Rôle du gène Polycomb BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses

Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale la plus commune et létale chez l’adulte. Malgré les avancés fulgurantes dans la dernière décennie au niveau des thérapies contre le cancer, le pronostique reste inchangé. Le manque de spécificité des traitements est la cause première de la récurrence de cette tumeur. Une meilleure compréhension au niveau des mécanismes moléculaires et biologiques de cette tumeur est impérative. La découverte des cellules souches cancéreuses (CD133+) au niveau du GBM offre une nouvelle opportunité thérapeutique contre cette tumeur. Effectivement, les cellules CD133+ seraient responsables de l’établissement, le maintien et la progression du GBM. De plus, elles sont également la cause de la résistance du GBM faces aux traitements de radiothérapies. Ces cellules représentent une cible de choix dans le but d’éradiquer le GBM. L’oncogène BMI1 a été associé à plusieurs types de tumeurs et est également essentielle au maintien de différentes populations de cellules souches normales et cancéreuses. Une forte expression de BMI1 est observée au niveau du GBM et plus précisément, un enrichissement préférentiel de cette protéine est noté au niveau des cellules CD133+. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le rôle potentiel de BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses (CSC), CD133+ du GBM. La fonction principale de BMI1 est la régulation négative du locus INK4A/ARF. Ce locus est impliqué dans l’activation de deux voies majeurs anti-tumorales : P53 et RB. Or, la perte de BMI1 induit in vitro une diminution des capacités prolifératives, une augmentation de la différentiation et de l’apoptose, ainsi qu’une augmentation de la radiosensibilité des CSC du GBM indépendamment de la présence du locus INK4A/ARF. Effectivement, deux tumeurs sur trois possèdent une délétion de ce locus, ce qui suggère que BMI1 possède d’autre(s) cible(s) transcriptionnelle(s). Parmi ces nouvelles cibles ont retrouve la protéine P21, un régulateur négatif du cycle cellulaire. De plus, la perte de BMI1 inhibe l’établissement d’une tumeur cérébrale lors d’études de xénogreffe chez la souris NOD/SCID. Également, une nouvelle fonction de BMI1 indépendante de son activité transcriptionnel a été démontrée. Effectivement, suite à l’induction d’un bris double brin (BDB) de l’ADN, BMI1 est rapidement recruté au niveau de la lésion et influence le recrutement des protéines de reconnaissance du dommage à l’ADN. La perte de BMI1 mène à un défaut au niveau de la reconnaissance et la réparation de l’ADN, alors que sa surexpression induit plutôt une augmentation de ces mécanismes et procure une radiorésistance. Ces résultats décrivent pour la première fois l’importance de BMI1 au niveau du maintien, de l’auto-renouvellement et la radiorésistance des CSC du GBM. Ainsi, ces travaux démontrent que la protéine BMI1 représente une cible thérapeutique de choix dans le but d’éradiquer le GBM, une tumeur cérébrale létale.

Analyse génétique de la fonction du gène Polycomb Bmi1 dans le développement et la survie des photorécepteurs chez la souris.

La rétine est constituée de plusieurs types de neurones incluant les cellules amacrines, ganglionnaires, bipolaires et les photorécepteurs. Les photorécepteurs, qui englobent les cônes et les bâtonnets, sont des neurones sensoriels hautement spécialisés qui permettent la conversion de la lumière en signaux électriques par le mécanisme de phototransduction. Les mécanismes moléculaires par lesquels les progéniteurs rétiniens (RPCs) se différencient en différents neurones spécialisés comme les photorécepteurs sont encore peu connus. Le gène Polycomb Bmi1 appartient à la famille des gènes Polycomb qui forment des complexes multimériques impliqués dans la répression de l’expression génique via le remodelage de la chromatine. Au niveau biologique, le gène Bmi1 régule, entre autre, le contrôle de la prolifération cellulaire, le métabolisme des radicaux libres, et la réparation de l’ADN. Récemment, il a été démontré que Bmi1 joue un rôle critique dans la prolifération et l’auto-renouvellement d’un groupe de RPCs immatures. De plus, Bmi1 est essentiel au développement post-natal de la rétine. L'objectif de cette étude est d'analyser le rôle de Bmi1 dans le développement et la survie des photorécepteurs chez la souris. Nos résultats révèlent un phénotype de dégénérescence des photorécepteurs de types cônes chez notre modèle de souris déficiente pour Bmi1. Les bâtonnets sont insensibles à la mutation. De plus, Bmi1 est exprimé de façon prédominante dans les cônes. Nos expériences de culture de cellules rétiniennes suggèrent que le phénotype est cellule-autonome. Par ailleurs, la co-délétion du gène Chk2, membre de la réponse aux dommages à l'ADN, permet de ralentir la progression du phénotype. Les rétines Bmi1-/- et Bmi1-/-Chk2-/- présentent une augmentation importante des dommages oxydatifs à l'ADN. Ces résultats suggèrent que le stress oxydatif pourrait jouer un rôle important dans la survie des cônes. L'étude du rôle du gène Polycomb Bmi1 dans les photorécepteurs est importante pour une meilleure compréhension des mécanismes contribuant à la survie des cônes et pourrait mener à la découverte de nouveaux traitements des maladies dégénératives des cônes.

Étude moléculaire de la fonction du gène Bmi1 dans le processus de sénescence du système nerveux

Des études présentées dans cette thèse ont permis de démontrer que le gène du groupe Polycomb (PcG) Bmi1 est essentiel à l’auto-renouvellement des progéniteurs rétiniens immatures et pour le développement rétinien après la naissance. Ce travail illustre chez l’embryon que Bmi1 est hautement enrichie dans une sous-population de progéniteurs rétiniens exprimant le marqueur de surface SSEA-1 et différents marqueurs de cellules souches. À tous les stades de développement analysés, l’absence de Bmi1 résulte en une diminution de la prolifération et de l’auto-renouvellement des progéniteurs immatures. Pour mieux comprendre la cascade moléculaire en absence de Bmi1, nous avons inactivé p53 dans les colonies Bmi1-/-. Cette inactivation a permis une restauration partielle du potentiel d’auto-renouvellement. De plus, en absence de Bmi1, la prolifération et la maintenance de la population de progéniteurs rétiniens immatures localisés dans le corps ciliaire sont aussi affectées après la naissance. Bmi1 permet donc de distinguer les progéniteurs immatures de la population principale de progéniteurs, et est requis pour le développement normal de la rétine. Nous avons également démontré que l’oncogène Bmi1 est requis dans les neurones pour empêcher l’apoptose et l’induction d’un programme de vieillissement prématuré, causé par une baisse des défenses anti-oxydantes. Nous avons observé dans les neurones Bmi1-/- une augmentation des niveaux de p53, de la concentration des ROS et de la sensibilité aux agents neurotoxiques. Nous avons démontré ainsi que Bmi1 contrôle les défenses anti-oxydantes dans les neurones en réprimant l’activité pro-oxydante de p53. Dans les neurones Bmi1-/-, p53 provoque la répression des gènes anti-oxydants, induisant une augmentation des niveaux de ROS. Ces résultats démontrent pour la première fois que Bmi1 joue un rôle critique dans la survie et le processus de vieillissement neuronal.

The E2F6 transcription factor is a component of the mammalian Bmi1-containing polycomb complex

The E2F transcription factors play a key role in the regulation of cellular proliferation and terminal differentiation. E2F6 is the most recently identified and the least well understood member of the E2F family. It is only distantly related to the other E2Fs and lacks the sequences responsible for both transactivation and binding to the retinoblastoma protein. Consistent with this finding, E2F6 can behave as a dominant negative inhibitor of the other E2F family members. In this study, we continue to investigate the possible role(s) of E2F6 in vivo. We report the isolation of RYBP, a recently identified member of the mammalian polycomb complex, as an E2F6-interacting protein. Mapping studies indicate that RYBP binds within the known “repression domain” of E2F6. Moreover, we demonstrate that endogenous E2F6 and polycomb group proteins, including RYBP, Ring1, MEL-18, mph1, and the oncoprotein Bmi1, associate with one another. These findings suggest that the biological properties of E2F6 are mediated through its ability to recruit the polycomb transcriptional repressor complex.

Bmi1 regulates self-renewal and epithelial to mesenchymal transition in breast cancer cells through Nanog

Background: The Bmi1 polycomb ring finger oncogene, a transcriptional repressor belonging to the Polycomb group of proteins plays an important role in the regulation of stem cell self-renewal and is elevated in several cancers. In the current study, we have explored the role of Bmi1 in regulating the stemness and drug resistance of breast cancer cells. Methods: Using real time PCR and immunohistochemistry primary breast tissues were analyzed. Retro-and lentiviruses were utilized to overexpress and knockdown Bmi1, RT-PCR and Western blot was performed to evaluate mRNA and protein expression. Stemness properties were analyzed by flow cytometry and sphere-formation and tumor formation was determined by mouse xenograft experiments. Dual luciferase assay was employed to assess promoter activity and MTT assay was used to analyze drug response. Results: We found Bmi1 overexpression in 64% of grade III invasive ductal breast adenocarcinomas compared to normal breast tissues. Bmi1 overexpression in immortalized and transformed breast epithelial cells increased their sphere-forming efficiency, induced epithelial to mesenchymal transition ( EMT) with an increase in the expression of stemness-related genes. Knockdown of Bmi1 in tumorigenic breast cells induced epithelial morphology, reduced expression of stemness-related genes, decreased the IC50 values of doxorubicin and abrogated tumor-formation. Bmi1-high tumors showed elevated Nanog expression whereas the tumors with lower Bmi1 showed reduced Nanog levels. Overexpression of Bmi1 increased Nanog levels whereas knockdown of Bmi1 reduced its expression. Dual luciferase promoter-reporter assay revealed Bmi1 positively regulated the Nanog and NF kappa B promoter activity. RT-PCR analysis showed that Bmi1 overexpression activated the NF kappa B pathway whereas Bmi1 knockdown reduced the expression of NF kappa B target genes, suggesting that Bmi1 might regulate Nanog expression through the NF kappa B pathway. Conclusions: Our study showed that Bmi1 is overexpressed in several high-grade, invasive ductal breast adenocarcinomas, thus supporting its role as a prognostic marker. While Bmi1 overexpression increased self-renewal and promoted EMT, its knockdown reversed EMT, reduced stemness, and rendered cells drug sensitive, thus highlighting a crucial role for Bmi1 in regulating the stemness and drug response of breast cancer cells. Bmi1 may control self-renewal through the regulation of Nanog expression via the NF kappa B pathway.

Evidence for Alteration of EZH2, BMI1, and KDM6A and Epigenetic Reprogramming in Human Papillomavirus Type 16 E6/E7-Expressing Keratinocytes

A number of epigenetic alterations occur in both the virus and host cellular genomes during human papillomavirus (HPV)-associated carcinogenesis, and investigations of such alterations, including changes in chromatin proteins and histone modifications, have the potential to lead to therapeutic epigenetic reversion. We report here that transformed HPV16 E6/E7-expressing primary human foreskin keratinocytes (HFKs) (E6/E7 cells) demonstrate increased expression of the PRC2 methyltransferase EZH2 at both the mRNA and protein levels but do not exhibit the expected increase in trimethylated H3K27 (H3K27me3) compared to normal keratinocytes. In contrast, these cells show a reduction in global H3K27me3 levels in vitro, as well as upregulation of the KDM6A demethylase. We further show for the first time that transformation with the HPV16 E6 and E7 oncogenes also results in an increase in phosphorylated EZH2 serine 21 (P-EZH2-Ser21), mediated by active Akt, and in a downregulation of the PRC1 protein BMI1 in these cells. High-grade squamous cervical intraepithelial lesions also showed a loss of H3K27me3 in the presence of increased expression of EZH2. Correlating with the loss of H3K27me3, E6/E7 cells exhibited derepression of specific EZH2-, KMD6A-, and BMI1-targeted HOX genes. These results suggest that the observed reduction in H3K27me3 may be due to a combination of reduced activities/levels of specific polycomb proteins and increases in demethylases. The dysregulation of multiple chromatin proteins resulting in the loss of global H3K27me3 and the transcriptional reprogramming in HPV16 E6/E7-infected cells could provide an epigenetic signature associated with risk and/or progression of HPV16-associated cancers, as well as the potential for epigenetic reversion in the future.

The polycomb group gene EMF2B is essential for maintenance of floral meristem determinacy in rice

Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) represses the transcriptional activity of target genes through trimethylation of lysine 27 of histone H3. The functions of plant PRC2 have been chiefly described in Arabidopsis, but specific functions in other plant species, especially cereals, are still largely unknown. Here we characterize mutants in the rice EMF2B gene, an ortholog of the Arabidopsis EMBRYONIC FLOWER2 (EMF2) gene. Loss of EMF2B in rice results in complete sterility, and mutant flowers have severe floral organ defects and indeterminacy that resemble loss-of-function mutants in E-function floral organ specification genes. Transcriptome analysis identified the E-function genes OsMADS1, OsMADS6 and OsMADS34 as differentially expressed in the emf2b mutant compared with wild type. OsMADS1 and OsMADS6, known to be required for meristem determinacy in rice, have reduced expression in the emf2b mutant, whereas OsMADS34 which interacts genetically with OsMADS1 was ectopically expressed. Chromatin immunoprecipitation for H3K27me3 followed by quantitative (q)RT-PCR showed that all three genes are presumptive targets of PRC2 in the meristem. Therefore, in rice, and possibly other cereals, PRC2 appears to play a major role in floral meristem determinacy through modulation of the expression of E-function genes.

Cold-induced silencing by long antisense transcripts of an Arabidopsis Polycomb target.

Transcription in eukaryotic genomes generates an extensive array of non-protein-coding RNA, the functional significance of which is mostly unknown. We are investigating the link between non-coding RNA and chromatin regulation through analysis of FLC - a regulator of flowering time in Arabidopsis and a target of several chromatin pathways. Here we use an unbiased strategy to characterize non-coding transcripts of FLC and show that sense/antisense transcript levels correlate in a range of mutants and treatments, but change independently in cold-treated plants. Prolonged cold epigenetically silences FLC in a Polycomb-mediated process called vernalization. Our data indicate that upregulation of long non-coding antisense transcripts covering the entire FLC locus may be part of the cold-sensing mechanism. Induction of these antisense transcripts occurs earlier than, and is independent of, other vernalization markers and coincides with a reduction in sense transcription. We show that addition of the FLC antisense promoter sequences to a reporter gene is sufficient to confer cold-induced silencing of the reporter. Our data indicate that cold-induced FLC antisense transcripts have an early role in the epigenetic silencing of FLC, acting to silence FLC transcription transiently. Recruitment of the Polycomb machinery then confers the epigenetic memory. Antisense transcription events originating from 3' ends of genes might be a general mechanism to regulate the corresponding sense transcription in a condition/stage-dependent manner.

Functional characterization of Gne (UDP-N-acetylglucosamine-4-epimerase), Wzz (chain length determinant), and Wzy (O-antigen polymerase) of Yersinia enterocolitica serotype O:8

The lipopolysaccharide (LPS) O-antigen of Yersinia enterocolitica serotype O:8 is formed by branched pentasaccharide repeat units that contain N-acetylgalactosamine (GalNAc), L-fucose (Fuc), D-galactose (Gal), D-mannose (Man), and 6-deoxy-D-gulose (6d-Gul). Its biosynthesis requires at least enzymes for the synthesis of each nucleoside diphosphate-activated sugar precursor; five glycosyltransferases, one for each sugar residue; a flippase (Wzx); and an O-antigen polymerase (Wzy). As this LPS shows a characteristic preferred O-antigen chain length, the presence of a chain length determinant protein (Wzz) is also expected. By targeted mutagenesis, we identify within the O-antigen gene cluster the genes encoding Wzy and Wzz. We also present genetic and biochemical evidence showing that the gene previously called galE encodes a UDP-N-acetylglucosamine-4-epimerase (EC 5.1.3.7) required for the biosynthesis of the first sugar of the O-unit. Accordingly, the gene was renamed gne. Gne also has some UDP-glucose-4-epimerase (EC 5.1.3.2) activity, as it restores the core production of an Escherichia coli K-12 galE mutant. The three-dimensional structure of Gne was modeled based on the crystal structure of E. coli GalE. Detailed structural comparison of the active sites of Gne and GalE revealed that additional space is required to accommodate the N-acetyl group in Gne and that this space is occupied by two Tyr residues in GalE whereas the corresponding residues present in Gne are Leu136 and Cys297. The Gne Leu136Tyr and Cys297Tyr variants completely lost the UDP-N-acetylglucosamine-4-epimerase activity while retaining the ability to complement the LPS phenotype of the E. coli galE mutant. Finally, we report that Yersinia Wzx has relaxed specificity for the translocated oligosaccharide, contrary to Wzy, which is strictly specific for the O-unit to be polymerized.

A chromatin-independent role of Polycomb-like 1 to stabilize p53 and promote cellular quiescence

Polycomb-like proteins 1-3 (PCL1-3) are substoichiometric components of the Polycomb-repressive complex 2 (PRC2) that are essential for association of the complex with chromatin. However, it remains unclear why three proteins with such apparent functional redundancy exist in mammals. Here we characterize their divergent roles in both positively and negatively regulating cellular proliferation. We show that while PCL2 and PCL3 are E2F-regulated genes expressed in proliferating cells, PCL1 is a p53 target gene predominantly expressed in quiescent cells. Ectopic expression of any PCL protein recruits PRC2 to repress the INK4A gene; however, only PCL2 and PCL3 confer an INK4A-dependent proliferative advantage. Remarkably, PCL1 has evolved a PRC2- and chromatin-independent function to negatively regulate proliferation. We show that PCL1 binds to and stabilizes p53 to induce cellular quiescence. Moreover, depletion of PCL1 phenocopies the defects in maintaining cellular quiescence associated with p53 loss. This newly evolved function is achieved by the binding of the PCL1 N-terminal PHD domain to the C-terminal domain of p53 through two unique serine residues, which were acquired during recent vertebrate evolution. This study illustrates the functional bifurcation of PCL proteins, which act in both a chromatin-dependent and a chromatin-independent manner to regulate the INK4A and p53 pathways.