Etude du rôle du gène UHRF1 dans la régulation de l'expression des gènes suppresseurs de tumeurs dans un modèle de lymphocytes T leucémiques

Study of the role of UHRF1 gene in the regulation of expression of various tumor suppressor genes in the lymphoblastic leukemia cells

• Auteur / Autrice : Mahmoud Alhosin
• Direction : Christian Bronner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épigénétique

Thymoquinone

Leucémie lymphoïde

Apoptose

Lymphocytes T

Résumé

Les gènes suppresseurs de tumeurs (TSGs) contrôlent la prolifération cellulaire et leur inactivation joue un rôle important dans la cancérogenèse. Deux mécanismes épigénétiques majeurs sont impliqués dans la répression des TSGs, la méthylation de l’ADN et l’acétylation/déacétylation des histones. On les dit épigénétiques car ils n’affectent pas la séquence de l’ADN. Ces phénomènes sont transmissibles et réversibles, faisant donc d’eux des cibles thérapeutiques de choix. La méthylation de l'ADN sur la cytosine est un mécanisme fondamental de la répression permanente des gènes. Dans le cancer, le profil de méthylation est caractérisé par une hypométhylation globale du génome associée à une hyperméthylation locale des promoteurs de TSGs tels que p73, p16INK4A, BRCA1 et hMLH1. Le gène UHRF1 (Ubiquitin-like PHD Ring Finger 1) est surexprimé dans de nombreux types de cancer tels que le cancer du rein et le cancer de la vessie. UHRF1 et les membres de sa famille se caractérisent par la présence d'un domaine SRA (Set and Ring Associated) qu’on trouve uniquement dans la famille UHRF. Par ce domaine, UHRF1 interagit avec l’histone déacétylase 1 (HDAC1) et se lie à des promoteurs méthylés de TSGs (p16INK4A, p14ARF, RARalpha). UHRF1 ferait partie d'un gros complexe macro-moléculaire appelé ECREM pour ''Epigenetic Code REplication Machinery''. Ce complexe serait capable de dupliquer le code épigénétique, après réplication de l'ADN, et de ce fait permettrait aux cellules cancéreuses de conserver la répression des TSGs lors de la prolifération cellulaire. Mon travail de thèse est focalisé d’une part sur l’étude du mécanisme d’action d’un produit naturel connu pour ses propriétés anti-cancéreuses, en l’occurrence la thymoquinone, en portant une attention particulière à l’UHRF1 et ses partenaires la DNMT1 (ADN méthyltransférase 1) et l’HDAC1 et d’autre part sur l’étude du rôle du gène UHRF1 dans la régulation des TSGs. L’ensemble de ces études a été réalisé principalement sur des cellules Jurkat, cellules leucémiques, la source la plus riche en UHRF1. La thymoquinone (TQ), la substance active de l’huile de cumin noir (Nigella sativa), est connue pour ses propriétés anti-cancéreuses mais son mécanisme d'action n'est pas encore élucidé. Notre étude a démontré que la TQ induit l’apoptose des cellules Jurkat par la réexpression de p73 qui va faire chuter l’expression de UHRF1 et de la DNMT1 et de l’HDAC1. Le fait de découvrir que la TQ réprime l’expression de UHRF1 et/ou du complexe UHRF1/DNMT1/HDAC1 montre pour la première fois qu’un produit naturel a potentiellement des vertus « de régulateur » du code épigénétique. De plus, nous avons démontré que la TQ réprime spécifiquement la phosphodiestérase 1A (PDE1A) qui régule l’expression de UHRF1 via l’augmentation de l’expression de p73. Cette étude nous a permis de décrire une nouvelle voie de signalisation de régulation de l’expression de UHRF1 et donc probablement du code épigénétique et des TSGs. Dans ce travail, nous avons également montré que UHRF1 via son domaine SRA est capable d'interagir avec la DNMT1 et que UHRF1 contrôle positivement l'expression du gène VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor), un facteur pro-angiogénique, en réprimant les TSGs (RB1 et p16INK4). Ces deux gènes jouent un rôle essentiel dans le cycle cellulaire en contrôlant notamment la transition G1/S. Nous pensons que l’interaction UHRF1 avec la DNMT1 est cruciale pour l’entrée des cellules en phase S. La protéine Tip60, une histone acétyltransférase, existe en tant que complexe multiprotéique nucléaire stable ayant des fonctions transcriptionnelles et de réponse aux dommages de l’ADN. Nous avons trouvé que Tip60 faisait partie du complexe UHRF1/DNMT1/HDAC1 et que ce complexe était nécessaire pour la transition G1/S. De plus, UHRF1 ou le complexe UHRF1/DNMT1 est indispensable pour l’acétylation de H2AK5 par Tip60. Cette étude suggère une forte relation entre la méthylation de l’ADN et l’acétylation de l’histone H2A. En résumé, notre recherche a montré que le gène UHRF1 réprime l’expression de certains TSGs et lui-même peut être régulé par un autre TSG comme p73 ce qui suggère un mécanisme de rétro-contrôle par les TSGs. L’existence de UHRF1 dans un complexe multiprotéique comportant HDAC1, DNMT1 et Tip60 nous a permis de d’amener quelques pistes pour répondre à la question comment une cellule cancéreuse peut transmettre sa mémoire épigénétique donc l'information ''cancéreuse'' aux cellules filles notamment pour ce qui concerne la répression des TSGs. Notre travail soutient également le concept que UHRF1 est une cible thérapeutique tout à fait intéressante et sa répression conduirait à la ré-expression des TSGs, permettant ainsi aux cellules cancéreuses d’entrer en apoptose.

Tumour suppressor genes (TSGs) control the cell proliferation and their inactivation plays an important role in carcinogenesis. Two major epigenetic mechanisms are involved in the repression of TSGs, DNA methylation and histone acetylation/deacetylation. They are called epigenetic because they not affect the sequence of DNA. These changes are transmissible and reversible, thus making them interesting targets for therapy. The methylation of cytosine is a fundamental mechanism of permanent repression of genes. In cancer, the methylation pattern is characterized by global hypomethylation associated with local hypermethylation of TSGs promoters, such as those of p73, p16INK4a, BRCA1 and hMLH1 genes. Ubiquitin-like PHD Ring Finger (UHRF1) is overexpressed in various cancers such as breast, kidney and bladder cancers. UHRF1 and members of its family are characterized by the presence of a SRA domain (Set and Ring Associated) which is found only in the UHRF family. UHRF1 constitutes a complex with histone deacetylase 1 (HDAC1) via its SRA domain and can bind to methylated promoter regions of various TSGs, including p16INK4a and p14ARF. UHRF1 is a one of a macro-molecular complex called “Epigenetic Code Replication Machinery” ECREM. This complex would be capable to duplicate the epigenetic code after DNA replication and thus allow cancer cells to maintain the repression of TSGs during cell proliferation. The aim of my thesis firstly was the study of the mechanism of action of thymoquinone (TQ), a natural product known for its anti cancer properties by focusing on UHRF1 and its partners, DNA methyltransferase 1 (DNMT1) and HDAC1 and secondly was the study of the role of UHRF1 gene in the regulation of TSGs. All these studies were conducted mainly on the acute lymphoblastic leukaemia (ALL) Jurkat cell line, the richest cellular source of UHRF1. TQ is the bioactive constituent of volatile oil of black seed (Nigella Sativa, Ranunculaceae family). It has been shown to exert anti-neoplastic effects bus its mechanism of action is not yet fully characterized. Our study has clearly demonstrated that TQ triggers apoptosis in Jurkat cells by the activation of the tumour suppressor protein p73, which is capable to induce a down-regulation of the expression of UHRF1, DNMT1 and HDAC1. The discovery that TQ suppresses the expression of UHRF1 and/or UHRF1/DNMT1/HDAC1 complex shows for the first time that a natural compound potentially has the virtues of “regulator” of the epigenetic code. Moreover, we have shown that TQ induces a downregulation of phosphodiesterase 1A (PDE1A) with subsequent down-regulation of UHRF1 via a p73-dependent mechanism. This study shows for the first time that PDE1A might be involved in the epigenetic code inheritance regulation involving UHRF1. In this work, we have also shown that UHRF1 via its SRA domain is able to interact with DNMT1 and that UHRF1 positively control the expression of Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) via a down-regulation of the TSGs, p16INK4a and RB1. These two genes play an essential role in the cell cycle by controlling the G1/S transition. We believe that the interaction between UHRF1 and DNMT1 is crucial for the entry of cells into the S phase. Tip60 is a histone acetyltransferase that is part of a macro-molecular complex involved in DNA damage responses. We have shown that Tip60 is present in the same macromolecular complex as UHRF1, DNMT1 and HDAC1 and that this complex is essential for the entry in the S phase of the cell cycle. Moreover, we have clearly demonstrated that Tip60 requires UHRF1 or the complex UHRF1/DNMT1 for the acetylation of lysine 5 of histone 2A. This study suggests a strong relationship between DNA methylation and acetylation of lysine 5 of histone 2A. In summary, our research has shown that UHRF1 gene represses the expression of some TSGs and itself may be regulated by p73 gene, another TSG, suggesting a mechanism of feedback control by TSGs. The existence of UHRF1 in a multi-protein complex containing HDAC1, DNMT1 and Tip60 has allowed us to bring some ideas to answer the question how a cancer cell can transmit its epigenetic memory and thus its “cancer signature” to the daughter cells particularly regarding the repression of TSGs. Our work supports the concept that UHRF1 is a potential target for cancer therapy and its repression may lead to the reexpression of TSGs, allowing cancer cells to undergo apoptosis.