Cancer and chronic pain are two common pathologies affecting millions of patients worldwide. Much like most other disease states, they can be determined genetically, environmentally, or both. Unlike the static genome, the epigenome is responsible for interpreting environmental interactions and is often altered in disease states. A subset of epigenetic modifications, known as DNA methylation, is capable of mediating gene silencing. In this thesis, two cases will be explored probing the nature of DNA methylation in cancer and in peripheral neuropathy. Aberrant DNA methylation is a common hallmark of cancer often resulting in the methylation of tumor suppressors and the demethylation of oncogenes. The identity of a DNA methylase, however, remains elusive. One candidate, methyl binding domain 2 (MBD2), has been previously characterized as a demethylase and also functions as a transcriptional repressor. One possible explanation for its role as a repressor may involve the direct activation of a repressor which can then mediate silencing. An attractive class of genes for this model are microRNAs, which are capable of binding several targets in the cell and mediate their silencing. We therefore test the hypothesis that MBD2 is capable of activating a microRNA which is capable of negatively-regulating target genes. In this thesis, we delineate mechanisms that demonstrate MBD2 is capable of binding a microRNA, mir-496, which is then capable of inducing itsiactivation. We further show that mir-496 can mediate a repressive action on three separate genes in the cell that have tumor suppressive roles in cancer. Chronic pain has been shown to alter gene expression and brain anatomy and is often accompanied with comorbidities that affect cognitive processing, sleep and anxiety. Interestingly, these changes have been shown to be reversible following effective treatment of pain, suggesting the mechanisms behind pain may also be reversible, thus prompting the study of pain epigenetics. We therefore proposed to test the hypothesis that the methylome and transcriptome are altered in the brain following peripheral nerve injury. We were able to identify a signature of DNA methylation and transcription specific to the prefrontal cortex and amygdala that accompanied peripheral nerve injury and behavioral signs of neuropathy. Furthermore we were able reverse behavioral signs of neuropathic pain and altered methylation states in the prefrontal cortex with environmental enrichment, demonstrating their reversible nature. Taken together, this thesis explores the role of DNA methylation in two complex diseases: through small scale processes in cancer and through broader changes at the level of the methylome and transcriptome in chronic pain. In identifying these molecular pathways and signatures, we hope to improve the mechanistic understanding of these pathologicaliistates, ultimately resulting in better treatment outcomes for millions of patients worldwide. / Le cancer et la douleur chronique sont deux pathologies courantes qui affectent des millions de personnes à travers le monde. Comme beaucoup d'autres états pathologiques, ils peuvent être déterminés génétiquement et par l'environnement. Contrairement au génome qui est statique, l'épigénome est responsable de l'interprétation des interactions avec l'environnement et est souvent altéré dans des états pathologiques. Un sous-ensemble de modifications épigénétiques, appelé méthylation de l'ADN, est capable de médier l'inactivation génique. Dans cette thèse, deux cas seront explorés pour sonder la nature de la méthylation de l'ADN dans le cancer et dans la neuropathie périphérique. Une méthylation de l'ADN aberrante est une caractéristique commune du cancer qui entraîne souvent la méthylation de gènes suppresseurs de tumeurs et la déméthylation d'oncogènes. L'identité d'une déméthylase de l'ADN, cependant, reste insaisissable. Un candidat, "methyl binding domain 2" (MBD2), a été précédemment caractérisé comme étant une déméthylase et fonctionnant également comme un répresseur transcriptionnel. Une explication possible pour son rôle en tant que répresseur pourrait impliquer l'activation directe d'un répresseur qui pourrait ensuite servir de médiateur de la répression. Une classe de gènes intéressante dans ce modèle est celle des microARN, qui sont capables de se lier à plusieurs cibles dans la cellule et de conduire à leur répression. Nous avons donc testé l'hypothèse que MBD2 serait capable d'activer un micro-ARN capable de réguler négativement les gènes cibles. Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes qui démontrent que MBD2 est capable de se lier à un microARN, mir-496, qui est alors capable d'induire son activation. Nous montrons en outre que mir-496 peut servir de médiateur d'une action répressive sur trois gènes distincts qui ont des rôles de suppresseurs de tumeur dans les cellules cancéreuses. La douleur chronique a été montrée comme modifiant l'expression des gènes et l'anatomie du cerveau. Elle est souvent accompagnée de comorbidités qui touchent le traitement cognitif, le sommeil et l'anxiété. Fait intéressant, ces changements se sont montrés réversibles après un traitement efficace de la douleur, suggérant que les mécanismes à l'origine de la douleur pourraient aussi être réversibles, incitant ainsi à l'étude de l'épigénétique de la douleur. Nous avons donc proposé de tester l'hypothèse que le méthylome et le transcriptome seraient altérés dans le cerveau après une lésion nerveuse périphérique. Nous avons pu identifier une signature de méthylation de l'ADN et de transcription spécifique au cortex préfrontal et à l'amygdale qui accompagne une lésion du nerf périphérique et les signes comportementaux de la neuropathie. En outre, nous avons pu inverser les signes comportementaux de la douleur neuropathique et les niveaux de méthylation dans le cortex préfrontal par un enrichissement de l'environnement, démontrant ainsi leur caractère réversible. L'ensemble de cette thèse explore le rôle de la méthylation de l'ADN dans deux maladies complexes : au travers de processus à petite échelle dans le cancer et par des changements plus larges au niveau du méthylome et du transcriptome dans la douleur chronique. En identifiant ces voies moléculaires et les signatures épigénétiques, nous espérons améliorer la compréhension mécanistique de ces états pathologiques, ouvrant la voie à de meilleurs traitements pour des millions de patients dans le monde.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.116896 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Alvarado, Sebastian |
| Contributors | Moshe Szyf (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pharmacology and Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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