La régulation du gène CYP19A1 dans les cellules de granulosa bovine in vitro

Abstract

L’oestradiol joue un rôle important dans la reproduction en général, particulièrement dans la croissance folliculaire chez la vache. La production de l’œstradiol nécessite l’expression du gène CYP19A1 suite à la stimulation des cellules de granulosa par l’hormone folliculostimulante (FSH) ou le facteur de croissance insulinique de type 1 (IGF-1). Chez la vache, il existe six promoteurs (1.1 ; 1.2 ; 1.3 ; 1.4 ; 1.5 et 2) qui dirigent la transcription du gène CYP19A1 dans les cellules de la granulosa. Le principal promoteur qui dirige la transcription au niveau de l’ovaire (cellules de granulosa) est le promoteur 2 (P2). Cependant, l’effet de la FSH et de l’IGF-1 sur l’activation de ces promoteurs d’aromatase demeure mal connu. De plus, la demi-vie du transcrit CYP19A1 est très courte avec une région 3’UTR relativement longue. L’analyse de la séquence 3’UTR montre la présence des motifs ARE (séquence riche en AU), des études antérieur montrent que ces séquences impliquent dans la régulation de la stabilité ou la dégradation de l’ARNm, ce qui est fort probable que la courte demi-vie de l’ARNm CYP19A1 est sous le contrôle post-transcriptionel. L’objectif de la thèse visait à étudier la régulation de l’expression du gène CYP19A1 chez la vache. Il y a deux thèmes soit étude de la régulation transcriptionnelle ciblant le promoteur et soit étude de la régulation post-transcriptionnelle impliquant la région 3’non traduite (3’UTR). Le premier objectif vise à étudier la régulation transcriptionnelle du gène CYP19A1. Nous avons étudié l'activité du promoteur ovarien bovin dans deux modèles de cellules de la granulosa, les cellules lutéinisées et nonlutéinisées in vitro, suite à une stimulation des cellules par la FSH ou IGF-1. Nous avons également évalué la voie de signalisation impliquée dans la régulation des différents promoteurs en utilisant un RT-PCR et un gène rapporteur (les différents promoteurs d’aromatase ont été insérés dans le vecteur pGL3promoter en amont du gène exprimant la luciférase). Les résultats de RT-PCR démontrent que la FSH et l’IGF-1 augmentent les concentrations d’ARNm provenant des deux promoteurs 2 et 1.1 dans les cellules de la granulosa non lutéinisées. Des expériences subséquentes ont montré que la FSH stimule le promoteur 2 via la voie PKA tandis que l'IGF-1 stimule le promoteur 2 via la voie PKC. La FSH et l’IGF-1 stimulent l’expression du promoteur 1.1 via la voie PI3K. L’analyse de l’activité luciférase démontre que dans les cellules de granulosa lutéinisées, la FSH stimule le promoteur 1.1 de façon dose dépendante et ne semble y avoir aucun effet significatif sur le promoteur 2. Nous avons donc comparé l’activité du promoteur PII/P2 humain, du rat, de la chèvre et de la vache dans les cellules de granulosa bovine lutéinisées. Le résultat le plus significatif est que le promoteur 2 bovine (et caprine) dépend de plusieurs facteurs de transcription (NR5A2, FOXL2) comparé au promoteur PII humain et celui du promoteur proximal du rat qui dépendent principalement de l'AMPc. En effet, nos résultats ont démontré une expression raisonnablement robuste du P2 bovine lorsque les cellules sont traitées à la forskoline, NR5A2 et FOXL2. Le facteur FOXL2 semble déterminer l'activité du promoteur 2 chez le ruminant. Le deuxième objectif vise à étudier la régulation post-transcriptionnelle du gène CYP19A1. Pour ce faire, nous avons déterminé la séquence minimale de l'ARNm CYP19A1 requise pour la régulation de sa demi-vie. Différents séquences de la région 3’UTR ont été insérés dans le vecteur pGL3promoter en aval du gène exprimant la luciférase ou soit dans le vecteur pGEMTeasy. Le vecteur pGL3promoter a été transfecté dans les cellules de granulosa lutéinisées pour évaluer l'impact de la séquence 3'UTR sur l'expression du gène rapporteur de la luciférase, alors que le vecteur pGEMTeasy a été utilisé pour la transcription in vitro afin de générer de l’ARNm. Ce dernier sera utilisé en réaction croisée au UV avec des extraits protéiques pour démontrer l’association du complexe ARNm/protéine. L’analyse de l’activité luciférase a permis d’identifier une séquence de 200 pb située entre 926 et 1134 pb de la région 3'UTR de l’ARNm CYP19A1 qui a réduit significativement l’activité de la luciférase. Selon les analyses de la réaction croisée au UV, une ou plusieurs protéines de 66 et 80 kDA se lient spécifiquement à la séquence de 200 pb qui réduit l’activité de luciférase. Cette protéine s'exprime dans les cellules de granulosa, mais n’a pas été détectée dans d'autres tissus comme le foie et le cœur. Par ailleurs, l’utilisation du gène rapporteur sensible à la FSH a suscité l’intérêt d'une compagnie pharmaceutique qui vend de l’equine chorionic gonadotropin (eCG) pour lui permettre de distinguer facilement l’eCG ayant une forte activité FSH et donc, avoir un produit commercial plus efficace et de meilleure qualité. Dans cette étude, nous avons développé un système de bioessai à la FSH basé sur la transfection des cellules avec un récepteur à la FSH et un gène rapporteur colorimètrique qui permet d’estimer l’activité de la FSH dans le sérum de la jument et qui pourrait être applicable au niveau de la ferme/industrie.

Oestradiol plays an important role in reproduction in general, particularly during follicular growth. Production of estradiol requires the expression of CYP19A1 following stimulation of granulosa cells by follicle-stimulating hormone (FSH) and insulin like growth factor-1 (IGF-1). In cows, there are six promoters (1.1, 1.2, 1.3, 1.4 and 1.5 and 2) that direct transcription of CYP19A1, and promoter 2 (P2) is the major promoter used in granulosa cells. However the effect of FSH and IGF-1 on the activation of these promoters of aromatase remains unclear. Further, the CYP19A1 gene has a very short half-life and a long 3' non-translated region (3'UTR) that suggests post-transcriptional as well as transcriptional regulation. The aim of my PhD project is to study the regulation of the CYP19A1 gene in the cow. This summary is divided into two parts, the transcriptional regulation involving the promoter region and the post-transcriptional regulation involving the 3'UTR. The first part of my project was to study the transcriptional regulation of CYP19A1 gene; we measured the expression of the different promoters in luteinized or nonluteinized bovine granulosa cells following stimulation of cells with FSH or IGF-1. The results of RT-PCR showed that FSH and IGF-1 increases mRNA levels from both promoters 2 and 1.1 in non luteinized granulosa cells. Subsequent experiments showed that FSH stimulates the promoter 2 via the PKA pathway and IGF-1 stimulated promoter 2 via the PKC pathway. FSH and IGF-1 stimulate the expression of 1.1 via the PI3K pathway. In subsequent studies in luteinized cells with luciferase reporter genes driven by the specific CYP19A1 promoters, FSH stimulated promoter 1.1 in a dose dependent manner but that promoter 2 was weakly activated and not responsive to FSH. We then compared the activity of human, rat, goat and bovine promoters in luteinised bovine granulosa cells. The most significant result is that the bovine (and caprine) P2 depends on several transcription factors (NR5A2, FOXL2) whereas the human and rat promoters largely depend on cAMP. In fact, these data demonstrate a reasonably robust expression of the bovine P2 when treated with forskolin, NR5A2 and FOXL2. FOXL2 appears to be a determinant of promoter activity in ruminants. The second part of my project was to study the post-transcriptional regulation of the CYP19A1 gene. The objective was to identify the elements required for the regulation of the half-life of CYP19A1 mRNA. To do so, we generated and inserted different fragments of the 3'UTR region of CYP19A1 mRNA in the pGL3promoter vector downstream of the luciferase gene, which was then transfected into luteinized granulosa cells to assess the impact of the 3'UTR sequence on the expression of luciferase reporter gene. We identified a sequence of 200 bp between 926 and 1134 bp of the 3'UTR region of CYP19A1 mRNA that significantly reduced luciferase activity. The same fragments were inserted into the pGEMTeasy vector for in vitro transcription and the generation of mRNA for UV crosslinking with protein extracts to demonstrate the presence of mRNA/protein complexes. We detected protein complexes of 66 and 80KDA that specifically bound to the 200 pb probe. This protein is expressed in granulosa cells but not in other tissues such as the liver and heart. The use of reporter gene attracted the interest of a company producing equine chorionic gonadotropin (eCG), and an interest was expessed in developing this system to measure the FSH-like bioactivity in eCG, and therefore have a more effective commercial product. In this study, we developed a FSH bioassay system based on the transfection of cells with an the FSH receptor and a colorimetric reporter gene to estimate the activity of FSH in the serum of the mare ; these results may be applicable at the farm / industry.