Analysis of HSC activity and compensatory Hox gene expression profile in Hoxb cluster mutant fetal liver cells

Overexpression of Hoxb4 in bone marrow cells promotes expansion of hematopoietic stem cell (HSC) populations in vivo and in vitro, indicating that this homeoprotein can activate the genetic program that determines self-renewal. However, this function cannot be solely attributed to Hoxb4 because Hoxb4(-/-) mice are viable and have an apparently normal HSC number. Quantitative polymerase chain reaction analysis showed that Hoxb4(-/-) c-Kit(+) fetal liver cells expressed moderately higher levels of several Hoxb cluster genes than control cells, raising the possibility that normal HSC activity in Hoxb4(-/-) mice is due to a compensatory up-regulation of other Hoxb genes. In this study, we investigated the competitive repopulation potential of HSCs lacking Hoxb4 alone, or in conjunction with 8 other Hoxb genes. Our results show that Hoxb4(-/-) and Hoxb1-b9(-/-) fetal liver cells retain full competitive repopulation potential and the ability to regenerate all myeloid and lymphoid lineages. Quantitative Hox gene expression profiling in purified c-KIt(+) Hoxb1-bg(-/-) fetal liver cells revealed an interaction between the Hoxa, b, and c clusters with variation in expression levels of Hoxa4, -a11, and -c4. Together, these studies show a complex network of genetic interactions between several Hox genes in primitive hematopoietic cells and demonstrate that HSCs lacking up to 30% of the active Hox genes remain fully competent.

Caractérisation du rôle et des mécanismes d’action des gènes Hoxa dans l’hématopoïèse adulte

Chez les humains, un large pourcentage de leucémies myéloïdes et lymphoïdes exprime des gènes Homéobox (Hox) de façon aberrante, principalement ceux du groupe des gènes Hoxa. Cette dérégulation de l’expression des gènes Hox peut provenir directement des translocations impliquant des gènes Hox ou indirectement par d’autres protéines ayant un potentiel oncogénique. De plus, plusieurs études indiquent que les gènes Hox jouent un rôle essentiel dans l'initiation de diverses leucémies. Comprendre le fonctionnement des gènes Hox dans l'hématopoïèse normale est donc une condition préalable pour élucider leurs fonctions dans les leucémies, ce qui pourrait éventuellement conduire à l’élaboration de nouveaux traitements contre cette maladie. Plusieurs études ont tenté d’élucider les rôles exacts des gènes Hox dans l'hématopoïèse via l’utilisation de souris mutantes pour un seul gène Hox. Or, en raison du phénomène de redondance fonctionnelle chez cette famille de gènes, ces études ont été peu concluantes. Il a été précédemment démontré que dans une population de cellules enrichies en cellules souches hématopoïétiques (CSH), les gènes du cluster Hoxa sont plus exprimés que les gènes Hox des autres clusters. Aussi, il a été établi que les gènes du cluster Hoxb sont non essentiels à l’hématopoïèse définitive puisque les CSH mutantes pour les gènes Hoxb1-9 conservent leur potentiel de reconstitution à long terme. En nous basant sur ces données, nous avons émis l'hypothèse suivante : les gènes Hoxa sont essentiels pour l'hématopoïèse normale adulte. Pour tester notre hypothèse, nous avons choisi d’utiliser un modèle de souris comportant une délétion pour l’ensemble des gènes Hoxa. Dans le cadre de cette recherche, nous avons démontré que les CSH, les progéniteurs primitifs et les progéniteurs des cellules B sont particulièrement sensibles au niveau d'expression des gènes Hoxa. Plus particulièrement, une baisse de la survie et une différenciation prématurée semblent être à l’origine de la perte des CSH Hoxa-/- dans la moelle osseuse. L’analyse du profil transcriptionnel des CSH par séquençage de l'ARN a révélé que les gènes Hoxa sont capables de réguler un vaste réseau de gènes impliqués dans divers processus biologiques. En effet, les gènes Hoxa régulent l’expression de plusieurs gènes codant pour des récepteurs de cytokine. De plus, les gènes Hoxa influencent l’expression de gènes jouant une fonction dans l’architecture de la niche hématopoïétique. L’expression de plusieurs molécules d’adhésion est aussi modulée par les gènes Hoxa, ce qui peut affecter la relation des CSH avec la niche hématopoïétique. L’ensemble de ces résultats démontre que les gènes Hoxa sont d'importants régulateurs de l'hématopoïèse adulte puisqu’ils sont nécessaires au maintien des CSH et des progéniteurs grâce à leurs effets sur plusieurs processus biologiques comme l'apoptose, le cycle cellulaire et les interactions avec la niche.

Comparative studies of Hox genes in mammalian limb and vertebral pattern formation

Divergence of anterior-posterior (AP) limb pattern and differences in vertebral column morphology are the two main examples of mammalian evolution. The Hox genes (homeobox containing gene) have been implicated in driving evolution of these structures. However, regarding Hox genes, how they contribute to the generation of mammalian morphological diversities, is still unclear. Implementing comparative gene expression and phenotypic rescue studies for different mammalian Hox genes could aid in unraveling this mystery. In the first part of this thesis, the expression pattern of Hoxd13 gene, a key Hox gene in the establishment of the limb AP pattern, was examined in developing limbs of bats and mice. Bat forelimbs exhibit a pronounced asymmetric AP pattern and offer a good model to study the molecular mechanisms that contribute to the variety of mammalian limbs. The data showed that the expression domain of bat Hoxd13 was shifted prior to the asymmetric limb plate expansion, whereas its domain in mice was much more symmetric. This finding reveals a correlation between the divergence of Hoxd13 expression and the AP patterning difference in limb development. The second part of this thesis details a phenotypic rescue approach by human HOXB1-9 transgenes in mice with Hoxb1-9 deletion, The mouse mutants displayed homeosis in cervical and anterior thoracic vertebrae. The human transgenes entirely rescued the mouse mutants, suggesting that these human HOX genes have similar functions to their mouse orthologues in anterior axial skeletal patterning. The anterior expressing human HOXB transgenes such as HOXB1-3 were expressed in the mouse embryonic trunk in a similar manner as their murine orthologues. However, the anterior boundary of human HOXB9 expression domain was more posterior than that of the mouse Hoxb9 by 2-3 somites. These data provide the molecular support for the hypothesis that Hox genes are responsible for maintaining similar anterior axial skeletal architectures cervical and anterior thoracic regions, but different architectures in lumbar and posterior thoracic regions between humans and mice. ^

A novel modifier gene for plasma von Willebrand factor level maps to distal mouse chromosome 11

Type 1 von Willebrand disease (VWD), characterized by reduced levels of plasma von Willebrand factor (VWF), is the most common inherited bleeding disorder in humans. Penetrance of VWD is incomplete, and expression of the bleeding phenotype is highly variable. In addition, plasma VWF levels vary widely among normal individuals. To identify genes that influence VWF level, we analyzed a genetic cross between RIIIS/J and CASA/Rk, two strains of mice that exhibit a 20-fold difference in plasma VWF level. DNA samples from F2 progeny demonstrating either extremely high or extremely low plasma VWF levels were pooled and genotyped for 41 markers spanning the autosomal genome. A novel locus accounting for 63% of the total variance in VWF level was mapped to distal mouse chromosome 11, which is distinct from the murine Vwf locus on chromosome 6. We designated this locus Mvwf for “modifier of VWF.” Additional genotyping of as many as 2407 meioses established a high resolution genetic map with gene order Cola1-Itg3a-Ngfr-Mvwf/Gip-Hoxb9-Hoxb1-Cbx·rs2-Cox5a-Gfap. The Mvwf candidate interval between Ngfr and Hoxb9 is ≈0.5 centimorgan (cM). These results demonstrate that a single dominant gene accounts for the low VWF phenotype of RIIIS/J mice in crosses with several other strains. The pattern of inheritance suggests a gain-of-function mutation in a unique component of VWF biosynthesis or processing. Characterization of the human homologue for Mvwf may have relevance for a subset of type 1 VWD cases and may define an important genetic factor modifying penetrance and expression of mutations at the VWF locus.

Restricted expression of homeobox genes distinguishes fetal from adult human smooth muscle cells.

Smooth muscle cell plasticity is considered a prerequisite for atherosclerosis and restenosis following angioplasty and bypass surgery. Identification of transcription factors that specify one smooth muscle cell phenotype over another therefore may be of major importance in understanding the molecular basis of these vascular disorders. Homeobox genes exemplify one class of transcription factors that could govern smooth muscle cell phenotypic diversity. Accordingly, we screened adult and fetal human smooth muscle cell cDNA libraries with a degenerate oligonucleotide corresponding to a highly conserved region of the homeodomain with the idea that homeobox genes, if present, would display a smooth muscle cell phenotype-dependent pattern of expression. No homeobox genes were detected in the adult human smooth muscle cell library; however, five nonparalogous homeobox genes were uncovered from the fetal library (HoxA5, HoxA11, HoxB1, HoxB7, and HoxC9). Northern blotting of adult and fetal tissues revealed low and restricted expression of all five homeobox genes. No significant differences in transcripts of HoxA5, HoxA11, and HoxB1 were detected between adult or fetal human smooth muscle cells in culture. HoxB7 and HoxC9, however, showed preferential mRNA expression in fetal human smooth muscle cells that appeared to correlate with the age of the donor. This phenotype-dependent expression of homeobox genes was also noted in rat pup versus adult smooth muscle cells. While similar differences in gene expression have been reported between subsets of smooth muscle cells from rat vessels of different-aged animals or clones of rat smooth muscle, our findings represent a demonstration of a transcription factor distinguishing two human smooth muscle cell phenotypes.

Rôles des interactions entre loci dans l'organisation spatiale fonctionnelle et l'évolution des génomes de mammifères

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôles des interactions entre loci dans l'organisation spatiale fonctionnelle et l'évolution des génomes de mammifères

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.