The following work demonstrates that paternal diet controls medically important metabolic phenotypes in offspring. We observe transmission of dietary information to the zygote via sperm, and this information evades reprogramming that typically occurs after fertilization. Cytosine methylation is implicated as a major contributor to meiotic epigenetic inheritance in several transgenerational phenomena. Our extensive characterization of the sperm methylome reveals that diet does not significantly affect methylation patterns. However, we find that extensive epivariability in the sperm epigenome makes important contributions to offspring variation. Importantly, coordinate cytosine methylation and copy number changes over the ribosomal DNA locus contributes to variation in offspring metabolism. Thus, rDNA variability acts independently of postadolescent paternal diet to influence offspring metabolism. Therefore, at least two mechanisms exist for epigenetically controlling offspring metabolism: stochastic epivariation and diet acting by an unknown mechanism to further modulate metabolism. This work argues that an offspring's phenotype can no longer be viewed solely as the result of genetic interactions with the developmental environment - the additional influences of paternal environment and inherited epigenetic variability must also be considered. These findings reveal novel contributions to metabolism that could revolutionize how we think about the risk factors for human health and disease.

Les altérations transcriptionnelles présentes dans le tissu cérébral et dans les leucocytes sanguins des patients souffrant de trouble dépressif majeur (TDM) ou de troubles schizophréniques (TSZ) pourraient être dues à des altérations de la machinerie épigénétique. Ce travail de thèse (i) a recherché des altérations transcriptionnelles des gènes codant pour la machinerie épigénétique dans le tissu cérébral et les leucocytes sanguins de patients souffrant de TDM ou de TSZ, (ii) a confronté les altérations transcriptionnelles périphériques aux altérations cérébrales afin d'évaluer leur significativité neurobiologique. Chez des patients avec TDM, une première étude utilisant la PCR en temps réel a identifié une surexpression des gènes codant pour des enzymes responsables de la mise en place de marques épigénétiques répressives vis-à-vis de l'expression génique dans le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC), le cortex cingulaire et les leucocytes sanguins. Chez des patients avec TSZ, une deuxième étude de data-mining a identifié une surexpression des gènes codant pour la machinerie de biogénèse des microARNs dans le DLPFC et le cervelet, suggérant une augmentation de la production des microARNs dans ces deux régions cérébrales. Des altérations transcriptionnelles distinctes ont été observées dans les cellules sanguines mononucléées périphériques et l'épithélium olfactif. Une troisième étude utilisant la PCR en temps réel a identifié des réseaux de co-expression génique distincts dans les leucocytes et le tissu cérébral. Certains réseaux, exclusivement retrouvés chez les patients souffrant de TDM, pourraient participer à la constitution du phénotype pathologique. Dans le DLPFC et les leucocytes sanguins, le TDM est associé à une modification de la régulation transcriptionnelle des gènes intervenant dans les processus de stress et de sénescence cellulaires. Au total, ce travail retrouve une altération transcriptionnelle de la machinerie épigénétique dans le TDM et les TSZ. Dans le tissu cérébral, ces anomalies pourraient conduire à une répression de l'expression génique et participer aux altérations transcriptionnelles retrouvées dans le TDM et les TSZ. Dans les leucocytes périphériques, les altérations transcriptionnelles ne reflètent que partiellement les altérations centrales, suggérant que le TDM et les TSZ sont des affections systémiques. L'expression sanguine d'HDAC2 et celle de DICERl pourraient constituer de potentiels biomarqueurs périphériques, respectivement pour le TDM et les TSZ / Transcriptional abnormalities in brain tissue and blood leucocytes of patients with major depressive disorder (MDD) or schizophrenic disorders (SZ) may be due to alterations in the epigenetic machinery. This thesis work aimed to (i) identify altered expression of genes encoding the epigenetic machinery in brain and blood tissues of patients with MDD or SZ, (ii) and compare the peripheral transcriptional alterations to the cerebral ones in order to evaluate their neurobiological relevance.In MDD patients, a first study using real-time PCR identified overexpression of genes encoding enzymes which transfer repressive transcriptional marks in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), the cingulate cortex and the blood leucocytes. In SZ patients, a second study using a data-mining software identified an overexpression of genes encoding the microRNA biogenesis machinery in the DLPFC and the cerebellum, suggesting an increase in microRNA production in these two brain regions. Distinct transcriptional alterations were observed in peripheral mononuclear blood cells and the olfactory epithelium. In MDD patients, a third study using real-time PCR identified MDD-specific, distinct co-expression networks of stress- and senescence-related genes in the DLPFC and blood leucocytes. This suggests that MDD is associated with a transcriptional regulatory shift in the DLPFC and blood leucocytes.Altogether, these studies report transcriptional alterations of the epigenetic machinery coding genes in the brain tissues and blood leucocytes of MDD and SZ patients. In the brain tissues, aberrant expression of the epigenetic machinery coding genes may lead to the repression of gene expression and participate in the transcriptional abnormalities associated with MDD and SZ. In peripheral leucocytes, transcriptional alterations only partially reflect central ones, emphasizing that MDD and SZ are systemic disorders. Finally, HDAC2 and DICER1 blood expression may represent clinically useful peripheral biomarkers for MDD and SZ, respectively

Kou Ying Chuck. / "July 2004." / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2004. / Includes bibliographical references (p. 186-199). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Mode of access: World Wide Web. / Abstracts in English and Chinese.

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Methionine dependence, the inability of cells to grow when the amino acid methionine is replaced in culture medium by its metabolic precursor homocysteine, is characteristic of many cancer cell lines. Most cells proliferate normally under these conditions. The methionine dependent tumorigenic human melanoma cell line MeWo-LC1 was derived from the methionine independent non-tumorigenic line MeWo. The MeWo-LC1 cell line has been shown to have a cellular phenotype similar to that of cells from patients with the cblC inborn error of cobalamin metabolism, with decreased synthesis of cobalamin coenzymes and decreased activity of the cobalamin dependent enzymes methionine synthase and methylmalonyl-CoA mutase. Inability of cblC cells to complement the defect in cobalamin metabolism in MeWo-LC1 suggested that the defect was caused by decreased activity of the MMACHC gene product. However, no potentially disease causing mutations could be detected in the coding sequence of MMACHC in MeWo-LC1. No MMACHC expression could be detected in MeWo-LC1, and there was virtually complete methylation of a CpG island at the 5' end of the MMACHC gene in MeWo-LC1, consistent with inactivation of the gene by methylation; the CpG island was partially methylated in MeWo and only lightly methylated in control fibroblasts. Transfection of MeWo-LC1 with wild type MMACHC with a constitutive promoter resulted in correction of the defect in cobalamin metabolism and restoration of the ability of cells to grow in medium containing homocysteine. We conclude that epigenetic inactivation of the MMACHC gene is responsible for methionine dependence in MeWo-LC1.

Epigenetics plays an important role in carcinogenesis with heritable changes in DNA methylation and histone modifications intricately linked to the initiation, promotion, and progression of cancer. Evidence shows that a number of chemical and physical agents can induce epigenetic changes during carcinogenesis. Two such agents, estrogen and ionizing radiation, are generally recognized as being carcinogenic. Yet the epigenetic repercussions of these carcinogens remain relatively unknown. More importantly, the combined effect of these carcinogens has never been addressed in vivo from an epigenetic standpoint. Therefore, we focused on the effect of estrogen and ionizing radiation applied separately or in conjunction. We have found that the exposure to estrogen, either alone or in combination with radiation, induced pronounced morphological alterations, which was paralleled by modifications to the epigenomic landscape in the mammary gland. The results obtained from these rodent models can potentially be extrapolated to humans. / xiv, 190 leaves : ill. (chiefly col.) ; 29 cm

Le séquençage de nombreux génomes eucaryotes indique que l’augmentation de la «biocomplexité» au cours de l’évolution n’est pas directement corrélée à l’accroissement du nombre de gènes. En d’autres termes, nous sommes plus que la somme de nos gènes et l’ère post-génomique actuelle promet de cerner de façon plus précise les bases moléculaires de notre identité. A cet égard, il semble de plus en plus clair que l’épigénétique est riche d’une information qui se superpose à celle du code génétique. L’information épigénétique est principalement véhiculée par des modifications de l’ADN et des histones. La modification majeure de l’ADN est la méthylation de la cytosine qui est la marque d’une chromatine transcriptionnellement silencieuse. Quant aux histones, différentes modifications posttraductionnelles ont été décrites, comme l’acétylation, la phosphorylation, la méthylation et l’ubiquitinylation. L’ensemble de ces modifications constituerait un «code histone», dont le décryptage n’en est qu’à ses prémices, permettant d’associer à chaque combinaison de modifications un état particulier de la chromatine, et ainsi de l’expression génique. La méthylation des histones a longtemps été considérée comme irréversible mais l'identification récente de déméthylases des histones spécifiques de certains sites a révélé que cette modification est régulée de façon dynamique et réversible. La découverte de ces enzymes a ouvert de nouveaux axes de recherche dans le domaine de l'épigénétique (Klose and Zhang, 2007). <p><p>Au cours de ma thèse de doctorat, nous nous sommes intéressés à la déméthylase PADI4 (peptidylarginine déiminase 4) qui convertit des résidus arginines des histones H3 et H4, associés à l'activation des gènes, en résidus citrullines, ce qui a pour conséquence d'entraîner une répression transcriptionnelle. Cette réaction porte le nom plus particulier de déimination/citrullination des histones. A l’heure actuelle, il est primordial de cerner comment la déméthylation des histones, et plus précisément la peptidylarginine deiminase 4 (PADI4), réprime la transcription. <p><p>Dans un premier temps, nous avons mis en évidence un lien mécanistique entre la deméthylation et la désacétylation des histones. Nous avons montré que PADI4 interagit avec l’histone désacétylase HDAC1. Cette enzyme est responsable du décrochage des groupements acétyls des histones, conduisant à la fermeture de la chromatine. Des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine indiquent que PADI4 et HDAC1 s’associent au promoteur du gène de réponse aux oetrogènes pS2 simultanément et de manière cyclique. L’utilisation d’une construction shRNA dirigée contre la protéine endogène HDAC1 indique que la liaison de PADI4 au promoteur du gène pS2 est dépendante de la présence de HDAC1.<p><p>Dans la deuxième partie de notre travail, un lien mécanistique entre la déméthylation des histones par PADI4 et la méthylation de l’ADN a été mis en évidence. La méthylation de l’ADN est catalysée par des enzymes, appelées méthyltransférases de l’ADN (DNMTs), qui transfèrent des résidus méthyls sur les cytosines. Nous avons montré que la protéine DNMT3A interagit avec PADI4. Nous avons également démontré que l’enzyme PADI4 était capable de citrulliner/déiminer (convertir des résidus arginines en résidus citrullines) la méthyltransférase de l’ADN DNMT3A in vitro et que cette citrullination de la protéine DNMT3A par PADI4 stabiliserait DNMT3A in vivo.<p><p>Enfin, nos récents travaux révèlent une relation mécanistique entre la protéine MeCP2, interprète des signaux de méthylation de l’ADN, et la protéine polycomb EZH2. Celle-ci possède une activité méthyltransférase d’histone sur les lysines 27 de l’histone H3. Nos données montrent que MeCP2 interagit avec EZH2 et que ces protéines fixent des régions promotrices communes. De plus, la déplétion en MeCP2 affecte la présence de EZH2 au niveau de ces régions communes.<p><p>En conclusion, ce travail de thèse devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de l’épigénétique. Plus particulièrement, il devrait aider à mieux cerner comment la première histone déméthylase décrite, la peptidylarginine déiminase 4 ou PADI4, verrouille l’expression génique.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La méthylation de l’ADN est un phénomène épigénétique qui joue un rôle important dans le développement des mammifères et qui est associé à une répression transcriptionnelle. La méthylation de loci CpG de l’ADN est médiée par les méthyltransférases de l’ADN – les Dnmts. La méthylation joue également un rôle clef dès les stades précoces de la cancérogenèse dans une grande partie des tumeurs où on observe une méthylation, notamment la répression des gènes suppresseurs de tumeurs et une déméthylation, notamment l’expression de séquences d’ADN parasites. <p>\ / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Different cell types in multi-cellular organisms heritably maintain different gene expression patterns despite carrying the same genome; a phenomenon termed epigenetics. It is widely believed that the packaging state of the genome, known as chromatin structure, carries epigenetic information. How chromatin states are inherited and how chromatin structure changes during development, moreover how different epigenomes, such as chromatin and DNA modifications communicate with each other during these processes are important questions. Accordingly, understanding the mechanisms that govern pluripotency and differentiation requires details of chromatin dynamics. The major goal of my doctoral thesis was to understand the genome wide view of chromatin dynamics in embryonic stem cells. My studies centered on two aspects of chromatin dynamics in mouse embryonic stem cells—localization and function of two antagonistic chromatin regulators and genome-wide histone variant dynamics. In the first part, we examined the roles of several chromatin regulators whose loss affects the pluripotent state of ES cells. We found that two such regulators, Mbd3 and Brg1, control a large number of genes in ES cells via antagonistic effects on promoter nucleosome occupancy. Moreover, we found that both Mbd3 and Brg1 play key roles in the biology of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), a newly identified DNA modification. Mbd3, which was named by homology to known cytosine methyl binding domains, yet does not bind methylcytosine in vitro, co-localized in ES cells with 5hmC. Furthermore, Mbd3 localization was lost in knockdown cells lacking the major 5mC hydroxylase, Tet1. Our results suggest, contrary to current dogma, that 5hmC is more than just an intermediate in cytosine demethylation pathways, that it may regulate genes via the Mbd3/NuRD complex. Finally, we showed that both Mbd3 and Brg1 are themselves required for normal levels of 5hmC in vivo, identifying a feedback loop between 5hmC and Mbd3. Together, our results identified a possible effector for 5hmC, thereby suggesting a functional role for this DNA modification. Moreover, Brg1 and Mbd3 can now be added to the growing list of regulators with opposite effects on ES cell gene expression, suggesting that pairs of antagonistic chromatin binding proteins may be a common phenomenon in ES cell transcription regulation (Yildirim et al., Cell 2011). The second part of my dissertation concerns the dynamics of several histone variants. Seminal studies in the Henikoff lab showed that certain histone variants are replaced throughout the cell cycle, in contrast to the predominant replication-coupled mode of histone assembly. Work in yeast and flies showed that rapid histone turnover occurs at epigenetically-regulated genomic regions, such as chromatin boundary elements or Polycomb/Trithorax binding sites. Notably, promoter regions of actively transcribed genes exhibit rapid turnover, suggesting that histone turnover may have an important role in gene regulation, as higher histone turnover rate would provide higher probability of DNA element exposure and faster erasure of chromatin marks of the replaced histones. In order to extend such studies to a model for pluripotency and differentiation, we developed a system for measuring histone replacement in mouse ES cells. To be able to carry out turnover experiments in ES cells, we generated stable ES cell lines that can be induced to express epitope-tagged histone variants. Our results confirmed that histone turnover patterns are conserved from yeast to mammals and that turnover profiles are histone variant specific. Murine H3.3 turnover is similar to H3.3 turnover in flies, with peaks at the promoters of highly transcribed genes. MacroH2A2, a variant generally linked to gene repression, had a more complex turnover profile. Surprisingly, we found rapid exchange of macroH2A2 occurring around transcription start sites of a number of highly expressed genes. At poorly expressed genes, on the other hand, macroH2A2 localizes upstream or downstream of transcription start sites and is incorporated slowly, either via slow turnover or via replication-coupled incorporation. Finally, we have used those inducible ES cell lines to generate mice, which will enable future studies on tissue-specific histone replacement in vivo. In summary, my thesis work not only significantly extends our understanding of chromatin regulation in general but also provides a more detailed landscape of chromatin structure and regulation in ES cells. Extending these analyses to differentiating cells and in vivo tissue specific dynamics should provide us with a better understanding not only of cell type specific chromatin organization but also improve our ability to program and re-program genomic landscapes in vitro.

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