584 resultados para transcriptome
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Les organismes cybrides souffrent généralement d'une altération de la spécificité des interactions mito-nucléaires, résultant en une détérioration du phénotype. Toutefois, diverses études démontrent que le transfert de mitochondries peut occasionnellement être positif. À l'heure actuelle, de nombreuses questions demeurent quant au degré d'influence de ces transferts sur les différents niveaux d'organisation du phénotype. Afin de répondre à ces questions, les formes sauvages et cybrides du poisson Chrosomus eos sont étudiées. Ainsi, le premier volet de ce projet de recherche démontre un impact des mitochondries Chrosomus neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype des poissons C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont retrouvées en allopatrie. Le deuxième volet de cette thèse révèle, quant à lui, que ces modifications phénotypiques ne sont pas suffisantes pour induire un évènement de spéciation entre les deux biotypes, lorsqu'en sympatrie. De plus, cette étude suggère que la coévolution mito-nucléaire peut ne pas être une condition sine qua non à la perpétuation des individus en milieu naturel. Finalement, l'approche holistique considérée dans le troisième volet de cette recherche atteste de l'influence des mitochondries C. neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype de C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont sympatriques. Cette influence est moins prononcée que celle observée à partir de biotypes allopatriques. Combinés, ces chapitres contribuent à une meilleure compréhension des liens existant entre les mitochondries et le phénotype d'un individu.
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À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.
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Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.
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Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06
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Pour ce projet, nous avons développé une plateforme pour l’analyse pangénomique de la méthylation de l’ADN chez le bovin qui est compatible avec des échantillons de petites tailles. Cet outil est utilisé pour étudier les caractéristiques génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN) des gamètes soumis aux procédures de procréation médicalement assisitée et des embryons précoces. Dans un premier temps, une plateforme d’analyse de biopuces spécifiques pour l’étude de la méthylation de l’ADN chez l’espèce bovine a été développée. Cette plateforme a ensuite été optimisée pour produire des analyses pangénomiques de méthylation de l’ADN fiables et reproductibles à partir d’échantillons de très petites tailles telle que les embryons précoces (≥ 10 ng d’ADN a été utilisé, ce qui correspond à 10 blastocystes en expansion). En outre, cet outil a permis d’évaluer de façon simultanée la méthylation de l’ADN et le transcriptome dans le même échantillon, fournissant ainsi une image complète des profils génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN). Comme preuve de concept, les profils comparatifs de méthylation de l’ADN spermatique et de blastocystes bovins ont été analysés au niveau de l’ensemble du génome. Dans un deuxième temps, grâce à cette plateforme, les profils globaux de méthylation de l’ADN de taureaux jumeaux monozygotes (MZ) ont été analysés. Malgré qu’ils sont génétiquement identiques, les taureaux jumeaux MZ ont des descendants avec des performances différentes. Par conséquent, l’hypothèse que le profil de méthylation de l’ADN spermatique de taureaux jumeaux MZ est différent a été émise. Dans notre étude, des différences significatives entre les jumeaux MZ au niveau des caractéristiques de la semence ainsi que de la méthylation de l’ADN ont été trouvées, chacune pouvant contribuer à l’obtention de performances divergentes incongrues des filles engendrées par ces jumeaux MZ. Dans la troisième partie de ce projet, la même plateforme a été utilisée pour découvrir les impacts d’une supplémentation à forte concentration en donneur de méthyle universel sur les embryons précoces bovins. La supplémentation avec de grandes quantités d’acide folique (AF) a été largement utilisée et recommandée chez les femmes enceintes pour sa capacité bien établie à prévenir les malformations du tube neural chez les enfants. Cependant, plus récemment, plusieurs études ont rapporté des effets indésirables de l’AF utilisé à des concentrations élevées, non seulement sur le développement de l’embryon, mais aussi chez les adultes. Au niveau cellulaire, l’AF entre dans le métabolisme monocarboné, la seule voie de production de S-adénosyl méthionine (SAM), un donneur universel de groupements méthyles pour une grande variété de biomolécules, y compris l’ADN. Par conséquent, pour résoudre cette controverse, une forte dose de SAM a été utilisée pour traiter des embryons produits in vitro chez le bovin. Ceci a non seulement permis d’influencer le phénotype des embryons précoces, mais aussi d’avoir un impact sur le transcriptome et le méthylome de l’ADN. En somme, le projet en cours a permis le développement d’une plateforme d’analyse de la méthylation de l’ADN à l’échelle du génome entier chez le bovin à coût raisonnable et facile à utiliser qui est compatible avec les embryons précoces. De plus, puisque c’est l’une des premières études de ce genre en biologie de la reproduction bovine, ce projet avait trois objectifs qui a donné plusieurs nouveaux résultats, incluant les profils comparatifs de méthylation de l’ADN au niveau : i) blastocystes versus spermatozoïdes ; ii) semence de taureaux jumeaux MZ et iii) embryons précoces traités à de fortes doses de SAM versus des embryons précoces non traités.
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Eukaryotic genomes contain repetitive DNA sequences. This includes simple repeats and more complex transposable elements (TEs). Many TEs reach high copy numbers in the host genome, owing to their amplification abilities by specific mechanisms. There is growing evidence that TEs contribute to gene transcriptional regulation. However, excess of TE activity may lead to reduced genome stability. Therefore, TEs are suppressed by the transcriptional gene silencing machinery via specific chromatin modifications. In contrary, effectiveness of the epigenetic silencing mechanisms imposes risk for TE survival in the host genome. Therefore, TEs may have evolved specific strategies for bypassing epigenetic control and allowing the emergence of new TE copies. Recent studies suggested that the epigenetic silencing can be, at least transiently, attenuated by heat stress in A. thaliana. Heat stress induced strong transcriptional activation of COPIA78 family LTR-retrotransposons named ONSEN, and even their transposition in mutants deficient in siRNA-biogenesis. ONSEN transcriptional activation was facilitated by the presence of heat responsive elements (HREs) within the long terminal repeats, which serve as a binding platform for the HEAT SHOCK FACTORs (HSFs). This thesis focused on the evolution of ONSEN heat responsiveness in Brassicaceae. By using whole-transcriptome sequencing approach, multiple Arabidopsis lyrata ONSENs with conserved heat response were found and together with ONSENs from other Brassicaceae were used to reconstruct the evolution of ONSEN HREs. This indicated ancestral situation with two, in palindrome organized, HSF binding motifs. In the genera Arabidopsis and Ballantinia, a local duplication of this locus increased number of HSF binding motifs to four, forming a high-efficiency HRE. In addition, whole transcriptome analysis revealed novel heat-responsive TE families COPIA20, COPIA37 and HATE. Notably, HATE represents so far unknown COPIA family which occurs in several Brassicaceae species but is absent in A. thaliana. Putative HREs were identified within the LTRs of COPIA20, COPIA37 and HATE of A. lyrata, and could be preliminarily validated by transcriptional analysis upon heat induction in subsequent survey of Brassicaeae species. Subsequent phylogenetic analysis indicated a repeated evolution of heat responsiveness within Brassicaceae COPIA LTR-retrotransposons. This indicates that acquisition of heat responsiveness may represent a successful strategy for survival of TEs within the host genome.
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The non-standard decoding of the CUG codon in Candida cylindracea raises a number of questions about the evolutionary process of this organism and other species Candida clade for which the codon is ambiguous. In order to find some answers we studied the transcriptome of C. cylindracea, comparing its behavior with that of Saccharomyces cerevisiae (standard decoder) and Candida albicans (ambiguous decoder). The transcriptome characterization was performed using RNA-seq. This approach has several advantages over microarrays and its application is booming. TopHat and Cufflinks were the software used to build the protocol that allowed for gene quantification. About 95% of the reads were mapped on the genome. 3693 genes were analyzed, of which 1338 had a non-standard start codon (TTG/CTG) and the percentage of expressed genes was 99.4%. Most genes have intermediate levels of expression, some have little or no expression and a minority is highly expressed. The distribution profile of the CUG between the three species is different, but it can be significantly associated to gene expression levels: genes with fewer CUGs are the most highly expressed. However, CUG content is not related to the conservation level: more and less conserved genes have, on average, an equal number of CUGs. The most conserved genes are the most expressed. The lipase genes corroborate the results obtained for most genes of C. cylindracea since they are very rich in CUGs and nothing conserved. The reduced amount of CUG codons that was observed in highly expressed genes may be due, possibly, to an insufficient number of tRNA genes to cope with more CUGs without compromising translational efficiency. From the enrichment analysis, it was confirmed that the most conserved genes are associated with basic functions such as translation, pathogenesis and metabolism. From this set, genes with more or less CUGs seem to have different functions. The key issues on the evolutionary phenomenon remain unclear. However, the results are consistent with previous observations and shows a variety of conclusions that in future analyzes should be taken into consideration, since it was the first time that such a study was conducted.
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But: Le diabète est un problème important de santé publique et la complication oculaire la plus commune est la rétinopathie diabétique (RD). Certaines études indiquent que la choroïde des patients diabétiques est affectée sans signe apparent de RD. Notre hypothèse est que l’élévation du stress oxydant liée à l’hyperglycémie chronique affecte la fonction choroïdienne à un stade précoce de la RD. Nous proposons d’étudier la glycolyse, le métabolisme mitochondrial, le stress nitrosatif et la méthylation de l’ADN ainsi que de caractériser les modifications histologiques dans la choroïde diabétique. Méthodes: L’expression des gènes/protéines associés à la glycolyse, au métabolisme mitochondrial et à la production de l’oxyde nitrique a été comparée par profilage génique et immunobuvardage Western entre les choroïdes saines et diabétiques. Les niveaux globaux de méthylation et d’hydroxyméthylation de l’ADN ont été quantifiés par immunoslot blot et HPLC-MS/MS dans ces tissus. Enfin, des coupes tissulaires d’yeux de donneurs sains ou diabétiques avec RD non proliférante (RDNP) ou proliférante (RDP) ont été colorées au trichrome de Masson et au Weigert. L’épaisseur de la choroïde et de la membrane de Bruch, ainsi que la densité et le diamètre des vaisseaux sanguins choroïdiens ont été analysés. Résultats: Nos résultats montrent une dérégulation de l’expression de certains transcrits de la choroïde diabétique, mais peu de différences au niveau de l’expression protéique des cibles validées. Le niveau global de méthylation de l’ADN est similaire entre les donneurs sains et diabétiques. Nos analyses histologiques démontrent une diminution de l’épaisseur de la choroïde et une dégénérescence des choriocapillaires et des veines/veinules chez les donneurs diabétiques atteints de RDP. Conclusions: L’étude de la choroïde est importante, car l’atteinte de ce tissu a de graves répercussions sur la fonction rétinienne. L’identification de cibles dans la choroïde ouvre de nouvelles perspectives pour un traitement préventif de la RD.
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The Group A Streptococcus (GAS), or Streptococcus pyogenes, is a strict human pathogen that colonizes a variety of sites within the host. Infections can vary from minor and easily treatable, to life-threatening, invasive forms of disease. In order to adapt to niches, GAS utilizes environmental cues, such as carbohydrates, to coordinate the expression of virulence factors. Research efforts to date have focused on identifying how either components of the phosphoenolpyruvate-phosphotransferase system (PTS) or global transcriptional networks affect the regulation of virulence factors, but not the synergistic relationship between the two. The present study investigates the role of a putative PTS-fructose operon encoded by fruRBA and its role in virulence in the M1T1 strain 5448. Growth in fructose resulted in induction of fruRBA. RT-PCR showed that fruRBA formed an operon, which was repressed by FruR in the absence of fructose. Growth and carbon utilization profiles revealed that although the entire fruRBA operon was required for growth in fructose, FruA was the main fructose transporter. The ability of both ΔfruR and ΔfruB mutants to survive in whole human blood or neutrophils was impaired. However, the phenotypes were not reproduced in murine whole blood or in a mouse intraperitoneal infection, indicating a human-specific mechanism. While it is known that the PTS can affect activity of the Mga virulence regulator, further characterization of the mechanism by which sugars and its protein domains affect activity have not been studied. Transcriptional studies revealed that the core Mga regulon is activated more in a glucose-rich than a glucose-poor environment. This activation correlates with the differential phosphorylation of Mga at its PTS regulatory domains (PRDs). Using a 5448 mga mutant, transcriptome studies in THY or C media established that the Mga regulon reflects the media used. Interestingly, Mga regulates phage-encoded DNases in a low glucose environment. We also show that Mga activity is dependent on C-terminal amino acid interactions that aid in the formation of homodimers. Overall, the studies presented sought to define how external environmental cues, specifically carbohydrates, control complex regulatory networks used by GAS, contribute to pathogenesis, and aid in adaptation to various nutrient conditions encountered.
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Phagocytosis of bacteria by specialized blood cells, known as hemocytes, is a vital component of Drosophila cellular immunity. To identify novel genes that mediate the cellular response to bacteria, we conducted three separate genetic screens using the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP). Adult DGRP lines were tested for the ability of their hemocytes to phagocytose the Gram-positive bacteria Staphylococcus aureus or the Gram-negative bacteria Escherichia coli. The DGRP lines were also screened for the ability of their hemocytes to clear S. aureus infection through the process of phagosome maturation. Genome-wide association analyses were performed to identify potentially relevant single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with the cellular immune phenotypes. The S. aureus phagosome maturation screen identified SNPs near or in 528 candidate genes, many of which have no known role in immunity. Three genes, dpr10, fred, and CG42673, were identified whose loss-of-function in blood cells significantly impaired the innate immune response to S. aureus. The DGRP S. aureus screens identified variants in the gene, Ataxin 2 Binding Protein-1 (A2bp1) as important for the cellular immune response to S. aureus. A2bp1 belongs to the highly conserved Fox-1 family of RNA-binding proteins. Genetic studies revealed that A2bp1 transcript levels must be tightly controlled for hemocytes to successfully phagocytose S. aureus. The transcriptome of infected and uninfected hemocytes from wild type and A2bp1 mutant flies was analyzed and it was found that A2bp1 negatively regulates the expression of the Immunoglobulin-superfamily member Down syndrome adhesion molecule 4 (Dscam4). Silencing of A2bp1 and Dscam4 in hemocytes rescues the fly’s immune response to S. aureus indicating that Dscam4 negatively regulates S. aureus phagocytosis. Overall, we present an examination of the cellular immune response to bacteria with the aim of identifying and characterizing roles for novel mediators of innate immunity in Drosophila. By screening panel of lines in which all genetic variants are known, we successfully identified a large set of candidate genes that could provide a basis for future studies of Drosophila cellular immunity. Finally, we describe a novel, immune-specific role for the highly conserved Fox-1 family member, A2bp1.
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Plant reproduction depends on the concerted activation of many genes to ensure correct communication between pollen and pistil. Here, we queried the whole transcriptome of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) in order to identify genes with specific reproductive functions. We used the Affymetrix ATH1 whole genome array to profile wild-type unpollinated pistils and unfertilized ovules. By comparing the expression profile of pistils at 0.5, 3.5, and 8.0 h after pollination and applying a number of statistical and bioinformatics criteria, we found 1,373 genes differentially regulated during pollen-pistil interactions. Robust clustering analysis grouped these genes in 16 time-course clusters representing distinct patterns of regulation. Coregulation within each cluster suggests the presence of distinct genetic pathways, which might be under the control of specific transcriptional regulators. A total of 78% of the regulated genes were expressed initially in unpollinated pistil and/or ovules, 15% were initially detected in the pollen data sets as enriched or preferentially expressed, and 7% were induced upon pollination. Among those, we found a particular enrichment for unknown transcripts predicted to encode secreted proteins or representing signaling and cell wall-related proteins, which may function by remodeling the extracellular matrix or as extracellular signaling molecules. A strict regulatory control in various metabolic pathways suggests that fine-tuning of the biochemical and physiological cellular environment is crucial for reproductive success. Our study provides a unique and detailed temporal and spatial gene expression profile of in vivo pollen-pistil interactions, providing a framework to better understand the basis of the molecular mechanisms operating during the reproductive process in higher plants.
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Predicted climate changes announce an increase of extreme environmental conditions including drought and excessive heat and light in classical viticultural regions. Thus, understanding how grapevine responds to these conditions and how different genotypes can adapt, is crucial for informed decisions on accurate viticultural actions. Global transcriptome analyses are useful for this purpose as the response to these abiotic stresses involves the interplay of complex and diverse cascades of physiological, cellular and molecular events. The main goal of the present work was to evaluate the response to diverse imposed abiotic stresses at the transcriptome level and to compare the response of two grapevine varieties with contrasting physiological trends, Trincadeira (TR) and Touriga Nacional (TN).
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Ecological risk assessment (ERA) is a framework for monitoring risks of exposure and adverse effects of environmental stressors to populations or communities of interest. One tool of ERA is the biomarker, which is a characteristic of an organism that reliably indicates exposure to or effects of a stressor like chemical pollution. Traditional biomarkers which rely on characteristics at the tissue level and higher often detect only acute exposures to stressors. Sensitive molecular biomarkers may detect lower stressor levels than traditional biomarkers, which helps inform risk mitigation and restoration efforts before populations and communities are irreversibly affected. In this study I developed gene expression-based molecular biomarkers of exposure to metals and insecticides in the model toxicological freshwater amphipod Hyalella azteca. My goals were to not only create sensitive molecular biomarkers for these chemicals, but also to show the utility and versatility of H. azteca in molecular studies for toxicology and risk assessment. I sequenced and assembled the H. azteca transcriptome to identify reference and stress-response gene transcripts suitable for expression monitoring. I exposed H. azteca to sub-lethal concentrations of metals (cadmium and copper) and insecticides (DDT, permethrin, and imidacloprid). Reference genes used to create normalization factors were determined for each exposure using the programs BestKeeper, GeNorm, and NormFinder. Both metals increased expression of a nuclear transcription factor (Cnc), an ABC transporter (Mrp4), and a heat shock protein (Hsp90), giving evidence of general metal exposure signature. Cadmium uniquely increased expression of a DNA repair protein (Rad51) and increased Mrp4 expression more than copper (7-fold increase compared to 2-fold increase). Together these may be unique biomarkers distinguishing cadmium and copper exposures. DDT increased expression of Hsp90, Mrp4, and the immune response gene Lgbp. Permethrin increased expression of a cytochrome P450 (Cyp2j2) and decreased expression of the immune response gene Lectin-1. Imidacloprid did not affect gene expression. Unique biomarkers were seen for DDT and permethrin, but the genes studied were not sensitive enough to detect imidacloprid at the levels used here. I demonstrated that gene expression in H. azteca detects specific chemical exposures at sub-lethal concentrations, making expression monitoring using this amphipod a useful and sensitive biomarker for risk assessment of chemical exposure.
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Background: Expressed Sequence Tags (ESTs) are in general used to gain a first insight into gene activities from a species of interest. Subsequently, and typically based on a combination of EST and genome sequences, microarray-based expression analyses are performed for a variety of conditions. In some cases, a multitude of EST and microarray experiments are conducted for one species, covering different tissues, cell states, and cell types. Under these circumstances, the challenge arises to combine results derived from the different expression profiling strategies, with the goal to uncover novel information on the basis of the integrated datasets. Findings: Using our new analysis tool, MediPlEx (MEDIcago truncatula multiPLe EXpression analysis), expression data from EST experiments, oligonucleotide microarrays and Affymetrix GeneChips® can be combined and analyzed, leading to a novel approach to integrated transcriptome analysis. We have validated our tool via the identification of a set of well-characterized AM-specific and AM-induced marker genes, identified by MediPlEx on the basis of in silico and experimental gene expression profiles from roots colonized with AM fungi. Conclusions: MediPlEx offers an integrated analysis pipeline for different sets of expression data generated for the model legume Medicago truncatula. As expected, in silico and experimental gene expression data that cover the same biological condition correlate well. The collection of differentially expressed genes identified via MediPlEx provides a starting point for functional studies in plant mutants.
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Background: Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic inflammatory arthritis that causes significant morbidity and mortality and has no cure. Although early treatment strategies and biologic therapies such as TNFα blocking antibodies have revolutionised treatment, there still remains considerable unmet need. JAK kinase inhibitors, which target multiple inflammatory cytokines, have shown efficacy in treating RA although their exact mechanism of action remains to be determined. Stratified medicine promises to deliver the right drug to the right patient at the right time by using predictive ‘omic biomarkers discovered using bioinformatic and “Big Data” techniques. Therefore, knowledge across the realms of clinical rheumatology, applied immunology, bioinformatics and data science is required to realise this goal. Aim: To use bioinformatic tools to analyse the transcriptome of CD14 macrophages derived from patients with inflammatory arthritis and define a JAK/STAT signature. Thereafter to investigate the role of JAK inhibition on inflammatory cytokine production in a macrophage cell contact activation assay. Finally, to investigate JAK inhibition, following RA synovial fluid stimulation of monocytes. Methods and Results: Using bioinformatic software such as limma from the Bioconductor repository, I determined that there was a JAK/STAT signature in synovial CD14 macrophages from patients with RA and this differed from psoriatic arthritis samples. JAK inhibition using a JAK1/3 inhibitor tofacitinib reduced TNFα production when macrophages were cell contact activated by cytokine stimulated CD4 T-cells. Other pro-inflammatory cytokines such as IL-6 and chemokines such as IP-10 were also reduced. RA synovial fluid failed to stimulate monocytes to phosphorylate STAT1, 3 or 6 but CD4 T-cells activated STAT3 with this stimulus. RNA sequencing of synovial fluid stimulated CD4 T-cells showed an upregulation of SOCS3, BCL6 and SBNO2, a gene associated with RA but with unknown function and tofacitinib reversed this. Conclusion: These studies demonstrate that tofacitinib is effective at reducing inflammatory mediator production in a macrophage cell contact assay and also affects soluble factor mediated stimulation of CD4 T-cells. This suggests that the effectiveness of JAK inhibition is due to inhibition of multiple cytokine pathways such as IL-6, IL-15 and interferon. RNA sequencing is a useful tool to identify non-coding RNA transcripts that are associated with synovial fluid stimulation and JAK inhibition but these require further validation. SBNO2, a gene that is associated with RA, may be biomarker of tofacitinib treatment but requires further investigation and validation in wider disease cohorts.