An immuno-electron microscopical analysis of transcribing multinucleosomal templates: what happens to the histones?

Immuno-electron microscopy was used to visualize the structure of reconstituted chromatin after in vitro transcription by purified T7 RNA polymerase. T7 RNA polymerase disrupts the nucleosomal structure in the transcribed region. This disruption is not influenced by the template, linear or supercoiled, and the presence or absence of nucleosomal positioning sequences in the transcribed region. In this study, we used monoclonal autoantibodies reacting with the nucleosome core particles and epitopes within several regions of the four different core histones. Some of the residues recognized by the autoantibodies are accessible on the surface of the nucleosomes and some are more internal and therefore less exposed at the surface. We show that the loss of the nucleosomal configuration during transcription is due to the loss of histone/DNA binding and that at least part of the histones are transferred to the nascent RNA chains. Consequently, after in vitro transcription by T7 RNA polymerase, the nucleosomal template does not conserve its original configuration, and no interaction of antigen/antibodies is observed anymore in the region that has been transcribed. Therefore, we conclude that in our in vitro transcription assay, nucleosomes are detached from the template, and not simply unfolded with histones remaining attached to the DNA.

Extracellular histones in tissue injury and inflammation.

Neutrophil NETosis is an important element of host defense as it catapults chromatin out of the cell to trap bacteria, which then are killed, e.g., by the chromatin's histone component. Also, during sterile inflammation TNF-alpha and other mediators trigger NETosis, which elicits cytotoxic effects on host cells. The same mechanism should apply to other forms of regulated necrosis including pyroptosis, necroptosis, ferroptosis, and cyclophilin D-mediated regulated necrosis. Beyond these toxic effects, extracellular histones also trigger thrombus formation and innate immunity by activating Toll-like receptors and the NLRP3 inflammasome. Thereby, extracellular histones contribute to the microvascular complications of sepsis, major trauma, small vessel vasculitis as well as acute liver, kidney, brain, and lung injury. Finally, histones prevent the degradation of extracellular DNA, which promotes autoimmunization, anti-nuclear antibody formation, and autoimmunity in susceptible individuals. Here, we review the current evidence on the pathogenic role of extracellular histones in disease and discuss how to target extracellular histones to improve disease outcomes.

Histones trigger sterile inflammation by activating the NLRP3 inflammasome.

Sterile cell death mediated inflammation is linked to several pathological disorders and involves danger recognition of intracellular molecules released by necrotic cells that activate different groups of innate pattern recognition receptors. Toll-like receptors directly interact with their extrinsic or intrinsic agonists and induce multiple proinflammatory mediators. In contrast, the NLRP3 inflammasome is rather thought to represent a downstream element integrating various indirect stimuli into proteolytic cleavage of interleukin (IL)-1β and IL-18. Here, we report that histones released from necrotic cells induce IL-1β secretion in an NLRP3-ASC-caspase-1-dependent manner. Genetic deletion of NLRP3 in mice significantly attenuated histone-induced IL-1β production and neutrophil recruitment. Furthermore, necrotic cells induced neutrophil recruitment, which was significantly reduced by histone-neutralizing antibodies or depleting extracellular histones via enzymatic degradation. These results identify cytosolic uptake of necrotic cell-derived histones as a triggering mechanism of sterile inflammation, which involves NLRP3 inflammasome activation and IL-1β secretion via oxidative stress.

Histones from dying renal cells aggravate kidney injury via TLR2 and TLR4.

In AKI, dying renal cells release intracellular molecules that stimulate immune cells to secrete proinflammatory cytokines, which trigger leukocyte recruitment and renal inflammation. Whether the release of histones, specifically, from dying cells contributes to the inflammation of AKI is unknown. In this study, we found that dying tubular epithelial cells released histones into the extracellular space, which directly interacted with Toll-like receptor (TLR)-2 (TLR2) and TLR4 to induce MyD88, NF-κB, and mitogen activated protein kinase signaling. Extracellular histones also had directly toxic effects on renal endothelial cells and tubular epithelial cells in vitro. In addition, direct injection of histones into the renal arteries of mice demonstrated that histones induce leukocyte recruitment, microvascular vascular leakage, renal inflammation, and structural features of AKI in a TLR2/TLR4-dependent manner. Antihistone IgG, which neutralizes the immunostimulatory effects of histones, suppressed intrarenal inflammation, neutrophil infiltration, and tubular cell necrosis and improved excretory renal function. In summary, the release of histones from dying cells aggravates AKI via both its direct toxicity to renal cells and its proinflammatory effects. Because the induction of proinflammatory cytokines in dendritic cells requires TLR2 and TLR4, these results support the concept that renal damage triggers an innate immune response, which contributes to the pathogenesis of AKI.

Retinol-induced changes in the phosphorylation levels of histones and high mobility group proteins from Sertoli cells

Chromatin proteins play a role in the organization and functions of DNA. Covalent modifications of nuclear proteins modulate their interactions with DNA sequences and are probably one of the multiple factors involved in the process of switch on/off transcriptionally active regions of DNA. Histones and high mobility group proteins (HMG) are subject to many covalent modifications that may modulate their capacity to bind to DNA. We investigated the changes induced in the phosphorylation pattern of cultured Wistar rat Sertoli cell histones and high mobility group protein subfamilies exposed to 7 µM retinol for up to 48 h. In each experiment, 6 h before the end of the retinol treatment each culture flask received 370 KBq/ml [32P]-phosphate. The histone and HMGs were isolated as previously described [Moreira et al. Medical Science Research (1994) 22: 783-784]. The total protein obtained by either method was quantified and electrophoresed as described by Spiker [Analytical Biochemistry (1980) 108: 263-265]. The gels were stained with Coomassie brilliant blue R-250 and the stained bands were cut and dissolved in 0.5 ml 30% H2O2 at 60oC for 12 h. The vials were chilled and 5.0 ml scintillation liquid was added. The radioactivity in each vial was determined with a liquid scintillation counter. Retinol treatment significantly changed the pattern of each subfamily of histone and high mobility group proteins.

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.

Rôle de l’acétylation/déacétylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes de la COX-2, iNOS et mPGES-1 dans les tissus articulaires.

L’arthrose ou ostéoarthrose (OA) est l’affection rhumatologique la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée principalement par une perte du cartilage articulaire et l’inflammation de la membrane synoviale. L’interleukine (IL)-1ß, une cytokine pro-inflammatoire, joue un rôle très important dans la pathogenèse de l’OA. Elle exerce son action en induisant l’expression des enzymes cyclo-oxygénase 2 (COX-2), prostaglandine E synthétase microsomale 1 (mPGES-1) et l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) ainsi que la production de la prostaglandine E2 (PGE2) et de l’oxyde nitrique (NO). Ces derniers (PGE2 et NO) contribuent à la synovite et la destruction du cartilage articulaire par leurs effets pro-inflammatoires, pro-cataboliques, anti-anaboliques, pro-angiogéniques et pro-apoptotiques. Les modifications épigénétiques, telles que la méthylation de l’ADN, et l’acétylation et la méthylation des histones, jouent un rôle crucial dans la régulation de l’expression des gènes. Parmi ces modifications, l’acétylation des histones est la plus documentée. Ce processus est contrôlé par deux types d’enzymes : les histones acétyltransférases (HAT) qui favorisent la transcription et les histones déacétylases (HDAC) qui l’inhibent. L’objectif de ce travail est d’examiner le rôle des enzymes HDAC dans la régulation de l’expression de la COX-2, mPGES-1 et iNOS. Nous avons montré qu’au niveau des chondrocytes, les inhibiteurs des HDAC (iHDAC), trichostatine A (TSA) et butyrate de sodium (NaBu), suppriment l’expression de la COX-2 et iNOS au niveau de l’ARNm et protéique, ainsi que la production de la PGE2 et du NO, induites par l’IL-1ß. L’effet inhibiteur à lieu sans affecter l’activité de liaison à l’ADN du facteur de transcription NF-κB (nuclear factor κ B). La TSA et le NaBu inhibent également la dégradation induite par l’IL-1ß des protéoglycanes au niveau du cartilage. Nous avons également montré, qu’au niveau des fibroblastes synoviaux, les iHDAC, TSA, NaBu et acide valproïque (VA), suppriment l’expression de la mPGES-1 ainsi que la production de la PGE2 induites par l’IL-1ß. En utilisant diverses approches expérimentales, nous avons montré que HDAC4 est impliquée dans l’induction de l’expression de la mPGES-1 par l’IL-1ß. HDAC4 exerce son action, via son activité déacétylase, en augmentant l’activité transcriptionnelle de Egr-1 (early growth factor 1), facteur de transcription principal de l’expression de la mPGES-1. L’ensemble de ces résultats suggère que les inhibiteurs des HDAC pourraient être utilisés dans le traitement de l’OA.

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.

Homéostasie des histones en réponse au dommage à l’ADN et étude d’inhibiteurs de désacétylases d’importance clinique

La chromatine possède une plasticité complexe et essentielle pour répondre à différents mécanismes cellulaires fondamentaux tels la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. Les histones sont les constituants essentiels de la formation des nucléosomes qui assurent le bon fonctionnement cellulaire d’où l’intérêt de cette thèse d’y porter une attention particulière. Un dysfonctionnement de la chromatine est souvent associé à l’émergence du cancer. Le chapitre II de cette thèse focalise sur la répression transcriptionnelle des gènes d’histones par le complexe HIR (HIstone gene Repressor) en réponse au dommage à l'ADN chez Saccharomyces cerevisiae. Lors de dommage à l’ADN en début de phase S, les kinases du point de contrôle Mec1, Tel1 et Rad53 s’assurent de bloquer les origines tardives de réplication pour limiter le nombre de collisions potentiellement mutagéniques ou cytotoxiques entre les ADN polymérases et les lésions persistantes dans l'ADN. Lorsque la synthèse totale d’ADN est soudainement ralentie par le point de contrôle, l’accumulation d'un excès d'histones nouvellement synthétisées est néfaste pour les cellules car les histones libres se lient de manière non-spécifique aux acides nucléiques. L'un des mécanismes mis en place afin de minimiser la quantité d’histones libres consiste à réprimer la transcription des gènes d'histones lors d'une chute rapide de la synthèse d'ADN, mais les bases moléculaires de ce mécanisme étaient très mal connues. Notre étude sur la répression des gènes d’histones en réponse aux agents génotoxiques nous a permis d’identifier que les kinases du point de contrôle jouent un rôle dans la répression des gènes d’histones. Avant le début de mon projet, il était déjà connu que le complexe HIR est requis pour la répression des gènes d’histones en phase G1, G2/M et lors de dommage à l’ADN en phase S. Par contre, la régulation du complexe HIR en réponse au dommage à l'ADN n'était pas connue. Nous avons démontré par des essais de spectrométrie de masse (SM) que Rad53 régule le complexe HIR en phosphorylant directement une de ses sous-unités, Hpc2, à de multiples résidus in vivo et in vitro. La phosphorylation d’Hpc2 est essentielle pour le recrutement aux promoteurs de gènes d’histones du complexe RSC (Remodels the Structure of Chromatin) dont la présence sur les promoteurs des gènes d'histones corrèle avec leur répression. De plus, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme de régulation du complexe HIR durant la progression normale à travers le cycle cellulaire ainsi qu'en réponse aux agents génotoxiques. En effet, durant le cycle cellulaire normal, la protéine Hpc2 est très instable durant la transition G1/S afin de permettre la transcription des gènes d’histones et la production d'un pool d'histones néo-synthétisées juste avant l'initiation de la réplication de l’ADN. Toutefois, Hpc2 n'est instable que pour une brève période de temps durant la phase S. Ces résultats suggèrent qu'Hpc2 est une protéine clef pour la régulation de l'activité du complexe HIR et la répression des gènes d’histones lors du cycle cellulaire normal ainsi qu'en réponse au dommage à l’ADN. Dans le but de poursuivre notre étude sur la régulation des histones, le chapitre III de ma thèse concerne l’analyse globale de l’acétylation des histones induite par les inhibiteurs d’histone désacétylases (HDACi) dans les cellules normales et cancéreuses. Les histones désacétylases (HDACs) sont les enzymes qui enlèvent l’acétylation sur les lysines des histones. Dans plusieurs types de cancers, les HDACs contribuent à l’oncogenèse par leur fusion aberrante avec des complexes protéiques oncogéniques. Les perturbations causées mènent souvent à un état silencieux anormal des suppresseurs de tumeurs. Les HDACs sont donc une cible de choix dans le traitement des cancers engendrés par ces protéines de fusion. Notre étude de l’effet sur l’acétylation des histones de deux inhibiteurs d'HDACs de relevance clinique, le vorinostat (SAHA) et l’entinostat (MS-275), a permis de démontrer une augmentation élevée de l’acétylation globale des histones H3 et H4, contrairement à H2A et H2B, et ce, autant chez les cellules normales que cancéreuses. Notre quantification en SM de l'acétylation des histones a révélé de façon inattendue que la stœchiométrie d'acétylation sur la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56Ac) est de seulement 0,03% et, de manière surprenante, cette stœchiométrie n'augmente pas dans des cellules traitées avec différents HDACi. Plusieurs études de H3K56Ac chez l’humain présentes dans la littérature ont rapporté des résultats irréconciliables. Qui plus est, H3K56Ac était considéré comme un biomarqueur potentiel dans le diagnostic et pronostic de plusieurs types de cancers. C’est pourquoi nous avons porté notre attention sur la spécificité des anticorps utilisés et avons déterminé qu’une grande majorité d’anticorps utilisés dans la littérature reconnaissent d’autres sites d'acétylation de l’histone H3, notamment H3K9Ac dont la stœchiométrie d'acétylation in vivo est beaucoup plus élevée que celle d'H3K56Ac. De plus, le chapitre IV fait suite à notre étude sur l’acétylation des histones et consiste en un rapport spécial de recherche décrivant la fonction de H3K56Ac chez la levure et l’homme et comporte également une évaluation d’un anticorps supposément spécifique d'H3K56Ac en tant qu'outil diagnostic du cancer chez l’humain.

Caractérisation du rôle transcriptionnel et épigénétique de l’O-GlcNAcylation des histones et du facteur de transcription FOXK1

L’O-GlcNAcylation est une modification post-traductionnelle qui consiste en l’ajout covalent du N-acetylglucosamine au groupement hydroxyle des sérines et thréonines des protéines nucléaires et cytoplasmiques. Ce type de glycosylation atypique est régulé de manière très dynamique par l’action de l’O-GlcNAc transférase (OGT) et de l’O-GlcNAcase (OGA) qui catalysent et hydrolysent cette modification respectivement. Aujourd’hui, OGT émerge comme un régulateur transcriptionnel et senseur critique du métabolisme où les protéines ciblées par l’O-GlcNAcylation couvrent la presque totalité des voies de signalisation cellulaire. Récemment, des études ont aussi proposé qu’OGT soit impliquée dans la régulation épigénétique par l’O-GlcNAcylation des histones. Dans le but de caractériser le rôle fonctionnel d’OGT dans la régulation épigénétique, nous avons revisité le concept d’O-GlcNAcylation des histones et, de manière surprenante, n’avons pu confirmer cette observation. En fait, nos données indiquent que les outils disponibles pour détecter l’O-GlcNAcylation des histones génèrent des artéfacts. De ce fait, nos travaux supportent plutôt un modèle où la régulation épigénétique médiée par OGT se fait par l’O-GlcNAcylation de régulateurs transcriptionnels recrutés à la chromatine. Parmi ceux-ci, OGT s’associe au complexe suppresseur de tumeurs BAP1. En étudiant le rôle d’OGT dans ce complexe, nous avons identifié le facteur de transcription FOXK1 comme un nouveau substrat d’OGT et démontrons qu’il est régulé par O-GlcNAcylation durant la prolifération cellulaire. Enfin, nous démontrons que FOXK1 est aussi requis pour l’adipogenèse. Ensemble, nos travaux suggèrent un rôle important d’OGT dans la régulation du complexe BAP1.

Functional analysis of histones H3 and H4 in Tup1 repression and in GCN5 activation

Tup1 forms a complex with Ssn6 in yeast. Ssn6-Tup1 complex is recruited via direct interactions with specific DNA binding proteins to a specific promoter region and mediates repression of several sets of genes including a-cell specific genes (asg) in $\alpha$ cells. It has been shown that repression of asgs also requires histone H4 and that Tup1 can directly interact with H3 and H4 in vitro. To address whether histone H3 is required for the repression of asgs, I have examined the effect of H3 and H4 mutations on the expression of a $\alpha$2-controlled LacZ reporter. Assay of $\beta$-glactosidase shows that mutations in either H3 or H4 cause a weak derepression of the reporter gene. Some double mutations result in a stronger derepression, while others do not. The H3 N-terminal deletion also leads to a slightly decreased expression of the reporter gene in $\alpha$ cells. Our data suggest that the N-termini of both H3 and H4 are cooperatively involved in the repression of a-cell specific genes in $\alpha$ cells, possibly through their interaction with Tup1.^ GCN5 was originally identified as a transcriptional regulator required to activate a subset of genes in yeast. Recently, it has been shown that GCN5 encodes the catalytic subunit of a nuclear histone acetyltransferase, providing the first direct link between histone acetylation and gene transcription. Recombinant Gcn5p (rGcn5p) exhibits a limited substrate specificity in vitro. However, neither the specificity of this enzyme in vivo nor the importance of particular acetylated residues to transcription or cell growth are well defined. In order to define the sites of histone acetylation mediated by Gcn5p in vivo and assess the significance of histone acetylation, more than 30 yeast strains have been constructed to bear specific H3 and/or H4 mutations in the presence or absence of GCN5 function. Our genetic data suggest that Gcn5p may have additional targets in vivo that are not identified as the targets of rGcn5p by previous studies. Western analysis using antibodies specifically recognizing particular acetylated isoforms of H3 and H4 led us to conclude that Gcn5p is necessary for full acetylation of multiple sites in both H3 and H4 in vivo. Consistent with these observations, rGcn5p still acetylates histones H3 and H4 bearing mutations either in H3 K14 or H4 K8,16, sites previously identified as the targets of acetylation by rGcn5p in H3 and H4. Our data also demonstrated that Gcn5p-mediated acetylation events are important for normal progression of the cell cycle and for transcriptional activation. Furthermore, a critical overall level of acetylation is essential for cell viability. ^

Functional domains for assembly of histones H3 and H4 into the chromatin of Xenopus embryos

Histones H3 and H4 have a well defined structural role in the nucleosome and an established role in the regulation of transcription. We have made use of a microinjection strategy using Xenopus embryos to define the minimal structural components of H3 and H4 necessary for nucleosome assembly into metazoan chromosomes in vivo. We find that both the N-terminal tail of H4, including all sites of acetylation, and the C-terminal α-helix of the H4 histone fold domain are dispensable for chromatin assembly. The N-terminal tail and an N-terminal α-helix of H3 are also dispensable for chromatin assembly. However, the remainder of the H3 and H4 histone folds are essential for incorporation of these proteins into chromatin. We suggest that elements of the histone fold domain maintain both nucleosomal integrity and have distinct functions essential for cell viability.