Regulation of B Cell Gene Expression and Function by Ikaros, Helios and Bcl6

B lymphocytes constitute a key branch of adaptive immunity by providing specificity to recognize a vast variety of antigens by B cell antigen receptors (BCR) and secreted antibodies. Antigen recognition activates the cells and can produce antibody secreting plasma cells via germinal center reaction that leads to the maturation of antigen recognition affinity and switching of antibody effector class. The specificity of antigen recognition is achieved through a multistep developmental pathway that is organized by interplay of transcription factors and signals through BCR. Lymphoid malignancies arise from different stages of development in abnormal function of transcriptional regulation. To understand the B cell development and the function of B cells, a thorough understanding of the regulation of gene expression is important. The transcription factors of the Ikaros family and Bcl6 are frequently associated with lymphoma generation. The aim of this study was to reveal the targets of Ikaros, Helios and Bcl6 mediated gene regulation and to find out the function of Ikaros and Helios in B cells. This study uses gene targeted DT40 B cell lines and establishes a role for Ikaros family factors Ikaros and Helios in the regulation of BCR signaling that is important at developmental checkpoints, for cell survival and in activation. Ikaros and Helios had opposing roles in the regulation of BCR signals. Ikaros was found to directly repress the SHIP gene that encodes a signaling lipid-metabolizing enzyme, whereas Helios had activating effect on SHIP expression. The findings demonstrate a balancing function for these two Ikaros family transcription factors in the regulation of BCR signaling as well as in the regulation of gene expression. Bcl6 was found to repress plasma cell gene expression program while maintaining gene expression profile of B cells. Analysis of direct Bcl6 target genes suggested novel mechanisms for Bcl6-mediated suppression of plasma cell differentiation and promoting germinal center phenotype.

Ikaros

Soitinnus: orkesteri.

Étude de l’interaction Ikaros/voie de signalisation Notch au cours de l'érythropoïèse

Tout au long de la vie d’un individu, il existe un nombre optimal de cellules à produire et de progéniteurs à conserver en réserve. On parle de maintien de l’homéostasie tissulaire. De façon générale, l’organisme a cinq possibilités pour réguler l’homéostasie : l’autorenouvellement et la quiescence, souvent utilisés pour maintenir un ‘pool’ fonctionnel de progéniteurs, la différenciation qui permet de produire des cellules effectrices, l’apoptose et la sénescence, qui permettent de limiter la production de cellules ou encore d’en faire diminuer le nombre quand elles sont en excès. La régulation de ces quatre mécanismes peut se faire de façon extrinsèque en passant par différentes voies de signalisation combinées à l’action intrinsèque de facteurs de transcription comme Ikaros et GATA1. Le facteur de transcription Ikaros joue un rôle critique dans le devenir des cellules progénitrices et la différenciation des lignages hématopoïétiques. Cependant, il demeure surtout connu pour son influence sur la voie Notch dans les cellules lymphoïdes, notamment les lymphocytes T. Les cellules érythroïdes sont hautement sensibles à l’environnement et donc, particulièrement adaptées à l’étude des régulations de l’homéostasie. Les résultats de différentes études ont permis de démontrer qu’Ikaros et la voie Notch influencent l’érythropoïèse. Cependant le détail de leurs actions demeure en grande partie inconnu à ce jour. Au cours de notre étude nous avons voulu déterminer l’action d’Ikaros dans le maintien de l’homéostasie des cellules érythroïdes et si son rôle passe par un dialogue avec la voie Notch. Nous avons voulu décrypter les mécanismes de régulation transcriptionnelle utilisés par Ikaros et par Notch au cours de l’érythropoïèse et leurs effets. Notre étude montre qu’Ikaros réprime à l’aide de GATA1 le gène Hes1, une cible importante de la voie Notch, en recrutant un complexe de la famille Polycomb, le PRC2 ii (Polycomb Repressive Complex 2). Cette répression permet la promotion de la différenciation des cellules érythroïdes. Au niveau du maintien de l’homéostasie par régulation de l’apoptose, Ikaros est connu pour cibler l’anti-apoptotique Bcl2l1 dans les lymphocytes. Puisque Gata-1, partenaire préférentiel d’Ikaros cible Bcl2l1 dans les cellules érythroïdes, nous avons caractérisé leur effet sur l’expression de Bcl2l1. Nous avons découvert qu’Ikaros active de façon directe Bcl2l1 et qu’il recrute sur le gène deux complexes partenaires d’élongation : un de la famille SET1/MLL, et le complexe P-TEFb-NuRD. En l’absence d’Ikaros, le fragment intracellulaire de Notch (NICD) et son cofacteur RBP-J remplacent Ikaros et favorisent l’hyper-activation de l’expression de Bcl2l1. Ceci est associé à la modification du complexe d’élongation recruté, ainsi qu’à la mise en place de modifications épigénétiques distinctes de celles observées avec Ikaros ce qui modifie l’élongation transcriptionnelle du gène. Ikaros et Notch sont fréquemment mutés ou présentent des fonctions altérées dans les leucémies. Notre étude montre un dialogue Ikaros/Notch influençant aussi bien la différenciation que l’apoptose et met en évidence l’existence d’un circuit génétique dont le dérèglement pourrait favoriser l’apparition d’une hématopoïèse maligne.

Identification of human granzyme B promoter regulatory elements interacting with activated T-cell-specific proteins: implication of Ikaros and CBF binding sites in promoter activation.

Granzyme B serine protease is found in the granules of activated cytotoxic T cells and in natural and lymphokine-activated killer cells. This protease plays a critical role in the rapid induction of target cell DNA fragmentation. The DNA regulatory elements that are responsible for the specificity of granzyme B gene transcription in activated T-cells reside between nt -148 and +60 (relative to the transcription start point at +1) of the human granzyme B gene promoter. This region contains binding sites for the transcription factors Ikaros, CBF, Ets, and AP-1. Mutational analysis of the human granzyme B promoter reveals that the Ikaros binding site (-143 to -114) and the AP-1/CBF binding site (-103 to -77) are essential for the activation of transcription in phytohemagglutinin-activated peripheral blood lymphocytes, whereas mutation of the Ets binding site does not affect promoter activity in these cells.

Combinatorial effects of splice variants modulate function of Aiolos

The transcription factor Aiolos (also known as IKZF3), a member of the Ikaros family of zinc-finger proteins, plays an important role in the control of B lymphocyte differentiation and proliferation. Previously, multiple isoforms of Ikaros family members arising from differential splicing have been described and we now report a number of novel isoforms of Aiolos. It has been demonstrated that full-length Ikaros family isoforms localize to heterochromatin and that they can associate with complexes containing histone deacetylase (HDAC). In this study, for the first time we directly investigate the cellular localization of various Aiolos isoforms, their ability to heterodimerize with Ikaros and associate with HDAC-containing complexes, and the effects on histone modification and binding to putative targets. Our work demonstrates that the cellular activities of Aiolos isoforms are dependent on combinations of various functional domains arising from the differential splicing of mRNA transcripts. These data support the general principle that the function of an individual protein is modulated through alternative splicing, and highlight a number of potential implications for Aiolos in normal and aberrant lymphocyte function.

KAP1 regulates gene networks controlling T-cell development and responsiveness.

Chromatin remodeling at specific genomic loci controls lymphoid differentiation. Here, we investigated the role played in this process by Kruppel-associated box (KRAB)-associated protein 1 (KAP1), the universal cofactor of KRAB-zinc finger proteins (ZFPs), a tetrapod-restricted family of transcriptional repressors. T-cell-specific Kap1-deleted mice displayed a significant expansion of immature thymocytes, imbalances in CD4(+)/CD8(+) cell ratios, and altered responses to TCR and TGFβ stimulation when compared to littermate KAP1 control mice. Transcriptome and chromatin studies revealed that KAP1 binds T-cell-specific cis-acting regulatory elements marked by the H3K9me3 repressive mark and enriched in Ikaros/NuRD complexes. Also, KAP1 directly controls the expression of several genes involved in TCR and cytokine signaling. Among these, regulation of FoxO1 seems to play a major role in this system. Likely responsible for tethering KAP1 to at least part of its genomic targets, a small number of KRAB-ZFPs are selectively expressed in T-lymphoid cells. These results reveal the so far unsuspected yet important role of KAP1-mediated epigenetic regulation in T-lymphocyte differentiation and activation.

Genetic regulatory networks in avian B cells

Biology is turning into an information science. The science of systems biology seeks to understand the genetic networks that govern organism development and functions. In this study the chicken was used as a model organism in the study of B cell regulatory factors. These studies open new avenues for plasma cell research by connecting the down regulation of the B cell gene expression program directly to the initiation of plasma cell differentiation. The unique advantages of the DT40 avian B cell model system, specifically its high homologous recombination rate, were utilized to study gene regulation in Pax5 knock out cell lines and to gain new insights into the B cell to plasma cell transitions that underlie the secretion of antibodies as part of the adaptive immune response. The Pax5 transcription factor is central to the commitment, development and maintenance of the B cell phenotype. Mice lacking the Pax5 gene have an arrest in development at the pro-B lymphocyte stage while DT40 cells have been derived from cells at a more mature stage of development. The DT40 Pax5-/- cells exhibited gene expression similarities with primary chicken plasma cells. The expression of the plasma cell transcription factors Blimp-1 and XBP-1 were significantly upregulated while the expression of the germinal centre factor BCL6 was diminished in Pax5-/- cells, and this alteration was normalized by Pax5 re-introduction. The Pax5-deficient cells further manifested substantially elevated secretion of IgM into the supernatant, another characteristic of plasma cells. These results for the first time indicated that the downregulation of the Pax5 gene in B cells promotes plasma cell differentiation. Cross-species meta-analysis of chicken and mouse Pax5 gene knockout studies uncovers genes and pathways whose regulatory relationship to Pax5 has remained unchanged for over 300 million years. Restriction of the hematopoietic stem cell fate to produce T, B and NK cell lineages is dependent on the Ikaros and its molecular partners, the closely related Helios and Aiolos. Ikaros family members are zinc finger proteins which act as transcriptional repressors while helping to activate lymphoid genes. Helios in mice is expressed from the hematopoietic stem cell level onwards, although later in development its expression seems to predominate in the T cell lineage. This study establishes the emergence and sequence of the chicken Ikaros family members. Helios expression in the bursa of Fabricius, germinal centres and B cell lines suggested a role for Helios in the avian B-cell lineage, too. Phylogenetic studies of the Ikaros family connect the expansion of the Ikaros family, and thus possibly the emergence of the adaptive immune system, with the second round of genome duplications originally proposed by Ohno. Paralogs that have arisen as a result of genome-wide duplications are sometimes termed ohnologs – Ikaros family proteins appear to fit that definition. This study highlighted the opportunities afforded by the genome sequencing efforts and somatic cell reverse genetics approaches using the DT40 cell line. The DT40 cell line and the avian model system promise to remain a fruitful model for mechanistic insight in the post-genomic era as well.

Lyhyesti

Tukholman kiinnostavia museoita ; Mittavia yhteishankkeita ; Maailman ensimmäinen scifi-elokuva ; Avointa tutkimuspolitiikkaa ; Avoin-liikkeet ; Ikaros-lehti ; Tiedekeskus Pilke ; Pääkirjasto Kaisa-talossa ; Alkusyksyn palkittuja.

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.

Rôle du facteur de transcription BP1 dans la régulation des gènes du locus humain de beta-globine

Le facteur de transcription BP1 humain est exprimé dans les cellules érythroïdes pendant le développement fœtal mais son niveau d’expression est réduit au stade adulte. Les études antérieures in vitro ont montré que BP1 est un répresseur du gène adulte de β-globine mais sa fonction dans la régulation des gènes ε et γ n’a pas été abordée à ce jour. Dans notre étude, nos analyses de BP1 humain ont été menées in vivo au stade embryonnaire en utilisant une lignée de souris transgénique surexprimant BP1 dans les cellules érythroïdes définitives murines. Au niveau protéique, BP1 humain est exprimé aux âges E12.5 et E13.5 dans les cellules érythroïdes fœtales des embryons transgéniques. Toutefois, les niveaux de BP1 humain ne perturbent pas l’érythropoïèse définitive fœtale: les embryons transgéniques ne sont pas anémiques et ne meurent pas in utero. La surexpression de BP1 humain altère tout de même le niveau endogène des facteurs de transcription Ikaros et SOX6 impliqués dans la régulation des gènes de β-globine durant l’érythropoïèse définitive fœtale murine. Chez les embryons doubles transgéniques exprimant BP1 et les gènes humains de β-globine à E12.5, l’expression du gène adulte β est réduite alors que celle des gènes ε et γ est non réprimée. Les mesures d’expression des gènes humains de β-globine effectuées en absence d’Ikaros à E12.5 précisent le rôle de BP1 humain dans l’activation du gène embryonnaire ε. Dans les cellules érythroïdes fœtales murines dépourvues d’Ikaros à E12.5, BP1 humain augmente grandement l’expression des facteurs de transcription EKLF et BCL11A et semble déréprimer l’expression de SOX6, ce qui conduit à une répression des gènes fœtaux et une activation du gène adulte β au jour embryonnaire murin suivant. Puisque BP1 atténue l’altération de l’expression des gènes fœtaux et adultes causée par l’absence d’Ikaros, nous proposons que BP1 et Ikaros soient liés dans les mécanismes de transcription des gènes humains de β-globine.

Mechanism of resistance to tyrosine kinase inhibitors in philadelphia-positive acute lymphblastic leukaemia (all): from genetic alterations to impaired RNA editing

The Ph chromosome is the most frequent cytogenetic aberration associated with adult ALL and it represents the single most significant adverse prognostic marker. Despite imatinib has led to significant improvements in the treatment of patients with Ph+ ALL, in the majority of cases resistance developed quickly and disease progressed. Some mechanisms of resistance have been widely described but the full knowledge of contributing factors, driving both the disease and resistance, remains to be defined. The observation of rapid development of lymphoblastic leukemia in mice expressing altered Ikaros (Ik) isoforms represented the background of this study. Ikaros is a zinc finger transcription factor required for normal hemopoietic differentiation and proliferation, particularly in the lymphoid lineages. By means of alternative splicing, Ikaros encodes several proteins that differ in their abilities to bind to a consensus DNA-binding site. Shorter, DNA nonbinding isoforms exert a dominant negative effect, inhibiting the ability of longer heterodimer partners to bind DNA. The differential expression pattern of Ik isoforms in Ph+ ALL patients was analyzed in order to determine if molecular abnormalities involving the Ik gene could associate with resistance to imatinib and dasatinib. Bone marrow and peripheral blood samples from 46 adult patients (median age 55 yrs, 18-76) with Ph+ ALL at diagnosis and during treatment with imatinib (16 pts) or dasatinib (30 pts) were collected. We set up a fast, high-throughput method based on capillary electrophoresis technology to detect and quantify splice variants. 41% Ph+ ALL patients expressed high levels of the non DNA-binding dominant negative Ik6 isoform lacking critical N-terminal zinc-fingers which display abnormal subcellular compartmentalization pattern. Nuclear extracts from patients expressed Ik6 failed to bind DNA in mobility shift assay using a DNA probe containing an Ikaros-specific DNA binding sequence. In 59% Ph+ ALL patients there was the coexistence in the same PCR sample and at the same time of many splice variants corresponded to Ik1, Ik2, Ik4, Ik4A, Ik5A, Ik6, Ik6 and Ik8 isoforms. In these patients aberrant full-length Ikaros isoforms in Ph+ ALL characterized by a 60-bp insertion immediately downstream of exon 3 and a recurring 30-bp in-frame deletion at the end of exon 7 involving most frequently the Ik2, Ik4 isoforms were also identified. Both the insertion and deletion were due to the selection of alternative splice donor and acceptor sites. The molecular monitoring of minimal residual disease showed for the first time in vivo that the Ik6 expression strongly correlated with the BCR-ABL transcript levels suggesting that this alteration could depend on the Bcr-Abl activity. Patient-derived leukaemia cells expressed dominant-negative Ik6 at diagnosis and at the time of relapse, but never during remission. In order to mechanistically demonstrated whether in vitro the overexpression of Ik6 impairs the response to tyrosine kinase inhibitors (TKIs) and contributes to resistance, an imatinib-sensitive Ik6-negative Ph+ ALL cell line (SUP-B15) was transfected with the complete Ik6 DNA coding sequence. The expression of Ik6 strongly increased proliferation and inhibited apoptosis in TKI sensitive cells establishing a previously unknown link between specific molecular defects that involve the Ikaros gene and the resistance to TKIs in Ph+ ALL patients. Amplification and genomic sequence analysis of the exon splice junction regions showed the presence of 2 single nucleotide polymorphisms (SNPs): rs10251980 [A/G] in the exon2/3 splice junction and of rs10262731 [A/G] in the exon 7/8 splice junction in 50% and 36% of patients, respectively. A variant of the rs11329346 [-/C], in 16% of patients was also found. Other two different single nucleotide substitutions not recognized as SNP were observed. Some mutations were predicted by computational analyses (RESCUE approach) to alter cis-splicing elements. In conclusion, these findings demonstrated that the post-transcriptional regulation of alternative splicing of Ikaros gene is defective in the majority of Ph+ ALL patients treated with TKIs. The overexpression of Ik6 blocking B-cell differentiation could contribute to resistance opening a time frame, during which leukaemia cells acquire secondary transforming events that confer definitive resistance to imatinib and dasatinib.

Human TNF receptor p75/80 gene structure and promoter characterization

Tumor necrosis factor receptor p75/80 ((TNF-R p75/80) is a 75 kDa type 1 transmembrane protein expressed predominately on cells of hematopoietic lineage. TNF-R p75/80 belongs to the TNF receptor superfamily characterized by cysteine-rich extracellular regions composed of three to six disulfide-linked domains. In the present report, we have characterized, for the first time, the complete gene structure for human TNF-R p75/80 which spans approximately 43 kbp. The gene consists of 10 exons (ranging from 34 bp to 2.5 kbp) and 9 introns (343 bp to 19 kbp). Consensus elements for transcription factors involved in T cell development and activation were noted in the 5$\sp\prime$ flanking region including TCF-1, Ikaros, AP-1, CK-2, IL-6RE, ISRE, GAS, NF-$\kappa$B and SP1, as well as an unusually high GC content and CpG frequency that appears characteristic of some TNF-R family members. The unusual (GATA)$\sb{\rm n}$ and (GAA)(GGA) repeats found within intron 1 may prove useful for further genome analysis within the 1p36 chromosomal locus. The human TNF-R p75/80 gene structure will permit further assessment of its involvement in normal hematopoietic cell development and function, autoimmune disease, and non-random translocations in hematopoietic malignancies. The region 1.8 kb 5$\sp\prime$ of the ATG was able to drive luciferase expression when transfected into cell lines expressing TNF-R p75/80. Further characterization of the 5$\sp\prime$-regulatory region will aid in determining factors and signal transduction pathways involved in regulating TNF-R p75/80 expression. ^

Silencer elements controlling the B29 (Igβ) promoter are neither promoter- nor cell-type-specific

The murine B29 (Igβ) promoter is B cell specific and contains essential SP1, ETS, OCT, and Ikaros motifs. Flanking 5′ DNA sequences inhibit B29 promoter activity, suggesting this region contains silencer elements. Two adjacent 5′ DNA segments repress transcription by the murine B29 promoter in a position- and orientation-independent manner, analogous to known silencers. Both these 5′ segments also inhibit transcription by several heterologous promoters in B cells, including mb-1, c-fos, and human B29. These 5′ segments also inhibit transcription by the c-fos promoter in T cells suggesting they are not B cell-specific elements. DNase I footprint analyses show an approximately 70-bp protected region overlapping the boundary between the two negative regulatory DNA segments and corresponding to binding sites for at least two different DNA-binding proteins. Within this footprint, two unrelated 30-bp cis-acting DNA motifs (designated TOAD and FROG) function as position- and orientation-independent silencers when located directly 5′ of the murine B29 promoter. These two silencer motifs act cooperatively to restrict the transcriptional activity of the B29 promoter. Neither of these motifs resembles any known silencers. Mutagenesis of the TOAD and FROG motifs in their respective 5′ DNA segments eliminates the silencing activity of these upstream regions, indicating these two motifs as the principal B29 silencer elements within these regions.