Action anti-leucémique des inhibiteurs de la méthylation de l’ADN et de la déacétylation des histones

Les gènes suppresseurs de tumeurs (TSGs) contrôlent la prolifération cellulaire et leur inactivation joue un rôle important dans la leucémogénèse. Deux mécanismes épigénétiques majeurs sont impliqués dans la répression des TSGs: 1- la méthylation de l’ADN et 2- la déacétylation des histones des chromosomes. On les dit épigénétiques car ils n’affectent pas la séquence de l’ADN. Ces phénomènes sont réversibles, faisant donc d’eux des cibles thérapeutiques de choix. Dans le cadre de cette thèse, nous avons évalué le potentiel chimiothérapeutique de différents agents qui visent ces mécanismes épigénétiques et nous les avons administrés seuls et en combinaison dans le but d’améliorer leur efficacité. La 5-aza-2’-désoxycytidine (5-Aza-CdR) est un inhibiteur de la méthylation de l’ADN qui permet la ré-expression des TSGs. Cet agent s’est avéré efficace contre certaines maladies hématologiques et est d’ailleurs approuvé aux États-Unis dans le traitement du syndrome myélodysplasique depuis 2006. Cependant, le protocole d’administration optimal de cet agent, en termes de doses et de durée, n’est toujours pas établi. Nos recherches suggèrent que le celui-ci devrait être plus intensif que ce que rapporte la littérature. Les inhibiteurs des déacétylases des histones (HDACi) ont également montré une activité antinéoplasique intéressante. De récentes recherches ont montré que la combinaison d’agents ciblant à la fois la méthylation de l’ADN et la déacétylation des histones produit une réactivation synergique des TSGs, ce à quoi nous nous sommes intéressé. Nous avons observé que la co-administration d’un HDACi avec la 5-Aza-CdR potentialise son action anti-leucémique. Il est aussi possible d’augmenter l’activité de la 5-Aza-CdR en inhibant sa dégradation par l’enzyme cytidine (CR) désaminase. Nous avons observé que la co-administration du zebularine, un inhibiteur de la CR désaminase, avec la 5-Aza-CdR accroît son efficacité. Le zebularine est aussi un inhibiteur de la méthylation de l’ADN, ce qui pourrait contribuer à la potentialisation de la réponse anti-leucémique observée lors de la co-administration de ces deux agents. En résumé, il est possible d’augmenter l’efficacité anti-leucémique de la 5-Aza-CdR en : 1- intensifiant son protocole d’administration, en termes de doses et de durée, 2- la combinant avec un HDACi, et 3- diminuant sa dégradation par la CR désaminase. L’utilisation de ces résultats précliniques dans l’élaboration de protocoles cliniques pourrait être bénéfique à beaucoup de patients.

Importance of the HSP90 molecular chaperoning pathway for antibody diversification by determining AID stability

La protéine AID (déaminase induite par l’activation) joue un rôle central dans la réponse immunitaire adaptative. En désaminant des désoxycytidines en désoxyuridines au niveau des gènes immunoglobulines, elle initie l’hypermutation somatique (SHM), la conversion génique (iGC) et la commutation isotypique (CSR). Elle est essentielle à une réponse humorale efficace en contribuant à la maturation de l’affinité des anticorps et au changement de classe isotypique. Cependant, son activité mutagénique peut être oncogénique et causer une instabilité génomique propice au développement de cancers et de maladies autoimmunes. Il est donc critique de réguler AID, en particulier ses niveaux protéiques, pour générer une réponse immunitaire efficace tout en minimisant les risques de cancer et d’autoimmunité. Un élément de régulation est le fait qu’AID transite du cytoplasme vers le noyau mais reste majoritairement cytoplasmique à l’équilibre. AID est par ailleurs plus stable dans le cytoplasme que dans le noyau, ce qui contribue à réduire sa présence à proximité de l’ADN. Le but de cette thèse était d’identifier de nouveaux partenaires et déterminants d’AID régulant sa stabilité et ses fonctions biologiques. Dans un premier temps, nous avons identifié AID comme une nouvelle protéine cliente d’HSP90. Nous avons montré qu’HSP90 interagit avec AID dans le cytoplasme, ce qui empêche la poly-ubiquitination d’AID et sa dégradation par le protéasome. En conséquence, l’inhibition d’HSP90 résulte en une diminution significative des niveaux endogènes d’AID et corrèle avec une réduction proportionnelle de ses fonctions biologiques dans la diversification des anticorps mais aussi dans l’introduction de mutations aberrantes. Dans un second temps, nous avons montré que l’étape initiale dans la stabilisation d’AID par la voie de chaperonnage d’HSP90 dépend d’HSP40 et d’HSP70. En particulier, la protéine DnaJa1, qui fait partie de la famille des protéines HSP40s, limite la stabilisation d’AID dans le cytoplasme. La farnésylation de DnaJa1 est importante pour l’interaction entre DnaJa1 et AID et moduler les niveaux de DnaJa1 ou son état de farnésylation impacte à la fois les niveaux endogènes d’AID mais aussi la diversification des anticorps. Les souris DNAJA1-/- présentent une réponse immunitaire compromise en cas d’immunisation, qui est dûe à des niveaux réduits d’AID et un défaut de commutation de classe. Dans un troisième temps, nous avons montré que la protéine AID est intrinsèquement plus instable que sesprotéines paralogues APOBEC. Nous avons identifié l’acide aspartique en seconde position d’AID ainsi qu’un motif semblable au PEST comme des modulateurs de la stabilité d’AID. La modification de ces motifs augmente la stabilité d’AID et résulte en une diversification des anticorps plus efficace. En conclusion, l’instabilité intrinsèque d’AID est un élément de régulation de la diversification des anticorps. Cette instabilité est en partie compensée dans le cytoplasme par l’action protective de la voie de chaperonnage DnaJa1-HSP90. Par ailleurs, l’utilisation d’inhibiteurs d’HSP90 ou de farnésyltransférases pourrait être un outil intéressant pour la modulation indirecte des niveaux d’AID et le traitement de lymphomes/leucémies et de maladies auto-immunes causés par AID.

Le rôle du stress oxydant dans les changements épigénétiques contribuant aux complications du syndrome métabolique.

La méthylation de l'ADN est l'une des modifications épigénétiques au niveau des îlots CpG. Cette modification épigénétique catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMTs) consiste en la méthylation du carbone 5' d’une cytosine ce qui aboutit à la formation de 5-méthylcytosine. La méthylation de l'ADN est clairement impliquée dans l'inactivation des gènes et dans l'empreinte génétique. Elle est modulée par la nutrition, en particulier par les donneurs de méthyle et par une restriction protéique. Ces modifications épigénétiques persistent plus tard dans la vie et conduisent au développement de nombreuses pathologies telles que le syndrome métabolique et le diabète de type 2. En fait, de nombreux gènes clés subissent une modification de leur état de méthylation en présence des composants du syndrome métabolique. Cela montre que la méthylation de l'ADN est un processus important dans l'étiologie du syndrome métabolique. Le premier travail de ce doctorat a porté sur la rédaction d’un article de revue qui a examiné le cadre central du syndrome métabolique et analyser le rôle des modifications épigénétiques susceptibles d'influer sur l'apparition du stress oxydant et des complications cardiométaboliques. D’autre part, les cellules intestinales Caco-2/15, qui ont la capacité de se différencier et d’acquérir les caractéristiques physiologiques de l'intestin grêle, ont été utilisées et traitées avec du Fer-Ascorbate pour induire un stress oxydant. Le Fer-Ascorbate a induit une augmentation significative de l’inflammation et de la peroxydation des lipides (malondialdehyde) ainsi que des altérations de de la défense antioxydante (SOD2 et GPx) accompagnées de modifications épigénétiques. De plus, la pré-incubation des cellules avec de la 5-aza-2'-désoxycytidine, un agent de déméthylation et/ou l’antioxydant Trolox a normalisé la défense antioxydante, réduit la peroxydation des lipides et prévenu l'inflammation. Ce premier travail a démontré que les modifications du redox et l’inflammation induites par le Fer-Ascorbate peuvent impliquer des changements épigénétiques, plus particulièrement des changements dans la méthylation de l’ADN. Pour mieux définir l’impact du stress oxydant au niveau nutritionnel, des cochons d’Inde âgés de trois jours ont été séparés en trois groupes : 1) Témoins: alimentation régulière; 2) Nutrition parentérale (NP) 3) H2O2 : Témoins + 350 uM H2O2. Après quatre jours, pour un groupe, les perfusions ont été stoppées et les animaux sacrifiés pour la collecte des foies. Pour l’autre groupe d’animaux, les perfusions ont été arrêtées et les animaux ont eu un accès libre à une alimentation régulière jusqu'à la fin de l’étude, huit semaines plus tard où ils ont été sacrifiés pour la collecte des foies. Ceci a démontré qu’à une semaine de vie, l'activité DNMT et les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient inférieurs pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. A neuf semaines de vie, l’activité DNMT est restée basse pour le groupe NP alors que les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient plus faibles pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. Ce travail a démontré que l'administration de NP ou de H2O2, tôt dans la vie, induit une hypométhylation de l'ADN persistante en raison d'une inhibition de l'activité DNMT. Finalement, des souris ayant reçu une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ont été utilisées comme modèle in vivo de syndrome métabolique. Les souris ont été nourris soit avec un régime standard chow (témoins), soit avec une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ou avec une diète HFHS en combinaison avec du GFT505 (30 mg/kg), un double agoniste de PPARα et de PPARδ, pendant 12 semaines. La diète HFHS était efficace à induire un syndrome métabolique étant donnée l’augmentation du poids corporel, du poids hépatique, des adiposités viscérales et sous-cutanées, de l’insensibilité à l’insuline, des lipides plasmatiques et hépatiques, du stress oxydant et de l’inflammation au niveau du foie. Ces perturbations étaient accompagnées d’une déficience dans l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ concomitant avec une hyperméthylation de leurs promoteurs respectifs. L’ajout de GFT505 à la diète HFHS a empêché la plupart des effets cardiométaboliques induits par la diète HFHS via la modulation négative de l’hyperméthylation des promoteurs, résultant en l’augmentation de l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ. En conclusion, GFT505 exerce des effets métaboliques positifs en améliorant le syndrome métabolique induit par l'alimentation HFHS via des modifications épigénétiques des gènes PPARs. Ensemble, les travaux de cette thèse ont démontré que le stress oxydant provenant de la nutrition induit d’importants changements épigénétiques pouvant conduire au développement du syndrome métabolique. La nutrition apparait donc comme un facteur crucial dans la prévention de la reprogrammation fœtale et du développement du syndrome métabolique. Puisque les mécanismes suggèrent que le stress oxydant agit principalement sur les métabolites du cycle de la méthionine pour altérer l’épigénétique, une supplémentation en ces molécules ainsi qu’en antioxydants permettrait de restaurer l’équilibre redox et épigénétique.

Evidence of epigenetic regulation of the tumor suppressor gene cluster flanking RASSF1 in breast cancer cell lines

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Chemomodulation of human dendritic cell function by antineoplastic agents in low noncytotoxic concentrations

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A simple method for estimating global DNA methylation using bisulfite PCR of repetitive DNA elements

We report a method for studying global DNA methylation based on using bisulfite treatment of DNA and simultaneous PCR of multiple DNA repetitive elements, such as Alu elements and long interspersed nucleotide elements (LINE). The PCR product, which represents a pool of approximately 15000 genomic loci, could be used for direct sequencing, selective restriction digestion or pyrosequencing, in order to quantitate DNA methylation. By restriction digestion or pyrosequencing, the assay was reproducible with a standard deviation of only 2% between assays. Using this method we found that almost two-thirds of the CpG methylation sites in Alu elements are mutated, but of the remaining methylation target sites, 87% were methylated. Due to the heavy methylation of repetitive elements, this assay was especially useful in detecting decreases in DNA methylation, and this assay was validated by examining cell lines treated with the methylation inhibitor 5-aza-2'deoxycytidine (DAC), where we found a 1-16% decrease in Alu element and 18-60% LINE methylation within 3 days of treatment. This method can be used as a surrogate marker of genome-wide methylation changes. In addition, it is less labor intensive and requires less DNA than previous methods of assessing global DNA methylation.

Epigenetic Silencing of CRABP2 and MX1 in Head and Neck Tumors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The Rv1712 locus from Mycobacterium tuberculosis H37Rv codes for a functional CMP kinase that preferentially Phosphorylates dCMP

The Mycobacterium tuberculosis cmk gene, predicted to encode a CMP kinase (CMK), was cloned and expressed, and its product was purified to homogeneity. Steady-state kinetics confirmed that M. tuberculosis CMK is a monomer that preferentially phosphorylates CMP and dCMP by a sequential mechanism. A plausible role for CMK is discussed. Copyright © 2009, American Society for Microbiology. All Rights Reserved.

Advances in sickle cell disease treatment: From drug discovery until the patient monitoring

Sickle Cell Disease (SCD) is one of the most prevalent hematological diseases in the world. Despite the immense progress in molecular knowledge about SCD in last years few therapeutical sources are currently available. Nowadays the treatment is performed mainly with drugs such as hydroxyurea or other fetal hemoglobin inducers and chelating agents. This review summarizes current knowledge about the treatment and the advancements in drug design in order to discover more effective and safe drugs. Patient monitoring methods in SCD are also discussed. © 2011 Bentham Science Publishers Ltd.

Immunomodulatory effects of low dose chemotherapy and perspectives of its combination with immunotherapy

Given that cancer is one of the main causes of death worldwide, many efforts have been directed toward discovering new treatments and approaches to cure or control this group of diseases. Chemotherapy is the main treatment for cancer; however, a conventional schedule based on maximum tolerated dose (MTD) shows several side effects and frequently allows the development of drug resistance. On the other side, low dose chemotherapy involves antiangiogenic and immunomodulatory processes that help host to fight against tumor cells, with lower grade of side effects. In this review, we present evidence that metronomic chemotherapy, based on the frequent administration of low or intermediate doses of chemotherapeutics, can be better than or as efficient as MTD. Finally, we present some data indicating that noncytotoxic concentrations of antineoplastic agents are able to both up-regulate the immune system and increase the susceptibility of tumor cells to cytotoxic T lymphocytes. Taken together, data from the literature provides us with sufficient evidence that low concentrations of selected chemotherapeutic agents, rather than conventional high doses, should be evaluated in combination with immunotherapy. Copyright © 2012 UICC.

O controle epigenético da expressão gênica na carcinogênese mamária: investigação de genes candidatos a supressores tumorais mapeados em 3p21.3

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Silenciamento epigenético dos genes CRABP2 e MX1 em tumores de cabeça e pescoço

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Alterações epigenéticas e do número de cópias do gene SFN em carcinomas mamários

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Genética) - IBB

Treatment of Nuclear-Donor Cells or Cloned Zygotes with Chromatin-Modifying Agents Increases Histone Acetylation But Does Not Improve Full-Term Development of Cloned Cattle

Although somatic cell nuclear transfer (SCNT) is a promising tool, its potential use is hampered by the high mortality rates during the development to term of cloned offspring. Abnormal epigenetic reprogramming of donor nuclei after SCNT is thought to be the main cause of this low efficiency. We hypothesized that chromatin-modifying agents (CMAs) targeting chromatin acetylation and DNA methylation could alter the chromatin configuration and turn them more amenable to reprogramming. Thus, bovine fibroblasts were treated with 5-aza-2'-deoxycytidine (AZA) plus trichostatin (TSA) or hydralazine (HH) plus valproic acid (VPA) whereas, in another trial, cloned bovine zygotes were treated with TSA. The treatment of fibroblasts with either AZA + TSA or HH + VPA increased histone acetylation, but did not affect the level of DNA methylation. However, treatment with HH + VPA decreased cellular viability and proliferation. The use of these cells as nuclear donors showed no positive effect on pre- and postimplantation development. Regarding the treatment of cloned zygotes with TSA, treated one-cell embryos showed an increase in the acetylation patterns, but not in the level of DNA methylation. Moreover, this treatment revealed no positive effect on pre- and postimplantation development. This work provides evidence the treatment of either nuclear donor cells or cloned zygotes with CMAs has no positive effect on pre- and postimplantation development of cloned cattle.

Inactivation of the putative suppressor gene DOK1 by promoter hypermethylation in primary human cancers

The DOK1 gene is a putative tumour suppressor gene located on the human chromosome 2p13 which is frequently rearranged in leukaemia and other human tumours. We previously reported that the DOK1 gene can be mutated and its expression down-regulated in human malignancies. However, the mechanism underlying DOK1 silencing remains largely unknown. We show here that unscheduled silencing of DOK1 expression through aberrant hypermethylation is a frequent event in a variety of human malignancies. DOK1 was found to be silenced in nine head and neck cancer (HNC) cell lines studied and DOK1 CpG hypermethylation correlated with loss of gene expression in these cells. DOK1 expression could be restored via demethylating treatment using 5-aza-2'deoxycytidine. In addition, transduction of cancer cell lines with DOK1 impaired their proliferation, consistent with the critical role of epigenetic silencing of DOK1 in the development and maintenance of malignant cells. We further observed that DOK1 hypermethylation occurs frequently in a variety of primary human neoplasm including solid tumours (93% in HNC, 81% in lung cancer) and haematopoietic malignancy (64% in Burkitt's lymphoma). Control blood samples and exfoliated mouth epithelial cells from healthy individuals showed a low level of DOK1 methylation, suggesting that DOK1 hypermethylation is a tumour specific event. Finally, an inverse correlation was observed between the level of DOK1 gene methylation and its expression in tumour and adjacent non tumour tissues. Thus, hypermethylation of DOK1 is a potentially critical event in human carcinogenesis, and may be a potential cancer biomarker and an attractive target for epigenetic-based therapy.