Compositional and functional analysis of polycomb target chromatin

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Molecular Biology

Pint lincRNA connects the p53 pathway with epigenetic silencing by the Polycomb repressive complex 2

BACKGROUND: The p53 transcription factor is located at the core of a complex wiring of signaling pathways that are critical for the preservation of cellular homeostasis. Only recently it has become clear that p53 regulates the expression of several long intergenic noncoding RNAs (lincRNAs). However, relatively little is known about the role that lincRNAs play in this pathway. RESULTS: Here we characterize a lincRNA named Pint (p53 induced noncoding transcript). We show that Pint is a ubiquitously expressed lincRNA that is finely regulated by p53. In mouse cells, Pint promotes cell proliferation and survival by regulating the expression of genes of the TGF-β, MAPK and p53 pathways. Pint is a nuclear lincRNA that directly interacts with the Polycomb repressive complex 2 (PRC2), and is required for PRC2 targeting of specific genes for H3K27 tri-methylation and repression. Furthermore, Pint functional activity is highly dependent on PRC2 expression. We have also identified Pint human ortholog (PINT), which presents suggestive analogies with the murine lincRNA. PINT is similarly regulated by p53, and its expression significantly correlates with the same cellular pathways as the mouse ortholog, including the p53 pathway. Interestingly, PINT is downregulated in colon primary tumors, while its overexpression inhibits the proliferation of tumor cells, suggesting a possible role as tumor suppressor. CONCLUSIONS: Our results reveal a p53 autoregulatory negative mechanism where a lincRNA connects p53 activation with epigenetic silencing by PRC2. Additionally, we show analogies and differences between the murine and human orthologs, identifying a novel tumor suppressor candidate lincRNA.

Pint lincRNA connects the p53 pathway with epigenetic silencing by the Polycomb repressive complex 2

BACKGROUND: The p53 transcription factor is located at the core of a complex wiring of signaling pathways that are critical for the preservation of cellular homeostasis. Only recently it has become clear that p53 regulates the expression of several long intergenic noncoding RNAs (lincRNAs). However, relatively little is known about the role that lincRNAs play in this pathway. RESULTS: Here we characterize a lincRNA named Pint (p53 induced noncoding transcript). We show that Pint is a ubiquitously expressed lincRNA that is finely regulated by p53. In mouse cells, Pint promotes cell proliferation and survival by regulating the expression of genes of the TGF-β, MAPK and p53 pathways. Pint is a nuclear lincRNA that directly interacts with the Polycomb repressive complex 2 (PRC2), and is required for PRC2 targeting of specific genes for H3K27 tri-methylation and repression. Furthermore, Pint functional activity is highly dependent on PRC2 expression. We have also identified Pint human ortholog (PINT), which presents suggestive analogies with the murine lincRNA. PINT is similarly regulated by p53, and its expression significantly correlates with the same cellular pathways as the mouse ortholog, including the p53 pathway. Interestingly, PINT is downregulated in colon primary tumors, while its overexpression inhibits the proliferation of tumor cells, suggesting a possible role as tumor suppressor. CONCLUSIONS: Our results reveal a p53 autoregulatory negative mechanism where a lincRNA connects p53 activation with epigenetic silencing by PRC2. Additionally, we show analogies and differences between the murine and human orthologs, identifying a novel tumor suppressor candidate lincRNA.

Rôle du gène Polycomb BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses

Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale la plus commune et létale chez l’adulte. Malgré les avancés fulgurantes dans la dernière décennie au niveau des thérapies contre le cancer, le pronostique reste inchangé. Le manque de spécificité des traitements est la cause première de la récurrence de cette tumeur. Une meilleure compréhension au niveau des mécanismes moléculaires et biologiques de cette tumeur est impérative. La découverte des cellules souches cancéreuses (CD133+) au niveau du GBM offre une nouvelle opportunité thérapeutique contre cette tumeur. Effectivement, les cellules CD133+ seraient responsables de l’établissement, le maintien et la progression du GBM. De plus, elles sont également la cause de la résistance du GBM faces aux traitements de radiothérapies. Ces cellules représentent une cible de choix dans le but d’éradiquer le GBM. L’oncogène BMI1 a été associé à plusieurs types de tumeurs et est également essentielle au maintien de différentes populations de cellules souches normales et cancéreuses. Une forte expression de BMI1 est observée au niveau du GBM et plus précisément, un enrichissement préférentiel de cette protéine est noté au niveau des cellules CD133+. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le rôle potentiel de BMI1 dans le maintien et la radiorésistance des cellules souches cancéreuses (CSC), CD133+ du GBM. La fonction principale de BMI1 est la régulation négative du locus INK4A/ARF. Ce locus est impliqué dans l’activation de deux voies majeurs anti-tumorales : P53 et RB. Or, la perte de BMI1 induit in vitro une diminution des capacités prolifératives, une augmentation de la différentiation et de l’apoptose, ainsi qu’une augmentation de la radiosensibilité des CSC du GBM indépendamment de la présence du locus INK4A/ARF. Effectivement, deux tumeurs sur trois possèdent une délétion de ce locus, ce qui suggère que BMI1 possède d’autre(s) cible(s) transcriptionnelle(s). Parmi ces nouvelles cibles ont retrouve la protéine P21, un régulateur négatif du cycle cellulaire. De plus, la perte de BMI1 inhibe l’établissement d’une tumeur cérébrale lors d’études de xénogreffe chez la souris NOD/SCID. Également, une nouvelle fonction de BMI1 indépendante de son activité transcriptionnel a été démontrée. Effectivement, suite à l’induction d’un bris double brin (BDB) de l’ADN, BMI1 est rapidement recruté au niveau de la lésion et influence le recrutement des protéines de reconnaissance du dommage à l’ADN. La perte de BMI1 mène à un défaut au niveau de la reconnaissance et la réparation de l’ADN, alors que sa surexpression induit plutôt une augmentation de ces mécanismes et procure une radiorésistance. Ces résultats décrivent pour la première fois l’importance de BMI1 au niveau du maintien, de l’auto-renouvellement et la radiorésistance des CSC du GBM. Ainsi, ces travaux démontrent que la protéine BMI1 représente une cible thérapeutique de choix dans le but d’éradiquer le GBM, une tumeur cérébrale létale.

Les cibles transcriptionnelles du polycomb Rae28 lors du développement de l'oeil : l'hypothèse du locus Ink4a/Arf

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Analyse génétique de la fonction du gène Polycomb Bmi1 dans le développement et la survie des photorécepteurs chez la souris.

La rétine est constituée de plusieurs types de neurones incluant les cellules amacrines, ganglionnaires, bipolaires et les photorécepteurs. Les photorécepteurs, qui englobent les cônes et les bâtonnets, sont des neurones sensoriels hautement spécialisés qui permettent la conversion de la lumière en signaux électriques par le mécanisme de phototransduction. Les mécanismes moléculaires par lesquels les progéniteurs rétiniens (RPCs) se différencient en différents neurones spécialisés comme les photorécepteurs sont encore peu connus. Le gène Polycomb Bmi1 appartient à la famille des gènes Polycomb qui forment des complexes multimériques impliqués dans la répression de l’expression génique via le remodelage de la chromatine. Au niveau biologique, le gène Bmi1 régule, entre autre, le contrôle de la prolifération cellulaire, le métabolisme des radicaux libres, et la réparation de l’ADN. Récemment, il a été démontré que Bmi1 joue un rôle critique dans la prolifération et l’auto-renouvellement d’un groupe de RPCs immatures. De plus, Bmi1 est essentiel au développement post-natal de la rétine. L'objectif de cette étude est d'analyser le rôle de Bmi1 dans le développement et la survie des photorécepteurs chez la souris. Nos résultats révèlent un phénotype de dégénérescence des photorécepteurs de types cônes chez notre modèle de souris déficiente pour Bmi1. Les bâtonnets sont insensibles à la mutation. De plus, Bmi1 est exprimé de façon prédominante dans les cônes. Nos expériences de culture de cellules rétiniennes suggèrent que le phénotype est cellule-autonome. Par ailleurs, la co-délétion du gène Chk2, membre de la réponse aux dommages à l'ADN, permet de ralentir la progression du phénotype. Les rétines Bmi1-/- et Bmi1-/-Chk2-/- présentent une augmentation importante des dommages oxydatifs à l'ADN. Ces résultats suggèrent que le stress oxydatif pourrait jouer un rôle important dans la survie des cônes. L'étude du rôle du gène Polycomb Bmi1 dans les photorécepteurs est importante pour une meilleure compréhension des mécanismes contribuant à la survie des cônes et pourrait mener à la découverte de nouveaux traitements des maladies dégénératives des cônes.

A study of the polycomb group complexes in the maintenance of heterochromatic genome stability and Alzheimer's disease.

La démence d'Alzheimer est une maladie neurodégénérative caractérisée par une perte progressive et irreversible des fonctions cognitives et des compétences intellectuelles. La maladie d’Alzheimer se présente sous deux formes: la forme familiale ou précoce (EOAD) qui représente 5% des cas et elle est liée à des mutations génétiques affectant le métabolisme des peptides amyloïde; et la forme tardive ou sporadique (LOAD) qui représente 95% des cas mais son étiologie est encore mal définie. Cependant, le vieillissement reste le principal facteur de risque pour développer LOAD. Les changements épigénétiques impliquant des modifications des histones jouent un rôle crucial dans les maladies neurodégénératives et le vieillissement lié à l'âge. Des données récentes ont décrit LOAD comme un désordre de l'épigénome et ont associé ce trouble à l'instabilité génomique. Les protéines Polycomb sont des modificateurs épigénétiques qui induisent le remodelage de la chromatine et la répression des gènes à l'hétérochromatine facultative. Nous rapportons que les souris hétérozygotes pour une protéine Polycomb développent avec l'âge un trouble neurologique ressemblant à LOAD caractérisé par l’altération des fonctions cognitives, la phosphorylation de la protéine tau, l'accumulation des peptides amyloïde, et le dysfonctionnement synaptique. Ce phénotype pathologique est précédé par la décondensation de l’hétérochromatine neuronale et l'activation de la réponse aux dommages à l'ADN. Parallèlement, une réduction d’expression de polycomb, malformations de l'hétérochromatine neuronale, et l'accumulation de dommages à l'ADN étaient également présents dans les cerveaux de patients LOAD. Remarquablement, les dommages de l'ADN ne sont pas distribués de façon aléatoire sur le génome mais sont enrichis au niveau des séquences répétitives. Les conclusions présentées dans cette thèse ont identifié des modifications épigénétiques spécifiques qui conduisent à une instabilité génomique aberrante menant à la formation de LOAD. Ces résultats vont aider au développement de nouveaux traitements qui peuvent potentiellement ralentir la neurodégénérescence.

Studio del possibile ruolo del complesso polycomb nel determinare la schisi del labbro e del palato

La labioschisi con o senza palatoschisi non-sindromica (NSCL/P) è tra le più frequenti alterazioni dello sviluppo embrionale, causata dall’interazione di fattori genetici e ambientali, moti dei quali ancora ignoti. L'obiettivo del mio progetto di Dottorato consiste nell’identificazione di fattori di rischio genetico in un processo a due stadi che prevede la selezione di geni candidati e la verifica del loro coinvolgimento nella determinazione della malformazione mediante studi di associazione. Ho analizzato alcuni polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) dei geni RFC1 e DHFR, appartenenti alla via metabolica dell’acido folico, evidenziando una debole associazione tra alcuni degli SNPs indagati e la NSCL/P nella popolazione italiana. Presso il laboratorio della Dott.ssa Mangold dell’Università di Bonn, ho valutato il ruolo di 15 diverse regioni cromosomiche nel determinare la suscettibilità alla malattia, evidenziando una significativa associazione per i marcatori localizzati in 8q24 e 1p22. Ho quindi rivolto la mia attenzione al ruolo del complesso Polycomb nell’insorgenza della schisi. Nell’uomo i due complessi Polycomb, PRC1 e PRC2, rimodellano la cromatina agendo da regolatori dei meccanismi trascrizionali alla base della differenziazione cellulare e dello sviluppo embrionale. Ho ipotizzato che mutazioni a carico di geni appartenenti a PRC2 possano essere considerati potenziali fattori di rischio genetico nel determinare la NSCL/P. Il razionale consiste nel fatto che JARID2, una proteina che interagisce con PRC2, è associata all’insorgenza della NSCL/P ed espressa a livello delle cellule epiteliali delle lamine palatine che si approssimano alla fusione. L’indagine condotta analizzando i geni di elementi o partner dei due complessi Polycomb, ha evidenziato un’associazione significativa con alcuni polimorfismi dei geni indagati, associazione ulteriormente confermata dall’analisi degli aplotipi. Le analisi condotte sui geni candidati mi hanno permesso di raccogliere dati interessanti sull’eziologia della malformazione. Studi indipendenti saranno necessari per poter validare l'associazione tra le varianti genetiche di questi geni candidati e la NSCL/P.

Polycomb repressive complex 2 and induced basal-like breast cancer phenotype mediated by cyclin E/Cdk2

Despite of much success of breast cancer treatment, basal-like breast cancer subtype still presented as a clinical challenge to mammary oncologist for its lack of available targeted therapy owing to their negative expression of targeted molecules, such as PgR, ERα and Her2. These molecules are all critical regulators in mammary gland development. EZH2, a histone methyltransferase, by forming Polycomb Repressive Complex 2(PRC2) can directly suppress a large array of developmental regulators. Overexpression of cyclin E has also been correlated with basal-like (triple-negative) breast cancer and poor prognosis. We found an important functional link between these two molecules. Cyclin E/Cdk2 can enhance PRC2 function by phosphorylating a specific residue of EZH2, threonine 416 and increasing EZH2's ability to complex with SUZ12. This regulation would further recruit whole PRC2 complex to core promoter regions of these developmental regulators. The local enrichment of PRC2 complex would then trimethylate H3K27 around the core promoter regions and suppress the expression of targeted genes, which included PgR, ERα, erbB2 and BRCA1. This widespread gene suppressive effect imposed by highly active PRC2 complex would then transform the lumina) type cell to adopt a basal-like phenotype. This finding suggested deregulated Cdk2 activity owing to cyclin E overexpression may contribute to basal phenotype through enhancing epigenetic silencing effects by regulating PRC2 function. Inhibition of Cdk2 activity in basal-like cancer cells may help release the suppression, reexpress the silenced genes and become responsive to existing anti-hormone or anti-Her2 therapy. From this study, the mechanisms described here provided a rationale to target basal-like breast cancer by new combinational therapy of Cdk2 inhibitors together with Lapatinib, or Aromatin. ^

Control of fertilization-independent endosperm development by the MEDEA polycomb gene in Arabidopsis

Higher plant reproduction is unique because two cells are fertilized in the haploid female gametophyte. Egg and sperm nuclei fuse to form the embryo. A second sperm nucleus fuses with the central cell nucleus that replicates to generate the endosperm, a tissue that supports embryo development. To understand mechanisms that initiate reproduction, we isolated a mutation in Arabidopsis, f644, that allows for replication of the central cell and subsequent endosperm development without fertilization. When mutant f644 egg and central cells are fertilized by wild-type sperm, embryo development is inhibited, and endosperm is overproduced. By using a map-based strategy, we cloned and sequenced the F644 gene and showed that it encodes a SET-domain polycomb protein. Subsequently, we found that F644 is identical to MEDEA (MEA), a gene whose maternal-derived allele is required for embryogenesis [Grossniklaus, U., Vielle-Calzada, J.-P., Hoeppner, M. A. & Gagliano, W. B. (1998) Science 280, 446–450]. Together, these results reveal functions for plant polycomb proteins in the suppression of central cell proliferation and endosperm development. We discuss models to explain how polycomb proteins function to suppress endosperm and promote embryo development.

Mammalian Trithorax and Polycomb-group homologues are antagonistic regulators of homeotic development

Control of cell identity during development is specified in large part by the unique expression patterns of multiple homeobox-containing (Hox) genes in specific segments of an embryo. Trithorax and Polycomb-group (Trx-G and Pc-G) proteins in Drosophila maintain Hox expression or repression, respectively. Mixed lineage leukemia (MLL) is frequently involved in chromosomal translocations associated with acute leukemia and is the one established mammalian homologue of Trx. Bmi-1 was first identified as a collaborator in c-myc-induced murine lymphomagenesis and is homologous to the Drosophila Pc-G member Posterior sex combs. Here, we note the axial-skeletal transformations and altered Hox expression patterns of Mll-deficient and Bmi-1-deficient mice were normalized when both Mll and Bmi-1 were deleted, demonstrating their antagonistic role in determining segmental identity. Embryonic fibroblasts from Mll-deficient compared with Bmi-1-deficient mice demonstrate reciprocal regulation of Hox genes as well as an integrated Hoxc8-lacZ reporter construct. Reexpression of MLL was able to overcome repression, rescuing expression of Hoxc8-lacZ in Mll-deficient cells. Consistent with this, MLL and BMI-I display discrete subnuclear colocalization. Although Drosophila Pc-G and Trx-G members have been shown to maintain a previously established transcriptional pattern, we demonstrate that MLL can also dynamically regulate a target Hox gene.

The E2F6 transcription factor is a component of the mammalian Bmi1-containing polycomb complex

The E2F transcription factors play a key role in the regulation of cellular proliferation and terminal differentiation. E2F6 is the most recently identified and the least well understood member of the E2F family. It is only distantly related to the other E2Fs and lacks the sequences responsible for both transactivation and binding to the retinoblastoma protein. Consistent with this finding, E2F6 can behave as a dominant negative inhibitor of the other E2F family members. In this study, we continue to investigate the possible role(s) of E2F6 in vivo. We report the isolation of RYBP, a recently identified member of the mammalian polycomb complex, as an E2F6-interacting protein. Mapping studies indicate that RYBP binds within the known “repression domain” of E2F6. Moreover, we demonstrate that endogenous E2F6 and polycomb group proteins, including RYBP, Ring1, MEL-18, mph1, and the oncoprotein Bmi1, associate with one another. These findings suggest that the biological properties of E2F6 are mediated through its ability to recruit the polycomb transcriptional repressor complex.

Mutations in Drosophila heat shock cognate 4 are enhancers of Polycomb

The homeotic genes controlling segment identity in Drosophila are repressed by the Polycomb group of genes (PcG) and are activated by genes of the trithorax group (trxG). An F1 screen for dominant enhancers of Polycomb yielded a point mutation in the heat shock cognate gene, hsc4, along with mutations corresponding to several known PcG loci. The new mutation is a more potent enhancer of Polycomb phenotypes than an apparent null allele of hsc4 is, although even the null allele occasionally displays homeotic phenotypes associated with the PcG. Previous biochemical results had suggested that HSC4 might interact with BRAHMA, a trxG member. Further analyses now show that there is no physical or genetic interaction between HSC4 and the Brahma complex. HSC4 might be needed for the proper folding of a component of the Polycomb repression complex, or it may be a functional member of that complex.

Expression et fonction des gènes du groupe Polycomb (PcG) dans l'hématopoïèse normale et leucémique

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

Expression et fonction des gènes du groupe Polycomb (PcG) dans l'hématopoïèse normale et leucémique

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