京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22002号 / 医博第4516号 / 新制||医||1038(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 滝田 順子, 教授 松田 文彦, 教授 山田 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第18906号 / 医科博第62号 / 新制||医科||4(附属図書館) / 31857 / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 山下 潤, 教授 野田 亮, 教授 髙折 晃史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The dawn of the genetic era has allowed for investigation of gene transfer therapy as a treatment for certain diseases. Fanconi anemia (FA) is a rare genetic disorder in which the majority of patients develops progressive bone marrow failure (BMF) and require bone marrow transplantation. A possible alternative treatment is autologous gene therapy; however, original clinical trials involving gene transfer for FA were unsuccessful. This has led to re-evaluation of the gene transfer protocols, the vectors and also a deeper investigation of the FA pathway itself. My work has focused on illuminating these areas to further advance gene transfer therapy for FA. Many gene transfer protocols require the hematopoietic stem and progenitor cells (HSC/HPC) to be collected and then transduced ex vivo. The most common collection method is mobilization of the HSC/HPC to the peripheral blood (PB) using granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) and collection via apheresis. In FA patients G-CSF fails to mobilize a sufficient number of HSC/HPC. This has led to research into agents such as AMD3100, a CXCR4 antagonist, which may replace or augment G-CSF mobilization. These data show in two FA murine models that AMD3100 synergizes with G-CSF resulting in a significant increase in mobilization as compared to G-CSF alone. Previous work in our lab has shown that prototype foamy virus (FV) is an efficient gene transfer vector. Here a modified FV vector is used to transduce mobilized FA cells. The data indicate that long-term repopulating cells mobilized with both G-CSF and AMD3100 can be efficiently transduced by our FV vector. Clinically, FA is characterized mainly by BMF, but also by myelodysplasia (MDS) and acute myeloid leukemia (AML). However, current FA murine models do not display these disease phenotypes. These data show that double-mutant Fancc-/-;Fancg-/- mice spontaneously develop BMF, MDS and complex random chromosomal abnormalities that the single-mutant mice do not. Importantly, this model closely recapitulates the phenotypes found in FA patients and may be useful as a preclinical platform to evaluate the molecular pathogenesis of spontaneous BMF and MDS in FA and novel gene transfer protocols for FA.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / L’anémie de Fanconi (FA) est une maladie génétique caractérisée par une insuffisance médullaire, un risque augmenté de cancers et plusieurs types de malformations. FANCC constitue la seule des 15 protéines FA qui se localise principalement au cytoplasme. De ce fait, en plus de son rôle dans la réparation de l’ADN, FANCC pourrait intervenir dans d’autres mécanismes régulant la croissance des cellules hématopoïétiques. Pour mieux comprendre ses fonctions, nous avons cherché de nouveaux partenaires de FANCC. Le corépresseur de la transcription CtBP1 a été retenu pour analyse. L’étude des interactions a confirmé le lien physique FANCC CtBP1 et révélé que CtBP1 est un membre du complexe FA. Afin d’éclaircir la fonction des interactions, nous avons analysé le profil d’expression génique de cellules réprimées pour les gènes FA ou CtBP1. Les résultats ont montré une expression augmentée de l’antagoniste de la voie Wnt Dickkopf 1 (DKK1). Ainsi, les essais de gènes rapporteurs ont établi que CtBP1 et FANCC agissent comme répresseur transcriptionnel du promoteur DKK1. Nous avons aussi observé que FANCD2 réprime indirectement DKK1 en favorisant l’expression de l’oncogène c Myc. Le mécanisme pourrait dépendre d’interactions entre les protéines FA, incluant FANCC, et les protéines de l’appareil transcriptionnel Wnt, CtBP1 et b caténine. Par ailleurs, nous avons montré que FANCC s’accumule au noyau en réponse à la signalisation Wnt et qu’elle participe avec d’autres protéines FA à l’activation de la b caténine. Ainsi, nous avons trouvé des niveaux élevés de DKK1 dans le surnageant des cellules appauvries en protéines FA et CtBP1, de même que dans les sérums de souris knockout FancA et FancC. Notre étude a permis de montrer que FANCC et les protéines FA, de concert avec CtBP1, agissent dans la régulation transcriptionnelle de l’antagoniste DKK1. Ces résultats suggèrent que FANCC est une protéine clé impliquée dans la signalisation Wnt. Puisque DKK1 est impliqué dans des processus connus pour être perturbés dans la FA, la régulation de DKK1 par FANCC et CtBP1 représente un mécanisme pouvant expliquer la perte progressive des cellules souches hématopoïétiques et représente une étape cruciale pour la découverte de stratégies visant à prévenir l’insuffisance médullaire chez les patients FA. / Fanconi anemia (FA) is a genetic disease characterized by bone marrow failure, excess cancer risk, as well as a broad array of malformations. FANCC is one of fifteen genes linked to the FA disease and encodes a protein that, unlike other FA proteins, is localized primarily to the cell cytoplasm. Because of this, in addition to its role in DNA crosslink repair, FANCC is proposed to function in other mechanisms that can regulate hematopoietic progenitor cell fate. To better understand its functions, we investigated for new partners of the FANCC protein. One candidate, the transcriptional corepressor CtBP1, was selected for further analyses. Interatomic studies confirmed the physical link between FANCC and CtBP1 and revealed that CtBP1 is a member of the FA core complex. To investigate biological function of these interactions, we used a microarray strategy and found that the Wnt antagonist Dickkopf 1 (DKK1) is upregulated in FA and CtBP1 depleted cells. Accordingly, CtBP1 and FANCC were found to act as transcriptional repressor on DKK1 promoter in reporter gene assays. We also observed that FANCD2 indirectly represses DKK1 in promoting the expression of c Myc. Functional mechanism of these repressions may be explained on the observation that FANCC and FA core complex proteins interact with the Wnt transcriptional machinery proteins including CtBP1 and b catenin. Furthermore, we showed that FANCC accumulates into the nucleus in response to Wnt signalisation and participates with other FA proteins in b catenin activation. Therefore, we found increased levels of DKK1 in FA and CtBP1 depleted cells supernatant as well as in sera from FancA and FancC knockout mice. Functional interaction studies showed that FANCC and FA proteins with CtBP1 act in transcriptional regulation of the Wnt antagonist DKK1. These findings suggest that FANCC is a key protein involved in the Wnt signalling response. Because DKK1 is implicated in biological processes similar to those involved in FA pathogenesis, linking FANCC with CtBP1 to the regulation of DKK1 suggests a possible mechanism explaining the progressive loss of bone marrow cells and represents a crucial step for the development of novel strategies aimed at preventing bone marrow failure in FA patients.

L'anémie de Fanconi (AF) est une maladie génétique rare. Chez l’homme, toute mutation dans l’une des 22 protéines du complexe de Fanconi entraîne une insuffisance médullaire et une prédisposition au cancer. Cette pathologie est également caractérisée par divers défauts de développement, dont une petite taille et des malformations squelettiques des membres supérieurs et inférieurs. En effet, plus de la moitié des enfants atteints de l’AF ont des anomalies radiales (radial-ray anomalies) couplées à une tendance précoce à l’ostéoporose. Cependant, les mécanismes sous-jacents conduisant à des défauts osseux dans l’AF restent inexpliqués. Notre laboratoire a mis en évidence la surexpression de Dickkopf-1 (DKK1), un inhibiteur de la voie de Wnt, dans le plasma des souris Fanconi. Cette protéine est impliquée dans le développement des membres et l’activité ostéoblastique. De plus, sa surexpression dans le plasma corrèle avec une diminution de la densité minérale osseuse chez les humains. La surexpression de DKK1 pourrait donc refléter une altération du système squelettique chez les souris Fanconi. Ce manuscrit présente le travail que j’ai réalisé dans le laboratoire de Madeleine Carreau au cours de mon doctorat afin de caractériser le développement squelettique embryonnaire des souris Fanconi et déterminer les mécanismes responsables de l'altération du développement et du métabolisme osseux chez les souris adultes. À ces fins, une double coloration à l’alizarine et au bleu Alcian a été réalisée sur des embryons de souris FancC - / -, FancA - / - et de souris de type sauvage E15.5 à 19.5 day post conception (dpc) pour évaluer leur maturation squelettique. Chez les adultes, la structure et le contenu minéral osseux ont été évalués à l’aide d’analyses de micro-computed tomography (μ- CT) sur des tibias provenant de souris FancC - / - et de souris sauvages. Des analyses histomorphométriques ont été effectuées pour évaluer la capacité de formation osseuse des ostéoblastes et la résistance osseuse a été évaluée en utilisant un test de flexion en trois points. De plus, des cultures in vitro ont été réalisées pour évaluer la capacité de différenciation des cellules souches mésenchymateuses et des analyses des transcrits sur des cellules osseuses et de la moelle osseuse ont été réalisées pour identifier les mécanismes moléculaires conduisant à une altération de la physiologie osseuse. Nos résultats montrent que les embryons des souris FancC - / - et FancA - / - présentent une forte diminution de la minéralisation de leur squelette indiquant un développement squelettique anormal chez ces souris. Les souris FancC -/- adultes présentent une diminution de la densité minérale osseuse associée à une diminution de la résistance osseuse chez les mâles. Grâce aux études in vitro, nous avons pu constater que les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse FancC - / - et FancA - / - ont une capacité de différenciation ostéoblastique altérée et présentent un biais de différenciation en faveur de l’adipogenèse. Ces résultats sont associés à l’altération des profils d’expression génique des cellules osseuses. Nos résultats suggèrent que la physiologie osseuse défectueuse dans l’AF survient in utero et résulte éventuellement d’une altération de la fonction des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse. Ces résultats fournissent, pour la première fois, des informations précieuses sur les mécanismes impliqués dans les défauts de développement dans l’AF. Nos résultats renforcent le lien important entre le comportement des cellules souches hématopoïétiques et l’altération du métabolisme osseux dans cette maladie. De futures études devraient se concentrer sur ce domaine pour mieux comprendre les mécanismes des défauts osseux et espérer un traitement limitant l’altération du tissu osseux dans l’AF. / Fanconi Anemia (FA) is a rare genetic disease. In humans, any mutation in one of the 22 proteins of the Fanconi complex leads to bone marrow failure and cancer predisposition. This pathology is also characterized by various developmental defects including short stature and skeletal malformations of the upper and lower limbs. Indeed, more than half of children affected with FA have radial-ray abnormalities with a tendency to develop early osteoporosis. However, the underlying mechanisms leading to bone defects in FA remains elusive. Previous results from our laboratory showed that Fanconi mice overexpress the Wnt signaling pathway inhibitor Dickkopf-1 (DKK1) in their plasma. This protein is implicated in limb development and osteoblast activity and its overexpression in plasma correlates with a decrease in bone mineral density in humans. Therefore, DKK1 overexpression could reflect an alteration of the skeletal system in Fanconi mice. This manuscript presents the work I achieved in Madeleine Carreau’s lab to characterize the embryonic skeletal development of Fanconi mice and determine the mechanisms leading to altered bone development and metabolism in adult mice. To this aim, alizarin red and Alcian blue double staining was performed on mouse embryos (E15.5 to 19.5 dpc) to evaluate skeletal maturation. In adults, bone structure and mineral content were evaluated using μCT-scan analyses of tibias from FancC-/- and wild-type mice. Histomorphometric analyses were performed to assess bone forming abilities of osteoblasts and bone stiffness was evaluated using three points bending test. In vitro cultures were performed to assess mesenchymal stem cell differentiation ability and q-PCR analysis of bone and marrow cells were performed to identify molecular mechanisms leading to altered bone physiology. Our results show that FancC-/- and FancA-/- embryos have an abnormal skeletal development indicated by a twenty percent decrease of bone mineralization surface. In adults, FancC-/- mice present a decrease in bone mineral density associated with a decrease in male’s bone stiffness. Using in vitro studies, we found that FancC-/- and FancA-/- bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) have reduced osteoblastic differentiation capabilities and favor adipogenesis. Those results were associated with the alteration of bone cells gene expression profiles. Our results suggest that defective bone physiology in FA occurs in utero and possibly results from altered BM-MSCs function. These results provide, for the first time, valuable insights into the mechanisms involved in FA developmental defects. Our results strengthen the important link between hematopoietic stem cells behavior and bone metabolism alteration in this disease. Future studies should focus on this area to better understand the mechanisms of bone defects and hope for targeted treatment for Fanconi Anemia.

L'anémie de Fanconi est une maladie génétique récessive rare, caractérisée par une défaillance de la moelle osseuse, des anomalies du développement et une forte incidence de cancer, essentiellement des leucémies myéloïdes aiguës. L'anémie de Fanconi peut être causée par la mutation de 13 gènes différents, et neuf des protéines Fane sont responsables de la monoubiquitination de FANCD2, qui est donc centrale dans la 'voie Fanconi'. Le complexe MRN joue plusieurs rôles essentiels dans la réparation des cassures double-brin dans l'ADN par recombinaison homologue : dans la signalisation du dommage et dans les points de contrôle du cycle cellulaire, dans la préparation des extrémités de la cassure pour les étapes suivantes de la réparation ainsi qu'un rôle structural afin de faciliter la réparation. Il a été montré précédemment que la protéine FANCD2 colocalise avec NBS1. Cependant, la relation fonctionnelle entre FANCD2 et MRE11 est mal comprise. Mes travaux de doctorat montrent que l'inhibition de MRE11, NBS1 ou RAD50 conduit à la déstabilisation de FANCD2. FANCD2 s'accumule de la phase S à la phase G2 aux sites contenant de l'ADN simple brin ou aux sites de dommages à l'ADN. La protéine FANCD2 purifiée lie préférentiellement d'ADN simple brin en comparaison à différents substrats d'ADN. L'inhibition de l'activité nuclease de MRE11 par le MIRIN diminue le nombre de foyers de FANCD2 formés in vivo. Nous proposons donc que FANCD2 lie l'ADN simple brin provenant de la résection de la cassure double brin par MRE11. Nos données établissent que MRN est un régulateur essentiel de la stabilité et de la fonction de FANCD2 au cours de la réponse aux dommages à l'ADN.

Since the dawn of the genomics era, the genetics of numerous human disorders has been understood which has led to improvements in targeted therapeutics. However, the focus of most research has been primarily on protein coding genes, which account for only 2% of the entire genome, leaving much of the remaining genome relatively unstudied. In particular, repetitive sequences, called microsatellites (MST), which are tandem repeats of 1 to 6 bases, are known to be mutational hotspots and have been linked to diseases, such as Huntington disease and Fragile X syndrome. This work represents a significant effort towards closing this knowledge gap. Specifically, we developed a next generation sequencing based enrichment method along with the supporting computational pipeline for detecting novel MST sequences in the human genome. Using this global MST enrichment protocol, we have identified 790 novel sequences. Analysis of these novel sequences has identified previously unknown functional elements, demonstrating its potential for aiding in the completion of the euchromatic DNA. We also developed a disease risk diagnostic using a novel target specific enrichment method that produces high resolution MST sequencing data that has the potential to validate, for the first time, the link between MST genotype variation and cancer. Combined with publicly available exome datasets of non-small cell lung cancer and 1000 genomes project, the target specific MST enrichment method uncovered a signature set of 21 MST loci that can differentiate between lung cancer and non-cancer control samples with a sensitivity ratio of 0.93. Finally, to understand the molecular causes of MST instability, we analyzed genomic variants and gene expression data for an autosomal recessive disorder, Fanconi anemia (FA). This first of its kind study quantified the heterogeneity of FA cells and demonstrated the possibility of utilizing the DNA crosslink repair dysfunctional FA cells as a suitable system to further study the causes of MST instability. / Ph. D.

Fanconi anemia is an autosomal recessive disorder caused by mutation in one of Fanconi genes and it is manifested by developmental abnormalities, bone marrow failure, predisposition to cancer, cellular sensitivity to cross-linking agents and many other symptoms. Proteins encoded by Fanconi genes and some other proteins are part of Fanconi anemia pathway (FA pathway), which is responsible for DNA repair of an interstrand cross-link (ICL). The repair by this pathway requires monoubiquitination of FANCD2, which is induced and regulated by ATR dependent FANCI phosphorylation. The FANCI phosphorylation initiates the FA pathway but the molecular mechanism of this initialization is not known. Furthermore the proper function of entire pathway requires both: sequence of phosphorylation events of FANCI and monoubiquitination of FANCI:FANCD2 complex . The principle of this work was to study molecular mechanism of initiation and regulation of FA pathway by FANCI phosphorylation. Therefore phosphomimetic mutants of FANCI have been created to investigate their role in processes leading to FANCD2 monoubiquitination. The main aim was to reveal how the phosphorylation of FANCI affects DNA binding and also DNA binding of FANCI:FANCD2 complex. Since both DNA and FANCI phosphorylation are required for proper FANCD2...