Characterization of DNA sequence properties through network and statistical approaches

In this thesis we will see that the DNA sequence is constantly shaped by the interactions with its environment at multiple levels, showing footprints of DNA methylation, of its 3D organization and, in the case of bacteria, of the interaction with the host organisms. In the first chapter, we will see that analyzing the distribution of distances between consecutive dinucleotides of the same type along the sequence, we can detect epigenetic and structural footprints. In particular, we will see that CG distance distribution allows to distinguish among organisms of different biological complexity, depending on how much CG sites are involved in DNA methylation. Moreover, we will see that CG and TA can be described by the same fitting function, suggesting a relationship between the two. We will also provide an interpretation of the observed trend, simulating a positioning process guided by the presence and absence of memory. In the end, we will focus on TA distance distribution, characterizing deviations from the trend predicted by the best fitting function, and identifying specific patterns that might be related to peculiar mechanical properties of the DNA and also to epigenetic and structural processes. In the second chapter, we will see how we can map the 3D structure of the DNA onto its sequence. In particular, we devised a network-based algorithm that produces a genome assembly starting from its 3D configuration, using as inputs Hi-C contact maps. Specifically, we will see how we can identify the different chromosomes and reconstruct their sequences by exploiting the spectral properties of the Laplacian operator of a network. In the third chapter, we will see a novel method for source clustering and source attribution, based on a network approach, that allows to identify host-bacteria interaction starting from the detection of Single-Nucleotide Polymorphisms along the sequence of bacterial genomes.

Metilazione del DNA e Trapianto Allogenico di Cellule Staminali Emopoietiche

Il trapianto di cellule staminali emopoietiche rappresenta la terapia di scelta per numerose patologie ematologiche. Tuttavia, la mortalità da trapianto (non relapse mortality-NRM), ha limitato per lungo tempo il suo utilizzo in pazienti di età >65 anni. L’età non può più essere considerata una controindicazione assoluta al trapianto e il suo utilizzo in fasce di età un tempo ritenute non idonee è in sensibile aumento. La NRM è legata a tre ordini di complicanze: immunologiche (malattia del trapianto contro l’ospite, Graft versus-Host Disease -GVHD-), infettive e tossiche. La tossicità d’organo è direttamente correlata alla intensità del condizionamento che quindi viene ridotta in caso di comorbidità e nel paziente anziano. Tuttavia, ridurre l’intensità del condizionamento significa anche aumentare il rischio di ripresa della malattia ematologica di base e quindi tale aggiustamento deve essere fatto in funzione di indici di invecchiamento e di comorbidità, al fine di non ridurre la potenzialità curativa del trapianto. Per valutare le comorbidità abbiamo uno score altamente predittivo (Hematopoietic Cell Transplant-Comorbidity Index, di Sorror), mentre per valutare l’invecchiamento c’è una grande necessità clinica di marcatori innovativi di età biologica. Il presente lavoro ha l’obiettivo di valutare, nei pazienti sottoposti a trapianto allogenico di cellule staminali emopoietiche per tutte le indicazioni ematologiche, lo stato di metilazione del DNA, indice di età biologica. Lo scopo è di correlare l’epigenoma al rischio trapiantologico del singolo individuo.

Molecular approach to Neurodegenerative Disorders: Role of Nociceptin/Orphanin FQ - NOP System in Parkinson and Epigenetic Mechanism in Alzheimer's Disease

With life expectancies increasing around the world, populations are getting age and neurodegenerative diseases have become a global issue. For this reason we have focused our attention on the two most important neurodegenerative diseases: Parkinson’s and Alzheimer’s. Parkinson’s disease is a chronic progressive neurodegenerative movement disorder of multi-factorial origin. Environmental toxins as well as agricultural chemicals have been associated with PD. Has been observed that N/OFQ contributes to both neurotoxicity and symptoms associated with PD and that pronociceptin gene expression is up-regulated in rat SN of 6-OHDA and MPP induced experimental parkinsonism. First, we investigated the role of N/OFQ-NOP system in the pathogenesis of PD in an animal model developed using PQ and/or MB. Then we studied Alzheimer's disease. This disorder is defined as a progressive neurologic disease of the brain leading to the irreversible loss of neurons and the loss of intellectual abilities, including memory and reasoning, which become severe enough to impede social or occupational functioning. Effective biomarker tests could prevent such devastating damage occurring. We utilized the peripheral blood cells of AD discordant monozygotic twin in the search of peripheral markers which could reflect the pathology within the brain, and also support the hypothesis that PBMC might be a useful model of epigenetic gene regulation in the brain. We investigated the mRNA levels in several genes involve in AD pathogenesis, as well DNA methylation by MSP Real-Time PCR. Finally by Western Blotting we assess the immunoreactivity levels for histone modifications. Our results support the idea that epigenetic changes assessed in PBMCs can also be useful in neurodegenerative disorders, like AD and PD, enabling identification of new biomarkers in order to develop early diagnostic programs.

Composti perfluorurati: Valutazione degli effetti biologici e molecolari in modelli cellulari

L’acido perfluorottanoico (PFOA) e l’acido perfluoronanoico (PFNA) sono composti perfluorurati (PFCs) comunemente utilizzati nell’industria, negli ultimi 60 anni, per diverse applicazioni. A causa della loro resistenza alla degradazione, questi composti sono in grado di accumularsi nell’ambiente e negli organismi viventi, da cui possono essere assunti in particolare attraverso la dieta. Le esistenti evidenze sugli effetti dell’esposizione negli animali, tra cui la potenziale cancerogenicità, hanno accresciuto l’interesse sui possibili rischi per la salute nell’uomo. Recenti studi sull’uomo indicano che i PFC sono presenti nel siero, con livelli molto alti soprattutto nei lavoratori cronicamente esposti, e sono associati positivamente al cancro al seno e alla prostata. Inoltre, sono state riportate proprietà estrogen-like e variazioni nei livelli di metilazione sui promotori di alcuni geni. L’esposizione in utero è stata associata positivamente a ipometilazione globale del DNA nel siero cordonale. L’obiettivo di questo studio è stato quello di indagare gli effetti dell’esposizione a questi perfluorurati su linee cellulari tumorali e primarie umane (MOLM-13, RPMI, HEPG2, MCF7,WBC, HMEC e MCF12A), appartenenti a diversi tessuti target, utilizzando un ampio range di concentrazioni (3.12 nM - 500 μM). In particolare, si è valutato: la vitalità, il ciclo cellulare, l’espressione genica, la metilazione globale del DNA e la metilazione gene specifica. Dai risultati è emerso come entrambi i perfluorurati abbiano effetti biologici: PFOA presenta un effetto prevalente citostatico, PFNA prevalentemente citotossico. L’effetto è, però, prevalente sulle linee cellulari primarie di epitelio mammario (HMEC, MCF12A), anche a concentrazioni riscontrate in lavoratori cronicamente esposti (≥31,25 µM). Dall’analisi su queste cellule primarie, non risultano variazioni significative della metilazione globale del DNA alle concentrazioni di 15,6 e 31,25 µM. Emergono invece variazioni sui geni marcatori del cancro al seno, del ciclo cellulare, dell’apoptosi, del pathway di PPAR-α e degli estrogeni, ad una concentrazione di 31,25 µM di entrambi i PFCs.

Epigenetic signature in persons with Down Syndrome

Persons affected by Down Syndrome show a heterogeneous phenotype that includes developmental defects and cognitive and haematological disorders. Premature accelerated aging and the consequent development of age associated diseases like Alzheimer Disease (AD) seem to be the cause of higher mortality late in life of DS persons. Down Syndrome is caused by the complete or partial trisomy of chromosome 21, but it is not clear if the molecular alterations of the disease are triggered by the specific functions of a limited number of genes on chromosome 21 or by the disruption of genetic homeostasis due the presence of a trisomic chromosome. As epigenomic studies can help to shed light on this issue, here we used the Infinium HumanMethilation450 BeadChip to analyse blood DNA methylation patterns of 29 persons affected by Down syndrome (DSP), using their healthy siblings (DSS) and mothers (DSM) as controls. In this way we obtained a family-based model that allowed us to monitor possible confounding effects on DNA methylation patterns deriving from genetic and environmental factors. We showed that defects in DNA methylation map in genes involved in developmental, neurological and haematological pathways. These genes are enriched on chromosome 21 but localize also in the rest of the genome, suggesting that the trisomy of specific genes on chromosome 21 induces a cascade of events that engages many genes on other chromosomes and results in a global alteration of genomic function. We also analysed the methylation status of three target regions localized at the promoter (Ribo) and at the 5’ sequences of 18S and 28S regions of the rDNA, identifying differently methylated CpG sites. In conclusion, we identified an epigenetic signature of Down Syndrome in blood cells that sustains a link between developmental defects and disease phenotype, including segmental premature aging.

Profili di espressione genetica ed epigenetica ad impatto prognostico e predittivo nel carcinoma squamoso e nelle lesioni potenzialmente maligne del cavo orale

Il carcinoma squamoso orale (CSO) è spesso preceduto da lesioni definite potenzialmente maligne tra cui la leucoplachia e il lichen ma una diagnosi precoce avviene ancora oggi in meno della metà dei casi. Inoltre spesso un paziente trattato per CSO svilupperà secondi tumori. Scopo del lavoro di ricerca è stato: 1) Studiare, mediante metodica di next generation sequencing, lo stato di metilazione di un gruppo di geni a partire da prelievi brushing del cavo orale al fine di identificare CSO o lesioni ad alto rischio di trasformazione maligna. 2) Valurare la relazione esistente tra sovraespressione di p16INK4A e presenza di HPV in 35 pazienti affetti da lichen 3) Valutare la presenza di marker istopatologici predittivi di comparsa di seconde manifestazioni tumorali 4) valutare la relazione clonale tra tumore primitivo e metastasi linfonodale in 8 pazienti mediante 2 metodiche di clonalità differenti: l’analisi di mtDNA e delle mutazioni del gene TP53. I risultati hanno mostrato: 1) i geni ZAP70 e GP1BB hanno presentato un alterato stato di metilazione rispettivamente nel 100% e nel 90,9% di CSO e lesioni ad alto rischio, mentre non sono risultati metilati nei controlli sani; ipotizzando un ruolo come potenziali marcatori per la diagnosi precoce nel CSO. 2)Una sovraespressione di p16INK4A è risultata in 26/35 pazienti affetti da lichen ma HPV-DNA è stato identificato in soli 4 campioni. Nessuna relazione sembra essere tra sovraespressione di p16INK4A e virus HPV. 3)L’invasione perineurale è risultato un marker predittivo della comparsa di recidiva locale e metastasi linfonodale, mentre lo stato dei margini chirurgici si è rilevato un fattore predittivo per la comparsa di secondi tumori primitivi 4) Un totale accordo nei risultati c’è stato tra analisi di mtDNA e analisi di TP53 e le due metodiche hanno identificato la presenza di 4 metastasi linfonodali non clonalmente correlate al tumore primitivo.

Evolutionary epigenetics of modern human populations

Epigenetic variability is a new mechanism for the study of human microevolution, because it creates both phenotypic diversity within an individual and within population. This mechanism constitutes an important reservoir for adaptation in response to new stimuli and recent studies have demonstrated that selective pressures shape not only the genetic code but also DNA methylation profiles. The aim of this thesis is the study of the role of DNA methylation changes in human adaptive processes, considering the Italian peninsula and macro-geographical areas. A whole-genome analysis of DNA methylation profile across the Italian penisula identified some genes whose methylation levels differ between individuals of different Italian districts (South, Centre and North of Italy). These genes are involved in nitrogen compound metabolism and genes involved in pathogens response. Considering individuals with different macro-geographical origins (individuals of Asians, European and African ancestry) more significant DMRs (differentially methylated regions) were identified and are located in genes involved in glucoronidation, in immune response as well as in cell comunication processes. A "profile" of each ancestry (African, Asian and European) was described. Moreover a deepen analysis of three candidate genes (KRTCAP3, MAD1L and BRSK2) in a cohort of individuals of different countries (Morocco, Nigeria, China and Philippines) living in Bologna, was performed in order to explore genetic and epigenetic diversity. Moreover this thesis have paved the way for the application of DNA methylation for the study of hystorical remains and in particular for the age-estimation of individuals starting from biological samples (such as teeth or blood). Noteworthy, a mathematical model that considered methylation values of DNA extracted from cementum and pulp of living individuals can estimate chronological age with high accuracy (median absolute difference between age estimated from DNA methylation and chronological age was 1.2 years).

Microenvironment and prognostic factors in bone tumors: IDH mutations in chondrosarcoma

Microenvironment in bone tumors is a dynamic entity composed of cells from different origins (immune cells, stromal cells, mesenchymal stem cells, endothelial cells, pericytes) and vascular structures surrounded by a matrix of different nature (bone, cartilage, myxoid). Interactions between cancer cells and tumor microenvironment (TME) are complex and can change as tumor progress, but are also crucial in determining response to cancer therapies. Chondrosarcoma is the second most frequent bone cancer in adult age, but its treatment still represents a challenge, for the intrinsic resistance to conventional chemotherapy and radiation therapy. This resistance is mainly due to pathological features, as dense matrix, scarce mitoses and poor vascularization, sustained by biological mechanisms only partially delucidated. Somatic mutation in the Krebs cycle enzyme isocytrate dehydrogenase (IDH) have been described in gliomas, acute myeloid leukemia, cholangiocarcinoma, melanoma, colorectal, prostate cancer, thyroid carcinoma and other cancers. In mesenchymal tumors IDH mutations are present in about 50% of central chondrosarcoma. IDH mutations are an early event in chondrosarcoma-genesis, and contribute to the acquisition of malignancy through the block of cellular differentiation, hypoxia induction through HIF stabilization, DNA methylation and alteration of cellular red-ox balance. While in gliomas IDH mutations confers a good prognosis, in chondrosarcoma IDH prognostic role is controversial in different reported series. First aim of this project is to define the prevalence and the prognostic role of IDH mutation in high grade central conventional chondrosarcoma patients treated at Istituto Ortopedico Rizzoli. Second aim is the critical revision of scientific literature to understand better how a genomic event in cancer cell can trigger alteration in the TME, through immune infiltrate reshaping, angiogenesis induction, metabolic and methylation rewiring. Third aim is to screen other sarcoma histotypes for the presence of IDH mutation.

Indicatori patologici di rilevanza diagnostica nel carcinoma squamocellulare orale felino

Il carcinoma squamocellulare è il tumore maligno orale più frequente nel gatto e si caratterizza per diagnosi spesso tardiva e prognosi infausta. Il progetto riguarda la ricerca di marker di rilevanza dia-gnostica nel carcinoma squamocellulare orale felino (FOSCC), al fine di sviluppare un test di scree-ning non invasivo. È stata condotta un’analisi retrospettiva delle disregolazioni del gene oncosoppres-sore TP53 in campioni istologici di FOSCC e di una popolazione di controllo (lesioni infiammatorie croniche orali e mucose orali normali feline). Tramite next-generation sequencing (NGS) sono state rilevate mutazioni di TP53 nel 69% dei FOSCC, ed anche l’espressione immunoistochimica della pro-teina p53 era presente nel 69% dei tumori, con una concordanza discreta (77%) fra le due alterazioni. Nella popolazione di controllo erano presenti disregolazioni di p53 solo in due lesioni infiammatorie (3%). Successivamente è stata effettuata un’analisi prospettica con NGS della metilazione del DNA di 17 geni, noti per essere disregolati nel carcinoma squamocellulare orale umano o felino, insieme all’analisi mutazionale di TP53, in campioni istologici di FOSCC e in un gruppo di controllo. Le stesse indagini molecolari sono state svolte in parallelo su campioni di cellule prelevate mediante brushing orale. Utilizzando 6 dei geni indagati differenzialmente metilati nei FOSCC (FLI1, MiR124-1, KIF1A, MAGEC2, ZAP70, MiR363) e lo stato mutazionale diTP53, è stato impostato un algoritmo diagnostico per differenziare i FOSCC dalla mucosa orale non neoplastica. Applicato ai brushing, l’algoritmo è risultato positivo (indicativo di carcinoma) in 24/35 (69%) gatti con FOSCC, contro 2/60 (3%) controlli (sensibilità: 69%; specifici-tà: 97%). La quota di FOSCC identificati era significativamente maggiore nei gatti sottoposti a prelievo in anestesia generale rispetto ai gatti svegli. Questi risultati sono incoraggianti per il riconoscimento precoce del FOSCC tramite brushing orale. Saranno necessari ulteriori studi su casistiche più ampie per validare questa metodica e migliorarne la sensibilità.

Targeting epigenetic mechanisms in gastric cancer

Gastric cancer (GC) is a hard challenge for medical oncology, with globally over one million of new diagnoses each year and low survival rates. Gastric carcinogenesis is guided by the interaction of several risk factors, exerting through sequential histopathologic steps, including chronic gastritis, atrophic gastritis, intestinal metaplasia, dysplasia and cancer. GC is classified on the basis of anatomical, histological or molecular classification, reflecting the wide cancer heterogeneity, also highlighted by the inefficacy of the actual treatment schedules. Epigenetic mechanisms alterations affecting DNA methylation, histone methylation and acetylation, are a recognized hallmark of cancer and stand at the basis of gastric carcinogenesis and tumor development. The pharmacological targeting of these altered mechanisms is an attractive option for new cancer treatments. Aim of this study was to test the therapeutic potential of the compound CM-272 for GC, a selective and strong dual inhibitor of DNMT1 and EHMT2, which reached important results in pre-clinical models of other gastrointestinal malignancies. Moreover, in a GC patients case series, the expression of the target of the compound was tested, to prove the rationale for inhibition of DNMT1, EHMT2 and their functional adaptor were over-expressed in the majority of GC patients tissues. Through in-vitro testing of CM-272 alone and in combination with the most used chemotherapeutic treatments for GC in a panel of GC cell lines, this study demonstrated that the compound has a strong ability in inhibiting GC cells growth. Even though not directly inducing apoptosis, CM-272 was able to induce a senescent phenotype in GC cells, and to epigenetically reprogram the transcription of genes involved in phosphorylation cascades and mitochondria metabolism, thus affecting the growth and energetic machinery of cancer cells. In conclusion, the pharmacological targeting of epigenetic mechanisms demonstrated good potential pre-clinical models of GC, and further investigations to test in-vivo efficacy are needed.

Marcatori di eta biologica nella malattia di Parkinson: risultati di un'analisi glicomica e epigenomica

La malattia di Parkinson è una malattia neurodegenerativa caratterizzata da una progressiva disfunzione motoria e cognitiva. È noto che l'età avanzata è il principale fattore di rischio per la malattia di Parkinson e alcuni studi hanno dimostrato un'accelerazione dell'età biologica nelle fasi più avanzate della malattia. Questo studio si propone di valutare se l'accelerazione dell'invecchiamento biologico descritta nelle fasi avanzate della malattia di Parkinson caratterizzi anche le prime fasi della malattia. A tal fine sono stati utilizzati due tipi di marcatori biologici di età, basati sull'analisi della metilazione del DNA del sangue (l'orologio epigenetico e sue varianti) e dei profili degli N-glicani nel plasma (GlycoAge Test). I biomarcatori sono stati valutati in campioni ottenuti da pazienti con malattia di Parkinson de novo, con diagnosi recente e non ancora in trattamento farmacologico, nonché da pazienti con stadi più avanzati della malattia e da controlli sani. I risultati ottenuti nelle prime fasi della malattia non mostrano segni di invecchiamento accelerato, che trovano conferma nelle fasi più avanzate. Dai dati di metilazione è possibile prevedere le proporzioni delle diverse popolazioni di leucociti. Questa analisi nelle prime fasi della malattia ha già evidenziato significative alterazioni che seguono in parte quelle caratteristiche dell'invecchiamento del sistema immunitario, suggerendo un'immunosenescenza accelerata nella malattia di Parkinson. Infine, i dati sulla metilazione del DNA sono stati analizzati per identificare le differenze nelle regioni metilate del genoma tra pazienti con malattia di Parkinson e controlli. I risultati suggeriscono l'esistenza di piccole ma significative alterazioni nella metilazione del DNA che caratterizzano lo stadio precoce e/o avanzato della malattia. In conclusione, questo studio suggerisce che le prime fasi della malattia di Parkinson sono caratterizzate da specifiche alterazioni epigenetiche e invecchiamento precoce del sistema immunitario, che tuttavia non si traducono in un'alterazione dei biomarcatori di invecchiamento epigenetici e glicomici.

Methylmercury and polycyclic aromatic hydrocarbons in Mediterranean seafood: a molecular anthropological perspective

Seafood carries several contaminants, among which mercury and polycyclic aromatic hydrocarbons are those that cause major concern. Evidence exists that human populations are exposed to these environmental chemicals since ancient times, which may have driven the positive selection of specific genetic polymorphisms related to chemicals toxicokinetic. Both mercury and polycyclic aromatic hydrocarbons are able to cause DNA methylation changes in humans. Some Mediterranean populations may be particularly exposed to these contaminants, being the Mediterranean Sea at a high-risk for contamination by toxic compounds, and because of their traditionally high consumption of locally caught seafood. Starting from these premises the present thesis aims to contribute to the understanding of the molecular impact of seafood consumption on the biology of the Mediterranean population. To this end the work has been divided into four main parts: (1) the development and meta-analysis of a georeferenced database on polycyclic aromatic hydrocarbons in Mediterranean seafood aimed at identifying geographical patterns of contamination and trends that could be related to the biology of the marine organisms, to the physico-chemical properties of each hydrocarbon and to the oceanographic characteristic of the Mediterranean; (2) the development and validation of a food frequency questionnaire to estimate the intake of mercury through seafood consumption among a population living in a geographic area that is usually considered a contamination hotspot; (3) the creation of a biobank made of biological samples from members of several Italian communities together with information on their dietary habits, lifestyle and general health; (4) a review of the literature on the genetic component of individual susceptibility to methylmercury and polycyclic aromatic hydrocarbons exposure in humans, to the effects that these pollutants have on human DNA methylation, and to the evidence that Mediterranean coastal communities represent an informative case study to investigate the potential molecular impact of these chemicals.