Development and Validation of Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Markers from Two Transcriptome 454-Runs of Turbot (Scophthalmus maximus) Using High-Throughput Genotyping

The turbot (Scophthalmus maximus) is a commercially valuable flatfish and one of the most promising aquaculture species in Europe. Two transcriptome 454-pyrosequencing runs were used in order to detect Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) in genesrelated to immune response and gonad differentiation. A total of 866 true SNPs were detected in 140 different contigs representing 262,093 bp as a whole. Only one true SNP was analyzed in each contig. One hundred and thirteen SNPs out of the 140 analyzed were feasible (genotyped), while Ш were polymorphic in a wild population. Transition/transversion ratio (1.354) was similar to that observed in other fish studies. Unbiased gene diversity (He) estimates ranged from 0.060 to 0.510 (mean = 0.351), minimum allele frequency (MAF) from 0.030 to 0.500 (mean = 0.259) and all loci were in Hardy-Weinberg equilibrium after Bonferroni correction. A large number of SNPs (49) were located in the coding region, 33 representing synonymous and 16 non-synonymous changes. Most SNP-containing genes were related to immune response and gonad differentiation processes, and could be candidates for functional changes leading to phenotypic changes. These markers will be useful for population screening to look for adaptive variation in wild and domestic turbot

Identification of myxobacteria-derived HIV inhibitors by a high-throughput two-step infectivity assay

Drug-resistance and therapy failure due to drug-drug interactions are the main challenges in current treatment against Human Immunodeficiency Virus (HIV) infection. As such, there is a continuous need for the development of new and more potent anti-HIV drugs. Here we established a high-throughput screen based on the highly permissive TZM-bl cell line to identify novel HIV inhibitors. The assay allows discriminating compounds acting on early and/or late steps of the HIV replication cycle. The platform was used to screen a unique library of secondary metabolites derived from myxobacteria. Several hits with good anti-HIV profiles were identified. Five of the initial hits were tested for their antiviral potency. Four myxobacterial compounds, sulfangolid C, soraphen F, epothilon D and spirangien B, showed EC50 values in the nM range with SI > 15. Interestingly, we found a high amount of overlapping hits compared with a previous screen for Hepatitis C Virus (HCV) using the same library. The unique structures and mode-of-actions of these natural compounds make myxobacteria an attractive source of chemicals for the development of broad-spectrum antivirals. Further biological and structural studies of our initial hits might help recognize smaller drug-like derivatives that in turn could be synthesized and further optimized.

High-throughput sequence analysis of turbot (Scophthalmus maximus) transcriptome using 454-pyrosequencing for the discovery of antiviral immune genes

Turbot (Scophthalmus maximus L.) is an important aquacultural resource both in Europe and Asia. However, there is little information on gene sequences available in public databases. Currently, one of the main problems affecting the culture of this flatfish is mortality due to several pathogens, especially viral diseases which are not treatable. In order to identify new genes involved in immune defense, we conducted 454-pyrosequencing of the turbot transcriptome after different immune stimulations.

Transcriptomics of In Vitro Immune-Stimulated Hemocytes from the Manila Clam Ruditapes philippinarum Using High-Throughput Sequencing

The Manila clam (Ruditapes philippinarum) is a worldwide cultured bivalve species with important commercial value. Diseases affecting this species can result in large economic losses. Because knowledge of the molecular mechanisms of the immune response in bivalves, especially clams, is scarce and fragmentary, we sequenced RNA from immune-stimulated R. philippinarum hemocytes by 454-pyrosequencing to identify genes involved in their immune defense against infectious diseases.

Estudi d’alteracions genètiques predictores de resposta al tractament amb cetuximab en càncer colorectal

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Cancer Center, Massachusetts General Hospital- Harvard School of Medicine, Boston, Estats Units entre gener i juny 2007. El desenvolupament de nous fàrmacs dirigits a dianes moleculars específiques ha suposat un gran avanç en el tractament del càncer. El millor coneixement dels mecanismes que determinen la sensibilitat a aquests tractaments biològics és crucial per poder oferir tractaments selectius, optimitzar l'índex terapèutic i controlar l'elevat cost d'aquests fàrmacs. Tal com ha demostrat el grup liderat pel Dr. Settleman i altres, la sensibilitat del tumor a nous fàrmacs dirigits a diana molecular ve determinada en part per alteracions genètiques de les cèl.lules tumorals. El paradigma és la resposta clínica a fàrmacs inhibidors tirosin-cinasa d’ EGFR dels pacients amb càncer de pulmó amb mutacions d'EGFR. Donada la importància de trobar marcadors predictors de sensibilitat a les noves teràpies biològiques, la detecció a gran escala d' alteraciones genètiques i las seva correlació amb la sensibilitat al tractament amb aquests fàrmacs en models preclínics és un primer pas essencial per a un posterior desenvolupament a nivell clínic. En aquest estudi vam establir una plataforma de cribatge d’alta densitat (high throughput screening) de línies cel.lulars que ens permet detectar alteracions genètiques predictores de resposta a fàrmacs dirigits a diana molecular específica. Presentem el desenvolupament d'aquesta plataforma i el resultat de dues aplicacions específiques(... )

Disseny i optimització de membranes compòsit amb xarxes metal•loorgàniques per a nanofiltració i separacions de gasos

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, entre 2007 i 2009. Aquest projecte descriu la síntesi i aplicació de nous tipus de membranes compòsit basades en xarxes metal•loorgàniques (MOFs). Aquestes es van seleccionar tenint en compte les seves propietats estructurals per tal de discriminar les espècies a separar en funció de la seva mida molecular. Les membranes obtingudes s'han aplicat satisfactòriament tant en separacions líquides, concretament en nanofiltració resistent a dissolvents (SRNF), i en separació de parells de gasos com CO2/CH4, CO2/N2 i H2/CO2. Els resultats obtinguts posen de manifest l'obtenció de membranes sense defectes i amb rendiments prometedors, en la majoria dels casos, amb permeabilitats i selectivitats superiors a membranes purament polimèriques. Tanmateix s'ha desenvolupat un nou equipament d'alt rendiment (HT) per a separacions de gasos que inclou un mòdul que permet realitzar 16 experiments simultàniament. Els resultats obtinguts amb el nou equip són comparables amb els obtinguts amb mòduls convencionals, i alhora presenten una millor reproduïbilitat. Finalment, s'ha establert un nou mètode per a obtenir membranes per a SRNF, que han estat aplicades en processos de separació de catalitzadors homogenis en dissolvents polars apròtics i s'han caracteritzat emprant la tècnica d'espectroscòpia d'annihilació de positrons, que ha permès establir per primer cop una relació entre les propietats estructurals de les membranes a nivell molecular i el seu rendiment en les aplicacions anteriors.

Desenvolupament d'eines d'alta ressolució per al cribatge (screening) de l'activitat de fàrmacs

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Satandford University, EEUU, entre 2007 i 2009. Els darrers anys, hi ha hagut un avanç espectacular en la tecnologia aplicada a l’anàlisi del genoma i del proteoma (microarrays, PCR quantitativa real time, electroforesis dos dimensions, espectroscòpia de masses, etc.) permetent la resolució de mostres complexes i la detecció quantitativa de diferents gens i proteïnes en un sol experiment. A més a més, la seva importància radica en la capacitat d’identificar potencials dianes terapèutiques i possibles fàrmacs, així com la seva aplicació en el disseny i desenvolupament de noves eines de diagnòstic. L’aplicabilitat de les tècniques actuals, però, està limitada al nivell al que el teixit pot ser disseccionat. Si bé donen valuosa informació sobre expressió de gens i proteïnes implicades en una malaltia o en resposta a un fàrmac per exemple, en cap cas, s’obté una informació in situ ni es pot obtenir informació espacial o una resolució temporal, així com tampoc s’obté informació de sistemes in vivo. L’objectiu d’aquest projecte és desenvolupar i validar un nou microscopi, d’alta resolució, ultrasensible i de fàcil ús, que permeti tant la detecció de metabòlits, gens o proteïnes a la cèl•lula viva en temps real com l’estudi de la seva funció. Obtenint així una descripció detallada de les interaccions entre proteïnes/gens que es donen dins la cèl•lula. Aquest microscopi serà un instrument sensible, selectiu, ràpid, robust, automatitzat i de cost moderat que realitzarà processos de cribatge d’alt rendiment (High throughput screening) genètics, mèdics, químics i farmacèutics (per aplicacions diagnòstiques i de identificació i selecció de compostos actius) de manera més eficient. Per poder realitzar aquest objectius el microscopi farà ús de les més noves tecnologies: 1)la microscopia òptica i d’imatge, per millorar la visualització espaial i la sensibilitat de l’imatge; 2) la utilització de nous mètodes de detecció incloent els més moderns avanços en nanopartícules; 3) la creació de mètodes informàtics per adquirir, emmagatzemar i processar les imatges obtingudes.

Bases genètiques de la malformació de Chiari

La Malformació de Chiari tipus I (MCI) ha estat definida tradicionalment com la herniació de les amígdales cerebel•loses d’almenys 5mm, a través del forat mange. En general, els símptomes es posen de manifest durant la segona o tercera dècada de vida, tot i que s’han descrit casos pediàtrics. Donada la complexitat del quadre clínic, per realitzar un diagnòstic adient es requereix avaluació clínica i estudi de neuroimatge. La tècnica de preferència és la ressonància magnètica d’imatge, considerant-se actualment com a pacients de MCI aquells que presenten un descens de les amígdales superior a 3mm per sota del forat magne. L'existència de casos asimptomàtics dificulta establir una prevalença concreta, però s’ha estimat que podria estar entre 1/1000 a 1/5000 sent major en dones que en homes (2:1 aproximadament). Fins el moment, es desconeix l’etiologia de la malaltia però la hipòtesi més acceptada és que MCI és deguda al desenvolupament insuficient del mesoderm paraxial. Diferents estudis realitzats fins el moment evidencien que almenys, un subgrup de pacients amb MCI són deguts a contribució genètica: 1) casos d’agregació familiar amb afectes en tres generacions; 2) estudis de bessons 3) associació amb síndromes genètics coneguts amb herència mendeliana produïts per anomalies óssies que donen suport a la hipòtesi de la insuficiència del mesoderm com a causa de MCI. Davant l’evidència clara d’un component genètic com a principal causant de l’etiologia de MCI, l’objectiu del projecte va ser la identificació de les bases genètiques de la MCI, tant en gens responsables de les formes mendelianes com en gens responsables de les formes complexes de MCI mitjançant dues estratègies: 1-Identificació de variants genètiques de susceptibilitat en pacients amb MCI mitjançant estudis d’associació de tipus cas-control. 2-Anàlisi genètic de formes monogèniques mitjançant l’anàlisi de lligament a marcardors polimòrfics i la seqüenciació del DNA a gran escala.

Avaluació de l’estructuració genètica humana a la Península Ibèrica i a d’altres regions del sudoest europeu: implicacions poblacionals i epidemiològiques

Els avenços en tècniques de genotipat de polimorfismes genètics a gran escala estan liderant una revolució en el camp de l’epidemiologia genètica i la genètica de poblacions humanes. La informació aportada per aquestes tècniques ha evidenciat l’existència d’estructuracions poblacionals que poden augmentar l’error en els estudis d’associació a escala genòmica (GWAS, genome-wide association studies). Estudis recents han demostrat la presència d’aquestes estructuracions a nivell interregional i intrarregional a Europa. El present projecte ha avaluat el grau d’estructuració genètica en poblacions de la Península Ibèrica i altres regions del sudoest europeu (Itàlia i França) per quantificar l’impacte que aquesta potencial estructuració pot tenir en el disseny d’estudis d’associació GWAS i reconstruir la història demogràfica de les poblacions de la Mediterrània. Per aconseguir aquests objectius, s’han analitzat mostres de DNA de 770 individus de 26 poblacions de la Península Ibèrica, França, Itàlia i d’altres països de la Mediterrània. Aquestes mostres van ser genotipades per 240000 SNPs utilitzant l’array 250K StyI d’Affymetrix en el marc d’aquest projecte o mitjançant altres arrays d’Affymetrix en els projectes internacionals HapMap i POPRES. S’han realitzat anàlisis estadístiques incloent anàlisis de components principals, Fst, identitat per descendència, desequilibri de lligament, barreres genètiques, etc. Aquests resultats han permés construir un marc de referència de la variabilitat en aquesta regió, avaluar el seu impacte en estudis d’associació i proposar mesures per evitar l’increment de qualsevol tipus d’error (tipus I i II) en estudis nacionals i internacionals. A més, també han permés reconstruir la història de les poblacions humanes de la Mediterrània així com analitzar les seves relacions demogràfiques. Donada la duració limitada d’aquesta acció (24 mesos, d’octubre de 2010 a setembre de 2012), els resultats d’aquest projecte es troben actualment en fase de redacció i conduiran a diverses publicacions en revistes internacionals i a la preparació de comunicacions a congressos.

Pseudogenes in the ENCODE regions: consensus annotation, analysis of transcription, and evolution

Arising from either retrotransposition or genomic duplication of functional genes, pseudogenes are “genomic fossils” valuable for exploring the dynamics and evolution of genes and genomes. Pseudogene identification is an important problem in computational genomics, and is also critical for obtaining an accurate picture of a genome’s structure and function. However, no consensus computational scheme for defining and detecting pseudogenes has been developed thus far. As part of the ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) project, we have compared several distinct pseudogene annotation strategies and found that different approaches and parameters often resulted in rather distinct sets of pseudogenes. We subsequently developed a consensus approach for annotating pseudogenes (derived from protein coding genes) in the ENCODE regions, resulting in 201 pseudogenes, two-thirds of which originated from retrotransposition. A survey of orthologs for these pseudogenes in 28 vertebrate genomes showed that a significant fraction (∼80%) of the processed pseudogenes are primate-specific sequences, highlighting the increasing retrotransposition activity in primates. Analysis of sequence conservation and variation also demonstrated that most pseudogenes evolve neutrally, and processed pseudogenes appear to have lost their coding potential immediately or soon after their emergence. In order to explore the functional implication of pseudogene prevalence, we have extensively examined the transcriptional activity of the ENCODE pseudogenes. We performed systematic series of pseudogene-specific RACE analyses. These, together with complementary evidence derived from tiling microarrays and high throughput sequencing, demonstrated that at least a fifth of the 201 pseudogenes are transcribed in one or more cell lines or tissues.

Splitting statistical potentials into meaningful scoring functions: testing the prediction of near-native structures from decoy conformations

Background: Recent advances on high-throughput technologies have produced a vast amount of protein sequences, while the number of high-resolution structures has seen a limited increase. This has impelled the production of many strategies to built protein structures from its sequence, generating a considerable amount of alternative models. The selection of the closest model to the native conformation has thus become crucial for structure prediction. Several methods have been developed to score protein models by energies, knowledge-based potentials and combination of both.Results: Here, we present and demonstrate a theory to split the knowledge-based potentials in scoring terms biologically meaningful and to combine them in new scores to predict near-native structures. Our strategy allows circumventing the problem of defining the reference state. In this approach we give the proof for a simple and linear application that can be further improved by optimizing the combination of Zscores. Using the simplest composite score () we obtained predictions similar to state-of-the-art methods. Besides, our approach has the advantage of identifying the most relevant terms involved in the stability of the protein structure. Finally, we also use the composite Zscores to assess the conformation of models and to detect local errors.Conclusion: We have introduced a method to split knowledge-based potentials and to solve the problem of defining a reference state. The new scores have detected near-native structures as accurately as state-of-art methods and have been successful to identify wrongly modeled regions of many near-native conformations.

A proteomics approach to decipher the molecular nature of planarian stem cells.

Background In recent years, planaria have emerged as an important model system for research into stem cells and regeneration. Attention is focused on their unique stem cells, the neoblasts, which can differentiate into any cell type present in the adult organism. Sequencing of the Schmidtea mediterranea genome and some expressed sequence tag projects have generated extensive data on the genetic profile of these cells. However, little information is available on their protein dynamics. Results We developed a proteomic strategy to identify neoblast-specific proteins. Here we describe the method and discuss the results in comparison to the genomic high-throughput analyses carried out in planaria and to proteomic studies using other stem cell systems. We also show functional data for some of the candidate genes selected in our proteomic approach. Conclusions We have developed an accurate and reliable mass-spectra-based proteomics approach to complement previous genomic studies and to further achieve a more accurate understanding and description of the molecular and cellular processes related to the neoblasts.

Smed454 dataset: unravelling the transcriptome of Schmidtea mediterranea

Background: Freshwater planarians are an attractive model for regeneration and stem cell research and have become a promising tool in the field of regenerative medicine. With the availability of a sequenced planarian genome, the recent application of modern genetic and high-throughput tools has resulted in revitalized interest in these animals, long known for their amazing regenerative capabilities, which enable them to regrow even a new head after decapitation. However, a detailed description of the planarian transcriptome is essential for future investigation into regenerative processes using planarians as a model system. Results: In order to complement and improve existing gene annotations, we used a 454 pyrosequencing approach to analyze the transcriptome of the planarian species Schmidtea mediterranea Altogether, 598,435 454-sequencing reads, with an average length of 327 bp, were assembled together with the ~10,000 sequences of the S. mediterranea UniGene set using different similarity cutoffs. The assembly was then mapped onto the current genome data. Remarkably, our Smed454 dataset contains more than 3 million novel transcribed nucleotides sequenced for the first time. A descriptive analysis of planarian splice sites was conducted on those Smed454 contigs that mapped univocally to the current genome assembly. Sequence analysis allowed us to identify genes encoding putative proteins with defined structural properties, such as transmembrane domains. Moreover, we annotated the Smed454 dataset using Gene Ontology, and identified putative homologues of several gene families that may play a key role during regeneration, such as neurotransmitter and hormone receptors, homeobox-containing genes, and genes related to eye function. Conclusions: We report the first planarian transcript dataset, Smed454, as an open resource tool that can be accessed via a web interface. Smed454 contains significant novel sequence information about most expressed genes of S. mediterranea. Analysis of the annotated data promises to contribute to identification of gene families poorly characterized at a functional level. The Smed454 transcriptome data will assist in the molecular characterization of S. mediterranea as a model organism, which will be useful to a broad scientific community.

Smed454 dataset: unravelling the transcriptome of Schmidtea mediterranea

Background Freshwater planarians are an attractive model for regeneration and stem cell research and have become a promising tool in the field of regenerative medicine. With the availability of a sequenced planarian genome, the recent application of modern genetic and high-throughput tools has resulted in revitalized interest in these animals, long known for their amazing regenerative capabilities, which enable them to regrow even a new head after decapitation. However, a detailed description of the planarian transcriptome is essential for future investigation into regenerative processes using planarians as a model system. Results In order to complement and improve existing gene annotations, we used a 454 pyrosequencing approach to analyze the transcriptome of the planarian species Schmidtea mediterranea Altogether, 598,435 454-sequencing reads, with an average length of 327 bp, were assembled together with the ~10,000 sequences of the S. mediterranea UniGene set using different similarity cutoffs. The assembly was then mapped onto the current genome data. Remarkably, our Smed454 dataset contains more than 3 million novel transcribed nucleotides sequenced for the first time. A descriptive analysis of planarian splice sites was conducted on those Smed454 contigs that mapped univocally to the current genome assembly. Sequence analysis allowed us to identify genes encoding putative proteins with defined structural properties, such as transmembrane domains. Moreover, we annotated the Smed454 dataset using Gene Ontology, and identified putative homologues of several gene families that may play a key role during regeneration, such as neurotransmitter and hormone receptors, homeobox-containing genes, and genes related to eye function. Conclusions We report the first planarian transcript dataset, Smed454, as an open resource tool that can be accessed via a web interface. Smed454 contains significant novel sequence information about most expressed genes of S. mediterranea. Analysis of the annotated data promises to contribute to identification of gene families poorly characterized at a functional level. The Smed454 transcriptome data will assist in the molecular characterization of S. mediterranea as a model organism, which will be useful to a broad scientific community.

Genome-wide DNA polymorphism analyses using VariScan

BACKGROUND: DNA sequence polymorphisms analysis can provide valuable information on the evolutionary forces shaping nucleotide variation, and provides an insight into the functional significance of genomic regions. The recent ongoing genome projects will radically improve our capabilities to detect specific genomic regions shaped by natural selection. Current available methods and software, however, are unsatisfactory for such genome-wide analysis. RESULTS: We have developed methods for the analysis of DNA sequence polymorphisms at the genome-wide scale. These methods, which have been tested on a coalescent-simulated and actual data files from mouse and human, have been implemented in the VariScan software package version 2.0. Additionally, we have also incorporated a graphical-user interface. The main features of this software are: i) exhaustive population-genetic analyses including those based on the coalescent theory; ii) analysis adapted to the shallow data generated by the high-throughput genome projects; iii) use of genome annotations to conduct a comprehensive analyses separately for different functional regions; iv) identification of relevant genomic regions by the sliding-window and wavelet-multiresolution approaches; v) visualization of the results integrated with current genome annotations in commonly available genome browsers. CONCLUSION: VariScan is a powerful and flexible suite of software for the analysis of DNA polymorphisms. The current version implements new algorithms, methods, and capabilities, providing an important tool for an exhaustive exploratory analysis of genome-wide DNA polymorphism data.