Detection of chromosomal regions showing differential gene expression in human skeletal muscle and in alveolar rhabdomyosarcoma

BACKGROUND: Rhabdomyosarcoma is a relatively common tumour of the soft tissue, probably due to regulatory disruption of growth and differentiation of skeletal muscle stem cells. Identification of genes differentially expressed in normal skeletal muscle and in rhabdomyosarcoma may help in understanding mechanisms of tumour development, in discovering diagnostic and prognostic markers and in identifying novel targets for drug therapy. RESULTS: A Perl-code web client was developed to automatically obtain genome map positions of large sets of genes. The software, based on automatic search on Human Genome Browser by sequence alignment, only requires availability of a single transcribed sequence for each gene. In this way, we obtained tissue-specific chromosomal maps of genes expressed in rhabdomyosarcoma or skeletal muscle. Subsequently, Perl software was developed to calculate gene density along chromosomes, by using a sliding window. Thirty-three chromosomal regions harbouring genes mostly expressed in rhabdomyosarcoma were identified. Similarly, 48 chromosomal regions were detected including genes possibly related to function of differentiated skeletal muscle, but silenced in rhabdomyosarcoma. CONCLUSION: In this study we developed a method and the associated software for the comparative analysis of genomic expression in tissues and we identified chromosomal segments showing differential gene expression in human skeletal muscle and in alveolar rhabdomyosarcoma, appearing as candidate regions for harbouring genes involved in origin of alveolar rhabdomyosarcoma representing possible targets for drug treatment and/or development of tumor markers

Altered Chromosomal Positioning, Compaction, and Gene Expression with a Lamin A/C Gene Mutation

Lamins A and C, encoded by the LMNA gene, are filamentous proteins that form the core scaffold of the nuclear lamina. Dominant LMNA gene mutations cause multiple human diseases including cardiac and skeletal myopathies. The nuclear lamina is thought to regulate gene expression by its direct interaction with chromatin. LMNA gene mutations may mediate disease by disrupting normal gene expression.To investigate the hypothesis that mutant lamin A/C changes the lamina's ability to interact with chromatin, we studied gene misexpression resulting from the cardiomyopathic LMNA E161K mutation and correlated this with changes in chromosome positioning. We identified clusters of misexpressed genes and examined the nuclear positioning of two such genomic clusters, each harboring genes relevant to striated muscle disease including LMO7 and MBNL2. Both gene clusters were found to be more centrally positioned in LMNA-mutant nuclei. Additionally, these loci were less compacted. In LMNA mutant heart and fibroblasts, we found that chromosome 13 had a disproportionately high fraction of misexpressed genes. Using three-dimensional fluorescence in situ hybridization we found that the entire territory of chromosome 13 was displaced towards the center of the nucleus in LMNA mutant fibroblasts. Additional cardiomyopathic LMNA gene mutations were also shown to have abnormal positioning of chromosome 13, although in the opposite direction.These data support a model in which LMNA mutations perturb the intranuclear positioning and compaction of chromosomal domains and provide a mechanism by which gene expression may be altered

Rôle du gène induit par l'exercice, SPARC, contre la sarcopénie : lien possible entre la matrice extracellulaire et la fonction mitochondriale

Le vieillissement est un concept complexe. De nombreuses théories ont été proposées dans le but d’expliquer le processus du vieillissement. La théorie mitochondriale du vieillissement est devenue l’une des théories les plus testées et les plus connues dans la recherche sur le vieillissement. Sa principale conclusion est que le vieillissement résulte de l’accumulation de dommages oxydatifs qui sont étroitement liés à la libération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) des mitochondries. Le vieillissement musculaire est habituellement associé à une diminution de la masse, de la force et de la vitesse de contraction. L’un des effets les plus marquants du vieillissement sur les muscles est la sarcopénie (sarco = chair et pénie = perte). Il a été suggéré que la sarcopénie peut être déclenchée par les ROS qui se sont accumulées tout au long de la vie. Le mode de vie sédentaire et la malnutrition représentent des facteurs de risques majeurs pour ce syndrome. Bien qu’il n’existait pas de définition opérationnelle universellement acceptable, les chercheurs conviennent que l’incidence de la sarcopénie augmente avec l’âge adulte avancé. Ainsi, comprendre la sarcopénie et développer des interventions thérapeutiques et de réadaptation pour ralentir ses progrès ou inverser partiellement ses effets est un enjeu scientifique très important. Dans ce contexte, notre équipe a identifié les gènes modulés dans le muscle squelettique après un exercice d’endurance chez les personnes âgées et a mis en évidence l’importance du remodelage de la matrice extracellulaire (MEC) et de la fonction mitochondriale dans l’adaptation du muscle squelettique en utilisant une technique de génomique fonctionnelle. L’un des gènes induit par l’exercice d’endurance code pour une protéine sécrétée acide et riche en cystéine (SPARC), qui contrôle le remodelage de la MEC et joue un rôle clé dans la différenciation des myoblastes. Le travail présenté dans cette thèse consiste à analyser les données bibliographiques indiquant l’importance de la génomique fonctionnelle dans la compréhension de la sarcopénie et à démontrer les rôles de SPARC dans le lien possible entre le remodelage de la MEC et la fonction mitochondriale. Le premier objectif de cette thèse était de décrire les stratégies de génomique fonctionnelle, principalement les techniques de l’expression différentielle : puces à ADN, analyse en série de l’expression des gènes (SAGE), L'ordonnancement parallèle massif de signature (MPSS), séquençage de l’ARN (RNAseq), l’analyse différentielle représentationnelle (RDA) et l’hybridation suppressive soustractive (SSH). De plus, nous avons démontré l’importance de ces techniques pour découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques pour certaines maladies complexes ainsi que l’application de ces outils pour étudier la modulation du transcriptome du muscle squelettique. Notre deuxième objectif était de démontrer l’implication de différentes techniques de génomique fonctionnelle telles que l’interférence ARN, protéomique, souris transgéniques, métabolomique, génomique et épigénomique dans la compréhension de la sarcopénie. De plus, nous avons signalé la progression des nouvelles découvertes et des nouvelles applications de ces méthodes dans le domaine de la sarcopénie. Notre troisième objectif était de montrer l’implication de SPARC dans la modulation de la MEC et de la fonction mitochondriale des cellules musculaires murines C2C12. Nous avons étudié l’effet exogène de l’inhibition ou l’induction de SPARC sur la différenciation des cellules C2C12, l’expression des protéines structurelles de la MEC et les protéines mitochondriales durant la prolifération, la différenciation et après la formation des myotubes. Nos résultats indiquent que SPARC joue un rôle crucial dans la différenciation des cellules musculaires, dans le remodelage de la MEC, et pourrait être impliquée dans le lien possible entre la MEC et la fonction mitochondriale. Finalement, nous avons étudié le mécanisme par lequel SPARC pourrait moduler la MEC et la fonction mitochondriale dans les cellules musculaires et nous avons utilisé la technique de la stimulation électrique, in vitro, qui a révélé une induction remarquable de l’expression génique de Sparc. Les résultats de cette étude nous ont permis de démontrer que SPARC joue un rôle important dans le remodelage du MEC ainsi que dans la modulation de la fonction mitochondriale des cellules musculaires. Le lien possible entre la MEC et la mitochondrie pourrait constituer une cible thérapeutique prometteuse pour le traitement des maladies ou les syndromes liés à un dysfonctionnement de la MEC/mitochondrie. Enfin, on croit aussi que cette voie ouvrira les portes à de nouvelles découvertes dans le domaine de la sarcopénie.The definition of aging is complicated by the appearance of various diseases that alter body functions and tissue structures. Many theories have been proposed to explain the process of aging. The mitochondrial theory of aging has become one of the most tested and well-known theories in aging research. Its main conclusion is that aging results from the accumulation of oxidative damage which is closely related to the release of reactive oxygen species (ROS). On the other hand, aging in the muscle is usually associated with a decrease in mass, strength, and rate of contraction. One of the most striking effects of aging on muscles is sarcopenia, (sarco = flesh and penia = loss). It has been suggested that sarcopenia can be triggered by ROS which are accumulated over a lifetime. Sedentary lifestyle and malnutrition represent major risk factors for this syndrome. Although there is no operational definition which is universally acceptable, researchers agree that the incidence of sarcopenia increases with advancing adulthood. Thus, understanding sarcopenia and developing therapeutic and rehabilitative interventions to slow its progress or partially reverse its effects is a very important scientific issue In this context, our team identified modulated genes in skeletal muscle after endurance exercise in the elderly and highlighted the importance of extracellular matrix remodeling (ECM) and mitochondrial function using a functional genomic technique. One of the genes induced by endurance exercise codes for a secreted acid-rich cysteine protein (SPARC), which controls the remodeling of the ECM and plays a key role in the differentiation of myoblasts. The work presented in this thesis consists of analyzing bibliographic data indicating the importance of functional genomics in understanding sarcopenia and to demonstrate the roles of SPARC in the possible link between ECM remodeling and mitochondrial function. The first objective of this thesis was to describe functional genomic strategies, mainly the techniques of differential expression: DNA chips, serial analysis of gene expression (SAGE), massively parallel signature sequencing (MPSS), RNA sequencing (RNAseq), representational differential analysis (RDA), and subtractive suppression hybridization (SSH). In addition, we have demonstrated the importance of these techniques to discover new therapeutic targets for certain complex diseases as well as the application of these tools to study the modulation of the skeletal muscle transcriptome. Our second objective was to demonstrate the involvement of different functional genomic techniques such as RNA interference, proteomics, transgenic mice, metabolomics, genomics and epigenomics in the understanding of sarcopenia. In addition, we have reported the progress of new discoveries and applications of these methods in the field of sarcopenia Our third objective was to show the involvement of SPARC in the modulation of ECM and the mitochondrial function of C2C12 murine muscle cells. We investigated the exogenous effect of SPARC (inhibition and or induction) on C2C12 cell differentiation, expression of ECM structural proteins, and mitochondrial proteins during proliferation, differentiation, and after the formation of myotubes. Our results indicate that SPARC plays a crucial role in muscle cell differentiation, remodeling of ECM and may be involved in the possible link between ECM and mitochondrial function. Finally, we investigated the mechanism by which SPARC could modulate ECM and mitochondrial in muscle cells and we used the technique of electrical stimulation, in vitro, which revealed a remarkable induction of Sparc gene expression. The results of this study allowed us to demonstrate that SPARC plays an important role in the remodeling of ECM as well as in modulating the mitochondrial function of muscle cells. The possible link between ECM and mitochondria may be a promising therapeutic target for the treatment of ECM/mitochondria dysfunction-related diseases. It is also believed that this pathway will open the doors to new discoveries in the field of sarcopenia