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.

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.

Compositional and functional analysis of polycomb target chromatin

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

MLL, a mammalian trithorax-group gene, functions as a transcriptional maintenance factor in morphogenesis

Determinative events in vertebrate embryogenesis appear to require the continuous expression of spatial regulators such as the clustered homeobox genes. The mechanisms that govern long-term patterns of gene expression are not well understood. In Drosophila, active and silent states of developmentally regulated loci are maintained by trithorax and Polycomb group. We have examined the developmental role of a mammalian homolog of trx and putative oncogene, Mll. Knockout mice reveal that Mll is required for maintenance of gene expression early in embryogenesis. Downstream targets of Mll including Hoxa7 are activated appropriately in the absence of Mll but require Mll for sustaining their expression. The Mll−/− phenotype manifests later in development and is characterized by branchial arch dysplasia and aberrant segmental boundaries of spinal ganglia and somites. Thus, Mll represents an essential mechanism of transcriptional maintenance in mammalian development, which functions in multiple morphogenetic processes.

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.

The evolution of controlled multitasked gene networks: The role of introns and other noncoding RNAs in the development of complex organisms

Eukaryotic phenotypic diversity arises from multitasking of a core proteome of limited size. Multitasking is routine in computers, as well as in other sophisticated information systems, and requires multiple inputs and outputs to control and integrate network activity. Higher eukaryotes have a mosaic gene structure with a dual output, mRNA (protein-coding) sequences and introns, which are released from the pre-mRNA by posttranscriptional processing. Introns have been enormously successful as a class of sequences and comprise up to 95% of the primary transcripts of protein-coding genes in mammals. In addition, many other transcripts (perhaps more than half) do not encode proteins at all, but appear both to be developmentally regulated and to have genetic function. We suggest that these RNAs (eRNAs) have evolved to function as endogenous network control molecules which enable direct gene-gene communication and multitasking of eukaryotic genomes. Analysis of a range of complex genetic phenomena in which RNA is involved or implicated, including co-suppression, transgene silencing, RNA interference, imprinting, methylation, and transvection, suggests that a higher-order regulatory system based on RNA signals operates in the higher eukaryotes and involves chromatin remodeling as well as other RNA-DNA, RNA-RNA, and RNA-protein interactions. The evolution of densely connected gene networks would be expected to result in a relatively stable core proteome due to the multiple reuse of components, implying,that cellular differentiation and phenotypic variation in the higher eukaryotes results primarily from variation in the control architecture. Thus, network integration and multitasking using trans-acting RNA molecules produced in parallel with protein-coding sequences may underpin both the evolution of developmentally sophisticated multicellular organisms and the rapid expansion of phenotypic complexity into uncontested environments such as those initiated in the Cambrian radiation and those seen after major extinction events.

Drosophila melanogaster dHCF Interacts with both PcG and TrxG Epigenetic Regulators.

Repression and activation of gene transcription involves multiprotein complexes that modify chromatin structure. The integration of these complexes at regulatory sites can be assisted by co-factors that link them to DNA-bound transcriptional regulators. In humans, one such co-factor is the herpes simplex virus host-cell factor 1 (HCF-1), which is implicated in both activation and repression of transcription. We show here that disruption of the gene encoding the Drosophila melanogaster homolog of HCF-1, dHCF, leads to a pleiotropic phenotype involving lethality, sterility, small size, apoptosis, and morphological defects. In Drosophila, repressed and activated transcriptional states of cell fate-determining genes are maintained throughout development by Polycomb Group (PcG) and Trithorax Group (TrxG) genes, respectively. dHCF mutant flies display morphological phenotypes typical of TrxG mutants and dHCF interacts genetically with both PcG and TrxG genes. Thus, dHCF inactivation enhances the mutant phenotypes of the Pc PcG as well as brm and mor TrxG genes, suggesting that dHCF possesses Enhancer of TrxG and PcG (ETP) properties. Additionally, dHCF interacts with the previously established ETP gene skd. These pleiotropic phenotypes are consistent with broad roles for dHCF in both activation and repression of transcription during fly development.

Development of Ewing's sarcoma from primary bone marrow-derived mesenchymal stem cells

SUMMARY : Ewing's sarcoma is a member of Ewing's family tumors (ESPY) and the second most common solid bone and soft tissue malignancy of children and young adults. It is associated in 85% of cases with the t(11;22)(q24:q12) chromosomal translocation that generates fusion of the 5' segment of the EWSR1 gene with the 3' segment of the ETS family gene FLI-1. The EWSR1-FLI-1 fusion protein behaves as an aberrant transcriptional activator and is believed to contribute to ESFT development. However, EWSR1-FLI-1 induces growth arrest and apoptosis in normal fibroblasts, and primary cells that are pemissive for its putative oncogenic properties have not been discovered, hampering basic understanding of ESFT biology. Here, we show that EWSR1-FLI-1 alone can transform mouse primary bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells and generate tumors that display hallmarks of Ewing's sarcoma, including a small round cell phenotype, expression of ESFT-associated markers, insulin like growth factor-I dependence, and induction or repression of numerous EWSR1-FLI-1 target genes. Consistent with this finding, we tested the possibility that human mesenchymal stem cells (hMSC) might also provide a permissive cellular environment for EWSR1-FLI-1, and could represent the first adequate primary human cellular background for the oncogenic properties of the fusion protein. Indeed, expression of EWSR1-FLI-1 in human mesenchymal stem cells (hMSC) was not only stably maintained without inhibiting proliferation, but induced a gene expression profile bearing striking similarity to that of ESFT, including genes that are among the highest ESFT discriminators. Expression of EWSR1-FLI-1 in hMSCs may recapitulate the initial steps of Ewing's sarcoma development, allowing identification of genes that play an important role early in its pathogenesis. Among relevant candidate transcripts induced by EWSR1-FL/-1 in hMSC we found the polycomb group gene EZH2 which we show to play a critical role in Ewing's sarcoma growth. These observations provide the first identification of candidate primary cells from which ESFTs originate and suggest that EWSR1-FLI-1 expression may constitute the initiating event in ESFT pathogenesis. Le sarcome d' Ewing est un membre de la famille des tumeurs Ewing (ESFT) et représente la deuxième tumeur maligne solide de l'os et des tissus mous chez les enfants et les jeunes adultes. Cette tumeur est associée dans 85% des cas avec la translocation chromosomique t(11;22)(g24:g12), qui génère la fusion entre le segment 5' du gène EWSR1 avec le segment 3' du gène FLI-1, appartenant à la famille des facteurs de transcription ETS. La protéine de fusion EWSR1-FLI-1 qui en dérive joue le rSle d'un facteur de transcription aberrant, et est supposée contribuer de manière décisive au processus de développement des ESFTs. Néanmoins, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des fibroblastes normaux induit un arrêt de croissance et leur apoptose, et les cellules primaires permissives pour les propriétés oncogéniques attribuées à la translocation n'ont pas encore été identifiées, empêchant la compréhension de la biologie de base du sarcome d'Ewing. Dans ce travail on montre que l'expression de EWSR1-FLI-1 uniquement est capable de transformer des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse de la souris, pour générer des tumeurs qui présentent les caractéristiques du sarcome d' Ewing humain, et notamment une morphologie de petites cellules bleues et rondes, l'expression de marqueurs associés aux ESFTs, une dépendance du facteur de croissance IGF-1, et l'induction ou la répression de nombreux gènes cibles connus de EWSR1-FLI-1. Sur la base de ces observations, on a testé la possibilité que les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) puissent aussi fournir un environnement cellulaire permissif pour EWSR1-FLI-1 ; et représenter le premier background cellulaire humain adéquat pour la manifestation du pouvoir oncogénique de la protéine de fusion. En effet, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des cellules souches mésenchymateuses humaines s'est révélée non seulement maintenue, mais elle a induit un profil d'expression génétique étonnamment similaire à celui des ESFTs humains, incluant les gènes qui ont été rapportés comme étant les plus discriminatifs pour ces tumeurs. L'expression de EWSR1-FLI-1 dans les hMSCs pourrait récapituler les étapes initiales du développement du sarcome d' Ewing, et de ce fait consentir à identifier les gènes qui jouent un rôle crucial dans sa pathogenèse précoce. Parmi les transcrits relevant indults par EWSR1-FL/-9 dans les hMSCs nous avons découvert le gène du groupe des polycomb EZH2, que nous avons par la suite démontré jouer un rôle essentiel dans la croissance du sarcome de Ewing. Ces observations apportent pour la première fois l'identification d'une cellule primaire candidate pour représenter la cellule d'origine des ESFTs, et en même temps suggèrent que l'expression de EWSR1-FLI-1 peut constituer l'événement initial dans la pathogenèse du sarcome d' Ewing.

EZH2 is essential for glioblastoma cancer stem cell maintenance.

Overexpression of the polycomb group protein enhancer of zeste homologue 2 (EZH2) occurs in diverse malignancies, including prostate cancer, breast cancer, and glioblastoma multiforme (GBM). Based on its ability to modulate transcription of key genes implicated in cell cycle control, DNA repair, and cell differentiation, EZH2 is believed to play a crucial role in tissue-specific stem cell maintenance and tumor development. Here, we show that targeted pharmacologic disruption of EZH2 by the S-adenosylhomocysteine hydrolase inhibitor 3-deazaneplanocin A (DZNep), or its specific downregulation by short hairpin RNA (shRNA), strongly impairs GBM cancer stem cell (CSC) self-renewal in vitro and tumor-initiating capacity in vivo. Using genome-wide expression analysis of DZNep-treated GBM CSCs, we found the expression of c-myc, recently reported to be essential for GBM CSCs, to be strongly repressed upon EZH2 depletion. Specific shRNA-mediated downregulation of EZH2 in combination with chromatin immunoprecipitation experiments revealed that c-myc is a direct target of EZH2 in GBM CSCs. Taken together, our observations provide evidence that direct transcriptional regulation of c-myc by EZH2 may constitute a novel mechanism underlying GBM CSC maintenance and suggest that EZH2 may be a valuable new therapeutic target for GBM management.

Conserved chromosomal clustering of genes governed by chromatin regulators in Drosophila

BACKGROUND: The trithorax group (trxG) and Polycomb group (PcG) proteins are responsible for the maintenance of stable transcriptional patterns of many developmental regulators. They bind to specific regions of DNA and direct the post-translational modifications of histones, playing a role in the dynamics of chromatin structure. RESULTS: We have performed genome-wide expression studies of trx and ash2 mutants in Drosophila melanogaster. Using computational analysis of our microarray data, we have identified 25 clusters of genes potentially regulated by TRX. Most of these clusters consist of genes that encode structural proteins involved in cuticle formation. This organization appears to be a distinctive feature of the regulatory networks of TRX and other chromatin regulators, since we have observed the same arrangement in clusters after experiments performed with ASH2, as well as in experiments performed by others with NURF, dMyc, and ASH1. We have also found many of these clusters to be significantly conserved in D. simulans, D. yakuba, D. pseudoobscura and partially in Anopheles gambiae. CONCLUSION: The analysis of genes governed by chromatin regulators has led to the identification of clusters of functionally related genes conserved in other insect species, suggesting this chromosomal organization is biologically important. Moreover, our results indicate that TRX and other chromatin regulators may act globally on chromatin domains that contain transcriptionally co-regulated genes.

Conserved chromosomal clustering of genes governed by chromatin regulators in Drosophila

Background: The trithorax group (trxG) and Polycomb group (PcG) proteins are responsible for the maintenance of stable transcriptional patterns of many developmental regulators. They bind to specific regions of DNA and direct the post-translational modifications of histones, playing a role in the dynamics of chromatin structure.Results: We have performed genome-wide expression studies of trx and ash2 mutants in Drosophila melanogaster. Using computational analysis of our microarray data, we have identified 25 clusters of genes potentially regulated by TRX. Most of these clusters consist of genes that encode structural proteins involved in cuticle formation. This organization appears to be a distinctive feature of the regulatory networks of TRX and other chromatin regulators, since we have observed the same arrangement in clusters after experiments performed with ASH2, as well as in experiments performed by others with NURF, dMyc, and ASH1. We have also found many of these clusters to be significantly conserved in D. simulans, D. yakuba, D. pseudoobscura and partially in Anopheles gambiae.Conclusion: The analysis of genes governed by chromatin regulators has led to the identification of clusters of functionally related genes conserved in other insect species, suggesting this chromosomal organization is biologically important. Moreover, our results indicate that TRX and other chromatin regulators may act globally on chromatin domains that contain transcriptionally co-regulated genes.

Étude moléculaire de la fonction du gène Bmi1 dans le processus de sénescence du système nerveux

Des études présentées dans cette thèse ont permis de démontrer que le gène du groupe Polycomb (PcG) Bmi1 est essentiel à l’auto-renouvellement des progéniteurs rétiniens immatures et pour le développement rétinien après la naissance. Ce travail illustre chez l’embryon que Bmi1 est hautement enrichie dans une sous-population de progéniteurs rétiniens exprimant le marqueur de surface SSEA-1 et différents marqueurs de cellules souches. À tous les stades de développement analysés, l’absence de Bmi1 résulte en une diminution de la prolifération et de l’auto-renouvellement des progéniteurs immatures. Pour mieux comprendre la cascade moléculaire en absence de Bmi1, nous avons inactivé p53 dans les colonies Bmi1-/-. Cette inactivation a permis une restauration partielle du potentiel d’auto-renouvellement. De plus, en absence de Bmi1, la prolifération et la maintenance de la population de progéniteurs rétiniens immatures localisés dans le corps ciliaire sont aussi affectées après la naissance. Bmi1 permet donc de distinguer les progéniteurs immatures de la population principale de progéniteurs, et est requis pour le développement normal de la rétine. Nous avons également démontré que l’oncogène Bmi1 est requis dans les neurones pour empêcher l’apoptose et l’induction d’un programme de vieillissement prématuré, causé par une baisse des défenses anti-oxydantes. Nous avons observé dans les neurones Bmi1-/- une augmentation des niveaux de p53, de la concentration des ROS et de la sensibilité aux agents neurotoxiques. Nous avons démontré ainsi que Bmi1 contrôle les défenses anti-oxydantes dans les neurones en réprimant l’activité pro-oxydante de p53. Dans les neurones Bmi1-/-, p53 provoque la répression des gènes anti-oxydants, induisant une augmentation des niveaux de ROS. Ces résultats démontrent pour la première fois que Bmi1 joue un rôle critique dans la survie et le processus de vieillissement neuronal.

Caractérisation fonctionnelle du suppresseur de tumeurs BAP1

La déubiquitinase BAP1 (« BRCA1-Associated Protein1 ») a initialement été isolée pour sa capacité de promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 est muté de manière homozygote dans plusieurs cancers (tel que le cancer du rein, de la peau, de l’oeil et du sein) suggérant fortement que cette déubiquitinase est un suppresseur de tumeurs. Effectivement, la surexpression de BAP1 réduit la prolifération cellulaire et la croissance tumorale dans des modèles de xénogreffe de souris. Toutefois, la fonction biologique et le mécanisme d’action de cette déubiquitinase restent encore marginalement connus. Ainsi, les objectifs de cette thèse sont de caractériser la fonction biologique de BAP1 et de révéler les bases moléculaires de sa fonction suppressive de tumeurs. Pour déterminer la fonction biologique de BAP1, nous avons immuno-purifié et identifié les protéines associées à BAP1, qui s’avèrent être principalement des facteurs et co-facteurs de transcription. Ensuite, nous avons démontré que BAP1 est un régulateur de la transcription. Parallèlement, un autre groupe a montré que BAP1 chez la drosophile, Calypso, régule l’ubiquitination de H2A et la transcription génique. D’autre part, nos résultats d’analyse d’expression génique globale suggèrent que BAP1 jouerait un rôle important dans la réponse aux dommages à l’ADN. Effectivement, des expériences de gain et de perte de fonction (méthode de l’ARNi, modèle de cellules KO en BAP1 et de cellules déficientes en BAP1 re-exprimant BAP1) ont révélé que cette déubiquitinase régule la réponse aux bris double brin d’ADN par la recombinaison homologue. Nos résultats suggèrent que BAP1 exerce sa fonction suppressive de tumeurs en contrôlant la réparation sans erreur de l’ADN via la recombinaison homologue. En cas d’inactivation de BAP1, les cellules deviendront plus dépendantes du mécanisme de réparation par jonction d'extrémités non-homologues, qui est potentiellement mutagénique causant ainsi l’instabilité génomique. D’autres études seront nécessaires afin de déterminer le rôle exact de BAP1 dans la transcription et de comprendre comment la dérégulation de l’ubiquitination de H2A contribue au développement du cancer. Définir les mécanismes de suppression tumorale est de grand intérêt, non seulement pour comprendre la carcinogénèse mais également pour le développement de nouvelles thérapies contre cette maladie.

Régulation du facteur de transcription FOXK1 par O-GlcNAcylation : implications dans la différenciation adipocytaire

Les modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, l’OGlcNAcylation et l’ubiquitination jouent des rôles critiques dans la coordination des fonctions protéiques et par conséquent influencent grandement de nombreux processus cellulaires. Il est à noter que ces modifications sont hautement dynamiques et finement regulées. Par exemple, l’ubiquitination peut être réversible via l’action des déubiquitinases comme le suppresseur de tumeurs BAP1. Parmis les gènes codant pour les déubiquitinases, BAP1 est la plus souvent mutée dans le cancer. Des études récentes ont démontré l’importance des dynamiques de modifications post-traductionnelles dans la régulation du complexe BAP1. En plus, BAP1 forme un complexe multi-protéiques contenant plusieurs régulateurs transcriptionnels comme la protéine polycomb OGT et les facteurs de transcription FOXK1 et FOXK2. OGT est une enzyme unique qui catalyze l’ajout d’un groupement O-GlcNAc sur ses substrats afin d’en moduler l’activité enzymatique, les interactions protéines-protéines et leur localisation cellulaire. Cette modification est aussi liée au métabolisme puisque son substrat donneur, l’UDP-GlcNAc, est dérivé de la voie biosynthétique des hexosamines. Parallèlement, FOXK1/2 ont aussi été démontrés comme étant critiques à des processus métaboliques telles que la myogenèse et l’autophagie. Lors de nos études, nous avons identifié FOXK1 comme un nouveau substrat d’OGT. De plus, les niveaux d’O-GlcNAcylation de FOXK1 fluctuent lors de l’entrée/sortie du cycle cellulaire. En outre, nous avons identifié l’importance de FOXK1 dans l’adipogenèse et observé que l’interaction FOXK1/BAP1 est affectée par le métabolisme cellulaire. En résumé, nos études ont révélé l’importance d’OGT dans la régulation de certaines composantes du complexe BAP1, ce qui aidera à la compréhension de l’effet suppresseur de tumeur de BAP1 ainsi que son mécanisme d'action dans différents processus tel que le remodelage de la chromatine.