in bilaterian development largely appear to have evolved before the divergence of cnidarian and bilaterian lineages. In contrast, sponges seem to have a more limited suite of transcription factors, suggesting that the developmental regulatory gene repertoire changed markedly during early metazoan evolution. Using whole- genome information from the sponge Amphimedon queenslandica, a range of eumetazoans, and the choanoflagellate Monosiga brevicollis, we investigate the genesis and expansion of homeobox, Sox, T- box, and Fox transcription factor genes. Comparative analyses reveal that novel transcription factor domains ( such as Paired, POU, and T- box) arose very early in metazoan evolution, prior to the separation of extant metazoan phyla but after the divergence of choanoflagellate and metazoan lineages. Phylogenetic analyses indicate that transcription factor classes then gradually expanded at the base of Metazoa before the bilaterian radiation, with each class following a different evolutionary trajectory. Based on the limited number of transcription factors in the Amphimedon genome, we infer that the genome of the metazoan last common ancestor included fewer gene members in each class than are present in extant eumetazoans. Transcription factor orthologues present in sponge, cnidarian, and bilaterian genomes may represent part of the core metazoan regulatory network underlying the origin of animal development and multicellularity.

Pre-B-cell transcription factor 1 and steroidogenic factor 1 synergistically regulate adrenocortical growth and steroidogenesis

variety of transcription factors including Wilms tumor gene (Wt-1), steroidogenic factor 1 (Sf-1), dosage-sensitive sex reversal, adrenal hypoplasia congenita on the X-chromosome, Gene 1 (Dax-1), and pre-B-cell transcription factor 1 (Pbx1) have been defined as necessary for regular adrenocortical development. However, the role of Pbx1 for adrenal growth and function in the adult organism together with the molecular relationship between Pbx1 and these other transcription factors have not been characterized. We demonstrate that Pbx haploinsufficiency (Pbx1(+/-)) in mice is accompanied by a significant lower adrenal weight in adult animals compared with wild-type controls. Accordingly, baseline proliferating cell nuclear antigen levels are lower in Pbx1(+/-) mice, and unilateral adrenalectomy results in impaired contralateral compensatory adrenal growth, indicating a lower proliferative potential in the context of Pbx1 haploinsufficiency. In accordance with the key role of IGFs in adrenocortical proliferation and development, real-time RT-PCR demonstrates significant lower expression levels of the IGF-I receptor, and up-regulation of IGF binding protein-2. Functionally, Pbx1(+/-) mice display a blunted corticosterone response after ACTH stimulation coincident with lower adrenal expression of the ACTH receptor (melanocortin 2 receptor, Mc2-r). Mechanistically, in vitro studies reveal that Pbx1 and Sf-1 synergistically stimulates Mc2-r promoter activity. Moreover, Sf-1 directly activates the Pbx1 promoter activity in vitro and in vivo. Taken together, these studies provide evidence for a role of Pbx1 in the maintenance of a functional adrenal cortex mediated by synergistic actions of Pbx1 and Sf-1 in the transcriptional regulation of the critical effector of adrenocortical differentiation, the ACTH receptor.

Comparative expression analysis of transcription factor genes in the endostyle of invertebrate chordates

The endostyle of invertebrate chordates is a pharyngeal organ that is thought to be homologous with the follicular thyroid of vertebrates. Although thyroid-like features such as iodine-concentrating and peroxidase activities are located in the dorsolateral part of both ascidian and amphioxus endostyles, the structural organization and numbers of functional units are different. To estimate phylogenetic relationships of each functional zone with special reference to the evolution of the thyroid, we have investigated, in ascidian and amphioxus, the expression patterns of thyroid-related transcription factors such as TTF-2/MoxE4 and Pax2/5/8, as well as the forkhead transcription factors FoxQ1 and FoxA. Comparative gene expression analyses depicted an overall similarity between ascidians and amphioxus endostyles, while differences in expression patterns of these genes might be specifically related to the addition or elimination of a pair of glandular zones. Expressions of Ci-FoxE and BbFoxE4 suggest that the ancestral FoxE class might have been recruited for the formation of thyroid-like region in a possible common ancestor of chordates. Furthermore, coexpression of FoxE4, Pax2/5/8, and TPO in the dorsolateral part of both ascidian and amphioxus endostyles suggests that genetic basis of the thyroid function was already in place before the vertebrate lineage. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Neurokinin-B transcription in erythroid cells - Direct activation by the hematopoietic transcription factor GATA-1

The GATA family of transcription factors establishes genetic networks that control developmental processes including hematopoiesis, vasculogenesis, and cardiogenesis. We found that GATA-1 strongly activates transcription of the Tac-2 gene, which encodes proneurokinin-B, a precursor of neurokinin-B (NK-B). Neurokinins function through G protein-coupled transmembrane receptors to mediate diverse physiological responses including pain perception and the control of vascular tone. Whereas an elevated level of NK-B was implicated in pregnancy-associated pre-eclampsia ( Page, N. M., Woods, R. J., Gardiner, S. M., Lomthaisong, K., Gladwell, R. T., Butlin, D. J., Manyonda, I. T., and Lowry, P. J. ( 2000) Nature 405, 797 - 800), the regulation of NK-B synthesis and function are poorly understood. Tac-2 was expressed in normal murine erythroid cells and was induced upon ex vivo erythropoiesis. An estrogen receptor fusion to GATA-1 (ER-GATA-1) and endogenous GATA-1 both occupied a region of Tac-2 intron-7, which contains two conserved GATA motifs. Genetic complementation analysis in GATA-1-null G1E cells revealed that endogenous GATA-2 occupied the same region of intron-7, and expression of ER-GATA-1 displaced GATA-2 and activated Tac-2 transcription. Erythroid cells did not express neurokinin receptors, whereas aortic and yolk sac endothelial cells differentially expressed neurokinin receptor subtypes. Since NK-B induced cAMP accumulation in yolk sac endothelial cells, these results suggest a new mode of vascular regulation in which GATA-1 controls NK-B synthesis in erythroid cells.

Techniques for quantifying effects of dietary antioxidants on transcription factor translocation and nitric oxide production in cultured cells

Dietary antioxidants can affect cellular processes relevant to chronic inflammatory diseases such as atherosclerosis. We have used non- standard techniques to quantify effects of the antioxidant soy isoflavones genistein and daidzein on translocation of Nuclear Factor-KB (NF-KB) and nitric oxide (NO) production, which are important in these diseases. Translocation was quantified using confocal immunofluoresecence microscopy and ratiometric image analysis. NO was quantified by an electrochemical method after reduction of its oxidation products in cell culture supernatants. Activation of the RAW 264.7 murine monocyte/macrophage cell line increased the ratio of nuclear to cytoplasmic immunostaining for NF-kB. The increase was exacerbated by pre-treatment with genistein or daidzein. To show that decreases could also be detected, pre-treatment with the pine bark extract Pycnogenol (R) r was examined, and found to reduce translocation. NO production was also increased by activation, but was reduced by pre-treatment with genistein or daidzein. In the EA. hy926 human endothelial cell line, constitutive production was detectable and was increased by thrombin. The confocal and electrochemical methods gave data that agreed with results obtained using the established electromobility shift and Griess assays, but were more sensitive, more convenient, gave more detailed information and avoided the use of radioisotopes.

Differential regulation of Krüppel-like factor family transcription factor expression in neonatal rat cardiac myocytes: effects of endothelin-1, oxidative stress and cytokines

Krüppel-like transcription factors (Klfs) modulate fundamental cell processes. Cardiac myocytes are terminally-differentiated, but hypertrophy in response to stimuli such as endothelin-1. H2O2 or cytokines promote myocyte apoptosis. Microarray studies of neonatal rat myocytes identified several Klfs as endothelin-1-responsive genes. We used quantitative PCR for further analysis of Klf expression in neonatal rat myocytes. In response to endothelin-1, Klf2 mRNA expression was rapidly increased ( approximately 9-fold; 15-30 min) with later increases in expression of Klf4 and Klf6 ( approximately 5-fold; 30-60 min). All were regulated as immediate early genes (cycloheximide did not inhibit the increases in expression). Klf5 expression was increased at 1-2 h ( approximately 13-fold) as a second phase response (cycloheximide inhibited the increase). These increases were transient and attenuated by U0126. H2O2 increased expression of Klf2, Klf4 and Klf6, but interleukin-1beta or tumor necrosis factor alpha downregulated Klf2 expression with no effect on Klf4 or Klf6. Of the Klfs which repress transcription, endothelin-1 rapidly downregulated expression of Klf3, Klf11 and Klf15. The dynamic regulation of expression of multiple Klf family members in cardiac myocytes suggests that, as a family, they are actively involved in regulating phenotypic responses (hypertrophy and apoptosis) to extracellular stimuli.

Repressor element 1 silencing transcription factor couples loss of pluripotency with neural induction and neural differentiation

Neural differentiation of embryonic stem cells (ESCs) requires coordinated repression of the pluripotency regulatory program and reciprocal activation of the neurogenic regulatory program. Upon neural induction, ESCs rapidly repress expression of pluripotency genes followed by staged activation of neural progenitor and differentiated neuronal and glial genes. The transcriptional factors that underlie maintenance of pluripotency are partially characterized whereas those underlying neural induction are much less explored, and the factors that coordinate these two developmental programs are completely unknown. One transcription factor, REST (repressor element 1 silencing transcription factor), has been linked with terminal differentiation of neural progenitors and more recently, and controversially, with control of pluripotency. Here, we show that in the absence of REST, coordination of pluripotency and neural induction is lost and there is a resultant delay in repression of pluripotency genes and a precocious activation of both neural progenitor and differentiated neuronal and glial genes. Furthermore, we show that REST is not required for production of radial glia-like progenitors but is required for their subsequent maintenance and differentiation into neurons, oligodendrocytes, and astrocytes. We propose that REST acts as a regulatory hub that coordinates timely repression of pluripotency with neural induction and neural differentiation.

Long-term depression activates transcription of immediate early transcription factor genes: involvement of serum response factor/Elk-1

Long-term depression (LTD) is one of the paradigms used in vivo or ex vivo for studying memory formation. In order to identify genes with potential relevance for memory formation we used mouse organotypic hippocampal slice cultures in which chemical LTD was induced by applications of 3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG). The induction of chemical LTD was robust, as monitored electrophysiologically. Gene expression analysis after chemical LTD induction was performed using cDNA microarrays containing >7,000 probes. The DHPG-induced expression of immediate early genes (c-fos, junB, egr1 and nr4a1) was subsequently verified by TaqMan polymerase chain reaction. Bioinformatic analysis suggested a common regulator element [serum response factor (SRF)/Elk-1 binding sites] within the promoter region of these genes. Indeed, here we could show a DHPG-dependent binding of SRF at the SRF response element (SRE) site within the promoter region of c-fos and junB. However, SRF binding to egr1 promoter sites was constitutive. The phosphorylation of the ternary complex factor Elk-1 and its localization in the nucleus of hippocampal neurones after DHPG treatment was shown by immunofluorescence using a phosphospecific antibody. We suggest that LTD leads to SRF/Elk-1-regulated gene expression of immediate early transcription factors, which could in turn promote a second broader wave of gene expression.