In the past decade, technologies such as the DNA microarray and ChIP-on-chip have generated a large amount of high-throughput data for biologists. Although these data has provided us systems-level information about gene regulation, a major challenge in systems biology is to derive methodologies that will infer the underlying dynamics and mechanisms of gene regulation. This thesis research is focused on understanding these mechanisms of transcriptional regulation using systems biology approaches. Transcription regulatory networks play an important role in mediating external stimuli and coordinating responses to changing environments. Different methods that infer regulatory interactions directly from microarray data have been developed in the recent past. However, the implicit assumption in these methods that the transcription factor (TF) mRNA expression can be used as a proxy of its activity at protein level is not always correct, due to post-transcriptional and post-translational modifications of TFs. In this study, a method named iARACNe was developed. It uses the inferred TF activities to estimate the regulatory activity between TFs and their targets. The study demonstrated that the accuracy of the inferred networks using this method was greatly improved. Two additional methods, OmniMiner and coEDGi, which allow a better understanding of the physical interactions between TFs and target genes, were developed in this thesis research. OmniMiner detects and predicts the potential binding sites for the TFs of interest, while coEDGi enables identification of common enhancers upstream of co-regulated genes. Compared to other approaches which only allow isolated analyses, the systems biology approaches developed in this research provide an opportunity for biologists to study transcriptional regulations from both functional genomics and regulatory sequence perspectives simultaneously.

Gata4 and Gata6 are closely related transcription factors that are essential for the development of a number of embryonic tissues. While they have nearly identical DNA-binding domains and similar patterns of expression, Gata4 and Gata6 null embryos have strikingly different embryonic lethal phenotypes. Conditional deletion of these genes in the pancreas has also revealed specific functions for each factor in this organ. To investigate the role of these genes in pancreatic development, we performed a number of biochemical experiments on pancreatic cell lines and mutant tissues. We found that Gata4 and Gata6 regulate overlapping sets of genes in the developing pancreas. To determine whether the lack of global redundancy between Gata4 and Gata6 is due to differences in protein function or Gata4 and Gata6 expression domains, we generated mice that contained the Gata6 cDNA in place of the Gata4 genomic locus. Gata4Gata6/Gata6 embryos survived through embryonic day (e)12.5 and successfully underwent ventral folding morphogenesis, demonstrating that Gata6 is able to replace Gata4 function in extraembryonic tissues. Interestingly, Gata6 is unable to replace Gata4 function in the septum transversum mesenchyme or the epicardium, leading to liver agenesis and lethal heart defects in Gata4Gata6/Gata6 embryos. These studies suggest that Gata4 has evolved distinct functions in the development of these tissues that cannot be performed by Gata6, even when it is provided in the identical expression domain. Our work has important implications for the respective mechanisms of Gata function during development, as well as the functional evolution of these essential transcription factors.

Death from infectious disease is common heritable, and in many cases a consequence of the host response, rather than direct effects of the pathogen. Since the host response in sepsis is orchestrated by the transmission of a variety of signals, both intra-cellular and inter-cellular, with which we have at least some capacity to intervene, it follows that it should be possible to prevent death through pharmaceutical modulation of inflammatory cascades. So far, it is not. The best candidate therapy for sepsis, activated protein C, failed to live up to initial promise and was ultimately withdrawn from the market in dismal failure. The premise of the work presented here is that a different approach – to develop an understanding of the host response at a genomic level – may yield more tractable insights, specifically into the problem of host susceptibility to influenza, a heritable cause of death in otherwise healthy people and a significant global threat. Since the sequencing of the human genome, it has become possible to identify genomic loci underlying host susceptibility to disease using genome-wide association studies (GWAS), best exemplified by the Wellcome Trust Case Control Consortium. This new technology creates substantial new challenges. The genetic markers associated with a phenotype are rarely causative, frequently in poorly-understood intergenic regions, and tend to have small effect sizes, such that tens or even hundreds of thousands of subjects must be recruited to have sufficient power to detect them. It is therefore not straightforward to translate these genotype-phenotype associations into useful understanding of the role of genes and gene products in disease pathogenesis. Attempts to overcome these challenges in order to discover genomic loci underlying individual susceptibility to infection form the core of this thesis. Ultimately these efforts converge with the development of a new computational method to detect phenotype-associated loci from genome-wide association studies (GWAS) using co-expression at regulatory regions of the genome.

In mammals, the correct spatio-temporal patterns of gene expression are coordinated by transcription factor networks in combination with epigenetic signalling pathways. CpG methylation is an epigenetic modification of DNA involved in the heritable transmission of gene silencing patterns. Increasing evidence suggest a primary role for CpG methylation in the direct regulation of gene expression, at least for a subset of promoters. An example of this direct regulation is represented by the ectopic expression of genes involved in genome defence pathways upon global loss of methylation. However, the mechanistic relationship between CpG methylation and transcriptional regulation is not well understood. To explore this, we have applied Cap Analysis of Gene Expression (CAGE), to cells deficient in CpG methylation (Mouse Embryonic Fibroblasts with hypomorphic mutation of Dnmt1 ) and matched controls. This provides a quantitative, single nucleotide resolution, genome wide map of methylation responsive transcription initiation. Integrating this with RNA-seq, genome wide measures of CpG methylation and ChIP-seq for histone modifications in the same system, provides a detailed view of how reduced CpG methylation alters the chromatin and transcriptional landscape of the genome. Our results show dramatic shifts in the cellular RNA pool, with the pronounced up-regulation or de-repression of promoters in a specific sub-family of transposable elements. Tens of other genic and non-coding RNA promoters similarly show dramatic inductions. Contrary to a prior hypothesis, we found no evidence for increased rates of transcriptional initiation from anonymous genomic sites not previously implicated in promoter activity. Transcription initiation at CpG island promoters is generally unaffected by hypomethylation, however a set of TSSs located in CpG island shores and a class to transposable element overlapping TSSs do appear to be sensitive to methylation and are significantly up-regulated upon hypomethylation.

L’objet de cette thèse est l’étude de la musique de Franz Liszt de 1830 à 1850 environ. Il s’agit de comprendre comment le musicien, qui garde Paris comme principal port d’attache de décembre 1823 à avril 1844, élabore peu à peu, lors de ses années d’apprentissage au cœur de la révolution romantique, une écriture orchestrale qu’il mettra en pratique à partir de 1848 à Weimar. En effet, pendant cette période parisienne, Liszt transcrit pour le piano de nombreuses partitions d’orchestre : il est probable qu’en plus de l’encourager à révolutionner l’écriture pianistique, et ainsi à inventer le piano moderne, cet exercice lui permet d’acquérir une certaine connaissance de l’écriture orchestrale de son temps. Ce postulat prend tout son sens lorsqu’on observe que parmi les auteurs que Liszt transcrit le plus et en premier se trouve Berlioz, habituellement considéré comme l’inventeur de l’orchestre moderne.L’approche adoptée s’inscrit dans deux champs de la musicologie traditionnelle, l’analyse et l’histoire, et dans une branche plus récente de la discipline, les études génétiques. Il est effectivement nécessaire de replacer tout d’abord chaque transcription dans son contexte, pour évaluer l’influence des réécritures lisztiennes d’œuvres de Berlioz sur l’élaboration de sa propre écriture orchestrale. Par ailleurs, le point de vue se place du côté de la création : l’analyse d’une grande quantité d’esquisses et de brouillons donne des informations sur la manière dont Liszt aboutit à l’écriture orchestrale qui est la sienne dans la décennie 1850, au cours de laquelle il produit la majeure partie de ses œuvres symphoniques. / The object of the present thesis is Franz Liszt’s production from the years 1830-1850. Liszt is mostly based in Paris between December 1823 and April 1844 and during this training at the very heart of the Romantic revolution, he gradually develops a writing style for his orchestral pieces that he will put into practice in Weimar after 1848. During these Parisian years, Liszt writes many piano arrangements of orchestral scores, and here we propose that it provided the basis for his revolution of piano music, but also made him quite familiar with the orchestral writing of his time. It is indeed of particular significance that Berlioz – often considered the father of modern orchestra – is one of the composers Liszt transcribed most often, from very early on.We use two complementary approaches from the field of musicology, traditional historical analysis and more recent techniques of sketch studies. To understand if and how Liszt’s rewritings of Berlioz’ work influenced his own orchestral style we first studied each arrangement in its context. We then focused on the genesis of these pieces by analysing a great amount of sketches and drafts in order to shed light on the maturation process that led to Liszt’s fully-fledged orchestral style from the 1850’s (the decade in which he produced most his symphonic works).

Ca2+-dependent transcription is a fundamental process by which neurons translate activation experience into cellular level adaptations. The nuclear factor of activated T-cells (NFAT) family of proteins comprise four Ca2+/CaN-dependent transcription factors that are widely expressed throughout virtually all tissues. Within neurons, NFAT dependent signaling is critical for axonal development, regulation of synapse number and efficacy, and survival. Furthermore, NFAT is implicated in activity dependent regulation of genes involved in synaptic transmission, learning and memory, mood, and pain sensation. NFAT is activated upon elevations in intracellular Ca2+, which results in CaN -dependent dephosphorylation of multiple serine residues within an N-terminal regulatory region. NFAT dephosphorylation permits NFAT translocation to the nucleus, where it can regulate gene expression, frequently co-operatively with other transcription factors, including AP-1 and MEF2. NFAT activation is opposed or terminated by several kinases, including CK1 and GSK3. Despite the importance of NFAT proteins as regulators of Ca2+-dependent transcription, little is known about the regulation and function of specific NFAT isoforms within neurons. In Aim 1 of this thesis I characterized the differential activation of NFATc3 and NFATc4 in DRG neurons. While NFATc3 rapidly translocates the nucleus upon Ca2+-influx through voltage-gated calcium channels, NFATc4 remained remarkably intransient. Modular substitution of NFATc3 regulatory elements increased the rate or retention of NFATc4, whereas converse substitutions of NFATc4 regulatory elements into NFATc3 decreased NFATc3 nuclear translocation. The activation of NFATc4 appears to be inhibited by preferential phosphorylation by kinases, such as GSK3, which counteract CaN-dependent dephosphorylation. In Aim 2 I investigated the role of NFATc3 in hippocampal neurons. While the majority of NFAT reports in neurons have focused on NFATc4, my data suggest that NFATc3 is the predominantly expressed isoform in hippocampal neurons and is critical for depolarization-induced NFAT target gene expression. I further characterized NFATc3 KO mice in a battery of behavioral assays to test whether loss of NFATc3 expression would affect the baseline anxiety/depression state of the animal, or if NFATc3 was critical for learning and memory. Taken together, my data suggest that NFATc3 is important for NFAT-dependent gene expression in central and peripheral neurons and that distinct regulation of NFAT isoforms within neurons may underlie isoform-specific effects on gene expression.

"March 2003" / Bibliography: leaves 133-143. / x, 143 leaves : ill. (some col.) ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, School of Molecular and Biomedical Sciences, 2003

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Full text release at OhioLINK's ETD Center delayed at author's request

La vitesse de réplication du HIV-1(Human Immunodeficiency Virus type 1), qui semble corrélée de manière directe à la vitesse de progression de la maladie vers le stade SIDA, est essentiellement contrôlée au niveau transcriptionnel. La transcription du HIV-1 est régulée par la structure chromatinienne, des éléments agissant en cis localisés dans les LTRs, des facteurs de transcription agissant en trans et par la protéine virale trans-activatrice Tat (revu dans Quivy et al. 2007, Bisgrove et al. 2005, Rohr et al. 2003, Rabson and Graves 1997). En plus de l’enhancer localisé dans le LTR5’ du HIV-1, un enhancer intragénique, localisé dans le gène pol du HIV-1, inductible par le phorbol 12-myristate 13-acétate (PMA) a été identifié. La localisation progressive de l’activité enhancer a permis de définir deux domaines distincts et indépendants dans cet enhancer intragénique : les fragments 5103 et 5105 localisés respectivement dans la partie centrale du gène pol et dans une région couvrant la fin du gène pol, le gène vif, le gène vpr et le premier exon codant des gènes tat et rev (Verdin et al. 1990). Les fragments 5103 et 5105 se comportent tous deux comme des enhancers inductibles par le PMA lorsqu’ils sont clonés en amont du promoteur de la thymidine kinase dans un vecteur rapporteur en cellules HeLa. Notre laboratoire a précédemment identifié trois sites de liaison pour les facteurs de transcription AP-1 dans le fragment 5103 (Van Lint et al., 1991). Au cours de notre thèse, nous avons poursuivi la caractérisation de ces sites de liaison AP-1 et avons montré que les facteurs c Fos, JunB et JunD interagissent in vitro avec ces motifs. Pour chaque site, nous avons identifié des mutations qui abolissent la liaison des facteurs AP-1 sans altérer la séquence en acides aminés sous-jacente de la transcriptase inverse. Par des expériences de transfection transitoire, nous avons démontré que les sites AP 1 intragéniques sont entièrement responsables de l’activité enhancer PMA-dépendante du fragment 5103. De plus, l’activité PMA-inductible du fragment 5103 est inhibée par le mutant dominant négatif A-Fos à condition que les sites ne soient pas mutés. A l’inverse, l’expression ectopique de dimères forcés AP-1 affecte positivement l’activité enhancer du fragment 5103. Enfin, nous avons étudié le rôle biologique des sites AP-1 intragéniques dans la réplication virale et avons montré que ces sites contribuent positivement à l’infectivité du virus. Durant la seconde partie de notre thèse, nous avons entamé la caractérisation physique et fonctionnelle du fragment 5105. Nos résultats de transfection transitoire montrent que l’activité PMA inductible du fragment 5105 est localisée dans le dernier tiers de ce dernier : le sous fragment 5105.3. L’analyse bioinformatique de cette région a permis de mettre en évidence un site de liaison pour les facteurs AP-1 in vitro. Des mutations ponctuelles permettent d’abolir la liaison des facteurs à leur site mais altèrent la séquence en acides aminés sous-jacente codant pour les protéines Tat et Rev. Nous avons montré que ce site est impliqué dans l’activité transcriptionnelle de ce fragment. L’expression ectopique du mutant dominant négatif A-Fos inhibe l’activité transcriptionnelle PMA-inductible du fragment 5105. Une analyse bioinformatique plus large nous a ensuite permis d’identifier in vitro, par retard de migration sur gel, 5 sites de liaison pour le facteur YY1 et 2 sites de liaison pour le facteur PU.1 dont les implications pour le virus restent encore à déterminer.

Les cellules dendritiques sont les sentinelles du système immunitaire. Elles sont disséminées dans la plupart des tissus et organes et sont capables de détecter la présence de pathogènes. La perception des signaux de danger se fait notamment grâce à la présence de récepteurs de la famille Toll (TLRs). Deux voies de signalisation, qui reposent sur l'activation des molécules adaptatrices MyD88 ou TRIF, peuvent être induites par l’engagement de ces récepteurs par leur ligand. Ces voies de signalisation mènent à l’activation de différents facteurs de transcription nécessaires à la production de cytokines telles que les membres de la famille de l’interleukine-12 (IL-12). La famille de l’IL-12 comprend quatre cytokines hétérodimériques: l’IL-12 (p35/p40), l’IL-23 (p19/p40), l’IL-27 (p28/EBI3) et l’IL-35 (p35/EBI3). Chacune de ces cytokines possède des fonctions bien définies et parfois complexes qui sont essentielles pour l’établissement des réponses immunes innées et adaptatives mais également pour l'atténuation de ces réponses limitant ainsi les effets délétères causés à l'organisme par des réponses immunes excessives. La régulation transcriptionnelle de ces cytokines est complexe puisque la présence des deux sous-unités est indispensable à leur production par la cellule. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié l'implication de facteurs de transcription de la famille des IRFs dans l’induction des gènes codant pour les sous-unités qui composent les cytokines de la famille de l'IL-12 en réponse à l’engagement des différents TLRs. Le facteur de transcription IRF3 activé en aval de la voie TRIF dépendante joue un rôle crucial dans la production des IFNs de type I et des réponses antivirales. Nos résultats indiquent que ce facteur est également directement impliqué dans l'activation des gènes codant pour les sous-unités p35 et p28. Par contre, ce facteur ne participe pas au contrôle de l'expression de l'IL-12/23p40, l’IL-23p19 et d'EBI3. Nos observations indiquent qu’IRF3 coopère avec d'autres membres de la famille des IRFs. En effet, IRF1 permet l'expression optimale des sous-unités p35 et p28 alors qu'IRF9 joue un rôle essentiel dans le contrôle de l'expression de la p28, deux facteurs activés par la boucle autocrine des IFNs de type I. Nos résultats indiquent donc qu’en réponse aux ligands TLRs, l'expression des différentes sous-unités qui composent les cytokines de la famille de l'IL-12 est régulée de manière différentielle et complexe. Les facteurs de transcription de la famille des IRFs, de par leur implication dans le contrôle de l’expression de certaines de ces sous-unités, participent à la balance entre ces différentes cytokines.