Dissecting the Relation between a Nuclear Receptor and GATA: Binding Affinity Studies of Thyroid Hormone Receptor and GATA2 on TSH beta Promoter

Background: Much is known about how genes regulated by nuclear receptors (NRs) are switched on in the presence of a ligand. However, the molecular mechanism for gene down-regulation by liganded NRs remains a conundrum. The interaction between two zinc-finger transcription factors, Nuclear Receptor and GATA, was described almost a decade ago as a strategy adopted by the cell to up-or down-regulate gene expression. More recently, cell-based assays have shown that the Zn-finger region of GATA2 (GATA2-Zf) has an important role in down-regulation of the thyrotropin gene (TSH beta) by liganded thyroid hormone receptor (TR). Methodology/Principal Findings: In an effort to better understand the mechanism that drives TSH beta down-regulation by a liganded TR and GATA2, we have carried out equilibrium binding assays using fluorescence anisotropy to study the interaction of recombinant TR and GATA2-Zf with regulatory elements present in the TSH beta promoter. Surprisingly, we observed that ligand (T3) weakens TR binding to a negative regulatory element (NRE) present in the TSH beta promoter. We also show that TR may interact with GATA2-Zf in the absence of ligand, but T3 is crucial for increasing the affinity of this complex for different GATA response elements (GATA-REs). Importantly, these results indicate that TR complex formation enhances DNA binding of the TR-GATA2 in a ligand-dependent manner. Conclusions: Our findings extend previous results obtained in vivo, further improving our understanding of how liganded nuclear receptors down-regulate gene transcription, with the cooperative binding of transcription factors to DNA forming the core of this process.

GATA2 is required for lymphatic vessel valve development and maintenance.

Heterozygous germline mutations in the zinc finger transcription factor GATA2 have recently been shown to underlie a range of clinical phenotypes, including Emberger syndrome, a disorder characterized by lymphedema and predisposition to myelodysplastic syndrome/acute myeloid leukemia (MDS/AML). Despite well-defined roles in hematopoiesis, the functions of GATA2 in the lymphatic vasculature and the mechanisms by which GATA2 mutations result in lymphedema have not been characterized. Here, we have provided a molecular explanation for lymphedema predisposition in a subset of patients with germline GATA2 mutations. Specifically, we demonstrated that Emberger-associated GATA2 missense mutations result in complete loss of GATA2 function, with respect to the capacity to regulate the transcription of genes that are important for lymphatic vessel valve development. We identified a putative enhancer element upstream of the key lymphatic transcriptional regulator PROX1 that is bound by GATA2, and the transcription factors FOXC2 and NFATC1. Emberger GATA2 missense mutants had a profoundly reduced capacity to bind this element. Conditional Gata2 deletion in mice revealed that GATA2 is required for both development and maintenance of lymphovenous and lymphatic vessel valves. Together, our data unveil essential roles for GATA2 in the lymphatic vasculature and explain why a select catalogue of human GATA2 mutations results in lymphedema.

The LMO2 -25 Region Harbours GATA2-Dependent Myeloid Enhancer and RUNX-Dependent T-Lymphoid Repressor Activity.

Lim domain only 2 (LMO2) is a transcriptional co-factor required for angiogenesis and the specification of haematopoietic cells during development. LMO2 is widely expressed within haematopoiesis with the exception of T-cells. Failure to downregulate LMO2 during T-cell maturation leads to leukaemia, thus underlining the critical nature of context-dependent regulation of LMO2 expression. We previously identified a distal regulatory element of LMO2 (element -25) that cooperates with the proximal promoter in directing haematopoietic expression. Here we dissected the functional activity of element -25 and showed it to consist of two modules that conferred independent and cell-type specific activities: a 3' myeloid enhancer and a 5' T-cell repressor. The myeloid enhancer was bound by GATA2 in progenitors and its activity depended on a highly conserved GATA motif, whereas the T-cell repressor moiety of element -25 was bound by the Core Binding Factor in T-cells and its repressive activity depended on a highly conserved RUNT motif. Since the myeloid enhancer and nearby downstream region is recurrently involved in oncogenic translocations, our data suggest that the -25 enhancer region provides an open chromatin environment prone to translocations, which in turn cause aberrant LMO2 expression in T-cells due to the removal of the adjacent T-cell repressor.

GATA proteins identify a novel ventral interneuron subclass in the developing chick spinal cord

Members of the GATA transcription factor gene family have been implicated in a variety of developmental processes, including that of the vertebrate central nervous system. However, the role of GATA proteins in spinal cord development remains unresolved. In this study, we investigated the expression and function of two GATA proteins, GATA2 and GATA3, in the developing chick spinal cord. We show that both proteins are expressed by a distinct subpopulation of ventral interneurons that share the same dorsoventral position as CHX10-positive V2 interneurons. However, no coexpression is observed between the two GATA proteins and CHX10. By in vivo notochord grafting and cyclopamine treatment, we demonstrate that the spatially restricted pattern of GATA3 expression is regulated, at least in part, by the signaling molecule Sonic hedgehog. In addition, we further show that Sonic hedgehog induces GATA3 expression in a dose-dependent manner. Using in ovo electroporations, we also demonstrate that GATA2 is upstream of GATA3 in the same epigenetic cascade and that GATA3 is capable of inducing GATA2 expression in vivo. Furthermore, the ectopically expressed GATA proteins can repress differentiation of other ventral cell fates, but not the development of progenitor populations identified by PAX protein expression. Taken together, our findings strongly suggest an important role for GATA2 and GATA3 proteins in the establishment of a distinct ventral interneuron subpopulation in the developing chick spinal cord. (C) 2002 Elsevier Science (USA).

Cyclosporin A preferentially attenuates skeletal slow-twitch muscle regeneration

Calcineurin, a Ca2+/calmodulin-dependent phosphatase, is associated with muscle regeneration via NFATc1/GATA2-dependent pathways. However, it is not clear whether calcineurin preferentially affects the regeneration of slow- or fast-twitch muscles. We investigated the effect of a calcineurin inhibitor, cyclosporin A (CsA), on the morphology and fiber diameter of regenerating slow- and fast-twitch muscles. Adult Wistar rats (259.5 ± 9 g) maintained under standard conditions were treated with CsA (20 mg/kg body weight, ip) for 5 days, submitted to cryolesion of soleus and tibialis anterior (TA) muscles on the 6th day, and then treated with CsA for an additional 21 days. The muscles were removed, weighed, frozen, and stored in liquid nitrogen. Cryolesion did not alter the body weight gain of the animals after 21 days of regeneration (P = 0.001) and CsA significantly reduced the body weight gain (15.5%; P = 0.01) during the same period. All treated TA and soleus muscles showed decreased weights (17 and 29%, respectively, P < 0.05). CsA treatment decreased the cross-sectional area of both soleus and TA muscles of cryoinjured animals (TA: 2108 ± 930 vs 792 ± 640 µm²; soleus: 2209 ± 322 vs 764 ± 439 m²; P < 0.001). Histological sections of both muscles stained with Toluidine blue revealed similar regenerative responses after cryolesion. In addition, CsA was able to minimize these responses, i.e., centralized nuclei and split fibers, more efficiently so in TA muscle. These results indicate that calcineurin preferentially plays a role in regeneration of slow-twitch muscle.

The epigenetic modifiers 5-aza-2'-deoxycytidine and trichostatin A influence adipocyte differentiation in human mesenchymal stem cells

Epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modification are important in stem cell differentiation. Methylation is principally associated with transcriptional repression, and histone acetylation is correlated with an active chromatin state. We determined the effects of these epigenetic mechanisms on adipocyte differentiation in mesenchymal stem cells (MSCs) derived from bone marrow (BM-MSCs) and adipose tissue (ADSCs) using the chromatin-modifying agents trichostatin A (TSA), a histone deacetylase inhibitor, and 5-aza-2′-deoxycytidine (5azadC), a demethylating agent. Subconfluent MSC cultures were treated with 5, 50, or 500 nM TSA or with 1, 10, or 100 µM 5azadC for 2 days before the initiation of adipogenesis. The differentiation was quantified and expression of the adipocyte genes PPARG and FABP4 and of the anti-adipocyte gene GATA2 was evaluated. TSA decreased adipogenesis, except in BM-MSCs treated with 5 nM TSA. Only treatment with 500 nM TSA decreased cell proliferation. 5azadC treatment decreased proliferation and adipocyte differentiation in all conditions evaluated, resulting in the downregulation of PPARG and FABP4 and the upregulation of GATA2. The response to treatment was stronger in ADSCs than in BM-MSCs, suggesting that epigenetic memories may differ between cells of different origins. As epigenetic signatures affect differentiation, it should be possible to direct the use of MSCs in cell therapies to improve process efficiency by considering the various sources available.

Étude de la collaboration entre les facteurs de transcription hématopoïétiques lors du développement et de la différenciation des cellules érythroïdes

La régulation transcriptionnelle des gènes est cruciale pour permettre le bon fonctionnement des cellules. Afin que les cellules puissent accomplir leurs fonctions, les gènes doivent être exprimés adéquatement dans le bon type cellulaire et au stade de développement et de différenciation approprié. Un dérèglement dans l’expression de un ou plusieurs gènes peut entraîner de graves conséquences sur le destin de la cellule. Divers éléments en cis (ex : promoteurs et enhancers) et en trans (machinerie transcriptionnelle et facteurs de transcription) sont impliqués dans la régulation de la transcription. Les gènes du locus humain beta-globine (hub) sont exprimés dans les cellules érythroïdes et sont finenement régulés lors du développement et de la différenciation. Des mutations dans différentes régions du locus causent entre autres les beta-thalassémies. Nous avons utilisé ce modèle bien caractérisé afin d’étudier différents mécanismes de régulation favorisés par les facteurs de transcription qui sont exprimés dans les cellules érythroïdes. Nous nous sommes intéressés à l’importance de l’élément en cis HS2 du Locus control region. Cet élément possède plusieurs sites de liaison pour des facteurs de transcription impliqués dans la régulation des gènes du locus hub. Nos résultats montrent que HS2 possède un rôle dans l’organisation de la chromatine du locus qui peut être dissocié de son rôle d’enhancer. De plus, HS2 n’est pas essentiel pour l’expression à haut niveau du gène beta alors qu’il est important pour l’expression des gènes gamma. Ceci suggère que le recrutement des différents facteurs au site HS2 lors du développement influence différement les gènes du locus. Dans un deuxième temps, nous avons investigué l’importance de HS2 lors de la différenciation des cellules érythroïdes. Il avait été rapporté que l’absence de HS2 influence grandement la potentialisation de la chromatine du gène beta. La potentialisation dans les cellules progénitrices favorise l’activation transcriptionnelle du gène dans les cellules matures. Nous avons caractérisé le recrutement de différents facteurs de transcription au site HS2 et au promoteur beta dans les cellules progénitrices hématopoïétiques (CPH) ainsi que dans les cellules érythroïdes matures. Nos résultats montrent que le facteur EKLF est impliqué dans la potentialisation de la chromatine et favorise le recrutement des facteurs BRG1, p45 et CBP dans les CPH. L’expression de GATA-1 dans les cellules érythroïdes matures permet le recrutement de GATA-1 au locus hub dans ces cellules. Ces données suggèrent que la combinaison de EKLF et GATA-1 est requise pour permettre une activation maximale du gène beta dans les cellules érythroïdes matures. Un autre facteur impliqué dans la régulation du locus hub est Ikaros. Nous avons étudié son recrutement au locus hub et avons observé que Ikaros est impliqué dans la répression des gènes gamma. Nos résultats montrent aussi que GATA-1 est impliqué dans la répression de ces gènes et qu’il interagit avec Ikaros. Ensemble, Ikaros et GATA-1 favorisent la formation d’un complexe de répression aux promoteurs gamma. Cette étude nous a aussi permis d’observer que Ikaros et GATA-1 sont impliqués dans la répression du gène Gata2. De façon intéressante, nous avons caractérisé le mécanisme de répression du gène Hes1 (un gène cible de la voie Notch) lors de la différenciation érythroïde. Similairement à ce qui a été observé pour les gènes gamma, Hes1 est aussi réprimé par Ikaros et GATA-1. Ces résultats suggèrent donc que la combinaison de Ikaros et GATA-1 est associée à la répression de plusieurs de gènes dans les cellules érythroïdes. Globalement cette thèse rapporte de nouveaux mécanismes d’action de différents facteurs de transcription dans les cellules érythroïdes. Particulièrement, nos travaux ont permis de proposer un modèle pour la régulation des gènes du locus hub lors du développement et de la différenciation. De plus, nous rapportons pour la première fois l’importance de la collaboration entre les facteurs Ikaros et GATA-1 dans la régulation transcriptionnelle de gènes dans les cellules érythroïdes. Des mutations associées à certains des facteurs étudiés ont été rapportées dans des cas de beta-thalassémies ainsi que de leucémies. Nos travaux serviront donc à avoir une meilleure compréhension des mécanismes d’action de ces facteurs afin de potentiellement pouvoir les utiliser comme cibles thérapeutiques.

Caractérisation moléculaire d’un récent modèle d’étude de la leucémie myéloïde aigüe à caryotype normal :la lignée cellulaire CG-SH

La leucémie myéloïde aigüe (LMA) est la forme de leucémie la plus fréquente chez l’adulte au Canada. Bien que de nombreux réarrangements chromosomiques récurrents aient été identifiés chez les patients LMA, près de la moitié des cas présentent un caryotype normal (LMA-CN). L’étude de la LMA-CN in vitro est rendue difficile par le fait que la survie des cellules primaires de patients est défectueuse sur le long terme et que les lignées cellulaires leucémiques ont un caryotype hautement anormal. En 2009, Munker et son équipe ont établi une nouvelle lignée cellulaire, CG-SH, ayant la particularité d’avoir un caryotype normal. L’objectif principal de ce projet d’étude est de caractériser plus en détail ce nouveau modèle d’étude. Nous avons identifié l’ensemble des variants génétiques présents dans CG-SH grâce au séquençage du génome entier. Les variants susceptibles de participer à la leucémogénèse ont été isolés, tels que des insertions détectées dans EZH2 et GATA2, et de nombreux variants faux-sens détectés dans des gènes pertinents pour la LMA. Nous avons montré que les cellules CG-SH sont sensibles à l’effet prolifératif d’une combinaison de cytokines, qui agissent sur le comportement des cellules en modifiant l’expression des gènes associés à la régulation de la prolifération, de l’apoptose et de la différentiation. De plus, les cytokines diminuent le taux de nécrose des cellules en culture sur le court terme. La présente étude a permis d’approfondir notre connaissance sur les caractéristiques moléculaires de la lignée cellulaire CG-SH, un nouveau modèle d’étude in vitro de la LMA-CN.

Expression des histones déméthylases dans les cellules hématopoïétiques humaines et les leucémies aiguës

L’importance des modificateurs de la chromatine dans la régulation de l’hématopoïèse et des hémopathies malignes est illustrée par l’histone méthyltransférase Mixed-Lineage Leukemia (MLL) qui est essentielle au maintien des cellules souches hématopoïétiques (CSH) et dont le gène correspondant, MLL, est réarrangé dans plus de 70% des leucémies du nourrisson. Les histones déméthylases (HDM), récemment découvertes, sont aussi impliquées dans le destin des CSH et des hémopathies malignes. Le but de ce projet est d’étudier l’expression des HDM dans les cellules hématopoïétiques normales et leucémiques afin d’identifier de potentiels régulateurs de leur destin. Nous avons réalisé un profil d'expression génique des HDM par qRT-PCR et par séquençage du transcriptome (RNA-seq) dans des cellules de sang de cordon (cellules CD34+ enrichies en CSH et cellules différenciées) et des cellules de leucémie aiguë myéloïde (LAM) avec réarrangement MLL. Les deux techniques montrent une expression différentielle des HDM entre les populations cellulaires. KDM5B et KDM1A sont surexprimés dans les cellules CD34+ par rapport aux cellules différenciées. De plus, KDM4A et PADI2 sont surexprimés dans les cellules leucémiques par rapport aux cellules normales. Des études fonctionnelles permettront de déterminer si la modulation de ces candidats peut être utilisée dans des stratégies d’expansion des CSH, ou comme cible thérapeutique anti-leucémique. Nous avons aussi développé et validé un nouveau test diagnostique pour détecter les mutations de GATA2 qui code pour un facteur de transcription clé de l’hématopoïèse impliqué dans les LAM. Ces travaux soulignent l’importance des facteurs nucléaires dans la régulation de l’hématopoïèse normale et leucémique.

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.

Whole-exome sequencing reveals a C-terminal germline variant in CEBPA-associated acute myeloid leukemia: 45-year follow-up of a large family.

Familial acute myeloid leukemia is rare and linked to germline mutations in RUNX1, GATA2 or CCAAT/enhancer binding protein-α (CEBPA). We re-evaluated a large family with acute myeloid leukemia originally seen at NIH in 1969. We utilized whole-exome sequencing to study this family, and conducted in silico bioinformatics analysis, protein structural modeling and laboratory experiments to assess the impact of the identified CEBPA Q311P mutation. Unlike most previously identified germline mutations in CEBPA, which were N-terminal frameshift mutations, we identified a novel Q311P variant that was located in the C-terminal bZip domain of C/EBPα. Protein structural modeling suggested that the Q311P mutation alters the ability of the CEBPA dimer to bind DNA. Electrophoretic mobility shift assays showed that the Q311P mutant had attenuated binding to DNA, as predicted by the protein modeling. Consistent with these findings, we found that the Q311P mutation has reduced transactivation, consistent with a loss-of-function mutation. From 45 years of follow-up, we observed incomplete penetrance (46%) of CEBPA Q311P. This study of a large multi-generational pedigree reveals that a germline mutation in the C-terminal bZip domain can alter the ability of C/EBP-α to bind DNA and reduces transactivation, leading to acute myeloid leukemia.

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.

Is There More to This Case than Mere Pulmonary Alveolar Proteinosis? A Clinical Case Presentation

Introduction: Pulmonary alveolar proteinosis (PAP) is a rare disease, associated with excess accumulation of surfactant proteins and lipids in the alveoli. Clinical presentation: We report the case of a 46-year-old woman with a combined presentation of PAP, myelodysplasia and recurrent miscarriages. Conclusions: The concomitant presentation of the above might be compatible with a mutation of the haematopoietic transcription factor gene GATA2.