Compositions in life science data

The aim of this talk is to convince the reader that there are a lot of interesting statisticalproblems in presentday life science data analysis which seem ultimately connected withcompositional statistics.Key words: SAGE, cDNA microarrays, (1D-)NMR, virus quasispecies

Thermal evolution of gene expression profiles in Drosophila subobscura

Background: Despite its pervasiveness, the genetic basis of adaptation resulting in variation directly or indirectly related to temperature (climatic) gradients is poorly understood. By using 3-fold replicated laboratory thermal stocks covering much of the physiologically tolerable temperature range for the temperate (i.e., cold tolerant) species Drosophila subobscura we have assessed whole-genome transcriptional responses after three years of thermal adaptation, when the populations had already diverged for inversion frequencies, pre-adult life history components, and morphological traits. Total mRNA from each population was compared to a reference pool mRNA in a standard, highly replicated two-colour competitive hybridization experiment using cDNA microarrays.Results: A total of 306 (6.6%) cDNA clones were identified as 'differentially expressed' (following a false discovery rate correction) after contrasting the two furthest apart thermal selection regimes (i.e., 13°C vs . 22°C), also including four previously reported candidate genes for thermotolerance in Drosophila (Hsp26, Hsp68, Fst, and Treh). On the other hand, correlated patterns of gene expression were similar in cold- and warm-adapted populations. Analysis of functional categories defined by the Gene Ontology project point to an overrepresentation of genes involved in carbohydrate metabolism, nucleic acids metabolism and regulation of transcription among other categories. Although the location of differently expressed genes was approximately at random with respect to chromosomes, a physical mapping of 88 probes to the polytene chromosomes of D. subobscura has shown that a larger than expected number mapped inside inverted chromosomal segments.Conclusion: Our data suggest that a sizeable number of genes appear to be involved in thermal adaptation in Drosophila, with a substantial fraction implicated in metabolism. This apparently illustrates the formidable challenge to understanding the adaptive evolution of complex trait variation. Furthermore, some clustering of genes within inverted chromosomal sections was detected. Disentangling the effects of inversions will be obviously required in any future approach if we want to identify the relevant candidate genes.

Ultrastructural characterisation of the cell wall of Arabidopsis thaliana transgenic plants

The plant cell wall is a strong fibrillar network that gives each cell its stable shape. It is constituted by a network of cellulose microfibrils embedded in a matrix of polysaccharides, such as xyloglucans. To enlarge, cells selectively loosen this network. Moreover, there is a pectin-rich intercellular material, the middle lamella, cementing together the walls of adjacent plant cells. Xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases (XTHs) are a group of enzymes involved in the reorganisation of the cellulose-xyloglucan framework by catalysing cleavage and re-ligation of the xyloglucan chains in the plant cell wall, and are considered cell wall loosening agents. In the laboratory, it has been isolated and characterised a XTH gene, ZmXTH1, from an elongation root cDNA library of maize. To address the cellular function of ZmXTH1, transgenic Arabidopsis thaliana plants over-expressing ZmXTH1 (under the control of the CaMV35S promoter) were generated. The aim of the work performed was therefore the characterisation of these transgenic plants at the ultrastructural level, by transmission electron microscopy (TEM).The detailed cellular phenotype of transgenic plants was investigated by comparing ultra-thin transverse sections of basal stem of 5-weeks old plants of wild type (Col 0) and 35S-ZmXTH1 Arabidopsis plants. Transgenic plants show modifications in the cell walls, particularly a thicker middle lamella layer with respect the wild type plants, supporting the idea that the overexpression of ZmXTH1 could imply a pronounced wall-loosening. In sum, the work carried out reinforces the idea that ZmXTH1 is involved in the cell wall loosening process in maize.  

Caracterització estructural i funcional del gen de la miogenia en l’orada (Sparus aurata )

Report for the scientific sojourn at the University of Maryland Biotechnology Institute from February to August 2007. Myogenesis of skeletal muscles in vertebrates is controlled by extracellular signalling molecules together with intracellular transcription factors. Among the transcriptional factors, the members of the myogenic regulatory family play important roles regulating skeletal muscle development and growth. To characterize the gene structure and expression of fish myogenin, we have isolated the myogenin genomic gene and cDNA from gilthead seabream (Sparus aurata) and analyzed the genomic structure, pattern of expression and the regulation of musclespecific expression. Sequence analysis revealed that the seabream myogenin shares a similar gene structure with other fish myogenins, with three exons, two introns and the highly conserved bHLH domain. Expression studies demonstrated that myogenin is expressed in both slow and fast muscles as well as in muscle cells in primary culture. In situ hybridization showed that myogenin was specifically expressed in developing somites of seabream embryos. Promoter activity analysis demonstrated that the myogenin promoter could drive green fluorescence protein expression in muscle cells of zebrafish embryos, as well as in myofibers of adult zebrafish and juvenile seabream.

Obtenció de jerarquies d'estats cel·lulars via web

Hi ha diversos mètodes d'anàlisi que duen a terme una agrupació global de la sèries de mostres de microarrays, com SelfOrganizing Maps, o que realitzen agrupaments locals tenint en compte només un subconjunt de gens coexpressats, com Biclustering, entre d'altres. En aquest projecte s'ha desenvolupat una aplicació web: el PCOPSamplecl, és una eina que pertany als mètodes d'agrupació (clustering) local, que no busca subconjunts de gens coexpresats (anàlisi de relacions linials), si no parelles de gens que davant canvis fenotípics, la seva relació d'expressió pateix fluctuacions. El resultats del PCOPSamplecl seràn les diferents distribucions finals de clusters i les parelles de gens involucrades en aquests canvis fenotípics. Aquestes parelles de gens podràn ser estudiades per trobar la causa i efecte del canvi fenotípic. A més, l'eina facilita l'estudi de les dependències entre les diferents distribucions de clusters que proporciona l'aplicació per poder estudiar la intersecció entre clusters o l'aparició de subclusters (2 clusters d'una mateixa agrupació de clusters poden ser subclusters d'altres clusters de diferents distribucions de clusters). L'eina és disponible al servidor: http://revolutionresearch.uab.es/

Bioinformática: interfaz web para estudiar el efecto de diferentes condiciones sobre la expresión de los genes

El trabajo realizado se divide en dos bloques bien diferenciados, ambos relacionados con el análisis de microarrays. El primer bloque consiste en agrupar las condiciones muestrales de todos los genes en grupos o clústers. Estas agrupaciones se obtienen al aplicar directamente sobre la microarray los siguientes algoritmos de agrupación: SOM,PAM,SOTA,HC y al aplicar sobre la microarray escalada con PC y MDS los siguientes algoritmos: SOM,PAM,SOTA,HC y K-MEANS. El segundo bloque consiste en realizar una búsqueda de genes basada en los intervalos de confianza de cada clúster de la agrupación activa. Las condiciones de búsqueda ajustadas por el usuario se validan para cada clúster respecto el valor basal 0 y respecto el resto de clústers, para estas validaciones se usan los intervalos de confianza. Estos dos bloques se integran en una aplicación web ya existente, el applet PCOPGene, alojada en el servidor: http://revolutionresearch.uab.es.

Cirp function and characterisation in RNA and microRNAs

In order to search for novel genes involved in cell proliferation, the hypothesis was that by infecting primary cells with a cDNA library of immortal cells would render immortalizing genes. Consequently it has been discovered CIRP (Cold inducible RNA-binding protein). Mammalian cells exposed to mild hypothermia show a general inhibition of protein synthesis and a concomitant increase in the expression of a small number of cold-shock mRNAs and proteins. Rbm3, another RNA binding protein belonging to the same family, has been postulated to facilitate protein synthesis at mild cold shock. To investigate if the same occurs for CIRP, CIRP was overexpressed in primary cells and protein sintesis was measured. Interestingly, CIRP increased protein synthesis, however, such increase did not involve an increase in the polysome fraction or affected the ribosome profile. In addition, the effect caused by CIRP inhibition or knockdown was also analyzed. Different siRNAs against CIRP were tested. Once checked their efficiency by decreasing CIRP at mRNA and protein levels, proliferation was tested by BrdU, cell number (DAPI) and proliferation curves were performed. Interestingly, CIRP provoke a decreased proliferation in primary cells: MEFs, HMEC; and cancer cells: TERA2 and HeLa. In conclusion, we describe for the first time that CIRP bypasses replicative senescence when over-expressed at physiological temperature (37ºC) by increasing a general protein synthesis. This effect is achieved through ERK1/2 activation in MEFs.The decrease in growth rate found in mammalian cells treated with mild cold stress is not entirely attributable to arrested metabolism. This decrease may also involve an active process in which CIRP and other stress-responsive proteins play a fundamental role in stimulating proliferation. Although most cell proteins are down-regulated or inhibited with cold stress, CIRP is activated to maintain cells in an active proliferative status and its overexpression at 37°C might be potentially oncogenic.

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.

Interfaz web para mostrar los genes según las relaciones que mantienen sus expresiones

La investigació entre les relacions dels nivells d’expressió dels gens aporta molta informació sobre els processos biològics i patològics. Mitjançant la tècnica de les microarrays es possibilita la investigació de les relacions d’expressió de milers de gens a la vegada. La finalitat d’aquest projecte es fent ús de l’aplicatiu web PCOPGene-Net, permetre la identificació dels gens per les relacions d’expressió no lineals que tenen amb la resta de gens i permetre també la identificació de les relacions d’expressió no lineals entre els gens d’una microarray.

Comparación de datos de expresión génica del servidor local con datos de una base de datos remota

En la presente memoria se detalla con precisión las diversas fases del trabajo para construir una aplicación web en el servidor http://revolutionresearch.uab.es que permite enriquecer los clusters de la microarray del usuario con información biomédica de una base de datos remota. Los clusters de origen estadístico (o no) de la microarray del usuario se enriquecen a partir de cruzar sus genes marcadores con la base de datos de genes marcadores de microarrays (base de datos remota) con clusters basados en información biomédica. La base de datos de genes marcadores de microarrays ha sido obtenida a partir de la base de datos de GEO Profiles del NCBI.

Expressió de VEGF com a factor pronòstic independent de recaiguda a la malaltia de Hodgkin.

El paper del fenomen angiogènic en els diferents tumors sòlids ha estat l’objectiu de nombrosos estudis en els darrers anys. La importància d’aquest procés en les neoplàsies d’origen hematològic encara és bastant desconeguda. En aquest treball hem estudiat l’expressió immunohistoquímica del factor de creixement de l’endoteli vascular (VEGF) en els “tissue microarrays” (TMA) de 252 pacients diagnosticats de limfoma de Hodgkin tractats de forma homogènia (poliquimioteràpia esquema ADVD amb o sense radioteràpia) entre els anys 1978 i 2003. Els resultats s’han correlacionat amb l’evolució dels pacients i s’ha avaluat la seva importància en la supervivència lliure de malaltia i supervivencia global de la sèrie.

Caracterización funcional de las HERC ubiquitina ligasas en modelos in vivo

La família de proteïnes HERC contenen dos dominis característics: HECT i RLD (RCC1-like). Proteïnes amb dominis HECT funcionen com ubiquitina ligasas i proteïnes amb dominis RLD actuen com a reguladors de GTPases. En humans, la família HERC està formada per sis membres: les gegants (HERC1-2) i les petites (HERC3-6). HERC1 va ser la primera a identificar-se, conté dos dominis RLD (RLD1 i RLD2) i ha estat implicada en tràfic de membrana, proliferació i creixement cel.lular per les seves interaccions amb clatrina, M2-piruvat quinasa i tuberina (TSC2). Aquí es descriu la caracterització del ratolí "rescat" d'una mutació espontània i recessiva anomenada tambaleante, que causa una degeneració progressiva de les cèl.lules de Purkinje amb atàxia severa, un creixement reduït i una menor supervivència. Aquest rescat va ser realitzat amb un transgèn de cDNA de HERC1 humà i demostra que HERC1 és el responsable del fenotip oscil.lant. Hem generats animals knock-outs de HERC1 que no expressen el extremo ubiquitina ligasa de la proteïna, i que no mimetitzen el fenotip tambaleante. La resposta de MEFs de tambaleante a insulina tampoc mimetitza l'activació reduïda dels substrats de mTOR, ni l'autofàgia observats en l'animal tambaleante. Els nostres resultats suggereixen que HERC1 podria estar implicada en la regulació de la biogènesi ribosomal. Aquestes observacions contribueixen a la caracterització funcional de la ubiquitina ligasa HERC1 i demostren un paper fins ara desconegut de HERC1 en creixement i neurodegeneració.

Bioinformática: base de datos de matrices de expresión génica para su análisis vía web

El IBB ha desarrollado un servidor de aplicaciones: http://revolutionresearch.uab.es para el análisis de microarrays. Estas microarrays las obtienen y las suben a la base de datos local los usuarios de la aplicación. En la presente memoria se detalla el proceso realizado para automatizar la subida de microarrays públicas a la base de datos local. Estas microarrays se obtendrán del NCBI. El proceso de descarga de microarrays se realizará cada dos meses y estará sincronizado con un proceso de descarga de genes marcadores de microarrays del NCBI. En la memoria también se describen las fases realizadas para crear la interfaz web para gestionar estas microarrays públicas y las modificaciones realizadas sobre el aplicativo web para permitir realizar análisis con estas microarrays.

SGP-1: prediction and validation of homologous genes based on sequence alignments

Conventional methods of gene prediction rely on the recognition of DNA-sequence signals, the coding potential or the comparison of a genomic sequence with a cDNA, EST, or protein database. Reasons for limited accuracy in many circumstances are species-specific training and the incompleteness of reference databases. Lately, comparative genome analysis has attracted increasing attention. Several analysis tools that are based on human/mouse comparisons are already available. Here, we present a program for the prediction of protein-coding genes, termed SGP-1 (Syntenic Gene Prediction), which is based on the similarity of homologous genomic sequences. In contrast to most existing tools, the accuracy of SGP-1 depends little on species-specific properties such as codon usage or the nucleotide distribution. SGP-1 may therefore be applied to nonstandard model organisms in vertebrates as well as in plants, without the need for extensive parameter training. In addition to predicting genes in large-scale genomic sequences, the program may be useful to validate gene structure annotations from databases. To this end, SGP-1 output also contains comparisons between predicted and annotated gene structures in HTML format. The program can be accessed via a Web server at http://soft.ice.mpg.de/sgp-1. The source code, written in ANSI C, is available on request from the authors.

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.