Le facteur de transcription BP1 humain est exprimé dans les cellules érythroïdes pendant le développement fœtal mais son niveau d’expression est réduit au stade adulte. Les études antérieures in vitro ont montré que BP1 est un répresseur du gène adulte de β-globine mais sa fonction dans la régulation des gènes ε et γ n’a pas été abordée à ce jour. Dans notre étude, nos analyses de BP1 humain ont été menées in vivo au stade embryonnaire en utilisant une lignée de souris transgénique surexprimant BP1 dans les cellules érythroïdes définitives murines. Au niveau protéique, BP1 humain est exprimé aux âges E12.5 et E13.5 dans les cellules érythroïdes fœtales des embryons transgéniques. Toutefois, les niveaux de BP1 humain ne perturbent pas l’érythropoïèse définitive fœtale: les embryons transgéniques ne sont pas anémiques et ne meurent pas in utero. La surexpression de BP1 humain altère tout de même le niveau endogène des facteurs de transcription Ikaros et SOX6 impliqués dans la régulation des gènes de β-globine durant l’érythropoïèse définitive fœtale murine. Chez les embryons doubles transgéniques exprimant BP1 et les gènes humains de β-globine à E12.5, l’expression du gène adulte β est réduite alors que celle des gènes ε et γ est non réprimée. Les mesures d’expression des gènes humains de β-globine effectuées en absence d’Ikaros à E12.5 précisent le rôle de BP1 humain dans l’activation du gène embryonnaire ε. Dans les cellules érythroïdes fœtales murines dépourvues d’Ikaros à E12.5, BP1 humain augmente grandement l’expression des facteurs de transcription EKLF et BCL11A et semble déréprimer l’expression de SOX6, ce qui conduit à une répression des gènes fœtaux et une activation du gène adulte β au jour embryonnaire murin suivant. Puisque BP1 atténue l’altération de l’expression des gènes fœtaux et adultes causée par l’absence d’Ikaros, nous proposons que BP1 et Ikaros soient liés dans les mécanismes de transcription des gènes humains de β-globine. / The transcription factor BP1 is expressed in erythroid cells during fetal development but is downregulated at adult stage. In vitro previous studies revealed that BP1 acts as a repressor of adult β-globin gene expression but its function in ε and γ globin gene regulation has not been investigated so far. In our studies, BP1 functions analyses were proceeded in vivo at embryonic stage by using a transgenic mouse line overexpressing human BP1 in murine definitive erythroid cells. At protein level, human BP1 is expressed in E12.5 and E13.5 fetal erythroid cells of transgenic embryos. However, levels of human BP1 do not impair murine fetal definitive erythropoiesis : transgenic embryos are not anemic and survive during gestation. Overexpression of human BP1 impairs, nonetheless, endogenous level of the transcription factors Ikaros and SOX6 involved in β-globin gene regulation during murine fetal definitive erythropoiesis. In double transgenic mice expressing BP1 and human β-globin genes at embryonic day E12.5, β gene expression is reduced whereas ε- and γ-globin genes are not repressed. Measurements of β-globin gene expression in absence of Ikaros pinpoint the role of human BP1 in embryonic ε-globin gene activation. In E12.5 Ik-/- murine fetal erythroid cells, human BP1 highly increases EKLF and BCL11A transcription level and seems to derepress SOX6 expression which lead to γ silencing and β activation at E13.5. Since BP1 attenuates globin gene alterations caused by absence of Ikaros, we propose that BP1 and Ikaros are linked in transcriptional mechanisms of human β-globin genes.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-02-25Bitstream added on 2014-06-13T19:12:53Z : No. of bitstreams: 1 carrocini_gcs_me_sjrp.pdf: 1450758 bytes, checksum: 22d1c253bc1aae8bf01a4211133799fb (MD5) / A hemoglobina Fetal (Hb F), formada por duas cadeias globínicas alfa (α) e duas gama (γ) (α2 γ2), apresenta expressão reduzida em indivíduos adultos, variando de 0% a 1% do total de hemoglobinas. Os níveis aumentados de Hb F são decorrentes de mutações na família β- globina, que originam a Persistência Hereditária de Hemoglobina Fetal (PHHF) e a Delta- Beta Talassemia (δβ-Talassemia). O controle na produção se dá por região reguladora e por regiões não pertencentes à família β-globina, dentre elas 2q16, 6q23, 8q e Xp22.2. Os objetivos do presente trabalho consistiram em verificar a presença e a frequência de duas mutações para a δβ-Talassemia, do polimorfismo XmnI e dos haplótipos β-globina em indivíduos saudáveis com Hb F aumentada do estado de São Paulo. Foram analisadas 60 amostras de sangue periférico de indivíduos adultos, saudáveis e sem queixa de anemia. Foram separadas em dois grupos de estudo, de acordo com os níveis de Hb F em grupo I - 34 amostras com Hb F variando de 2% a 15%; e grupo II - 26 amostras com níveis de Hb F superiores a 15%. Em relação aos polimorfismos analisados, foram encontrados três indivíduos heterozigotos (5%) para a mutação δβ-Talassemia Espanhola, pertencentes ao grupo I, cujos níveis de Hb F estavam dentro da faixa de normalidade. A mutação δβ- Talassemia Siciliana não foi encontrada, fato que requer a investigação de outros polimorfismos relacionados ao aumento de Hb F na vida adulta. A frequência do polimorfismo XmnI foi de 33,3% e os níveis médios de Hb F foram de 15,48 ± 11,69%. A frequência observada em nosso estudo para esse sítio polimórfico é maior do que os achados da literatura para indivíduos saudáveis. Esse polimorfismo foi mais presente em indivíduos com concentrações de Hb F abaixo de 15%. Para quatro das amostras positivas para esse polimorfismo os níveis... / Fetal Hemoglobin (Hb F), formed by two alpha globin chains (α) and two gamma chains (γ) (α2 γ 2 ), has reduced expression in adults, ranging from 0% to 1% of total hemoglobin. Increased levels of Hb F are due to mutations in β-globin family, which cause the Hereditary Persistence of Fetal Hemoglobin (HPFH) and Delta-Beta Thalassemia (δβ-Thalassemia). The control of the production takes place by the regulatory region and regions outside the β-globin family, among them 2q16, 6q23, 8q and Xp22.2. The aims of this study were to verify the presence and frequency of two mutations for δβ-thalassemia, of the XmnI polymorphism and β-globin haplotypes in healthy individuals with increased Hb F of the state of Sao Paulo. We analyzed 60 samples of peripheral blood of adults, healthy and without complaints of anemia. The samples were separated into two groups, according to the Hb F levels in group I - 34 samples with Hb F ranging from 2% to 15% and group II - 26 samples with Hb F levels above 15%. In relation to the polymorphisms examined, we found three heterozygous individuals (5%) for Spanish δβ-thalassemia, belonging to group I, whose Hb F levels were within the normal range. The Sicilian δβ-thalassemia mutation was not found, fact that requires the study of other polymorphisms related to the increase of Hb F in adult life. The frequency of XmnI polymorphism was 33.3% and the mean Hb F levels were 15.48 ± 11.69%. The frequency observed in our study to this polymorphic site is higher than the findings in the literature for healthy subjects. This polymorphism was more prevalent in individuals with Hb F concentrations below 15%. For four samples positive for this polymorphism, the Hb F levels were explained by the presence of HPFH and Spanish δβ-Thalassemia mutations, so that the presence of XmnI polymorphic site was not determinative to influence the γ-globin genes expression... (Complete abstract click electronic access below)

The CCCTC-binding factor (CTCF) is a versatile, multifunctional zinc-finger protein involved in a broad spectrum of cellular functions. In mammalian cells, CTCF functions together with the Cohesin complex, an essential regulator of sister chromatid cohesion. Together, CTCF and Cohesin have been shown to regulate gene expression at a genome-wide level in mammalian cells. In the yeast Saccharomyces pombe, Cohesin has been implicated in transcription termination of convergently transcribed genes, in a cell cycle dependent manner. The aim of this thesis was to investigate the possibility of direct transcriptional involvement of CTCF and Cohesin in human cells. The first model system applied for this experimental purpose was the β-globin gene with introduced canonical CTCF-binding sites replacing the endogenous Co- Transcriptional Cleavage (CoTC) element downstream of β-globin. The results obtained indicate that recruitment of CTCF to the β-globin 3` flanking region does not prevent read-through transcription. However, CTCF-binding does mediate RNA Polymerase II (Pol II) pausing at the site of recruited CTCF. This results in more efficient pre-mRNA 3` end processing and therefore rescues β-globin mRNA to wild type levels. Cohesin was not detected at the introduced CTCF-binding sites. These results are a contribution to our understanding of the spatio-temporal requirements for cotranscriptional events like 3` end pre-mRNA processing and Pol II kinetics. The second part of my thesis presents an investigation on the involvement of CTCF and Cohesin in lipopolysaccharide (LPS)-induced Tumor Necrosis Factor α (TNFα) gene expression regulation in human monocytes and differentiated M1- and M2-type macrophages. These studies provide first evidence of Cohesin recruitment to the TNFα gene body and its regulatory NFκB-binding sites. Differences in the recruitment profiles obtained indicate potential regulatory differences of TNFα among the three cell types. Preliminary data provide an insight into the effects on TNFα mRNA levels upon down-regulation of Cohesin subunits.

La régulation transcriptionnelle des gènes est cruciale pour permettre le bon fonctionnement des cellules. Afin que les cellules puissent accomplir leurs fonctions, les gènes doivent être exprimés adéquatement dans le bon type cellulaire et au stade de développement et de différenciation approprié. Un dérèglement dans l’expression de un ou plusieurs gènes peut entraîner de graves conséquences sur le destin de la cellule. Divers éléments en cis (ex : promoteurs et enhancers) et en trans (machinerie transcriptionnelle et facteurs de transcription) sont impliqués dans la régulation de la transcription. Les gènes du locus humain beta-globine (hub) sont exprimés dans les cellules érythroïdes et sont finenement régulés lors du développement et de la différenciation. Des mutations dans différentes régions du locus causent entre autres les beta-thalassémies. Nous avons utilisé ce modèle bien caractérisé afin d’étudier différents mécanismes de régulation favorisés par les facteurs de transcription qui sont exprimés dans les cellules érythroïdes. Nous nous sommes intéressés à l’importance de l’élément en cis HS2 du Locus control region. Cet élément possède plusieurs sites de liaison pour des facteurs de transcription impliqués dans la régulation des gènes du locus hub. Nos résultats montrent que HS2 possède un rôle dans l’organisation de la chromatine du locus qui peut être dissocié de son rôle d’enhancer. De plus, HS2 n’est pas essentiel pour l’expression à haut niveau du gène beta alors qu’il est important pour l’expression des gènes gamma. Ceci suggère que le recrutement des différents facteurs au site HS2 lors du développement influence différement les gènes du locus. Dans un deuxième temps, nous avons investigué l’importance de HS2 lors de la différenciation des cellules érythroïdes. Il avait été rapporté que l’absence de HS2 influence grandement la potentialisation de la chromatine du gène beta. La potentialisation dans les cellules progénitrices favorise l’activation transcriptionnelle du gène dans les cellules matures. Nous avons caractérisé le recrutement de différents facteurs de transcription au site HS2 et au promoteur beta dans les cellules progénitrices hématopoïétiques (CPH) ainsi que dans les cellules érythroïdes matures. Nos résultats montrent que le facteur EKLF est impliqué dans la potentialisation de la chromatine et favorise le recrutement des facteurs BRG1, p45 et CBP dans les CPH. L’expression de GATA-1 dans les cellules érythroïdes matures permet le recrutement de GATA-1 au locus hub dans ces cellules. Ces données suggèrent que la combinaison de EKLF et GATA-1 est requise pour permettre une activation maximale du gène beta dans les cellules érythroïdes matures. Un autre facteur impliqué dans la régulation du locus hub est Ikaros. Nous avons étudié son recrutement au locus hub et avons observé que Ikaros est impliqué dans la répression des gènes gamma. Nos résultats montrent aussi que GATA-1 est impliqué dans la répression de ces gènes et qu’il interagit avec Ikaros. Ensemble, Ikaros et GATA-1 favorisent la formation d’un complexe de répression aux promoteurs gamma. Cette étude nous a aussi permis d’observer que Ikaros et GATA-1 sont impliqués dans la répression du gène Gata2. De façon intéressante, nous avons caractérisé le mécanisme de répression du gène Hes1 (un gène cible de la voie Notch) lors de la différenciation érythroïde. Similairement à ce qui a été observé pour les gènes gamma, Hes1 est aussi réprimé par Ikaros et GATA-1. Ces résultats suggèrent donc que la combinaison de Ikaros et GATA-1 est associée à la répression de plusieurs de gènes dans les cellules érythroïdes. Globalement cette thèse rapporte de nouveaux mécanismes d’action de différents facteurs de transcription dans les cellules érythroïdes. Particulièrement, nos travaux ont permis de proposer un modèle pour la régulation des gènes du locus hub lors du développement et de la différenciation. De plus, nous rapportons pour la première fois l’importance de la collaboration entre les facteurs Ikaros et GATA-1 dans la régulation transcriptionnelle de gènes dans les cellules érythroïdes. Des mutations associées à certains des facteurs étudiés ont été rapportées dans des cas de beta-thalassémies ainsi que de leucémies. Nos travaux serviront donc à avoir une meilleure compréhension des mécanismes d’action de ces facteurs afin de potentiellement pouvoir les utiliser comme cibles thérapeutiques. / Gene transcriptional regulation is crucial for appropriate cell functioning. Genes must be properly expressed in the right cell type as well as at the right developmental and differenciation stage in order to allow the cells to accomplish their functions. Abnormal expression of one or many genes can dramatically influence cell fate. Diverse cis (ex : promoters and enhancers) and trans (transcriptional machinery and transcription factors) elements are involved in transcriptional regulation. Genes of the human beta-globin (hub) locus are expressed in erythroid cells and are thightly regulated during development and differentiation. Mutations in several regions of the locus are involved in beta-thalassemia. We used this well characterized model in order to study different regulation mechanisms that are mediated by transcription factors expressed in erythroid cells. We were interested in the important role of the cis element HS2 from the Locus control region. This region contains several binding sites for transcription factors that are involved in hub locus gene regulation. Our results show that HS2 has a role in chromatin organization of the locus which is distinct from its enhancer function. Moreover, HS2 is not essential for high level beta gene expression while it is important for gamma gene expression. This suggest that the influence of transcription factors recruited to HS2 varies during development. Secondly, we investigated HS2 importance during erythroid differentiation. It was reported the HS2 deletion strongly influences chromatin potentiation of beta gene. Potentiation in progenitor cells favors gene transcriptional activation in mature cells. We characterized transcription factor recruitment to HS2 and b promoter in hematopoietic progenitor cells (HPC). Our results show that EKLF is involved in chromatin potentiation and favors the recruitment of BRG1, p45 and CBP in HPC. GATA-1 expression in mature erythroid cells allows GATA-1 recruitment to hub locus in these cells. These data suggest that EKLF and GATA-1 combination is required to allow maximal beta gene activation in mature erythroid cells. Another factor involved in hub locus regulation is Ikaros. We studied its recruitment to hub locus and found that Ikaros is involved in gamma gene repression. Our data also shows that GATA-1 is involved in the repression of these genes and that it interacts with Ikaros. Together, Ikaros and GATA-1 favors the formation of a repressive complex to gamma promoters. In this study, we also observed that Ikaros and GATA-1 are involved in Gata2 gene repression. Interestingly, we have also characterized the repression mechanism of Hes1 gene (a Notch target gene) during erythroid differentiation. Similar to what is observed for gamma genes, Hes1 is also repressed by Ikaros and GATA-1. Collectivelly, our data suggest that Ikaros and GATA-1 combination is associated with the repression of several genes in erythroid cells. Globally, this thesis reports new mechanisms of action for different transcription factors in erythroid cells. Particularly, our work allows us to propose a model for hub locus gene regulation during development and differentiation. Moreover, we show for the first time that the combination of Ikaros and GATA-1 is relevant for gene regulation in erythroid cells. Several mutations in the transcription factors that we studied were associated with beta-thalassemia or leukemia. Our work will thus help to better understand mechanisms of action of these transcription factors in order to potentially use them as therapeutical targets.

The MBD2-NuRD co-repressor complex is an epigenetic regulator of the developmental silencing of embryonic and fetal β-type globin genes in adult erythroid cells as well as aberrant methylation-dependent silencing of tumor suppressor genes in neoplastic diseases. Biochemical characterization of the MBD2-NuRD complex in chicken erythroid cells identified RbAp46/48, HDAC1/2, MTA1/2/3, p66α/β, Mi2α/β and MBD2 to comprise this multi-protein complex. In the work presented in Chapter 2, we have pursued biophysical and molecular studies to describe a previously uncharacterized domain of human MBD2 (MBD2IDR). Biophysical analyses show that MBD2IDR is an intrinsically disordered region (IDR). Despite this inherent disorder, MBD2IDR increases the overall binding affinity of MBD2 for methylated DNA. MBD2IDR also recruits the histone deacetylase core components (RbAp48, HDAC2 and MTA2) of NuRD through a critical area of contact requiring two contiguous amino acid residues, Arg286 and Leu287. Mutation of these critical residues abrogates interaction of MBD2 with the histone deacetylase core and impairs the ability of MBD2 to repress the methylated tumor suppressor gene Prostasin in MDA-MB-435 breast cancer cells. These findings expand our knowledge of the multi-dimensional interactions of the MBD2-NuRD complex that govern its function. In Chapter 3, we have discussed a novel mechanism for MBD2-mediated silencing of the fetal γ-globin gene. Through microarray expression analyses in adult erythroid cells of MBD2-/- mice, we identified ZBTB32 and miR-210 as downstream targets of MBD2. Over-expression of ZBTB32 and miR-210 in adult erythroid cells causes increased expression of the silenced fetal γ-globin gene. Thus, our results indicate that MBD2 may regulate γ-globin gene expression indirectly though ZBTB32 and miR-210 in adult erythroid cells.

Die b -Thalassämie gehört weltweit zu den häufigsten monogenen Erbkrankheiten. Die Thalassämien treten endemisch in der Bevölkerung des Mittelmeerraumes, in Westafrika und in weiten Teilen Asiens auf. In der einheimischen Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland gehört die homozygote Form der b -Thalassämie zu den seltenen Erkrankungen. Häufiger ist das Auftreten der heterozygoten Form, die als Differentialdiagnose der mikrozytären, hypochromen Anämie eine besondere Rolle spielt. Blutproben von 214 deutschen Personen mit einer heterozygoten b -Thalassämie wurden mittels Allel-spezifischer Oligonukleotid-Hybridisierung, Restriktionsanalyse und direkter Sequenzierung PCR-amplifizierter DNA analysiert. Insgesamt konnten 96,3 % (206/214) der Proben molekular charakterisiert werden. Die mediterranen Mutationen stellen einen Anteil von etwa 2/3 aller identifizierten Veränderungen, häufig sind insbesondere NS 39, IVS1-110 G ® A und IVS1-1 G ® A. Das übrige Mutationsspektrum setzt sich aus sehr seltenen Mutationen (IVS1-1 G ® T, IVS1-2 T ® G, IVS1-2 T ® C, NS 15 G ® A, NS 121 G ® T, FS 8/9 +G, FS 44 -C, FS 51 -C, FS 82/83 -G, Initiations-Kodon-Mutationen ATG ® ACG/ ® GTG/ ® ATA) und einer neuen Mutation (IVS1-129 A ® G) zusammen. In 6 Fällen konnte nach vollständiger molekularer Analyse kein Gendefekt als Ursache der b -Thalassämie gefunden werden. Diese Probanden könnten b -Thalassämiedeterminanten tragen, die nicht an den b -Globingen-Komplex gekoppelt sind oder regulative Sequenzen außerhalb des b -Globingens darstellen. Die erhobenen Daten zeigen, daß der Ursprung der b -Thalassämie in der deutschen Bevölkerung in den Mittelmeerländern liegt, ein Drittel der Fälle scheint sich jedoch lokal entwickelt zu haben. / The b -thalassemia belongs to the most common monogenic disorders worldwide. Endemically in the Mediterranean population, some parts of Asia and Western Africa, b -thalassemia is a rare disease in Germany. Nevertheless, heterozygous forms of b -thalassemia minor occur more frequently in the German population and should be considered in the differential diagnosis of hypochromic anemia. To investigate the molecular biological background of b -thalassemia in Germany, 214 non-immigrant German individuals suffering from heterozygous b -thalassemia were characterized by allele-specific oligonucleotid hybridization, restriction analysis and sequencing of the b -globin gene. By these techniques, 26 different mutations were identified. Most frequently, the Mediterranean mutations NS 39, IVS1-110 G ® A, and IVS1-1 G ® A were detected. Although otherwise rare, the frameshift mutation of codon 83 (FS 83 -G) was also relatively common (5 %) in the analyzed population. Other previously described mutations (IVS1-1 G ® T, IVS1-2 T ® G, IVS1-2 T ® C, NS 15 G ® A, NS 121 G ® T, FS 8/9 +G, FS 44 -C, FS 51 -C, initiation codon mutation ATG ® ACG/ ® GTG/ ® ATA) were demonstrated in < 10 individuals. Interestingly, sequence analysis identified a novel mutation affecting position -2 of the splice acceptor site (IVS1-129 A ® G). In 6 individuals diagnosed as heterozygous b -thalassemia, a mutation of the b -globin gene could not be demonstrated. The data indicate the b -thalassemia to be introduced from the Mediterranean population into Germans in two-thirds of the cases whereas the remaining third probably is of local origin.

Choi Wai-wah. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006. / Includes bibliographical references (leaves 120-138). / Abstracts in English and Chinese. / Statement --- p.i / Acknowledgements --- p.ii / Abstract --- p.iii / Abstract (Chinese Version) --- p.v / Table of Contents --- p.vii / List of Tables --- p.xii / List of Figures --- p.xiii / List of Abbreviations --- p.xv / Chapter Chapter 1 --- General Introduction / Chapter 1.1 --- "Hemoglobin ´ؤ Structures, Types and Functions" --- p.1 / Chapter 1.1.1 --- Structures of Hemoglobin --- p.1 / Chapter 1.1.2 --- Types of Hemoglobin --- p.2 / Chapter 1.1.3 --- Functions of Hemoglobin --- p.3 / Chapter 1.2 --- Human Globin Genes and Their Regulation --- p.5 / Chapter 1.2.1 --- Organization of the Human Globin Genes --- p.5 / Chapter 1.2.2 --- Regulation of Globin Gene Expression --- p.6 / Chapter 1.2.2.1 --- The Locus Control Region (LCR) --- p.6 / Chapter 1.2.2.2 --- Cis-Regulatory Elements --- p.7 / Chapter 1.2.2.2.1 --- Promoters --- p.7 / Chapter 1.2.2.2.2 --- Enhancers --- p.7 / Chapter 1.2.2.2.3 --- Silencers --- p.8 / Chapter 1.2.2.3 --- Trans-Acting Factors --- p.8 / Chapter 1.2.2.3.1 --- GATA Family --- p.9 / Chapter 1.2.2.3.2 --- Kruppel-like Factors --- p.9 / Chapter 1.2.2.3.3 --- Nuclear Factor-Erythroid (NF-E) --- p.9 / Chapter 1.2.2.4 --- Chromatin Remodelling --- p.10 / Chapter 1.2.2.5 --- Intergenic Sequences --- p.11 / Chapter 1.3 --- Mechanisms of Hemoglobin Switching --- p.12 / Chapter 1.3.1 --- Autonomous Silencing --- p.12 / Chapter 1.3.2 --- LCR and Globin Gene Interaction --- p.12 / Chapter 1.4 --- Hemoglobinopathies --- p.14 / Chapter 1.4.1 --- α -thalassemia --- p.14 / Chapter 1.4.2 --- β -thalassemia --- p.14 / Chapter 1.4.3 --- Sickle Cell Anemia --- p.16 / Chapter 1.5 --- Therapies for β-thalassemia --- p.16 / Chapter 1.5.1 --- Blood Transfusion --- p.16 / Chapter 1.5.2 --- Bone Marrow Transplantation --- p.17 / Chapter 1.5.3. --- Gene Therapy --- p.17 / Chapter 1.6 --- Gene Switch Therapy --- p.18 / Chapter "1.6,1" --- Pharmacological Induction of HbF --- p.18 / Chapter 1.6.1.1 --- Hydroxyurea --- p.19 / Chapter 1.6.1.2 --- Butyrate --- p.20 / Chapter 1.6.1.3 --- Summary --- p.21 / Chapter 1.7 --- Objectives --- p.22 / Chapter Chapter 2 --- Induction of HbF by LC978 in K562 / Chapter 2.1 --- Introduction --- p.23 / Chapter 2.2 --- Materials --- p.26 / Chapter 2.2.1 --- Chemicals and Reagents --- p.26 / Chapter 2.2.2 --- Kits --- p.27 / Chapter 2.2.3 --- Buffers and Solutions --- p.27 / Chapter 2.2.4 --- Primers --- p.30 / Chapter 2.2.5 --- Equipment and Other Consumables --- p.30 / Chapter 2.2.6 --- Maintenance of K562 --- p.31 / Chapter 2.2.7 --- Handling and Treatment of utilities for RNA isolation --- p.31 / Chapter 2.3 --- Methods --- p.32 / Chapter 2.3.1 --- Dose-response and time-response study of LC978 in K562 by TMB assay --- p.32 / Chapter 2.3.2 --- Detection of γ -Globin Gene Expression in LC978-induced K562 by RT-PCR --- p.33 / Chapter 2.3.3 --- Fetal Hemoglobin Analysis by Human Fetal Hemoglobin (HbF) ELISA Quantitation Kit --- p.36 / Chapter 2.3.4 --- Statistical Analysis --- p.38 / Chapter 2.4 --- Results --- p.39 / Chapter 2.4.1 --- Dose-response and time-response study of LC978 in K562 by TMB assay --- p.39 / Chapter 2.4.2 --- Detection of γ -Globin Gene Expression in LC978-induced K562 by RT-PCR --- p.45 / Chapter 2.4.3 --- Fetal Hemoglobin Analysis by Human Fetal Hemoglobin (HbF) ELISA Quantitation Kit --- p.48 / Chapter 2.5 --- Discussions --- p.51 / Chapter Chapter 3 --- Signal Transduction Pathways Modulated by LC978 / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.54 / Chapter 3.2 --- Materials --- p.57 / Chapter 3.2.1 --- Chemicals and Reagents --- p.57 / Chapter 3.2.2 --- Kits --- p.57 / Chapter 3.2.3 --- Buffers and Solutions --- p.58 / Chapter 3.2.4 --- Primers --- p.59 / Chapter 3.2.5 --- Equipment and Other Consumables --- p.60 / Chapter 3.2.6 --- Maintenance of K562 --- p.60 / Chapter 3.2.7 --- Handling and Treatment of utilities for RNA isolation --- p.60 / Chapter 3.3 --- Methods --- p.61 / Chapter 3.3.1 --- Identification of Signaling Pathways by Microarray --- p.61 / Chapter 3.3.2 --- Real-time RT-PCR --- p.65 / Chapter 3.4 --- Results --- p.67 / Chapter 3.4.1 --- Identification of Signaling Pathways by Microarray --- p.67 / Chapter 3.4.2 --- Real-time RT-PCR --- p.74 / Chapter 3.5 --- Discussions --- p.80 / Chapter Chapter 4 --- MAPK pathways and HbF induction by LC978 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.84 / Chapter 4.2 --- Materials --- p.87 / Chapter 4.2.1 --- Chemicals and Reagents --- p.87 / Chapter 4.2.2 --- Kits --- p.88 / Chapter 4.2.3 --- Buffers and Solutions --- p.88 / Chapter 4.2.4 --- Equipment and Other Consumables --- p.90 / Chapter 4.2.5 --- Maintenance of K562 --- p.90 / Chapter 4.3 --- Methods --- p.91 / Chapter 4.3.1 --- "Roles of three MAPKs ´ؤ ERK, JNK and p38 in LC978-mediated γ -globin gene induction in K562 using CASE´ёØ Kits" --- p.91 / Chapter 4.3.2 --- Effect of p38 inhibitor SB203580 on HbF induction --- p.94 / Chapter 4.3.3 --- Statistical Analysis --- p.97 / Chapter 4.4 --- Results --- p.98 / Chapter 4.4.1 --- "Roles of three MAPKs - ERK, JNK and p38 in LC978-mediated γ -globin gene induction in K562 using CASETM Kits" --- p.98 / Chapter 4.4.2 --- Effect of p38 inhibitor SB203580 on HbF induction --- p.106 / Chapter 4.5 --- Discussions --- p.110 / Chapter Chapter 5 --- Summary and Prospects / Appendix / References

La dérégulation de l'expression génétique est une base pathophysiologique de plusieurs maladies. On a utilisé le locus du gène β-globine humain comme modèle pour élucider le mécanisme de régulation de la transcription génétique et évaluer son expression génétique durant l'érythropoïèse. La famille des protéines 'E' est composée de facteurs de transcription qui possèdent plusieurs sites de liaison au sein de locus du gène β-globine, suggérant leur rôle potentiel dans la régulation de l’expression de ces gènes. Nous avons montré que les facteurs HEB, E2A et ETO2 interagissent d’une manière significative avec la région contrôle du Locus (LCR) et avec les promoteurs des gènes de la famille β-globine. Le recrutement de ces facteurs au locus est modifié lors de l'érythropoïèse dans les cellules souches hematopoitiques et les cellules erythroides de souris transgéniques pour le locus de la β-globine humain, ainsi que dans les cellules progénitrices hématopoïétiques humaines. De plus par cette étude, nous démontrons pour la première fois que le gène β-globine humain est dans une chromatine active et qu’il interagit avec des facteurs de transcriptions de type suppresseurs dans les cellules progénitrices lymphoïdes (voie de différentiation alternative). Cette étude a aussi été faite dans des souris ayant une génétique mutante caractérisée par l'absence des facteurs de transcription E2A ou HEB. / Aberrant gene expression is an underlying pathophysiology in many disease conditions. Lineage-specification and -commitment is tightly dependent on lineage-specific transcription factors to regulate the expression of target genes. Using human β-globin locus as a model, we investigated how the transcriptional machinery is set and regulated during erythropoiesis and how it impacts globally on gene expression. Class I bHLH proteins are important transcription factors whose binding sites are frequently clustered throughout the β-globin gene locus, suggesting their role in globin gene regulation. We showed that, in hematopoietic progenitor (HPC) and erythroid cells (EryC) of the transgenic mouse for human β-globin locus and human HPC cells (CD34+); HEB, E2A and ETO-2 significantly interact with locus control region (LCR) and promoters of globin genes, and their relative ratio is altered during erythropoiesis. For the first time, we found that in other hematopoietic lineages, human β-globin locus is in active chromatin and interacts with transcription factors involved in repression. Strikingly and consistent with the expression of globin genes, we characterized transcription factors involved in open chromatin configuration and basal level of globin gene expression in lymphoid progenitor cells. Further, with the genetic power of E2A and HEB knockout mice, our findings were clarified in mutant backgrounds.

La régulation transcriptionnelle des gènes est cruciale pour permettre le bon fonctionnement des cellules. Afin que les cellules puissent accomplir leurs fonctions, les gènes doivent être exprimés adéquatement dans le bon type cellulaire et au stade de développement et de différenciation approprié. Un dérèglement dans l’expression de un ou plusieurs gènes peut entraîner de graves conséquences sur le destin de la cellule. Divers éléments en cis (ex : promoteurs et enhancers) et en trans (machinerie transcriptionnelle et facteurs de transcription) sont impliqués dans la régulation de la transcription. Les gènes du locus humain beta-globine (hub) sont exprimés dans les cellules érythroïdes et sont finenement régulés lors du développement et de la différenciation. Des mutations dans différentes régions du locus causent entre autres les beta-thalassémies. Nous avons utilisé ce modèle bien caractérisé afin d’étudier différents mécanismes de régulation favorisés par les facteurs de transcription qui sont exprimés dans les cellules érythroïdes. Nous nous sommes intéressés à l’importance de l’élément en cis HS2 du Locus control region. Cet élément possède plusieurs sites de liaison pour des facteurs de transcription impliqués dans la régulation des gènes du locus hub. Nos résultats montrent que HS2 possède un rôle dans l’organisation de la chromatine du locus qui peut être dissocié de son rôle d’enhancer. De plus, HS2 n’est pas essentiel pour l’expression à haut niveau du gène beta alors qu’il est important pour l’expression des gènes gamma. Ceci suggère que le recrutement des différents facteurs au site HS2 lors du développement influence différement les gènes du locus. Dans un deuxième temps, nous avons investigué l’importance de HS2 lors de la différenciation des cellules érythroïdes. Il avait été rapporté que l’absence de HS2 influence grandement la potentialisation de la chromatine du gène beta. La potentialisation dans les cellules progénitrices favorise l’activation transcriptionnelle du gène dans les cellules matures. Nous avons caractérisé le recrutement de différents facteurs de transcription au site HS2 et au promoteur beta dans les cellules progénitrices hématopoïétiques (CPH) ainsi que dans les cellules érythroïdes matures. Nos résultats montrent que le facteur EKLF est impliqué dans la potentialisation de la chromatine et favorise le recrutement des facteurs BRG1, p45 et CBP dans les CPH. L’expression de GATA-1 dans les cellules érythroïdes matures permet le recrutement de GATA-1 au locus hub dans ces cellules. Ces données suggèrent que la combinaison de EKLF et GATA-1 est requise pour permettre une activation maximale du gène beta dans les cellules érythroïdes matures. Un autre facteur impliqué dans la régulation du locus hub est Ikaros. Nous avons étudié son recrutement au locus hub et avons observé que Ikaros est impliqué dans la répression des gènes gamma. Nos résultats montrent aussi que GATA-1 est impliqué dans la répression de ces gènes et qu’il interagit avec Ikaros. Ensemble, Ikaros et GATA-1 favorisent la formation d’un complexe de répression aux promoteurs gamma. Cette étude nous a aussi permis d’observer que Ikaros et GATA-1 sont impliqués dans la répression du gène Gata2. De façon intéressante, nous avons caractérisé le mécanisme de répression du gène Hes1 (un gène cible de la voie Notch) lors de la différenciation érythroïde. Similairement à ce qui a été observé pour les gènes gamma, Hes1 est aussi réprimé par Ikaros et GATA-1. Ces résultats suggèrent donc que la combinaison de Ikaros et GATA-1 est associée à la répression de plusieurs de gènes dans les cellules érythroïdes. Globalement cette thèse rapporte de nouveaux mécanismes d’action de différents facteurs de transcription dans les cellules érythroïdes. Particulièrement, nos travaux ont permis de proposer un modèle pour la régulation des gènes du locus hub lors du développement et de la différenciation. De plus, nous rapportons pour la première fois l’importance de la collaboration entre les facteurs Ikaros et GATA-1 dans la régulation transcriptionnelle de gènes dans les cellules érythroïdes. Des mutations associées à certains des facteurs étudiés ont été rapportées dans des cas de beta-thalassémies ainsi que de leucémies. Nos travaux serviront donc à avoir une meilleure compréhension des mécanismes d’action de ces facteurs afin de potentiellement pouvoir les utiliser comme cibles thérapeutiques. / Gene transcriptional regulation is crucial for appropriate cell functioning. Genes must be properly expressed in the right cell type as well as at the right developmental and differenciation stage in order to allow the cells to accomplish their functions. Abnormal expression of one or many genes can dramatically influence cell fate. Diverse cis (ex : promoters and enhancers) and trans (transcriptional machinery and transcription factors) elements are involved in transcriptional regulation. Genes of the human beta-globin (hub) locus are expressed in erythroid cells and are thightly regulated during development and differentiation. Mutations in several regions of the locus are involved in beta-thalassemia. We used this well characterized model in order to study different regulation mechanisms that are mediated by transcription factors expressed in erythroid cells. We were interested in the important role of the cis element HS2 from the Locus control region. This region contains several binding sites for transcription factors that are involved in hub locus gene regulation. Our results show that HS2 has a role in chromatin organization of the locus which is distinct from its enhancer function. Moreover, HS2 is not essential for high level beta gene expression while it is important for gamma gene expression. This suggest that the influence of transcription factors recruited to HS2 varies during development. Secondly, we investigated HS2 importance during erythroid differentiation. It was reported the HS2 deletion strongly influences chromatin potentiation of beta gene. Potentiation in progenitor cells favors gene transcriptional activation in mature cells. We characterized transcription factor recruitment to HS2 and b promoter in hematopoietic progenitor cells (HPC). Our results show that EKLF is involved in chromatin potentiation and favors the recruitment of BRG1, p45 and CBP in HPC. GATA-1 expression in mature erythroid cells allows GATA-1 recruitment to hub locus in these cells. These data suggest that EKLF and GATA-1 combination is required to allow maximal beta gene activation in mature erythroid cells. Another factor involved in hub locus regulation is Ikaros. We studied its recruitment to hub locus and found that Ikaros is involved in gamma gene repression. Our data also shows that GATA-1 is involved in the repression of these genes and that it interacts with Ikaros. Together, Ikaros and GATA-1 favors the formation of a repressive complex to gamma promoters. In this study, we also observed that Ikaros and GATA-1 are involved in Gata2 gene repression. Interestingly, we have also characterized the repression mechanism of Hes1 gene (a Notch target gene) during erythroid differentiation. Similar to what is observed for gamma genes, Hes1 is also repressed by Ikaros and GATA-1. Collectivelly, our data suggest that Ikaros and GATA-1 combination is associated with the repression of several genes in erythroid cells. Globally, this thesis reports new mechanisms of action for different transcription factors in erythroid cells. Particularly, our work allows us to propose a model for hub locus gene regulation during development and differentiation. Moreover, we show for the first time that the combination of Ikaros and GATA-1 is relevant for gene regulation in erythroid cells. Several mutations in the transcription factors that we studied were associated with beta-thalassemia or leukemia. Our work will thus help to better understand mechanisms of action of these transcription factors in order to potentially use them as therapeutical targets.

Gene transfer techniques such as retroviral transduction have many applications such as cell marking, cell reprogramming, and therapeutics. Transgene expression, however, is often variable and maintaining long-term expression is problematic in progenitor cell types. To better control transgene expression, research has focused on the optimized use of cis-regulatory elements, such as promoters, enhancers and insulators. In addition to controlling gene expression, these regulatory elements modulate the nuclear organization of the transgene. The integration site also exerts significant effects on steady state and temporal transgene expression via the neighbouring chromatin environment. The first part of this thesis describes the co-operation of modified β-globin intronic elements in providing high-level expression and favorable nuclear localization. I demonstrate that these elements are compatible with efficient lentivirus transduction for globin gene therapy purposes. In the second chapter, I examine high-expressing EGFP retroviral transgenes and show that such steady state expression may exhibit rapid transcriptional fluctuations, which is modulated by different transcriptional dynamics at different integration sites. Finally, in the last chapter, I evaluate the use of a 3’D4Z4 insulator element in maintaining long-term EGFP transgene expression in ES cells, and discover integration-site specific temporal dynamics in retroviral vector expression. Overall, my results demonstrate that using multiple regulatory elements and insulating these elements from different types of genomic loci optimize transgene expression and dynamics in progenitor cells.