Inverse Metabolic Engineering of Synechocystis PCC 6803 for Improved Growth Rate and Poly-3-hydroxybutyrate Production

Synechocystis PCC 6803 is a photosynthetic bacterium that has the potential to make bioproducts from carbon dioxide and light. Biochemical production from photosynthetic organisms is attractive because it replaces the typical bioprocessing steps of crop growth, milling, and fermentation, with a one-step photosynthetic process. However, low yields and slow growth rates limit the economic potential of such endeavors. Rational metabolic engineering methods are hindered by limited cellular knowledge and inadequate models of Synechocystis. Instead, inverse metabolic engineering, a scheme based on combinatorial gene searches which does not require detailed cellular models, but can exploit sequence data and existing molecular biological techniques, was used to find genes that (1) improve the production of the biopolymer poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and (2) increase the growth rate. A fluorescence activated cell sorting assay was developed to screen for high PHB producing clones. Separately, serial sub-culturing was used to select clones that improve growth rate. Novel gene knock-outs were identified that increase PHB production and others that increase the specific growth rate. These improvements make this system more attractive for industrial use and demonstrate the power of inverse metabolic engineering to identify novel phenotype-associated genes in poorly understood systems.

Synergistic inhibition of tumor growth in a murine mammary adenocarcinoma model by combinational gene therapy using IL-12, pro-IL-18, and IL-1β converting enzyme cDNA

We report here that a cancer gene therapy protocol using a combination of IL-12, pro-IL-18, and IL-1β converting enzyme (ICE) cDNA expression vectors simultaneously delivered via gene gun can significantly augment antitumor effects, evidently by generating increased levels of bioactive IL-18 and consequently IFN-γ. First, we compared the levels of IFN-γ secreted by mouse splenocytes stimulated with tumor cells transfected with various test genes, including IL-12 alone; pro-IL-18 alone; pro-IL-18 and ICE; IL-12 and pro-IL-18; and IL-12, pro-IL-18, and ICE. Among these treatments, the combination of IL-12, pro-IL-18, and ICE cDNA resulted in the highest level of IFN-γ production from splenocytes in vitro, and similar results were obtained when these same treatments were delivered to the skin of a mouse by gene gun and IFN-γ levels were measured at the skin transfection site in vivo. Furthermore, the triple gene combinatorial gene therapy protocol was the most effective among all tested groups at suppressing the growth of TS/A (murine mammary adenocarcinoma) tumors previously implanted intradermally at the skin site receiving DNA transfer by gene gun on days 6, 8, 10, and 12 after tumor implantation. Fifty percent of mice treated with the combined three-gene protocol underwent complete tumor regression. In vivo depletion experiments showed that this antitumor effect was CD8+ T cell-mediated and partially IFN-γ-dependent. These results suggest that a combinatorial gene therapy protocol using a mixture of IL-12, pro-IL-18, and ICE cDNAs can confer potent antitumor activities against established TS/A tumors via cytotoxic CD8+ T cells and IFN-γ-dependent pathways.

Gene therapy strategies for the treatment of spinal cord injury

Spinal cord injury is a complex pathology often resulting in functional impairment and paralysis. Gene therapy has emerged as a possible solution to the problems of limited neural tissue regeneration through the administration of factors promoting axonal growth, while also offering long-term local delivery of therapeutic molecules at the injury site. Of note, gene therapy is our response to the requirements of neural and glial cells following spinal cord injury, providing, in a time-dependent manner, growth substances for axonal regeneration and eliminating axonal growth inhibitors. Herein, we explore different gene therapy strategies, including targeting gene expression to modulate the presence of neurotrophic growth or survival factors and increase neural tissue plasticity. Special attention is given to describing advances in viral and non-viral gene delivery systems, as well as the available routes of gene delivery. Finally, we discuss the future of combinatorial gene therapies and give consideration to the implementation of gene therapy in humans. © 2014 Future Science Ltd.

Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

Codon-precise, synthetic, antibody fragment libraries built using automated hexamer codon additions and validated through next generation sequencing

We have previously described ProxiMAX, a technology that enables the fabrication of precise, combinatorial gene libraries via codon-by-codon saturation mutagenesis. ProxiMAX was originally performed using manual, enzymatic transfer of codons via blunt-end ligation. Here we present Colibra™: an automated, proprietary version of ProxiMAX used specifically for antibody library generation, in which double-codon hexamers are transferred during the saturation cycling process. The reduction in process complexity, resulting library quality and an unprecedented saturation of up to 24 contiguous codons are described. Utility of the method is demonstrated via fabrication of complementarity determining regions (CDR) in antibody fragment libraries and next generation sequencing (NGS) analysis of their quality and diversity.

Rapid match-searching for gene silencing assessment

Motivation: Gene silencing, also called RNA interference, requires reliable assessment of silencer impacts. A critical task is to find matches between silencer oligomers and sites in the genome, in accordance with one-to-many matching rules (G-U matching, with provision for mismatches). Fast search algorithms are required to support silencer impact assessments in procedures for designing effective silencer sequences.Results: The article presents a matching algorithm and data structures specialized for matching searches, including a kernel procedure that addresses a Boolean version of the database task called the skyline search. Besides exact matches, the algorithm is extended to allow for the location-specific mismatches applicable in plants. Computational tests show that the algorithm is significantly faster than suffix-tree alternatives. © The Author 2010. Published by Oxford University Press. All rights reserved.

Molecular mechanisms of interleukin-2 gene inducibility: developmental control and combinatorial action of transcription factors

Interleukin-2 is one of the lymphokines secreted by T helper type 1 cells upon activation mediated by T-cell receptor (TCR) and accessory molecules. The ability to express IL-2 is correlated with T-lineage commitment and is regulated during T cell development and differentiation. Understanding the molecular mechanism of how IL-2 gene inducibility is controlled at each transition and each differentiation process of T-cell development is to understand one aspect of T-cell development. In the present study, we first attempted to elucidate the molecular basis for the developmental changes of IL-2 gene inducibility. We showed that IL-2 gene inducibility is acquired early in immature CD4- CD8-TCR- thymocytes prior to TCR gene rearrangement. Similar to mature T cells, a complete set of transcription factors can be induced at this early stage to activate IL-2 gene expression. The progression of these cells to cortical CD4^+CD8^+TCR^(1o) cells is accompanied by the loss of IL-2 gene inducibility. We demonstrated that DNA binding activities of two transcription factors AP-1 and NF-AT are reduced in cells at this stage. Further, the loss of factor binding, especially AP-1, is attributable to the reduced ability to activate expression of three potential components of AP-1 and NF-AT, including c-Fos, FosB, and Fra-2. We next examined the interaction of transcription factors and the IL-2 promoter in vivo by using the EL4 T cell line and two non-T cell lines. We showed an all-or-none phenomenon regarding the factor-DNA interaction, i.e., in activated T cells, the IL-2 promoter is occupied by sequence-specific transcription factors when all the transcription factors are available; in resting T cells or non-T cells, no specific protein-DNA interaction is observed when only a subset of factors are present in the nuclei. Purposefully reducing a particular set of factor binding activities in stimulated T cells using pharmacological agents cyclosporin A or forskolin also abolished all interactions. The results suggest that a combinatorial and coordinated protein-DNA interaction is required for IL-2 gene activation. The thymocyte experiments clearly illustrated that multiple transcription factors are regulated during intrathymic T-cell development, and this regulation in tum controls the inducibility of the lineage-specific IL-2 gene. The in vivo study of protein-DNA interaction stressed the combinatorial action of transcription factors to stably occupy the IL-2 promoter and to initiate its transcription, and provided a molecular mechanism for changes in IL-2 gene inducibility in T cells undergoing integration of multiple environmental signals.

Hematopoietic gene promoters subjected to a group-combinatorial study of DNA samples: identification of a megakaryocytic selective DNA signature

Identification of common sub-sequences for a group of functionally related DNA sequences can shed light on the role of such elements in cell-specific gene expression. In the megakaryocytic lineage, no one single unique transcription factor was described as linage specific, raising the possibility that a cluster of gene promoter sequences presents a unique signature. Here, the megakaryocytic gene promoter group, which consists of both human and mouse 5' non-coding regions, served as a case study. A methodology for group-combinatorial search has been implemented as a customized software platform. It extracts the longest common sequences for a group of related DNA sequences and allows for single gaps of varying length, as well as double- and multiple-gap sequences. The results point to common DNA sequences in a group of genes that is selectively expressed in megakaryocytes, and which does not appear in a large group of control, random and specific sequences. This suggests a role for a combination of these sequences in cell-specific gene expression in the megakaryocytic lineage. The data also point to an intrinsic cross-species difference in the organization of 5' non-coding sequences within the mammalian genomes. This methodology may be used for the identification of regulatory sequences in other lineages.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

Identifying cis-regulatory elements by statistical analysis and phylogenetic footprinting and analyzing their coexistence and related gene ontology

Discovery of cis-regulatory elements in gene promoters is a highly challenging research issue in computational molecular biology. This paper presents a novel approach to searching putative cis-regulatory elements in human promoters by first finding 8-mer sequences of high statistical significance from gene promoters of humans, mice, and Drosophila melanogaster, respectively, and then identifying the most conserved ones across the three species (phylogenetic footprinting). In this study, a conservation analysis on both closely related species (humans and mice) and distantly related species (humans/mice and Drosophila) is conducted not only to examine more candidates but also to improve the prediction accuracy. We have found 124 putative cis-regulatory elements and grouped these into 20 clusters. The investigation on the coexistence of these clusters in human gene promoters reveals that SP1, EGR, and NRF-1 are the dominant clusters appearing in the combinatorial combination of up to five clusters. Gene Ontology (GO) analysis also shows that many GO categories of transcription factors binding to these cis-regulatory elements match the GO categories of genes whose promoters contain these elements. Compared with previous research, the contribution of this study lies not only in the finding of new cis-regulatory elements, but also in its pioneering exploration on the coexistence of discovered elements and the GO relationship between transcription factors and regulated genes. This exploration verifies the putative cis-regulatory elements that have been found from this study and also gives new insight on the regulation mechanisms of gene expression.

MicroRNAs targeting the immunomodulatory HLA-G gene: a new survey searching for microRNAs with potential to regulate HLA-G

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Searching for the ideal DNA recognition code of covalent ligands

The combitiatorial approach restriction endonuclease protection selection and amplification REPSA was successfully used to determine ideal DNA interactions sites of covalent ligands. Unlike most other combinatorial methods, REPSA is based on inhibition of enzymatic cleavage by specific ligand-DNA complexes, which enables identification of binding sites of various ligands. However, the inherent nature of this technique posses a problem during selection of binding sites of covalent ligands. By modifying the technique according to the nature of the ligand, we demonstrate the flexibility of REPSA in identifying the preferred binding sites for monocovalent ligands, topoisomerase I and tallimustine, and the bicovalent ligand topoisomerase II. From among the preferred binding sites, we identified the consensus binding sequence of camptothecin induced topoisomerase I cleavage as ‘aGWT/Gc’, and tallimustine consensus sequences as ‘GTTCTA’ and ‘TTTTTTC’. We have shown for the first time that preferential binding of tallimustine occurs at sequences not previously reported. Furthermore, our data indicate that tallimustine is a novel DNA minor groove, guanine-specific alkylating agent. ^ Additionally, we have demonstrated in vivo that sequence-specific covalent DNA-binding small molecules have the ability to regulate transcription by inhibiting RNA polymerase II. Tallimustine, binding to its preferred sequences located in the 5′ untranslated region were an effective impediment for transcribing polymerase II. The ability of covalent binding small molecules to target predetermined DNA sequences located downstream of the promoter suggests a general approach for regulation of gene expression. ^

Gene2EST: a BLAST2 server for searching expressed sequence tag (EST) databases with eukaryotic gene-sized queries

Expressed sequence tags (ESTs) are randomly sequenced cDNA clones. Currently, nearly 3 million human and 2 million mouse ESTs provide valuable resources that enable researchers to investigate the products of gene expression. The EST databases have proven to be useful tools for detecting homologous genes, for exon mapping, revealing differential splicing, etc. With the increasing availability of large amounts of poorly characterised eukaryotic (notably human) genomic sequence, ESTs have now become a vital tool for gene identification, sometimes yielding the only unambiguous evidence for the existence of a gene expression product. However, BLAST-based Web servers available to the general user have not kept pace with these developments and do not provide appropriate tools for querying EST databases with large highly spliced genes, often spanning 50 000–100 000 bases or more. Here we describe Gene2EST (http://woody.embl-heidelberg.de/gene2est/), a server that brings together a set of tools enabling efficient retrieval of ESTs matching large DNA queries and their subsequent analysis. RepeatMasker is used to mask dispersed repetitive sequences (such as Alu elements) in the query, BLAST2 for searching EST databases and Artemis for graphical display of the findings. Gene2EST combines these components into a Web resource targeted at the researcher who wishes to study one or a few genes to a high level of detail.