Epigenetic regulatory elements associate with specific histone modifications to prevent silencing of telomeric genes.

In eukaryotic cells, transgene expression levels may be limited by an unfavourable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which may protect transgenes from such position effect. We evaluated different epigenetic regulators for their ability to protect transgene expression at telomeres, which are commonly associated to low or inconsistent expression because of their repressive chromatin environment. Although to variable extents, matrix attachment regions (MARs), ubiquitous chromatin opening element (UCOE) and the chicken cHS4 insulator acted as barrier elements, protecting a telomeric-distal transgene from silencing. MARs also increased the probability of silent gene reactivation in time-course experiments. Additionally, all MARs improved the level of expression in non-silenced cells, unlike other elements. MARs were associated to histone marks usually linked to actively expressed genes, especially acetylation of histone H3 and H4, suggesting that they may prevent the spread of silencing chromatin by imposing acetylation marks on nearby nucleosomes. Alternatively, an UCOE was found to act by preventing deposition of repressive chromatin marks. We conclude that epigenetic DNA elements used to enhance and stabilize transgene expression all have specific epigenetic signature that might be at the basis of their mode of action.

Epigenetic Activation of SOX11 in Lymphoid Neoplasms by Histone Modifications

Recent studies have shown aberrant expression of SOX11 in various types of aggressive B-cell neoplasms. To elucidate the molecular mechanisms leading to such deregulation, we performed a comprehensive SOX11 gene expression and epigenetic study in stem cells, normal hematopoietic cells and different lymphoid neoplasms. We observed that SOX11 expression is associated with unmethylated DNA and presence of activating histone marks (H3K9/14Ac and H3K4me3) in embryonic stem cells and some aggressive B-cell neoplasms. In contrast, adult stem cells, normal hematopoietic cells and other lymphoid neoplasms do not express SOX11. Such repression was associated with silencing histone marks H3K9me2 and H3K27me3. The SOX11 promoter of non-malignant cells was consistently unmethylated whereas lymphoid neoplasms with silenced SOX11 tended to acquire DNA hypermethylation. SOX11 silencing in cell lines was reversed by the histone deacetylase inhibitor SAHA but not by the DNA methyltransferase inhibitor AZA. These data indicate that, although DNA hypermethylation of SOX11 is frequent in lymphoid neoplasms, it seems to be functionally inert, as SOX11 is already silenced in the hematopoietic system. In contrast, the pathogenic role of SOX11 is associated with its de novo expression in some aggressive lymphoid malignancies, which is mediated by a shift from inactivating to activating histone modifications.

Centromere domain organization and histone modifications

Centromere function requires the proper coordination of several subfunctions, such as kinetochore assembly, sister chromatid cohesion, binding of kinetochore microtubules, orientation of sister kinetochores to opposite spindle poles, and their movement towards the spindle poles. Centromere structure appears to be organized in different, separable domains in order to accomplish these functions. Despite the conserved nature of centromere functions, the molecular genetic definition of the DNA sequences that form a centromere in the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, in the fruit fly Drosophila melanogaster, and in humans has revealed little conservation at the level of centromere DNA sequences. Also at the protein level few centromere proteins are conserved in all of these four organisms and many are unique to the different organisms. The recent analysis of the centromere structure in the yeast S. pombe by electron microscopy and detailed immunofluorescence microscopy of Drosophila centromeres have brought to light striking similarities at the overall structural level between these centromeres and the human centromere. The structural organization of the centromere is generally multilayered with a heterochromatin domain and a central core/inner plate region, which harbors the outer plate structures of the kinetochore. It is becoming increasingly clear that the key factors for assembly and function of the centromere structure are the specialized histones and modified histones which are present in the centromeric heterochromatin and in the chromatin of the central core. Thus, despite the differences in the DNA sequences and the proteins that define a centromere, there is an overall structural similarity between centromeres in evolutionarily diverse eukaryotes.

TRIM24-REGULATED ESTROGEN RESPONSE IS DEPENDENT ON SPECIFIC HISTONE MODIFICATIONS IN BREAST CANCER CELLS

In this dissertation, I discovered that function of TRIM24 as a co-activator of ERα-mediated transcriptional activation is dependent on specific histone modifications in tumorigenic human breast cancer-derived MCF7 cells. In the first part, I proved that TRIM24-PHD finger domain, which recognizes unmethylated histone H3 lysine K4 (H3K4me0), is critical for ERα-regulated transcription. Therefore, when LSD1-mediated demethylation of H3K4 is inhibited, activation of TRIM24-regulated ERα target genes is greatly impaired. Importantly, I demonstrated that TRIM24 and LSD1 are cyclically recruited to estrogen responsive elements (EREs) in a time-dependent manner upon estrogen induction, and depletion of their expression exert corresponding time-dependent effect on target gene activation. I also identified that phosphorylation of histone H3 threonine T6 disrupts TRIM24 from binding to the chromatin and from activating ERα-regulated targets. In the second part, I revealed that TRIM24 depletion has additive effect to LSD1 inhibitor- and Tamoxifen-mediated reduction in survival and proliferation in breast cancer cells.

Linking epigenetics to lipid metabolism: focus on histone deacetylases.

A number of recent studies revealed that epigenetic modifications play a central role in the regulation of lipid and of other metabolic pathways such as cholesterol homeostasis, bile acid synthesis, glucose and energy metabolism. Epigenetics refers to aspects of genome functions regulated in a DNA sequence-independent fashion. Chromatin structure is controlled by epigenetic mechanisms through DNA methylation and histone modifications. The main modifications are histone acetylation and deacetylation on specific lysine residues operated by two different classes of enzymes: Histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), respectively. The interaction between these enzymes and histones can activate or repress gene transcription: Histone acetylation opens and activates chromatin, while deacetylation of histones and DNA methylation compact chromatin making it transcriptionally silent. The new evidences on the importance of HDACs in the regulation of lipid and other metabolic pathways will open new perspectives in the comprehension of the pathophysiology of metabolic disorders.

Structural variation-associated expression changes are paralleled by chromatin architecture modifications.

Copy number variants (CNVs) influence the expression of genes that map not only within the rearrangement, but also to its flanks. To assess the possible mechanism(s) underlying this "neighboring effect", we compared intrachromosomal interactions and histone modifications in cell lines of patients affected by genomic disorders and control individuals. Using chromosome conformation capture (4C-seq), we observed that a set of genes flanking the Williams-Beuren Syndrome critical region (WBSCR) were often looping together. The newly identified interacting genes include AUTS2, mutations of which are associated with autism and intellectual disabilities. Deletion of the WBSCR disrupts the expression of this group of flanking genes, as well as long-range interactions between them and the rearranged interval. We also pinpointed concomitant changes in histone modifications between samples. We conclude that large genomic rearrangements can lead to chromatin conformation changes that extend far away from the structural variant, thereby possibly modulating expression globally and modifying the phenotype. GEO SERIES ACCESSION NUMBER: GSE33784, GSE33867.

Histone H2B-R95A mutant identifies the pheromone pathway that signals cell cycle arrest during rapamycin response

La rapamycine est un immunosuppresseur utilisé pour traiter plusieurs types de maladies dont le cancer du rein. Son fonctionnement par l’inhibition de la voie de Tor mène à des changements dans des processus physiologiques, incluant le cycle cellulaire. Chez Saccharomyces cerevisiae, la rapamycine conduit à une altération rapide et globale de l’expression génique, déclenchant un remodelage de la chromatine. Nous proposons que les modifications des histones peuvent jouer un rôle crucial dans le remodelage de la chromatine en réponse à la rapamycine. Notre objectif principal est d’identifier d’une banque de mutants d’histone les variantes qui vont échouer à répondre à la rapamycine dans une tentative de réaliser une caractérisation des modifications d’histone critiques pour la réponse à cette drogue. Ainsi, nous avons réalisé un criblage d’une banque de mutants d’histone et identifié plusieurs mutants d‘histone dont la résistance à la rapamycine a été altérée. Nous avons caractérisé une de ces variantes d’histone, à savoir H2B, qui porte une substitution de l’alanine en arginine en position 95 (H2B-R95A) et démontré que ce mutant est extrêmement résistant à la rapamycine, et non à d’autres drogues. Des immunoprécipitations ont démontré que H2B-R95A est défectueux pour former un complexe avec Spt16, un facteur essentiel pour la dissociation de H2A et H2B de la chromatine, permetant la réplication et la transcription par les ADN et ARN polymérases, respectivement. Des expériences de ChIP-Chip et de micropuce ont démontré que l’arginine 95 de H2B est requise pour recruter Spt16 afin de permettre l’expression d’une multitude de gènes, dont certains font partie de la voie des phéromones. Des évidences seront présentées pour la première fois démontrant que la rapamycine peut activer la voie des phéromones et qu’une défectuosité dans cette voie cause la résistante à cette drogue.

Role of histone methylation in the regulation of COX-2, iNOS, and mPGES-1 gene expression in human chondrocytes: Implication for Osteoarthritis

L'arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative, classée comme la forme la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée par la dégénérescence du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale, et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements structurels et fonctionnels sont dues à de nombreux facteurs. Les cytokines, les prostaglandines (PG), et les espèces réactives de l'oxygène sont les principaux médiateurs impliqués dans la pathophysiologie de l'OA. L'interleukine-1β (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire majeure qui joue un rôle crucial dans l'OA. L'IL-1β induit l'expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2), la microsomale prostaglandine E synthase-1 (mPGES-1), la synthase inductible de l'oxyde nitrique (iNOS), ainsi que leurs produits la prostaglandine E2 (PGE2) et l'oxyde nitrique (NO). Ce sont des médiateurs essentiels de la réponse inflammatoire au cours de l'OA qui contribuent aux mécanismes des douleurs, de gonflement, et de destruction des tissus articulaires. Les modifications épigénétiques jouent un rôle très important dans la régulation de l’expression de ces gènes pro-inflammatoires. Parmi ces modifications, la méthylation/ déméthylation des histones joue un rôle critique dans la régulation des gènes. La méthylation/ déméthylation des histones est médiée par deux types d'enzymes: les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) qui favorisent l’activation et/ou la répression de la transcription. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression des gènes de la COX-2, la mPGES-1, et l’iNOS. L'objectif de cette étude est de déterminer si la méthylation/déméthylation des histones contribute à la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS dans des chondrocytes OA humains induits par l'IL-1β. Nous avons montré que la méthylation de la lysine K4 de l'histone H3 (H3K4) par SET-1A contribue à l’activation des gènes COX-2 et iNOS dans les chondrocytes humains OA induite par l'IL-1β. Nous avons également montré que la lysine K9 de l’histone H3 (H3K9) est déméthylée par LSD1, et que cette déméthylation contribue à l’expression de la mPGES-1 induite par IL-1β dans les chondrocytes humains OA. Nous avons aussi trouvé que les niveaux d'expression des enzymes SET-1A et LSD1 sont élevés au niveau du cartilage OA. Nos résultats montrent, pour la première fois, l'implication de la méthylation/ déméthylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS. Ces données suggèrent que ces mécanismes pourraient être une cible potentielle pour une intervention pharmacologique dans le traitement de la physiopathologie de l'OA.

Changes in tri-methylation profile of lysines 4 and 27 of histone H3 in bovine blastocysts after cryopreservation

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

DNA methylation, histone modification and the transcription factor dE2F1 in Drosophila

Drosophila melanogaster enthält eine geringe Menge an 5-methyl-Cytosin. Die von mir untersuchte männliche Keimbahn von Drosophila weist jedoch keine nachweisbaren Mengen an DNA-Methylierung auf. Eine künstliche Expression der murinen de novo Methyltransferasen, DNMT3A und DNMT3B1, in den Fliegenhoden, führte nicht zu der erwarteten Methylierungszunahme und hatte keinen Effekt auf die Fruchtbarkeit der Männchen. Auch die gewebespezifische Expression unter der Verwendung des UAS/GAL4-Systems zeigte keine phenotypischen Veränderungen. Hingegen fanden wir auf Protein-Ebene des Chromatins von D. melanogaster und D. hydei spezifische Modifikationsmuster der Histone H3 und H4 in der Keimbahn, wie auch in den somatischen Zellen des Hodenschlauches. Die Modifikationsmuster der beiden Zelltypen unterscheiden sich grundlegend und weichen zudem von dem für Eu- und Heterochromatin erwarteten ab, was auf eine größere Komplexität des „Histon-Codes“ als angenommen hindeutet. Folglich liegt die epigenetische Information in Drosophila wahrscheinlich anstatt auf DNA- auf Protein-Ebene, wodurch Genexpression über die Chromatinstruktur reguliert wird. Es wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor E2F, der eine Schlüsselfunktion im Zellzyklus hat, durch unterschiedliche Transkripte offenbar quantitativ reguliert wird. Unsere Nachforschungen ergaben, dass die drei E2F1 Genprodukte in Drosophila neben ihrer Zellspezifität auch in unterschiedlichen Expressionsniveaus auftreten, was die Annahme einer quantitativen Expression unterstützt. Die verschiedenen Funktionen der multiplen Gene in Säugern, könnten so funktionell kompensiert werden. Die durch die Expression dreier dE2F1-Transkripte vermutete Synthese verschiedener Proteine konnte nicht bewiesen werden.

Hypoxia-induced transcriptional regulation through chromatin modifications and NC2 function

In response to tumor hypoxia, specific genes that promote angiogenesis, proliferation, and survival are induced. Globally, I find that hypoxia induces a mixed pattern of histone modifications that are typically associated with either transcriptional activation or repression. Furthermore, I find that selective activation of hypoxia-inducible genes occurs simultaneously with widespread repression of transcription. I analyzed histone modifications at the core promoters of hypoxia-repressed and -activated genes and find that distinct patterns of histone modifications correlate with transcriptional activity. Additionally, I discovered that trimethylated H3-K4, a modification generally associated with transcriptional activation, is induced at both hypoxia-activated and repressed genes, suggesting a novel pattern of histone modifications induced during hypoxia. ^ In order to determine the mechanism of hypoxia-induced widespread repression of transcription, I focused my studies on negative cofactor 2 (NC2). Previously, we found that hypoxia-induced repression of the alpha-fetoprotein (AFP) gene occurs during preinitiation complex (PIC) assembly, and I find that NC2, an inhibitor of PIC assembly, is induced during hypoxia. Moreover, I find that the beta subunit of NC2 is essential for hypoxia-mediated repression of AFP, as well as the widespread repression of transcription observed during hypoxia. Previous data in Drosophila and S. cerevisiae indicate that NC2 functions as either an activator or a repressor of transcription. The mechanism of NC2-mediated activation remains unclear; although, Drosophila NC2 function correlates with specific core promoter elements. I tested if NC2 activates transcription in mammalian cells using this core promoter-specific model as a guide. Utilizing site-specific mutagenesis, I find that NC2 function in mammalian cells is not dependent upon specific core promoter elements; however, I do find that mammalian NC2 does function in a gene-specific manner as either an activator or repressor of transcription during hypoxia. Furthermore, I find that binding of the alpha subunit of NC2 specifically correlates with NC2-mediated transcriptional activation. NC2α and NC2β are both required for NC2-mediated transcriptional activation; whereas, NC2β alone is required for hypoxia-induced transcriptional repression. Together, these data indicate that hypoxia mediates changes in gene expression through both chromatin modifications and NC2 function. ^

Methylation of histone H3 at lysine 4 is highly conserved and correlates with transcriptionally active nuclei in Tetrahymena

Studies into posttranslational modifications of histones, notably acetylation, have yielded important insights into the dynamic nature of chromatin structure and its fundamental role in gene expression. The roles of other covalent histone modifications remain poorly understood. To gain further insight into histone methylation, we investigated its occurrence and pattern of site utilization in Tetrahymena, yeast, and human HeLa cells. In Tetrahymena, transcriptionally active macronuclei, but not transcriptionally inert micronuclei, contain a robust histone methyltransferase activity that is highly selective for H3. Microsequence analyses of H3 from Tetrahymena, yeast, and HeLa cells indicate that lysine 4 is a highly conserved site of methylation, which to date, is the major site detected in Tetrahymena and yeast. These data document a nonrandom pattern of H3 methylation that does not overlap with known acetylation sites in this histone. In as much as H3 methylation at lysine 4 appears to be specific to macronuclei in Tetrahymena, we suggest that this modification pattern plays a facilitatory role in the transcription process in a manner that remains to be determined. Consistent with this possibility, H3 methylation in yeast occurs preferentially in a subpopulation of H3 that is preferentially acetylated.

Proscillaridin A effects on histone acetylation and C-MYC degradation in acute lymphoblastic leukemia

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) représente environ 25% des cancers pédiatriques diagnostiqués chaque année. Dans 80 % des cas, une rémission complète est observée. Cependant, les patients résistants aux traitements ainsi que les patients en rechute présentent un mauvais pronostique. Les altérations épigénétiques sont des facteurs essentiels dans le développement et la progression de la maladie, ainsi qu’à la résistance aux traitements. Lors d’un criblage de médicaments approuvés par la FDA, nous avons découvert des molécules ayant des caractéristiques anticancéreux et épigénétiques. Pour évaluer l’activité de ces molécules, nous avons procédé à un criblage secondaire sur plusieurs lignées cellulaires leucémiques. Nous avons découvert qu’une de ces molécules, un glucoside cardiotonique appelé la proscillaridine A, avait une activité anticancéreuse spécifique pour des cellules leucémiques. Nous faisons donc l’hypothèse que la proscillaridine A pourrait avoir des effets épigénétiques et anticancéreux dans des modèles précliniques de LLA. Pour tester cette hypothèse, nous avons traité deux lignées cellulaires de LLA Nalm-6 (LLA pre-B) et Molt-4 (T-LLA) in vitro pendant 2 à 96 heures à des doses pertinentes sur le plan clinique. Nous avons alors pu observer une inhibition de croissance qui était dépendante de la dose administrée dans les deux lignées cellulaires, avec des valeurs de 50% d’inhibition de croissance (CI50) de 3.0 nM pour les Nalm-6 et de et 2.3 nM pour les Molt-4. De plus, nos études sur le cycle cellulaire par BrdU démontrent un arrêt en phase G2/M. Nous avons également détecté par immunobuvardage de type western des baisses significatives de l’acétylation de résidus de l’histone 3. Les niveaux d’expression des enzymes responsables de cette acétylation, les histones acétyltransférases CBP, P300 et TIP60 ainsi que de l’oncogène C-MYC étaient également diminuées. Par des analyses de séquençage de l’ARN, nous avons observé une augmentation de l’expression des gènes impliquées dans les processus d’apoptose et de différentiation cellulaire, ainsi qu’une diminution des gènes impliqués dans la prolifération cellulaire comme en particulier les gènes cibles de C-MYC. Ces résultats prometteurs suggèrent le potentiel prometteur de la proscillaridine A comme nouvelle thérapie pour les patients atteints de LLA.

Proscillaridin A effects on histone acetylation and C-MYC degradation in acute lymphoblastic leukemia

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) représente environ 25% des cancers pédiatriques diagnostiqués chaque année. Dans 80 % des cas, une rémission complète est observée. Cependant, les patients résistants aux traitements ainsi que les patients en rechute présentent un mauvais pronostique. Les altérations épigénétiques sont des facteurs essentiels dans le développement et la progression de la maladie, ainsi qu’à la résistance aux traitements. Lors d’un criblage de médicaments approuvés par la FDA, nous avons découvert des molécules ayant des caractéristiques anticancéreux et épigénétiques. Pour évaluer l’activité de ces molécules, nous avons procédé à un criblage secondaire sur plusieurs lignées cellulaires leucémiques. Nous avons découvert qu’une de ces molécules, un glucoside cardiotonique appelé la proscillaridine A, avait une activité anticancéreuse spécifique pour des cellules leucémiques. Nous faisons donc l’hypothèse que la proscillaridine A pourrait avoir des effets épigénétiques et anticancéreux dans des modèles précliniques de LLA. Pour tester cette hypothèse, nous avons traité deux lignées cellulaires de LLA Nalm-6 (LLA pre-B) et Molt-4 (T-LLA) in vitro pendant 2 à 96 heures à des doses pertinentes sur le plan clinique. Nous avons alors pu observer une inhibition de croissance qui était dépendante de la dose administrée dans les deux lignées cellulaires, avec des valeurs de 50% d’inhibition de croissance (CI50) de 3.0 nM pour les Nalm-6 et de et 2.3 nM pour les Molt-4. De plus, nos études sur le cycle cellulaire par BrdU démontrent un arrêt en phase G2/M. Nous avons également détecté par immunobuvardage de type western des baisses significatives de l’acétylation de résidus de l’histone 3. Les niveaux d’expression des enzymes responsables de cette acétylation, les histones acétyltransférases CBP, P300 et TIP60 ainsi que de l’oncogène C-MYC étaient également diminuées. Par des analyses de séquençage de l’ARN, nous avons observé une augmentation de l’expression des gènes impliquées dans les processus d’apoptose et de différentiation cellulaire, ainsi qu’une diminution des gènes impliqués dans la prolifération cellulaire comme en particulier les gènes cibles de C-MYC. Ces résultats prometteurs suggèrent le potentiel prometteur de la proscillaridine A comme nouvelle thérapie pour les patients atteints de LLA.

Nuclear Factor I genomic binding associates with chromatin boundaries.

BACKGROUND: The Nuclear Factor I (NFI) family of DNA binding proteins (also called CCAAT box transcription factors or CTF) is involved in both DNA replication and gene expression regulation. Using chromatin immuno-precipitation and high throughput sequencing (ChIP-Seq), we performed a genome-wide mapping of NFI DNA binding sites in primary mouse embryonic fibroblasts. RESULTS: We found that in vivo and in vitro NFI DNA binding specificities are indistinguishable, as in vivo ChIP-Seq NFI binding sites matched predictions based on previously established position weight matrix models of its in vitro binding specificity. Combining ChIP-Seq with mRNA profiling data, we found that NFI preferentially associates with highly expressed genes that it up-regulates, while binding sites were under-represented at expressed but unregulated genes. Genomic binding also correlated with markers of transcribed genes such as histone modifications H3K4me3 and H3K36me3, even outside of annotated transcribed loci, implying NFI in the control of the deposition of these modifications. Positional correlation between + and - strand ChIP-Seq tags revealed that, in contrast to other transcription factors, NFI associates with a nucleosomal length of cleavage-resistant DNA, suggesting an interaction with positioned nucleosomes. In addition, NFI binding prominently occurred at boundaries displaying discontinuities in histone modifications specific of expressed and silent chromatin, such as loci submitted to parental allele-specific imprinted expression. CONCLUSIONS: Our data thus suggest that NFI nucleosomal interaction may contribute to the partitioning of distinct chromatin domains and to epigenetic gene expression regulation.NFI ChIP-Seq and input control DNA data were deposited at Gene Expression Omnibus (GEO) repository under accession number GSE15844. Gene expression microarray data for mouse embryonic fibroblasts are on GEO accession number GSE15871.