Conditional and inducible transgene expression in endothelial and hematopoietic cells using Cre/loxP and tetracycline-off systems

In the present study, the tetracycline-off and Cre/loxP systems were combined to gain temporal and spatial control of transgene expression. Mice were generated that carried three transgenes: Tie2-tTA, tet-O-Cre and either the ZEG or ZAP reporter. Tie2-tTA directs expression of tetracycline-controlled transactivator (tTA) in endothelial and hematopoietic cells under the control of the Tie2 promoter. Tet-O-Cre produces Cre recombinase from a minimal promoter containing the tet-operator (tetO). ZEG or ZAP contains a strong promoter and a loxP-flanked stop sequence, followed by an enhanced green fluorescence protein (EGFP) or human placental alkaline phosphatase (hPLAP) reporter. In the presence of tetracycline, the tTA transactivator produced by Tie-2-tTA is disabled and Cre is not expressed. In the absence of tetracycline, the tTA binds tet-O-Cre to drive the expression of Cre, which recombines the loxP sites of the ZEG or ZAP transgene and results in reporter gene expression. In the present study, the expression of the ZEG or ZAP reporter genes in embryos and adult animals with and without tetracycline treatment was examined. In the presence of tetracycline, no reporter gene expression was observed. When tetracycline was withdrawn, Cre excision was activated and the reporter genes were detected in endothelial and hematopoietic cells. These results demonstrate that this system may be used to bypass embryonic lethality and access adult phenotypes.

Rapid elimination of mature autoreactive B cells demonstrated by Cre-induced change in B cell antigen receptor specificity in vivo

Developing autoreactive B cells edit their B cell antigen receptor (BCR) in the bone marrow and are clonally deleted when they fail to reexpress an innocent BCR. Here, inducible Cre-loxP-mediated gene inversion is used to change the specificity of the BCR on mature IgM+ IgD+ B cells in vivo to address the fate of lymphocytes encountering self-antigens at this developmental stage. Expression of an autoreactive BCR on mature B cells leads to their rapid elimination from the periphery, a process that is inhibited by constitutive bcl-2 transgene expression in an antigen dose-dependent manner. Thus, selection of mature B cells into the long-lived peripheral pool does not prevent their deletion upon encounter of self-antigens.

Targeted DNA recombination in vivo using an adenovirus carrying the cre recombinase gene.

Conditional gene expression and gene deletion are important experimental approaches for examining the functions of particular gene products in development and disease. The cre-loxP system from bacteriophage P1 has been used in transgenic animals to induce site-specific DNA recombination leading to gene activation or deletion. To regulate the recombination in a spatiotemporally controlled manner, we constructed a recombinant adenoviral vector, Adv/cre, that contained the cre recombinase gene under regulation of the herpes simplex virus thymidine kinase promoter. The efficacy and target specificity of this vector in mediating loxP-dependent recombination were analyzed in mice that had been genetically engineered to contain loxP sites in their genome. After intravenous injection of the Adv/cre vector into adult animals, the liver and spleen showed the highest infectivity of the adenovirus as well as the highest levels of recombination, whereas other tissues such as kidney, lung, and heart had lower levels of infection and recombination. Only trace levels of recombination were detected in the brain. However, when the Adv/cre vector was injected directly into specific regions of the adult brain, including the cerebral cortex, hippocampus, and cerebellum, recombination was detectable at the injection site. Furthermore, when the Adv/cre vector was injected into the forebrains of neonatal mice, the rearranged toxP locus from recombination could be detected in the injected regions for at least 8 weeks. Taken together, these results demonstrate that the Adv/cre vector expressing a functional cre protein is capable of mediating loxP-dependent recombination in various tissues and the recombined gene locus may in some cases be maintained for an extended period. The use of the adenovirus vector expressing cre combined with localized delivery to specific tissues may provide an efficient means to achieve conditional gene expression or knockout with precise spatiotemporal control.

Cre-mediated site-specific translocation between nonhomologous mouse chromosomes.

Chromosome rearrangements, such as large deletions, inversions, or translocations, mediate migration of large DNA segments within or between chromosomes, which can have major effects on cellular genetic control. A method for chromosome manipulation would be very useful for studying the consequences of large-scale DNA rearrangements in mammalian cells or animals. With the use of the Cre-loxP recombination system of bacteriophage P1, we induced a site-specific translocation between the Dek gene on chromosome 13 and the Can gene on chromosome 2 in mouse embryonic stem cells. The estimated frequency of Cre-mediated translocation between the nonhomologous mouse chromosomes is approximately 1 in 1200-2400 embryonic stem cells expressing Cre recombinase. These results demonstrate the feasibility of site-specific recombination systems for chromosome manipulation in mammalian cells in vivo, breaking ground for chromosome engineering.

Calcitonin receptor plays a physiological role to protect against hypercalcemia in mice

It is well established that calcitonin is a potent inhibitor of bone resorption; however, a physiological role for calcitonin acting through its cognate receptor, the calcitonin receptor (CTR), has not been identified. Data from previous genetically modified animal models have recognized a possible role for calcitonin and the CTR in controlling bone formation; however, interpretation of these data are complicated, in part because of their mixed genetic background. Therefore, to elucidate the physiological role of the CTR in calcium and bone metabolism, we generated a viable global CTR knockout (KO) mouse model using the Cre/loxP system, in which the CTR is globally deleted by >94% but <100%. Global CTRKOs displayed normal serum ultrafiltrable calcium levels and a mild increase in bone formation in males, showing that the CTR plays a modest physiological role in the regulation of bone and calcium homeostasis in the basal state in mice. Furthermore, the peak in serum total calcium after calcitriol [1,25(OH)2D3]-induced hypercalcemia was substantially greater in global CTRKOs compared with controls. These data provide strong evidence for a biological role of the CTR in regulating calcium homeostasis in states of calcium stress.

Mammalian Mat1 subunit of Transcription Factor IIH in gene-specific and general transcription

All protein-encoding genes in eukaryotes are transcribed into messenger RNA (mRNA) by RNA Polymerase II (RNAP II), whose activity therefore needs to be tightly controlled. An important and only partially understood level of regulation is the multiple phosphorylations of RNAP II large subunit C-terminal domain (CTD). Sequential phosphorylations regulate transcription initiation and elongation, and recruit factors involved in co-transcriptional processing of mRNA. Based largely on studies in yeast models and in vitro, the kinase activity responsible for the phosphorylation of the serine-5 (Ser5) residues of RNAP II CTD has been attributed to the Mat1/Cdk7/CycH trimer as part of Transcription Factor IIH. However, due to the lack of good mammalian genetic models, the roles of both RNAP II Ser5 phosphorylation as well as TFIIH kinase in transcription have provided ambiguous results and the in vivo kinase of Ser5 has remained elusive. The primary objective of this study was to elucidate the role of mammalian TFIIH, and specifically the Mat1 subunit in CTD phosphorylation and general RNAP II-mediated transcription. The approach utilized the Cre-LoxP system to conditionally delete murine Mat1 in cardiomyocytes and hepatocytes in vivo and and in cell culture models. The results identify the TFIIH kinase as the major mammalian Ser5 kinase and demonstrate its requirement for general transcription, noted by the use of nascent mRNA labeling. Also a role for Mat1 in regulating general mRNA turnover was identified, providing a possible rationale for earlier negative findings. A secondary objective was to identify potential gene- and tissue-specific roles of Mat1 and the TFIIH kinase through the use of tissue-specific Mat1 deletion. Mat1 was found to be required for the transcriptional function of PGC-1 in cardiomyocytes. Transriptional activation of lipogenic SREBP1 target genes following Mat1 deletion in hepatocytes revealed a repressive role for Mat1apparently mediated via co-repressor DMAP1 and the DNA methyltransferase Dnmt1. Finally, Mat1 and Cdk7 were also identified as a negative regulators of adipocyte differentiation through the inhibitory phosphorylation of Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) γ. Together, these results demonstrate gene- and tissue-specific roles for the Mat1 subunit of TFIIH and open up new therapeutic possibilities in the treatment of diseases such as type II diabetes, hepatosteatosis and obesity.

ENaC-mediated alveolar fluid clearance and lung fluid balance depend on the channel-activating protease 1.

Sodium transport via epithelial sodium channels (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells (AEC) provides the driving force for removal of fluid from the alveolar space. The membrane-bound channel-activating protease 1 (CAP1/Prss8) activates ENaC in vitro in various expression systems. To study the role of CAP1/Prss8 in alveolar sodium transport and lung fluid balance in vivo, we generated mice lacking CAP1/Prss8 in the alveolar epithelium using conditional Cre-loxP-mediated recombination. Deficiency of CAP1/Prss8 in AEC induced in vitro a 40% decrease in ENaC-mediated sodium currents. Sodium-driven alveolar fluid clearance (AFC) was reduced in CAP1/Prss8-deficient mice, due to a 48% decrease in amiloride-sensitive clearance, and was less sensitive to beta(2)-agonist treatment. Intra-alveolar treatment with neutrophil elastase, a soluble serine protease activating ENaC at the cell surface, fully restored basal AFC and the stimulation by beta(2)-agonists. Finally, acute volume-overload increased alveolar lining fluid volume in CAP1/Prss8-deficient mice. This study reveals that CAP1 plays a crucial role in the regulation of ENaC-mediated alveolar sodium and water transport and in mouse lung fluid balance.

Tgfbi/Bigh3 silencing activates ERK in mouse retina.

BIGH3 is a secreted protein, part of the extracellular matrix where it interacts with collagen and integrins on the cell surface. BIGH3 can play opposing roles in cancer, acting as either tumor suppressor or promoter, and its mutations lead to different forms of corneal dystrophy. Although many studies have been carried out, little is known about the physiological role of BIGH3. Using the cre-loxP system, we generated a mouse model with disruption of the Bigh3 genomic locus. Bigh3 silencing did not result in any apparent phenotype modifications, the mice remained viable and fertile. We were able to determine the presence of BIGH3 in the retinal pigment epithelium (RPE). In the absence of BIGH3, a transient decrease in the apoptotic process involved in retina maturation was observed, leading to a transient increase in the INL thickness at P15. This phenomenon was accompanied by an increased activity of the pro-survival ERK pathway.

Étude de la fonction ovarienne chez les souris déficientes des enzymes hyaluronidases

Les mammifères femelles naissent avec un très grand nombre de follicules ovariens primordiaux (104-106); par contre, la grande majorité (99%) de ces follicules n’atteignent jamais la maturité et subissent l’atrésie, principalement par l’apoptose des cellules de la granulosa. Notre laboratoire a démontré que les hyaluronidases des mammifères induisent l’apoptose des cellules de la granulosa et sont impliquées dans l’atrésie des follicules mais que cet effet apoptotique ne serait pas dû à leur activité enzymatique. Notre modèle propose que les hyaluronidases aient un rôle dans les follicules non destinés à ovuler. Le but de la présente étude est d’évaluer la folliculogénèse et la fertilité des souris déficientes de ces enzymes. Les résultats montrent que la délétion de Hyal-3 ne semble pas affecter la fonction ovarienne des souris mais qu’il pourrait y avoir un effet compensatoire par Hyal-1 chez les souris déficientes de Hyal-3 étant donné que son expression est augmentée chez ces souris. La délétion de Hyal-1 a pour effet d’augmenter le nombre des follicules primordiaux, primaires et secondaires, particulièrement chez les souris de bas âge, et de diminuer le niveau d’apoptose des cellules de la granulosa. Afin d’évaluer la fonction de Hyal-1, -2 et -3 sans effet compensatoire entre elles, nous avons voulu créer une souris déficiente des ces 3 hyaluronidases spécifiquement dans les gonades en utilisant le système Cre/loxP. Un vecteur contenant la séquence Cre sous le contrôle du promoteur de Inhibin-α, qui conduit l’expression des gènes en aval chez les cellules somatiques des gonades, a été construit avec succès. En conclusion, cette étude nous révèle que Hyal-3 ne semble pas affecter la fonction ovarienne mais que la délétion de Hyal-1 augmente la folliculogénèse et diminue l’apoptose des cellules de la granulosa.

Étude du rôle de Pax6 dans la gliogenèse

Les astrocytes sont des cellules gliales présentes dans le système nerveux central, qui exercent de nombreuses fonctions physiologiques essentielles et sont impliquées dans la réponse aux lésions et dans plusieurs pathologies du cerveau. Les astrocytes sont générés par les cellules de la glie radiale, les précurseurs communs de la plupart des cellules neuronales et gliales du cerveau, après le début de la production des neurones. Le passage de la neurogenèse à la gliogenèse est le résultat de mécanismes moléculaires complexes induits par des signaux intrinsèques et extrinsèques responsables du changement de propriété des précurseurs et de leur spécification. Le gène Pax6 code pour un facteur de transcription hautement conservé, impliqué dans plusieurs aspects du développement du système nerveux central, tels que la régionalisation et la neurogenèse. Il est exprimé à partir des stades les plus précoces dans les cellules neuroépithéliales (les cellules souches neurales) et dans la glie radiale, dérivant de la différenciation de ces cellules. L’objectif de cette étude est d’analyser le rôle de Pax6 dans la différenciation et dans le développement des astrocytes. À travers l’utilisation d’un modèle murin mutant nul pour Pax6, nous avons obtenu des résultats suggérant que la suppression de ce gène cause l'augmentation de la prolifération et de la capacité d'auto-renouvellement des cellules souches neurales embryonnaires. In vitro, les cellules mutantes prolifèrent de façon aberrante et sous-expriment les gènes p57Kip2, p16Ink4a, p19Arf et p21Cip1, qui inhibent la progression du le cycle cellulaire. De plus, Pax6 promeut la différenciation astrocytaire des cellules souches neurales embryonnaires et est requis pour la différenciation des astrocytes dans la moëlle épinière. Les mutants nuls pour Pax6 meurent après la naissance à cause de graves défauts développementaux dus aux fonctions essentielles de ce gène dans le développement embryonnaire de plusieurs organes. En utilisant un modèle murin conditionnel basé sur le système CRE/ loxP (hGFAP-CRE/ Pax6flox/flox) qui présente l’inactivation de Pax6 dans les cellules de la glie radiale, viable après la naissance, nous avons montré que Pax6 est impliqué dans la maturation et dans le développement post-natal des astrocytes. Le cortex cérébral des souris mutantes conditionnelles ne présente pas d’astrocytes matures à l’âge de 16 jours et une très faible quantité d’astrocytes immatures à l’âge de trois mois, suggérant que Pax6 promeut la différenciation et la maturation des astrocytes. De plus, Pax6 semble jouer un rôle même dans le processus de différenciation et de maturation de cellules gliales rétiniennes. L’étude des gènes et des mécanismes moléculaires impliqués dans la génération des astrocytes est crucial pour mieux comprendre le rôle physiologique et les altérations pathologiques des ces cellules.

Études des rôles physiopathologiques de PTEN dans le tractus reproducteur femelle

La tumeur des cellules de la granulosa (GCT) représente 5% des cas de cancers ovariens chez la femme. Bien que considérées comme peu malignes, la mort survient dans 80% des cas suite à une recrudescence de la maladie. En dépit de ces statistiques sinistres, peu d’études ont été portées sur ce type de cancer. Le premier objectif de cette étude consistait à élucider les mécanismes moléculaires causant les GCT en démontrant l’implication de la voie de signalisation PI3K/AKT dans leur étiologie. Pour ce faire, nous avons employé la technologie Cre-Lox afin de cibler le gène Pten (antagoniste de cette voie) spécifiquement dans les cellules de la granulosa chez la souris. Ces souris (Ptenflox/flox;Amhr2cre/+) ont occasionnellement développé des GCT, soutenant notre hypothèse de l’importance de la voie PI3K/AKT dans leur étiologie. La voie WNT/CTNNB1 est une autre voie de signalisation qui a récemment été impliquée dans le développement des GCT. Dans le cadre de ce projet, nous avons également testé l’existence possible d’une synergie fonctionnelle entre les voies WNT/CTNNB1 et PI3K/AKT dans le développement de la maladie. Pour ce faire, nous avons créé le modèle transgénique Ptenflox/flox;Ctnnb1flox(ex3)/+;Amhr2cre/+, chez lequel les cellules de la granulosa présentant non seulement une désinhibition de la voie PI3K/AKT, mais aussi une suractivation de la voie WNT/CTNNB1. Tel que prédit, les souris Ptenflox/flox;Ctnnb1flox(ex3)/+;Amhr2cre/+ ont développé une forme de GCT beaucoup plus agressive que celle observée chez les femelles Ptenflox/flox;Amhr2cre/+. Spécifiquement, le développement des tumeurs se déclenchait plus tôt, leur croissance était beaucoup plus rapide, nous avons pu observer des métastases pulmonaires et la dissémination des cellules tumorales dans la cavité péritonéale, et la maladie était invariablement fatale avant l’âge de 8 semaines. Le modèle Ptenflox/flox;Ctnnb1flox (ex3)/+;Amhr2cre/+ a donc servi à démontrer l'existence d'une synergie entre les voies WNT/CTNNB1 et PI3K/AKT dans le développement de la GCT. De façon inattendue, les souris Ptenflox/flox;Amhr2cre/+ ont aussi présenté un phénotype de sous-fertilité qui n’était pas d’origine ovarienne. Il a récemment été démontré que la souche Amhr2cre dirige l’expression de Cre non seulement aux cellules de la granulosa, mais aussi au stroma utérin et au myomètre. Le second objectif de ce travail était donc de démontrer si et comment le phénotype d’infertilité chez les souris Ptenflox/flox;Amhr2cre/+ pouvait découler d’un défaut utérin. Lors de l'implantation, les cellules du stroma utérin se différencient en cellules déciduelles pour former la décidua maternelle (DM), qui se régresse ensuite par apoptose afin de faciliter l’invasion des cellules trophoblastiques. De plus, la DM, en collaboration avec le tissu foetal, recrute des uNKs dont le rôle est de remodeler les artères spiralées pour augmenter l’apport sanguin maternel vers le foetus en développement. Nous avons pu démontrer que l'utérus des femelles gestantes Ptenflox/flox;Amhr2cre/+ présentait une DM anormalement résistante à l'apoptose, moins de uNKs et des artères spiralées non-remodelées. Par conséquent, l’invasion des cellules du trophoblaste était restreinte, compromettant le développement et la survie de l'embryon. Nous avons donc établi pour la première fois l’importance de Pten lors de la décidualisation et de l’invasion du trophoblaste.

Establishing a Robust In Vitro Embryonic Stem Cell Differentiation Assay to Monitor the Hematopoietic Potential of DELES Clones

Afin d’effectuer des études fonctionnelles sur le génome de la souris, notre laboratoire a généré une bibliothèque de clones de cellules souches embryonnaires (ESC) présentant des suppressions chromosomiques chevauchantes aléatoires – la bibliothèque DELES. Cette bibliothèque contient des délétions couvrant environ 25% du génome murin. Dans le laboratoire, nous comptons identifier de nouveaux déterminants du destin des cellules hématopoïétiques en utilisant cet outil. Un crible primaire utilisant la benzidine pour démontrer la présence d'hémoglobine dans des corps embryoïdes (EBS) a permis d’identifier plusieurs clones délétés présentant un phénotype hématopoïétique anormal. Comme cet essai ne vérifie que la présence d'hémoglobine, le but de mon projet est d'établir un essai in vitro de différenciation des ESC permettant de mesurer le potentiel hématopoïétique de clones DELES. Mon hypothèse est que l’essai de différenciation hématopoïétique publié par le Dr Keller peut être importé dans notre laboratoire et utilisé pour étudier l'engagement hématopoïétique des clones DELES. À l’aide d’essais de RT-QPCR et de FACS, j’ai pu contrôler la cinétique de différenciation hématopoïétique en suivant l’expression des gènes hématopoïétiques et des marqueurs de surface comme CD41, c-kit, RUNX1, GATA2, CD45, β-globine 1 et TER-119. Cet essai sera utilisé pour valider le potentiel hématopoïétique des clones DELES candidats identifiés dans le crible principal. Mon projet secondaire vise à utiliser la même stratégie rétro-virale a base de Cre-loxP utilisée pour générer la bibliothèque DELES pour générer une bibliothèque de cellules KBM-7 contenant des suppressions chromosomiques chevauchantes. Mon but ici est de tester si la lignée cellulaire leuémique humaine presque haploïde KBM-7 peut être exploitée en utilisant l'approche DELES pour créer cette bibliothèque. La bibliothèque de clones KBM-7 servira à définir les activités moléculaires de drogues anti-leucémiques potentielless que nous avons identifiées dans le laboratoire parce qu’elles inhibent la croissance cellulaire dans plusieurs échantillons de leucémie myéloïde aiguë dérivés de patients. Elle me permettra également d'identifier les voies de signalisation moléculaires qui, lorsque génétiquement perturbées, peuvent conférer une résistance à ces drogues.

Leptin signaling in Kiss1 neurons arises after pubertal development

The adipocyte-derived hormone leptin is required for normal pubertal maturation in mice and humans and, therefore, leptin has been recognized as a crucial metabolic cue linking energy stores and the onset of puberty. Several lines of evidence have suggested that leptin acts via kisspeptin expressing neurons of the arcuate nucleus to exert its effects. Using conditional knockout mice, we have previously demonstrated that deletion of leptin receptors (LepR) from kisspeptin cells cause no puberty or fertility deficits. However, developmental adaptations and system redundancies may have obscured the physiologic relevance of direct leptin signaling in kisspeptin neurons. To overcome these putative effects, we re-expressed endogenous LepR selectively in kisspeptin cells of mice otherwise null for LepR, using the Cre-loxP system. Kiss1-Cre LepR null mice showed no pubertal development and no improvement of the metabolic phenotype, remaining obese, diabetic and infertile. These mice displayed decreased numbers of neurons expressing Kiss1 gene, similar to prepubertal control mice, and an unexpected lack of re-expression of functional LepR. To further assess the temporal coexpression of Kiss1 and Lepr genes, we generated mice with the human renilla green fluorescent protein (hrGFP) driven by Kiss1 regulatory elements and crossed them with mice that express Cre recombinase from the Lepr locus and the R26-tdTomato reporter gene. No coexpression of Kiss1 and LepR was observed in prepubertal mice. Our findings unequivocally demonstrate that kisspeptin neurons are not the direct target of leptin in the onset of puberty. Leptin signaling in kisspeptin neurons arises only after completion of sexual maturation.