Modelling Human Regulatory Variation in Mouse: Finding the Function in Genome-Wide Association Studies and Whole-Genome Sequencing

An increasing body of literature from genome-wide association studies and human whole-genome sequencing highlights the identification of large numbers of candidate regulatory variants of potential therapeutic interest in numerous diseases. Our relatively poor understanding of the functions of non-coding genomic sequence, and the slow and laborious process of experimental validation of the functional significance of human regulatory variants, limits our ability to fully benefit from this information in our efforts to comprehend human disease. Humanized mouse models (HuMMs), in which human genes are introduced into the mouse, suggest an approach to this problem. In the past, HuMMs have been used successfully to study human disease variants; e.g., the complex genetic condition arising from Down syndrome, common monogenic disorders such as Huntington disease and β-thalassemia, and cancer susceptibility genes such as BRCA1. In this commentary, we highlight a novel method for high-throughput single-copy site-specific generation of HuMMs entitled High-throughput Human Genes on the X Chromosome (HuGX). This method can be applied to most human genes for which a bacterial artificial chromosome (BAC) construct can be derived and a mouse-null allele exists. This strategy comprises (1) the use of recombineering technology to create a human variant–harbouring BAC, (2) knock-in of this BAC into the mouse genome using Hprt docking technology, and (3) allele comparison by interspecies complementation. We demonstrate the throughput of the HuGX method by generating a series of seven different alleles for the human NR2E1 gene at Hprt. In future challenges, we consider the current limitations of experimental approaches and call for a concerted effort by the genetics community, for both human and mouse, to solve the challenge of the functional analysis of human regulatory variation

Rôles spécifiques de l'effecteur Smad5 dans la voie de signalisation des BMPS au niveau de l'épithélium intestinal

Les BMPs (Boue Morphogenetic Proteins) sont des morphogènes membres de la superfamille du TGF-[bêta] qui interagissent avec des récepteurs de surface cellulaire à activité sérine/thréonine kinase. L'interaction des BMPs avec ces récepteurs entraîne l'activation d'une cascade de signalisation cellulaire impliquant les facteurs de types R-Smads (Smad1, 5 et 8). La voie de signalisation des BMPs joue des rôles cruciaux dans des processus biologiques tels que l'embryogenèse et l'organogenèse des tissus ainsi que des processus cellulaires tels que la prolifération, la migration et la différenciation cellulaire. De plus, ces derniers semblent aussi impliqués dans les processus de mort cellulaire et dans la tumorigenèse. Malgré un intérêt grandissant pour la signalisation des BMPs, il existe très peu d'études sur les rôles spécifiques joués individuellement par les différents Smads dans la morphogenèse de l'intestin in vivo . Ceci est principalement dû au fait que la délétion classique des différents effecteurs de la voie des BMPs entraîne la mort in utero à cause de multiples défauts dans l'embryogenèse. Le système Cre/loxP, sous le contrôle d'un promoteur tissu spécifique, a été utilisé dans notre laboratoire, dans le but de générer une lignée murine possédant une délétion conditionnelle de l'effecteur Smad5 strictement au niveau de l'épithélium intestinal. Une analyse comparative à l'aide d'un modèle de délétion conditionnelle du récepteur BmpR1a au niveau de l'épithélium intestinal a été effectuée afin de décortiquer spécifiquement le rôle de l'effecteur Smad5 dans le développement de cet organe. Afin de valider les résultats obtenus in vivo nous avons généré un modèle cellulaire nous permettant de mimer l'effet de la délétion de l'effecteur Smad5 à l'aide de la technologie du shRNA.Les résultats obtenus dans les deux modèles suggèrent que Smad5 serait un facteur clé impliqué dans la régulation de la migration cellulaire des entérocytes. En effet, l'invalidation de la voie des BMPs et plus particulièrement de l'effecteur Smad5 dans les souris entraîne une augmentation de la vitesse de migration des cellules le long de l'axe crypte villosité. Ces résultats sont corroborés dans un modèle cellulaire dans lequel l'expression de Smad5 a été inhibée par interférence d'ARN. Dans ce modèle, la migration se fait de façon beaucoup plus compacte en comparaison aux cellules contrôles. L'augmentation de la vitesse de migration cellulaire pourrait être due à un phénomène de relocalisation des protéines de jonctions adhérentes ainsi qu'à une modulation de l'actine filamenteuse. Ce phénomène pourrait faire intervenir les petites protéines G Rho/Rac ainsi que les kinases Src. En plus de l'actine filamenteuse, différentes protéines impliquées dans la formation des complexes de jonctions adhérentes semblent relocalisées dans nos deux modèles (E-cadhérine/[bêta]-caténine). En conclusion, les différents résultats recueillis au cours de mes travaux de maîtrise dans le laboratoire du Dr. Nathalie Perreault nous suggèrent que l'effecteur Smad5 de la voie des BMPs serait un facteur impliqué dans la stabilité des complexes de jonctions adhérentes, régulant ainsi la migration des cellules le long de l'axe crypte villosité

The use of novel humanized mouse models and transcriptome characterization to study the neurogenesis factor, NR2E1, in brain and eye development

The full abstract for this thesis is available in the body of the thesis, and will be available when the embargo expires.Medicine, Faculty ofMedical Genetics, Department ofGraduat

Rôles spécifiques de l'effecteur Smad5 dans la voie de signalisation des BMPS au niveau de l'épithélium intestinal

Les BMPs (Boue Morphogenetic Proteins) sont des morphogènes membres de la superfamille du TGF-[bêta] qui interagissent avec des récepteurs de surface cellulaire à activité sérine/thréonine kinase. L'interaction des BMPs avec ces récepteurs entraîne l'activation d'une cascade de signalisation cellulaire impliquant les facteurs de types R-Smads (Smad1, 5 et 8). La voie de signalisation des BMPs joue des rôles cruciaux dans des processus biologiques tels que l'embryogenèse et l'organogenèse des tissus ainsi que des processus cellulaires tels que la prolifération, la migration et la différenciation cellulaire. De plus, ces derniers semblent aussi impliqués dans les processus de mort cellulaire et dans la tumorigenèse. Malgré un intérêt grandissant pour la signalisation des BMPs, il existe très peu d'études sur les rôles spécifiques joués individuellement par les différents Smads dans la morphogenèse de l'intestin in vivo . Ceci est principalement dû au fait que la délétion classique des différents effecteurs de la voie des BMPs entraîne la mort in utero à cause de multiples défauts dans l'embryogenèse. Le système Cre/loxP, sous le contrôle d'un promoteur tissu spécifique, a été utilisé dans notre laboratoire, dans le but de générer une lignée murine possédant une délétion conditionnelle de l'effecteur Smad5 strictement au niveau de l'épithélium intestinal. Une analyse comparative à l'aide d'un modèle de délétion conditionnelle du récepteur BmpR1a au niveau de l'épithélium intestinal a été effectuée afin de décortiquer spécifiquement le rôle de l'effecteur Smad5 dans le développement de cet organe. Afin de valider les résultats obtenus in vivo nous avons généré un modèle cellulaire nous permettant de mimer l'effet de la délétion de l'effecteur Smad5 à l'aide de la technologie du shRNA.Les résultats obtenus dans les deux modèles suggèrent que Smad5 serait un facteur clé impliqué dans la régulation de la migration cellulaire des entérocytes. En effet, l'invalidation de la voie des BMPs et plus particulièrement de l'effecteur Smad5 dans les souris entraîne une augmentation de la vitesse de migration des cellules le long de l'axe crypte villosité. Ces résultats sont corroborés dans un modèle cellulaire dans lequel l'expression de Smad5 a été inhibée par interférence d'ARN. Dans ce modèle, la migration se fait de façon beaucoup plus compacte en comparaison aux cellules contrôles. L'augmentation de la vitesse de migration cellulaire pourrait être due à un phénomène de relocalisation des protéines de jonctions adhérentes ainsi qu'à une modulation de l'actine filamenteuse. Ce phénomène pourrait faire intervenir les petites protéines G Rho/Rac ainsi que les kinases Src. En plus de l'actine filamenteuse, différentes protéines impliquées dans la formation des complexes de jonctions adhérentes semblent relocalisées dans nos deux modèles (E-cadhérine/[bêta]-caténine). En conclusion, les différents résultats recueillis au cours de mes travaux de maîtrise dans le laboratoire du Dr. Nathalie Perreault nous suggèrent que l'effecteur Smad5 de la voie des BMPs serait un facteur impliqué dans la stabilité des complexes de jonctions adhérentes, régulant ainsi la migration des cellules le long de l'axe crypte villosité

High-throughput generation of regulatory allele series.

<p>(A) Human BAC RP11-144P8 was retrofitted seven times to generate the different regulatory variants (column 1). The method of retrofitting (column 2), targeting (column 3), and variant screening (column 4) is presented for each variant. Also given are the number of ESC clones isolated after electroporation (column 5), the number of correctly targeted clones after PCR validation using assays an average of 6 kb, and a maximum of 11 kb, apart (column 6), and the resulting percentage of correctly targeted clones (column 7). (B) Species-specific reverse transcriptase PCR demonstrates transcription from the human BAC in germline animals from four of the strains generated by the high-throughput approach. One-step reverse transcription PCR reactions were performed using oligonucleotides specific for human <i>NR2E1</i>, mouse <i>Nr2e1</i>, and mouse <i>Gapdh</i>. The results show, as expected, expression of the human <i>NR2E1</i> gene in adult eye, forebrain, and midbrain, but not in adult lung, heart, and liver. Marker, 100-bp ladder; positive control (Ctl+), human RNA for human <i>NR2E1</i> assay and mouse RNA for mouse <i>Nr2e1</i> and <i>Gapdh</i> assays; negative control (Ctl−), human RNA for mouse <i>Nr2e1</i> and <i>Gapdh</i> assays and mouse RNA for human <i>NR2E1</i> assay.</p

The literature is increasing more slowly for humanized mouse models than for GWASs and HWGS or novel mouse models.

<p>Interrogation of the PubMed literature database (<a href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed" target="_blank">http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed</a>) reveals a faster growing body of literature related to GWASs and HWGS (white bars) or novel mouse models (grey bars) than to HuMMs (black bars). Interrogation of the database was done using the online search option from EndNote (<a href="http://www.endnote.com/" target="_blank">http://www.endnote.com/</a>). Individual numbers of entries for the search terms “genome wide association studies” and “human whole genome sequencing” were added together for the figure. Search terms for novel mouse models were “novel knockout mouse”, “novel knockin mouse”, and “novel knock-in mouse”. The entries for the search term “humanized mouse models” were not restricted to genetic mouse models but included xenograft mouse models as well. Search terms were interrogated in “all fields” per year.</p

Combined serial analysis of gene expression and transcription factor binding site prediction identifies novel-candidate-target genes of Nr2e1 in neocortex development

Background: Nr2e1 (nuclear receptor subfamily 2, group e, member 1) encodes a transcription factor important in neocortex development. Previous work has shown that nuclear receptors can have hundreds of target genes, and bind more than 300 co-interacting proteins. However, recognition of the critical role of Nr2e1 in neural stem cells and neocortex development is relatively recent, thus the molecular mechanisms involved for this nuclear receptor are only beginning to be understood. Serial analysis of gene expression (SAGE), has given researchers both qualitative and quantitative information pertaining to biological processes. Thus, in this work, six LongSAGE mouse libraries were generated from laser microdissected tissue samples of dorsal VZ/SVZ (ventricular zone and subventricular zone) from the telencephalon of wild-type (Wt) and Nr2e1-null embryos at the critical development ages E13.5, E15.5, and E17.5. We then used a novel approach, implementing multiple computational methods followed by biological validation to further our understanding of Nr2e1 in neocortex development. Results In this work, we have generated a list of 1279 genes that are differentially expressed in response to altered Nr2e1 expression during in vivo neocortex development. We have refined this list to 64 candidate direct-targets of NR2E1. Our data suggested distinct roles for Nr2e1 during different neocortex developmental stages. Most importantly, our results suggest a possible novel pathway by which Nr2e1 regulates neurogenesis, which includes Lhx2 as one of the candidate direct-target genes, and SOX9 as a co-interactor. Conclusions In conclusion, we have provided new candidate interacting partners and numerous well-developed testable hypotheses for understanding the pathways by which Nr2e1 functions to regulate neocortex development.Medical Genetics, Department ofMedicine, Faculty ofMolecular Medicine and Therapeutics, Centre forPsychiatry, Department ofNon UBCReviewedFacult