Les protéines du groupe Polycomb sont des régulateurs épigénétiques impliqués dans divers processus développementaux et cellulaires. Le complexe Polycomb Répressif 1 (PRC1) est bien caractérisé chez les animaux, cependant sa composition et sa fonction restent énigmatiques dans les plantes. Sur base d'homologie de séquences trois homologues de la sous-unité de base BMI1 du complexe PRC1 animal ont été identifiés dans Arabidopsis: AtBMI1a, AtBMI1b et AtBMI1c. L'interaction de ces trois protéines avec les composantes PRC1 connues (i.e. AtRING1ab, et LHP1) a été démontrée. Des analyses génétiques et moléculaires ont permis d'attribuer aux protéines AtBMI1ab et AtRING1ab un rôle essentiel dans la répression des caractères embryonnaire lors de la croissance végétative. Un nouvel interactant d'AtRING1a, une protéine à domaine PHD de la famille AL (Alfine-Like) a été identifiée dans criblage d'une banque de ADNc. Par différentes techniques l'association entre les protéines de la famille AL et les membres de bases du complexe PRC1 (i.e. AtBMI1ab, AtRING1ab et LHP1) a été démontrée. Les protéines AL sont nucléaires et se lient in vitro à H3k4me3, une marque active de la chromatine. Des analyses génétiques ont révélé que les protéines AL et AtBMI1ab régulent la germination en réprimant l'expression de gènes impliqués dans le développement de la graine. Au niveau chromatinien, les protéines PRC1 interviennent dans la transition d'une chromatine active, marquée par du H3K4me3 vers une chromatine répressive enrichie en H3K27me3. Nous proposons que les protéines AL reconnaissent la marque active et recrutent la fonction répressive des protéines à domaine RING du complexe PRC1 afin d'induire la répression transcriptionelle. / Polycomb group (PcG) proteins are critical epigenetic repressors implicated in various developmental and cellular processes. While the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is evolutionary conserved and its functions extensively studied in Arabidopsis, the PRC1 complex composition and function remain still enigmatic in plants. Our work focuses on several Arabidopsis RING-domain proteins to unravel PRC1-like functions in the regulation of various processes during plant development. Based on sequence similarity we identified three homologues of the animal PRC1 core subunit BMI1: AtBMI1a, AtBMI1b and AtBMI1c. These proteins were found to interact with other PRC1-like components, AtRING1a, AtRING1b and LHP1. Genetic and molecular analyses demonstrated that AtBMI1a/b and AtRING1a/b play crucial roles in stable repression of embryonic traits to allow proper somatic growth. Comparative transcriptome analyses were performed to uncover genetic networks underlying seedling growth and the flower development defects of several different PRC1-like and PRC2 Arabidopsis mutants. Our data revealed overlapping and non-overlapping gene categories of misregulated genes in Atring1a/b, Atbmi1a/b and lhp1 mutants. The Atring1a/b mutant showed particular disturbed expression of flower developmental genes. Accordingly, phenotypic and molecular analyses of the mutant flowers confirmed that AtRING1a/b play a critical role in cell fate determination and in different aspects of flower development. To better understand the broad function of AtRING1a/b, we performed yeast two-hybrid screen and identified PHD-domain proteins of the ALFIN-LIKE (AL) family as binding partners. In vitro AL proteins bind the active mark for gene transcription, H3K4me3. By various methods, both in vitro and in planta, we provided strong evidence for the physical interaction between AL and PRC1 RING-domain proteins. We uncovered that al6/7 similar to Atbmi1a/b mutants exhibit seed germination defects, which are associated with the derepression of several seed related genes. Consistently on the corresponding chromatin a delay of the remodeling from active H3K4me3 labeled to a repressive H3K27me3 marked chromatin could be detected. We propose that through binding to H3K4me3 AL6/7 function as scaffold proteins to target PRC1 RING-domain proteins to active chromatin in order to establish gene silencing. Taken together, the presented work contributes significantly to the knowledge of PRC1 complex(es) in Arabidopsis at both biological function and complex composition levels. It opens several exciting perspectives for future research in the field.

Le domaine Dlk1-Dio3 est l’un des rares domaines imprimés contrôlés par une région de contrôle d'impression méthylée sur le chromosome paternel, nommée IG-DMR. Dans l’embryon, au niveau du domaine Dlk1, Rtl1 et Dio3 les gènes codant pour des protéines sont exprimés à partir du chromosome paternel, tandis que les ARNs non-codants dont Meg3, les snoRNAs à boite C/D et les micro-ARNs sont exprimés à partir du chromosome maternel.Il a été montré que la copie maternelle de l'IG-DMR est nécessaire pour l'expression des gènes imprimés de ce domaine et que les ARNs de types enhancer (de la même région) activent la transcription des ARNs non-codants. Cependant, les mécanismes qui régulent l'expression imprimée de gènes codant pour des protéines restent indéterminés. Dans ce projet, nous avons cherché à élucider les mécanismes qui contrôlent l'expression spécifiquement paternelle des gènes codant pour des protéines ainsi que le rôle possible des ARNs non-codants dans ce processus.Pour nos études alléliques, nous avons utilisé des cellules ES hybrides qui ont été obtenues en croisant des lignées de M. musculus domesticus et M. musculus molossinus. Ces cellules ont été différenciées in vitro dans des lignées neurales. Dans les cellules ES, l'expression Dlk1 est détectée à partir des deux chromosomes parentaux à des niveaux très bas. Lors de la différenciation, l'allèle paternel de Dlk1 devient actif tandis que le niveau d'expression de l'allèle maternel reste faible. Nos études de la chromatine ont montré que cette surexpression est due à l’activation de la chromatine sur l'allèle paternel de Dlk1.L'un de nos objectifs était d'explorer le rôle de Meg3 (un long ARN non-codant) dans la régulation de l’empreinte de Dlk1. A cet effet, nous avons généré des cellules souches embryonnaires déficientes en Meg3. Dans toutes les lignées déficientes, de suppressions maternelles ou bi-alléliques, nous avons constaté une perte d’expression de tous les ANRs non-codants. De plus, l’expression de Dlk1 devient bi-allélique dans ces cellules. Pour élucider le mécanisme de l'empreinte de ce gène, nous avons décidé d'étudier les caractéristiques de la chromatine au niveau du promoteur Dlk1 dans les cellules déficientes en Meg3. Nous avons examiné les modifications activatrices et répressives des histones ainsi que l'occupation de l'ARN Pol II. Nous avons observé l'acquisition des marques d’une chromatine active sur les deux chromosomes ainsi que le recrutement bi-allélique de l'ARN Pol II.Bien que nous n’ayons pas pu détecter une perte de la marque répressive H3K27me3 suite à la surexpression de Dlk1, nous avons observé un gain d'acétylation sur ce résidu lysine. Afin de comprendre davantage le rôle de la marque H3K27me3 sur l’empreinte de Dlk1, nous avons généré des cellules ES dépourvues de EZH2, la méthyltransférase de H3K27. L’expression de Dlk1 dans les cellules différenciées dépourvues de H3K27me3 est bi-allélique.Enfin, ces données suggèrent que l'expression des ARNs non-codant empêche l'activation de Dlk1 sur le chromosome maternel via l’activité de EZH2 au cours du développement. / The Dlk1-Dio3 imprinted domain is one of the few imprinted domains that are controlled by a paternally methylated imprinting control region, IG-DMR. Protein-coding genes of the domain, Dlk1, Rtl1 and Dio3 are expressed from the paternal chromosome, and non-coding RNAs (ncRNAs) including Meg3, C/D box snoRNAs and microRNAs are expressed from the maternal chromosome exclusively in the embryo. Maternal copy of the IG-DMR is required for the imprinted gene expression at this domain. Enhancer RNAs transcribed from this region are involved in activation of ncRNA expression on the maternal chromosome. However, the regulation of imprinted expression of protein-coding genes remains unknown. In this project, we aimed to elucidate the mechanisms controlling the paternal specific expression of protein-coding genes and a possible role of ncRNAs in this process.For our allelic studies, we made use of hybrid ES cells that were obtained by crossing M. musculus domesticus and M. musculus molossinus strains. These cells were differentiated in vitro into neural lineages. In ES cells, Dlk1 expression is detected from both parental chromosomes at very low levels. Upon differentiation, paternal allele of Dlk1 gets activated while low level of expression is detected from maternal allele. Our chromatin studies showed that this upregulation is through the acquisition of active chromatin on the paternal allele of Dlk1.One of our aims was to explore the role of Meg3 long non-coding RNA (lncRNA) in the regulation of Dlk1 imprinting. For this purpose, we generated ES cells deficient in Meg3. In all maternal or biallelic deletion lines, we observed complete loss of all ncRNA expression. Interestingly, in these cells Dlk1 expression becomes biallelic. To elucidate the mechanism of imprinting of this gene, we set out to study the chromatin features at the Dlk1 promoter in Meg3 deficient cells. We looked into active and repressive histone modifications and RNA Pol II occupancy. We observed acquisition of active chromatin marks on both chromosomes as well as biallelic recruitment of RNA Pol II.Although we could not detect a loss of repressive mark H3K27me3 upon Dlk1 upregulation on the paternal allele, we observed gain of acetylation on this lysine residue. To further investigate the role of H3K27me3 mark on Dlk1 imprinting, we generated ES cells that lack functional EZH2, the H3K27 methyltransferase. Dlk1 is biallelically expressed in the differentiated cells that are devoid of H3K27me3.Combined, these data suggest a model in which non-coding RNA expression prevents the developmental activation of Dlk1 on the maternal chromosome by a process that also requires the activity of EZH2.

Les histones désacétylases de type 2 (HD2) ont été caractérisées chez le tabac comme étant des régulateurs négatifs de la mort cellulaire associée à la réponse hypersensible induite par la cryptogéine, un éliciteur protéique.Les principaux objectifs de cette thèse sont d’accroître nos connaissances générales sur les HD2 et de caractériser leur rôle dans la voie de signalisation induite par la cryptogéine.Nous nous sommes tout d’abord intéressé à l’évolution des HD2 au sein des Viridiplantae et nous avons défini deux groupes de HD2. Nous nous sommes ensuite focalisés sur l’évolution des HD2 dans le genre Nicotiana. Nous avons identifié chez le tabac six gènes codant sept isoformes de HD2. Les quatre isoformes de HD2 de Gr1 seraient redondants fonctionnellement.Pour mieux comprendre le mode d’action des HD2 à l’échelle moléculaire et étant donné que nous n’avons pas pu détecter d’activité enzymatique chez les HD2, nous avons tenté d’identifier les gènes cibles et les partenaires protéiques potentiels des HD2.Des expériences de puces à ADN nous ont permis d’identifier des gènes régulés par la cryptogéine de manière HD2 dépendante, parmi lesquels ERF3 qui pourrait constituer un gène majeur impliqué dans l’initiation de la mort cellulaire.Des expériences de co-immunopurification combinées à des analyses par spectrométrie de masse nous ont permis d’identifier des partenaires protéiques des HD2 dont l’histone H4.De manière générale, les résultats obtenus au cours de cette thèse soulèvent la question de savoir si les HD2 possèdent une activité HDAC intrinsèque et nous ont permis de mieux comprendre le rôle des HD2 dans la signalisation nucléaire induite par la cryptogéine. / Type 2 histone deacetylases (HD2s) have been characterized in Nicotiana tabacum as negative regulators of hypersensitive response (HR)-associated cell death induced by cryptogein, a proteinaceous elicitor secreted by Phytophthora cryptogea.The main objectives of this thesis are to increase our general knowledge about HD2s and to characterize their role in the signaling pathway induced by cryptogein.We first examined the evolution of HD2s in green plants and defined two groups of HD2s. We then focused on the evolution of HD2s in the genus Nicotiana. Six genes coding seven isoforms of HD2s were identified in N. tabacum. The four Gr1 HD2 isoforms are functionally redundant in the response to salt stress.To better understand the mode of action of HD2s at the molecular level, and since we – as well as other research groups – were unable to detect any enzymatic activity from HD2s, we tried to identify target genes and potential protein partners of HD2s.Microarray experiments allowed us to identify genes that are regulated by cryptogein in a HD2-dependant fashion. Among these genes, ERF3, coding an ethylene-responsive factor, could be a major gene involved in the initiation of HR-associated cell death.Co-immunopurification experiments combined with mass spectrometry analyses permitted us to identify protein partners of HD2s such as histone H4.Globally, the results obtained during this thesis call into question whether HD2s do have an HDAC activity themselves, or are associated into complexes containing HDACs from the RDP3/HDA1 family. These results also permitted us to better understand the role of HD2s in the nuclear signaling pathway induced by cryptogein in tobacco.

Les mécanismes épigénétiques jouent un rôle essentiel dans la régulation de l’expression des gènes. L’enzyme du complexe répresseur Polycomb II EZH2, capable de triméthyler la lysine 27 de l’histone H3 (H3K27me3) est impliquée dans la régulation de nombreux processus normaux, tels que le développement et la différenciation cellulaire. Les plasmocytes jouent un rôle majeur dans la réponse immunitaire humorale. La différenciation des lymphocytes B en plasmocytes (PCD) est finement régulée par un réseau de facteurs de transcription impliqué de l’induction et le maintien de l’identité de ces deux types cellulaires. Par ailleurs, peu de mécanismes épigénétiques ont été décrits dans la PCD. En utilisant un modèle in vitro de PCD développé dans notre laboratoire, nous avons mis en évidence une surexpression d’EZH2 dans le stade préplasmablaste (prePB) de la PCD. Grâce à l’analyse globale des séquences d’ADN associées à EZH2 et H3K27me3 dans ce type cellulaire, nous avons montré que l’enzyme était capable de réprimer l’expression de gènes impliqués dans différentes fonctions des lymphocytes B et des plasmocytes. EZH2 est également capable de se fixer sur le promoteur de gènes actifs dans les prePB, impliqués dans la régulation de la prolifération de ces cellules. En outre, nous avons montré que l’inhibition chimique d’EZH2 dans notre modèle résultent en une dérégulation transcriptionnelle associée à une accélération du processus de différenciation. Nos résultats suggèrent qu’EZH2 est impliqué dans le maintien de l’état transitoire, immature et prolifératif des prePBs via la régulation de gènes, dépendante et indépendante de H3K27me3, favorisant l’amplification des cellules à défaut de leur différenciation en plasmocytes. Des anomalies de séquence ou de l’expression d’EZH2 ont été mis en évidence de nombreux cancers hématologiques et solides. Le myélome multiple (MM) est une hémopathie caractérisée par l’accumulation de plasmocytes tumoraux dans la moelle osseuse. Nos travaux ont notamment permis d’identifier une surexpression des membres du complexe Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) dans les cellules de MM, en association avec leur prolifération. Afin de comprendre le rôle de PRC2 dans le MM, nous avons utilisé un inhibiteur de l’activité méthyltransférase d’EZH2 (EPZ-6438). L’effet de l’inhibiteur d’EZH2 sur la prolifération et la survie des cellules de MM est très hétérogène. En effet, les cellules sensibles présentent un arrêt du cycle cellulaire et entrent en apoptose. De manière intéressante, la résistance des cellules de MM à l’inhibiteur d’EZH2 pourrait être médiée induite par la méthylation des promoteurs des gènes cibles de PRC2. Nous avons ainsi établi un score (EZ-score), basé sur l’expression des gènes, permettant d’identifier des patients de mauvais pronostic pouvant bénéficier d’un traitement avec un inhibiteur d’EZH2. Nous avons également mis en évidence un effet synergique de EPZ-6438 et du Lenalidomide, un agent immuno-modulateurs utilisé en traitement conventionnelle du MM. Cette inhibition de la croissance cellulaire est notamment due à l’induction de l’expression de facteurs de transcription, spécifiques des lymphocytes B, et des suppresseurs de tumeurs en association avec la répression de l’expression de MYC. Aussi, un prétraitement avec l’inhibiteur d’EZH2 permet de surmonter la résistance des cellules tumorales au Lenalidomide. Ces données suggèrent que le ciblage de PRC2 pourrait avoir un intérêt thérapeutique chez les patients caractérisés par un mauvais pronostic et un fort EZ-score. Ainsi, l’inhibiteur d’EZH2 pourrait également permettre de resensibiliser les patients aux chimiothérapies basées sur des agents immuno-modulateurs. / Epigenetic mechanisms play an essential role in gene expression regulation. EZH2, the catalytic sub-unit of PRC2, is able to trimethylate the lysine 27 of histone H3 (H3K27me3) and is involved in the regulation of numerous normal processes, such as development and cell differentiation. Plasma cells (PCs) play a major role in the defense of the host organism against pathogens, by producing antigen-specific antibodies. B cell differentiation into PC is mediated by a fine-tuned regulatory network of cell specific transcription factors involved in B and plasma cell identity. Although numerous key actors involved in plasma cell differentiation (PCD) have been described, most of the epigenetic mechanisms associated with this process are yet to be unveiled. Using an in vitro model of PCD developed in our laboratory, we showed that EZH2 is upregulated in the preplasmablast stage (prePB) of the PCD. By analyzing DNA sequences associated with EZH2 and H3K27me3 in this cell type, we highlighted that EZH2 is recruited to and represses through H3K27me3 a subset of genes involved in B cell and plasma cell identity. Interestingly, in prePBs and PBs, EZH2 was also found to be recruited to H3K27me3-free promoters of transcriptionally active genes known to regulate cell proliferation and DNA repair. Inhibition of EZH2 catalytic activity resulted in B to PC transcriptional changes associated with PC maturation induction together with higher immunoglobulin secretion. Altogether, our data suggests that EZH2 is involved in the maintenance of prePBs/PBs transitory immature proliferative state through H3K27me3-dependent and independent gene regulation supporting their amplification. Moreover, while EZH2 overexpression was previously shown to inhibit PCD in mice, this study highlights for the first time that EZH2 inhibition can accelerate normal human PCD by prematurely inducing a plasma cell transcriptional program.EZH2 mutations or abnormal expression were shown to be involved in numerous hematological malignancies and solid tumors. Multiple Myeloma (MM) is a malignant plasma cell disease with a poor survival, characterized by the accumulation of myeloma cells (MMCs) within the bone marrow. We identified a significant upregulation of the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) core genes in MM cells in association with proliferation. We used EPZ-6438, a specific small molecule inhibitor of EZH2 methyltransferase activity, to evaluate its effects on MM cells phenotype and gene expression profile. PRC2 targeting results in cell growth inhibition due to cell cycle arrest and apoptosis together with Polycomb, DNA methylation, TP53 and RB1 target genes induction. EZH2 inhibitor induced toxicity was heterogeneous in human myeloma cell lines and primary MM cells from patients. Interestingly, we found that MM cell resistance to EZH2 inhibitor could be mediated by DNA methylation of PRC2 target genes. We established a gene expression-based EZ-score allowing to identify poor prognosis patients that could benefit from EZH2 inhibitor treatment. We also demonstrated a synergistic effect of EPZ-6438 and Lenalidomide, a conventional drug used for MM treatment, through the activation of B cell transcription factors and tumor suppressor gene expression in concert with MYC repression. Moreover, EPZ-6438 pre-treatment was able to overcome MM cells resistance to lenalidomide. These data suggest that PRC2 targeting could have a therapeutic interest in MM patients characterized by high-risk EZ-score values, reactivating B cell transcription factors and tumor suppressor genes. EZH2 inhibitor could also re-sensitize MM patients to chemotherapies based on immunomodulatory agents.

Ancestral environmental conditions can instruct offspring development, although the mechanism(s) underlying such transgenerational epigenetic inheritance is unclear. In murine models focused on paternal dietary effects, we and others have identified tRNA fragments (tRFs) in mature sperm as potential carriers of epigenetic information. In our search for molecular targets of specific tRFs, we observed that altering the level of 5’-tRF Glycine-GCC (tRF-GG) in mouse embryonic stem cells (mESCs) and preimplantation embryos modulates the expression of the endogenous retrovirus MERV-L and genes regulated by MERV-L. Intriguingly, transient derepression of MERV-L is associated with totipotency of two-cell stage embryos and a subset of two-cell-like mESCs. Here, I reveal the mechanistic basis for tRF-GG regulation of MERV-L. I show that tRF-GG supports the production of numerous small nuclear RNAs associated with the Cajal body, in mouse and human embryonic stem cells. In particular, tRF-GG modulates the levels of U7 snRNA to ensure an adequate supply of histone proteins. This in turn safeguards heterochromatin-mediated transcriptional repression of MERV-L elements. Importantly, tRF-GG effects on histone mRNA levels, activity of a histone 3’UTR reporter, and expression of MERV-L associated transcripts can all be suppressed by appropriate manipulation of U7 RNA levels. I also show that hnRNPF and H bind directly to tRF-GG, and display a stark overlap of in vivo functions to tRF-GG. Together, this data uncovers a conserved mechanism for a 5’ tRNA fragment in the fine-tuning of a regulatory cascade to modulate global chromatin organization during pre-implantation development.

Final publication is available at http://ajp.amjpathol.org/ / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19583号 / 医博第4090号 / 新制||医||1014(附属図書館) / 32619 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 小池 薫, 教授 中山 健夫, 教授 福田 和彦 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DGAM

La leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) représente environ 25% des cancers pédiatriques diagnostiqués chaque année. Dans 80 % des cas, une rémission complète est observée. Cependant, les patients résistants aux traitements ainsi que les patients en rechute présentent un mauvais pronostique. Les altérations épigénétiques sont des facteurs essentiels dans le développement et la progression de la maladie, ainsi qu’à la résistance aux traitements. Lors d’un criblage de médicaments approuvés par la FDA, nous avons découvert des molécules ayant des caractéristiques anticancéreux et épigénétiques. Pour évaluer l’activité de ces molécules, nous avons procédé à un criblage secondaire sur plusieurs lignées cellulaires leucémiques. Nous avons découvert qu’une de ces molécules, un glucoside cardiotonique appelé la proscillaridine A, avait une activité anticancéreuse spécifique pour des cellules leucémiques. Nous faisons donc l’hypothèse que la proscillaridine A pourrait avoir des effets épigénétiques et anticancéreux dans des modèles précliniques de LLA. Pour tester cette hypothèse, nous avons traité deux lignées cellulaires de LLA Nalm-6 (LLA pre-B) et Molt-4 (T-LLA) in vitro pendant 2 à 96 heures à des doses pertinentes sur le plan clinique. Nous avons alors pu observer une inhibition de croissance qui était dépendante de la dose administrée dans les deux lignées cellulaires, avec des valeurs de 50% d’inhibition de croissance (CI50) de 3.0 nM pour les Nalm-6 et de et 2.3 nM pour les Molt-4. De plus, nos études sur le cycle cellulaire par BrdU démontrent un arrêt en phase G2/M. Nous avons également détecté par immunobuvardage de type western des baisses significatives de l’acétylation de résidus de l’histone 3. Les niveaux d’expression des enzymes responsables de cette acétylation, les histones acétyltransférases CBP, P300 et TIP60 ainsi que de l’oncogène C-MYC étaient également diminuées. Par des analyses de séquençage de l’ARN, nous avons observé une augmentation de l’expression des gènes impliquées dans les processus d’apoptose et de différentiation cellulaire, ainsi qu’une diminution des gènes impliqués dans la prolifération cellulaire comme en particulier les gènes cibles de C-MYC. Ces résultats prometteurs suggèrent le potentiel prometteur de la proscillaridine A comme nouvelle thérapie pour les patients atteints de LLA. / Acute lymphoblastic leukemia (ALL) represents approximately 25% of all pediatric cancers diagnosed every year. In about 80% of cases, pediatric patients will attain a 5-year event-free survival. Unfortunately, patients who are resistant to treatment or who relapse have a poor prognosis. Hence, novel therapeutic approaches are necessary to increase survival rates. Epigenetic alterations, such as DNA methylation and histone modifications, are involved in disease development, progression, and in particular, resistance to treatment. These reversible alterations represent novel targets in ALL. We recently discovered candidate epigenetic drugs in FDA-approved drug libraries. We performed a secondary screen to test the activity of these drugs in a panel of cancer cell lines. We found that a cardiac glycoside, called proscillaridin A, had anticancer specificity against pediatric leukemia cell lines. Thus, we hypothesize that proscillaridin A has some drug repositioning potential in pediatric ALL. To characterize its epigenetic mechanism of action, we treated two ALL cell lines Nalm-6 (pre-B ALL) and Molt-4 (T-ALL) in vitro for different time points (2-96h) with clinically relevant concentrations of proscillaridin A and analyzed cell growth, cell cycle, gene expression and chromatin modifications. We observed dose-dependent growth inhibition in both cell lines, where 50% of growth inhibition (IC50) was obtained at 3.0 and 2.3 nM in Nalm-6 and Molt-4, respectively. Our results using BrdU staining indicate a cell cycle block in the G2/M phase. By western blot, we detected significant decreases in histone 3 acetylation levels (H3K14ac, H3K9ac, and H3K27ac). Decreases in histone acetylation were associated with a significant reduction in histone acetyltransferase expression (CBP, P300 and TIP60) as well as the CMYC oncogene. By RNA sequencing and gene set enrichment analysis, we observed an upregulation of apoptosis and cell differentiation genes, as well as a decrease in cell proliferation and C-MYC target genes. These promising results illustrate the potential of using the cardiac glycoside proscillaridin A as a novel drug in treatment of relapsed or refractory ALL.

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Artificial insemination (AI) using cryopreserved sperm has an important positive impact on cattle production. Fertility is the most critical trait controlling livestock production; however, molecular, cellular, and physiological determinants of bull fertility and sperm freezability are not well understood. Better understanding of molecular, cellular, and physiological underpinnings of bull fertility may increase the success rate of AI. The objective of this study was to test the hypothesis that expression dynamics of sperm nuclear proteins, post-translational modifications (PTM) of sperm Histone 4 (H4), and seminal plasma metabolome are associated with bull fertility and sperm freezability (P = 0.043). Flow cytometry experiments were conducted to quantify H4 and acetylated histone 4 (H4ac) in sperm from high and low fertility Holstein bulls. The analysis of flow cytometry experiments clarified that retained levels of H4ac in bull sperm are associated with bull fertility. In addition, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was applied to ascertain the amino acid concentration of seminal plasma from bull semen with various freezability. A total of 21 amino acids and isomers were identified, and phenylalanine was positively associated with sperm post-thaw viability (r = 0.57, P-value = 0.043). Lastly, a quantitative western blotting experiment was utilized to ascertain relative quantification of sperm nuclear proteins including protamine 1 (PRM1), protamine 2 (PRM2), Histone 3 (H3), and H4. Also, sperm functional parameters including acrosome reaction, DNA fragmentation index, PAWP expression were analyzed using flow cytometry. In addition, immunocytochemistry experiments were applied to analyze sperm chromatin decondensation ability. The analyses of western blotting experiments revealed that the relative abundance of PRM2 in poor freezability sperm (PF) was greater than those in good freezability sperm (GF) (P = 0.0259). The relative abundance of retained H3 was greater in PF bulls than in GF bulls (1.02 ± 0.005 and 0.969 ± 0.021, respectively; P = 0.0272). There was a positive correlation between the abundance of retained H4 and sperm decondensation state (r = 0.71, P = 0.05). These results are important because they can help advance fundamental andrology and the assisted reproductive technologies both for cattle and other mammals, including humans and endangered species.

Sepsis is defined as a life-threatening organ dysfunction that results in systemic activation of coagulation and inflammation in response to microbial infection. Neutrophil extracellular traps (NETs) have shown to be an important interface between innate immunity and coagulation in sepsis. The major structural components of NETs are nucleosomes (DNA-histone complexes). Although nucleosomes do not modulate coagulation, there are conditions where DNA and histones dissociate from each other in the circulation (e.g. in the presence of heparan sulfate or therapeutic heparin binding histones, or DNase digestion of DNA). In vitro, purified DNA was reported to activate coagulation, but this procoagulant activity has been questioned due to isolation methods that yield DNA that is contaminated with other procoagulant molecules. On the other hand, histones have been shown to not only activate coagulation but are cytotoxic to endothelial cells. However, their contribution to the pathogenesis of sepsis has yet to be determined in an in vivo model. Understanding the contribution of DNA, histones, and nucleosomes to the pathogenesis of sepsis may allow us to develop novel therapies that may prove targeting multiple components of NETs (i.e. DNA and histones) may be beneficial. Consequently, in this thesis, we (1) identified methods of DNA purification that produce DNA that is free of contamination and confirmed the procoagulant properties of the isolated DNA, (2) determined the harmful effects of DNA, histones, and nucleosomes cytotoxicity, coagulation, and inflammation in vitro and in vivo, (3) and then we explored the possibility of targeting both DNA and histones using a combination approach of DNase I and heparin in a mouse model of sepsis. Since heparin is administered to patients as a thromboprophylaxis and DNase I is a potential therapy in sepsis, it is important to understand any potential drug-drug interactions. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Sepsis is a type of blood poisoning that occurs when the body has an over reactive response to an infection. This can lead to tissue damage, organ failure, and death. Sepsis is recognized as a global health priority. The death rate from sepsis is high between 15% to 30%, suggesting that an improved understanding of how sepsis leads to death may develop into new therapies. Recently, it was discovered that high levels of free-floating DNA and histones in the blood can predict death in sepsis. The DNA and histones are likely released by white blood cells in response to trying to fight off the infection. In test tubes, free-floating DNA can trigger clotting of blood. DNA often exists in blood together with histones. In test tubes, histones can kill blood vessels and make blood thicker. However, no one has confirmed that DNA and/or histones are harmful to mammals and contributes to death in sepsis. Some new studies show that getting rid of DNA with injections of DNase I minimally increases survival in mice. Other studies show that removing histones with a treatment called heparin shows a small increase in survival in mice. Heparin is also a blood thinner and decreases inflammation. No one knows if these drugs used together can improve sepsis survival. Because both drugs on their own show some survival improvement in sepsis, perhaps using them together will cure sepsis. This thesis has three objectives: (1) to confirm the clotting properties of free-floating DNA, (2) to find out if DNA and/or histones contributes to death in sepsis, and (3) if using a combination of DNase I and heparin can cure sepsis in a mouse model. Finding new therapies for sepsis can save millions of people's lives and decrease the financial burden on society and healthcare systems.