Understanding the functional impact of physical interactions between proteins and DNA on gene expression is important for developing approaches to correct disease-associated gene dysregulation. I conducted a systematic, functional genetic analysis of protein-DNA interactions in the promoter region of the yeast ribonucleotide reductase subunit gene RNR3. I measured the transcriptional impact of systematically perturbing the major transcriptional regulator, Crt1, and three X-box sites on the DNA known to physically bind Crt1. This analysis revealed interactions between two of the three X-boxes in the presence of Crt1, and unexpectedly, a significant functional role of the X-boxes in the absence of Crt1. Further analysis revealed Crt1- independent regulators of RNR3 that were impacted by X-box perturbation. Taken together, these results support the notion that higher-order X-box-mediated interactions are important for RNR3 transcription, and that the X-boxes have unexpected roles in the regulation of RNR3 transcription that extend beyond their interaction with Crt1.

Le virus de la leucémie bovine (BLV) est un rétrovirus B-lymphotrope qui a été identifié comme l’agent étiologique de la leucose bovine enzootique. L’infection par le BLV se caractérise par l’absence de virémie due à la latence du virus dans la majorité des cellules infectées. Cette latence résulte de la répression transcriptionnelle du provirus in vivo; elle favorise très probablement le développement tumoral en permettant aux cellules infectées d’échapper au système immunitaire de l’hôte. Cependant, la transcription du BLV peut être activée de manière rapide et très efficace par la protéine virale TaxBLV. La trans-activation par TaxBLV joue un rôle crucial dans la pathogenèse associée au BLV car elle permet la production de nouvelles particules virales nécessaires à la propagation du virus. Au cours de notre travail de thèse, nous avons étudié différents mécanismes impliqués au cours de ces deux phases clés (latence et trans-activation par TaxBLV) de l’expression du BLV.<p><p>Le promoteur unique de la transcription du BLV se situe à l’extrémité 5’ du génome proviral, dans la longue répétition terminale 5’ (LTR 5’) composée des régions U3, R et U5. Les mécanismes impliqués dans la trans-activation du LTR 5’ par TaxBLV sont encore mal connus. La trans-activation du LTR 5’ du BLV par TaxBLV requiert la présence de trois répétitions imparfaites de 21pb (TxREs pour Tax Responsive Elements) agissant en cis et situées dans la région U3. Chacune des TxREs possède dans sa partie centrale un motif imparfait de 8 nucléotides correspondant au site de liaison des protéines de la famille CREB/ATF (sites CREs pour cAMP-Responsive Element). Des expériences de retard de migration sur gel ont montré que les protéines CREB, ATF-1 et ATF-2 lient les CREs viraux in vitro. Comme TaxBLV ne semble pas capable de lier directement l’ADN du LTR, il a été suggéré que les facteurs CREB/ATF serviraient de médiateurs de la trans-activation par TaxBLV. De plus, il a également été suggéré au cours de ces dernières années que les facteurs de transcription CREB/ATF jouent aussi un rôle essentiel en l’absence de TaxBLV lors de l’initiation de la transcription virale.<p><p>CREB/ATF sont connus pour recruter les co-activateurs CBP/p300 qui possèdent une activité histone-acétyltransférase, suggérant qu’à l’instar d’autres rétrovirus tels que HIV-I ou HTLV-I, l’acétylation protéique pourrait jouer un rôle important dans la régulation de la transcription du BLV. Au cours de la première partie de ce travail, nous avons mis en évidence un synergisme transcriptionnel entre TaxBLV et les inhibiteurs de désacétylases TSA et NaBut, indiquant que l’acétylation protéique joue un rôle important dans la trans-activation par TaxBLV. Nous avons ensuite montré que ni TaxBLV, ni son médiateur CREB ne sont acétylés in vivo au niveau d’un résidu lysine interne, mais que la TSA synergise avec TaxBLV via un mécanisme indirect, sensible à l’inhibition de la synthèse protéique. Fonctionnellement, CREB/ATF semblent jouer un rôle crucial dans le synergisme TaxBLV/TSA car la mutation des CREs viraux ou la sur-expression d’un dominant négatif CREB inhibent ce synergisme. Des expériences de gel retard et de ChIP ont démontré, in vitro et in vivo, que les inhibiteurs de désacétylases augmentent la liaison des facteurs CREB/ATF aux TxREs. Nos résultats suggèrent donc que le synergisme TaxBLV/TSA serait dû à une augmentation de la trans-activation par TaxBLV observée suite à l’augmentation, induite par la TSA, du recrutement de CREB/ATF au niveau des TxREs.<p><p>CREB/ATF appartiennent à la famille des facteurs de transcription CREB/CREM/ATF agissant au niveau des promoteurs contenant des éléments CREs. Cependant, la liaison de CREM aux CREs imparfaits du LTR du BLV n’a jamais été étudiée. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons montré que des isoformes du gène CREM sont exprimées dans des PBMCs isolés à partir d’un mouton infecté par le BLV et que ces protéines CREM sont capables de lier in vitro et in vivo le promoteur du BLV, via les motifs CREs présents au centre de chacune des TxREs. Des analyses fonctionnelles ont ensuite montré qu’en l’absence de TaxBLV, la surexpression de l’isoforme activatrice CREMt induit la transcription dirigée par le LTR 5’ du BLV. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que CREMt serait capable d’activer la transcription du BLV en réponse à l’activation des cellules B infectées, via la phosphorylation de la sérine 117 de CREMt et via le recrutement par CREMt des co-activateurs CBP/p300. CREMt serait donc impliqué dans les stades précoces de l’initiation de la transcription du BLV. Cependant, nous avons montré que CREMt n’est pas impliqué dans les stades tardifs de l’expression virale puisqu’il ne semble pas capable d’induire la trans-activation par TaxBLV. Au contraire, nous avons montré par des expériences de compétition que CREMt diminue la trans-activation par TaxBLV lorsque celle-ci est induite par CREB, probablement en entrant en compétition avec CREB pour la liaison au niveau des TxREs.<p><p>L’expression du gène CREM est régulée transcriptionnellement et post-transcriptionnellement et mène à la production de différentes isoformes capables d’agir comme des activateurs ou des répresseurs de la transcription. Des expériences de RT-PCR nous ont permis de mettre en évidence la présence d’isoformes répressives ICER dans les cellules YR2 infectées par le BLV. Par des expériences de transfection transitoire, nous avons montré qu’ICER est capable de réprimer la trans-activation par TaxBLV, suggérant qu’ICER retarderait la trans-activation par TaxBLV afin d’échapper au système immunitaire de l’hôte infecté jusqu’à ce qu’un niveau suffisant du trans-activateur TaxBLV soit produit.<p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Understanding the functional impact of physical interactions between proteins and DNA on gene expression is important for developing approaches to correct disease-associated gene dysregulation. I conducted a systematic, functional genetic analysis of protein-DNA interactions in the promoter region of the yeast ribonucleotide reductase subunit gene RNR3. I measured the transcriptional impact of systematically perturbing the major transcriptional regulator, Crt1, and three X-box sites on the DNA known to physically bind Crt1. This analysis revealed interactions between two of the three X-boxes in the presence of Crt1, and unexpectedly, a significant functional role of the X-boxes in the absence of Crt1. Further analysis revealed Crt1- independent regulators of RNR3 that were impacted by X-box perturbation. Taken together, these results support the notion that higher-order X-box-mediated interactions are important for RNR3 transcription, and that the X-boxes have unexpected roles in the regulation of RNR3 transcription that extend beyond their interaction with Crt1.

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / An investigation of the lipid metabolism pathway in the yeast Yarrowia lipolytica was conducted. Yarrowia is an oleaginous ascomycete that is capable of growing on many different substrates, which derives its name from its high efficiency of growth on lipids. Once the exogenous lipids are converted into free fatty acids and internalized by the yeast, the primary mode of degradation is through β-oxidation mediated by the peroxisomal oxidases, or POX genes. These enzymes catalyze the formation of a trans double bond, producing the trans-2-enoyl product. Our study looked at the comparison of the Y. lipolytica prototrophic strain against a knockout of the Pox2 gene on the uptake, incorporation, and degradation of relevant fatty acids. To construct this gene knockout, a novel gene deletion method using a combination of Cre recombinase and the AHAS* gene was synthesized, developed, and tested successfully. This knockout system allows for serial deletion of genes with the use of only one resistance marker, with excision of the marker after selection.

Current T-cell tracking techniques in vivo are limited. The ability to successfully target a gene in vivo in T-cells and track movement throughout its life cycle provides an exciting opportunity to elucidate the functions of genes. The aim of this study was to test an optogentically inducible Cre recombinase as well as a self-cleaving gRNA which can find and associate with Cas9 in vivo. Mouse T-cells which consecutively produce Cas9 (Cas 9, Jackson laboratory) were transduced and transplanted in immunodeficient mice (TCRb-/-, Jackson laboratory). The optogenetic component of the system is activated upon blue light stimulation and is introduced to the T-cell through a mouse stem cell virus (MSCV). The TCRb-/- mice underwent surgery which exposed their lymph nodes to blue light pulses from a fibre optic wire, this process is referred to as blue light surgery. BLU-VIPR T-cells which express self-cleaving gRNAs reduced the relative abundance of the target protein (Thy1.2), after blue light surgery in vivo. Furthermore, the optogenetic system showed minimal leakiness when used for gene targeting using gRNAs. This suggests that the gRNAs had associated with Cas9 and were able to successfully target the Thy1.2 gene. Results from the optogentically induced Cre recombinase showed that Cre was expressed in significant amounts without blue light stimulation, suggesting some background leakiness in the BLU-VIPR system.

La génération des cellules hématopoïétiques, aussi connue sous le nom d'hématopoïèse, est contrôlée par l’activité conjuguée de facteurs de transcription lignée-spécifiques permettant l’expression, en temps et lieu, de gènes spécifiques nécessaires pour le développement cellulaire. Dans le cadre de notre étude, nous avons étudié les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 qui jouent des rôles cruciaux dans la formation des lymphocytes B et T. KLF2 et KLF4 activent la transcription de gènes spécifiques via leur interaction avec le co-activateur (CBP). Leurs interactions avec CBP requièrent le domaine de transactivation (TAD) qui est localisé dans la région N-terminal des facteurs KLF2 et KLF4. Des études préalables ont montré que des domaines TAD sont aussi présents chez la protéine suppresseur de tumeur p53 et que ces domaines sont requis pour les interactions entre la protéine p53 et le co-activateur CBP. Récemment, plusieurs structures des TADs de p53 en complexe avec les domaines TAZ2 et KIX de CBP ont permis de démontrer que ces TADs sont de nature acide et contiennent un motif ΦΧΧΦΦ crucial pour la formation des interactions. De plus, il s’avère que ces TADs sont similaires aux TADs de KLF2 et KLF4. L’étude présentée dans ce mémoire relate la caractérisation structurelle et fonctionnelle des interactions formées par les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 avec leur partenaire d'interaction, CBP, pour activer la transcription de gènes spécifiques. Nos analyses ont été faites en utilisant différentes techniques telles que le titrage calorimétrique isotherme (ITC), la résonance magnétique nucléaire (RMN) ainsi que des expériences de transactivation chez la levure. Notre étude permet une meilleure compréhension des rôles opposés mais complémentaires qu'ont les protéines KLF2 et KLF4 au cours du développement et de la différentiation des lymphocytes B et T en plus de fournir les détails mécanistiques à la base de leurs interactions. Ces informations seront potentiellement utiles pour le développement d'outils à des fins thérapeutiques dans le cadre des leucémies, notamment. / Hematopoietic development is regulated through a combinatorial interplay between lineage-specific activators and the general transcription factors that enables cell-specific patterns of gene expression. In this study, the transcription factors KLF2 and KLF4 play crucial roles in lymphocytes B and T development by activating transcription of specific genes through interactions with the co-activator (CBP). These interactions involve the transactivation domains (TAD) localized in the N-terminal region of KLF2 and KLF4 factors. Previous studies have shown that TADs are also found in the tumor suppressor protein p53 and these TADs are responsible for the interactions between the p53 protein and the coactivator CBP. Recently, several structures of p53TADs in complex with the TAZ2 and KIX domains of CBP have shown that these TADs are acidic and possess a ΦΧΧΦΦ motif crucial for the formation of the interaction. Interestingly, these TADs are similar to the ones found on KLF2 and KLF4. This thesis provides a structural and functional characterization of the interactions formed by the transcription factors KLF2 and KLF4, which have opposing roles, and competes for the same interacting partner CBP to activate transcription. The analysis is done using isothermal titration calorimetry (ITC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and a yeast activation assay. This study brings a greater understanding on the opposing roles yet complementary of KLF2 and KLF4 proteins involved in B and T lymphocytes specific lineages selection and also provides information for potential therapeutic research regarding disease such as leukemia.

Spinal neurons are important in several aspects motor control. For example, the neurons essential for locomotor movements reside in the ventral spinal cord. In this thesis, different motor control functions are being related to neuronal populations defined by their common expression of a gene. First, a targeted disruption of the gene for vesicular glutamate transporter 2 (Vglut2/ Slc17a6) is described. The mutant animals die at birth because of their inability to breathe. The neuronal network in the brainstem, responsible for inspiration, was shown to become non-functional by the targeted deletion of Vglut2. To our surprise, it was still possible to induce rhythmic activity with normal left/right alternation in spinal cords isolated from VGLUT2-null embryos. Inconsistent reports of Vglut1 expression in the spinal cord made us re-evaluate the Vglut1 and Vglut2 expressions. While Vglut2 expression was widespread in the spinal cord, Vglut1 expression was restricted to a few cells dorsal to the central canal.  Taken together, the data suggest that, glutamatergic signaling is mandatory to drive the bilateral breathing, but not needed for coordination of basal alternating spinal locomotor rhythm. Next, a screen for genes with restricted ventral expression was made. Some of the genes found could be connected to the characteristics of specific neuronal cell populations. For example, fast motor neurons were shown to express the genes Calca and Chodl. Further, we found the Chrna2 expression selectively in putative Renshaw cells. It seems likely that the gene product, the alpha2 subunit of the nicotinergic receptor, could be linked to the unique connection of motor neurons to Renshaw cells. We used the Chrna2 promoter to drive expression of Cre recombinase in a transgenic mouse. The Cre activity was present in most neurons labeled with Renshaw cell markers, which should make it a useful tool for functional studies of this population. The studies presented here show how the genes expressed in subsets of neurons can be used to target populations of neurons for functional studies of neuronal systems.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Neurofibromatosis Type 1 (NF1) is a genetic disorder resulting from mutations in the NF1 tumor suppressor gene. Neurofibromin is the protein product of NF1 and functions as a negative regulator of Ras activity in both hematopoietic and vascular wall cells, which are critical for maintaining blood vessel homeostasis. NF1 patients are predisposed to chronic inflammation and premature cardiovascular disease, including development of large arterial aneurysms, which may result in sudden death secondary to their rupture. However, the molecular pathogenesis of NF1 aneurysm formation is completely unknown. Utilizing a novel model of Nf1 murine aneurysm formation, we demonstrate that heterozygous inactivation of Nf1 (Nf1+/-) results in enhanced aneurysm formation with myeloid cell infiltration and increased reactive oxygen species in the vessel wall. Using cell lineage-restricted transgenic mice, we show that loss of a single Nf1 allele in myeloid cells is sufficient to recapitulate the Nf1+/- aneurysm phenotype in vivo. Additionally, oral administration of simvastatin, a statin with antioxidant and anti-inflammatory effects, significantly reduced aneurysm formation in Nf1+/- mice. Finally, the antioxidant apocynin was administered orally and also resulted in a significant reduction of Nf1+/- aneurysms. These data provide genetic and pharmacologic evidence that neurofibromin-deficient myeloid cells are the central cellular triggers for aneurysm formation in a novel model of NF1 vascular disease, implicated oxidative stress as the key biochemical mechanisms of NF1 aneurysm formation and provide a potential therapeutic target for NF1 vasculopathy.