Il genere Rhododendron L.: diversità genetica e fenomeni di ibridazione.

La terra, nel corso della sua storia, ha subito molteplici cambiamenti con la comparsa e scomparsa di numerose specie animali e vegetali. Attualmente, l’estinzioni delle specie, la riduzione degli areali e il depauperamento degli ecosistemi è da ricollegare alle attività dell’uomo. Per tali motivi, in questi ultimi decenni si è iniziato a dare importanza alla conservazione della biodiversità, alla creazione di zone protette e a sviluppare interventi di reintroduzione e rafforzamento di specie rare e a rischio di estinzione. Questo lavoro di tesi si propone di analizzare la variabilità genetica delle popolazioni di Rhododendron ferrugineum L. lungo il suo areale, con particolare attenzione alle aree marginali dell’Appennino, dove la specie rappresenta un caso di pseudo rarità, al fine di valutare lo stato di salute della specie al limite del suo areale e valutare appropriati interventi di conservazione o reintroduzione. Per effettuare le analisi sono stati messi a punto dei marcatori molecolari discontinui, i microsatelliti, che, essendo dei marcatori co-dominati, permettono di valutare differenti parametri legati alla diversità genetica delle popolazioni inclusi i livelli di eterozigotà ed il flusso genico tra popolazioni limitrofe. I campionamenti sono stati effettuati nelle uniche 3 stazioni presenti sugli Appennini. Al fine di confrontare la struttura genetica di queste popolazioni sono state considerate anche popolazioni delle Alpi Marittime, delle Alpi centro-orientali e dei Pirenei. L’analisi della diversità genetica effettuata su questo pool di popolazioni analizzate con 7 marcatori microsatelliti, ha messo in evidenza che le popolazioni relitte dell’Appennino Tosco-Emiliano presentano un ridotto livello di eterozigosità che suggerisce quindi un elevato livello di inbreeding. Si ritiene che ciò sia dovuto alla loro dislocazione sul territorio, che le rende isolate sia tra di loro che dalle popolazioni delle vicine Alpi Marittime. La stima delle relazioni genetiche tra le popolazioni appenniniche e le vicine piante alpine evidenzia come non vi sia scambio genetico tra le popolazioni. Le analisi dei cluster suggeriscono che due delle popolazioni Appenniniche siano più simili alle popolazioni della Alpi Marittime, mentre la terza ha più affinità con le popolazioni delle Alpi centro-orientali. Le popolazioni dei Pirenei risultano essere geneticamente più simili alle popolazioni delle Alpi Marittime, in particolare alle tre popolazioni del versante francese. In questo lavoro abbiamo affrontato anche il problema delle specie ibride. Rhododendron x intermedium Tausch è un ibrido frutto dell’incrocio tra Rhododendron ferrugineum L. e Rhododendron hirsutum L., in grado di incrociarsi sia con altri ibridi, sia con i parentali (fenomeno dell’introgressione). L’origine di questo ibrido risiede nella simpatria delle due specie parentali, che tuttavia, presentano esigenze ecologiche differenti. Ad oggi la presenza di Rhododendron x intermedium è stata accertata in almeno tre stazioni sulle Alpi Italiane, ma la letteratura documenta la sua presenza anche in altre zone dell’Arco Alpino. L’obiettivo di questa ricerca è stato quello di verificare la reale natura ibrida di Rhododendron x intermedium in queste stazioni utilizzando un approccio integrato ossia sia attraverso un’analisi di tipo morfologico sia attraverso un analisi di tipo molecolare. In particolare l’approccio molecolare ha previsto prima un’analisi filogenetica attraverso l’utilizzo di marcatori molecolari filogenetici nucleari e plastidiali (ITS, At103, psbA-trnH e matK) e quindi un’analisi della struttura delle popolazioni della specie ibrida attraverso l’utilizzo di marcatori molecolari microsatelliti. Da un’analisi morfologica, risulta che gli esemplari ibridi possono essere molto differenti tra loro e ciò supporta la formazione di sciami ibridi. Al fine di verificare la natura di questa specie e la struttura delle popolazioni ibride e dei rispettivi parentali, sono state campionate differenti popolazioni in tutta l’area di interesse. I campioni ottenuti sono stati quindi analizzati geneticamente mediante marcatori molecolari del DNA. I risultati ottenuti hanno permesso innanzitutto di confermare l’origine ibrida degli individui di prima generazione della specie Rhododendron x intermedium e quindi di distinguere i parentali dagli ibridi ed evidenziare la struttura genetica delle popolazioni ibride.

Patologia ed epidemiologia molecolare delle infezioni associate all'impianto

Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis are leading pathogens of implant-related infections. This study aimed at investigating the diverse distribution of different bacterial pathogen factors in most prevalent S. aureus and S. epidermidis strain types causing orthopaedic implant infections. In this study the presence both of the ica genes, encoding for biofilm exopolysaccharide production, and the insertion sequence IS256, a mobile element frequently associated to transposons, was investigated in relationship with the prevalence of antibiotic resistance among Staphylococcus epidermidis strains. The investigation was conducted on 70 clinical isolates derived from orthopaedic implant infections. Among the clinical isolates investigated a dramatic high level of association was found between the presence of ica genes as well as of IS256 and multiple resistance to all the antibiotics tested. Noteworthy, a striking full association between the presence of IS256 and resistance to gentamicin was found, being none of the IS256-negative strain resistant to this antibiotic. This association is probably because of the link of the corresponding aminoglycoside-resistance genes, and IS256, often co-existing within the same staphylococcal transposon. Moreover we investigated the prevalence of aac(6’)-Ie-aph(2’’), aph (3’) IIIa, and ant(4’) genes, encoding for the three forms of aminoglycoside-modifying enzymes (AME), responsible for resistance to aminoglycoside antibiotics. All isolates were characterized by automated ribotyping, so that the presence of antibiotic resistance determinants was investigated in strains exhibiting different ribopatterns. Interestingly, combinations of coexisting AME genes appeared to be typical of specific ribopatterns. 200 S. aureus isolates, categorized into ribogroups by automated ribotyping, i.e. rDNA restriction fragment length polymorphism analysis, were screened for the presence of a panel of adhesins genes, accessory gene regulatory (agr) polymorphisms and toxins. For many ribogroups, characteristic tandem genes arrangements could be identified. Surprisingly, the isolates of the most prevalent cluster, enlisting 27 isolates, were susceptible to almost all antibiotics and never possessed the lukD/lukE gene, thus suggesting the role of factors other than antibiotic resistance and the here investigated toxins in driving the major epidemic clone to the larger success. Afterwards, .in the predominant S. aureus cluster, the bbp gene encoding bone sialoprotein-binding protein appeared a typical virulence trait, found in 93% of the isolates. Conversely, the bbp gene was identified in just 10% of the remaining isolates of the collection. In this cluster, co-presence of bbp with the cna gene encoding collagen adhesin was a pattern consistently observed. These findings indicate a crucial role of both these adhesins, able to bind the most abundant bone proteins, in the pathogenesis of orthopaedic implant infections, there where biomaterials interface bone tissues. Moreover a PCR screening for the ebpS gene, conducted on over two hundred S. aureus clinical isolates from implant related infections revealed the detection of six strains exhibiting an altered amplicon size, shorter than expected. In order to elucidate the sequence changes present in these gene variants, the trait comprised between the primers was analyzed in all six isolates bearing the modification and in four isolates exhibiting the regular amplicon size. From nucleotide translation, the corresponding encoded protein was found to lack an entire peptide segment of 60 amino acids. These variants, missing an entire hydrophobic region, could actually facilitate current structural studies, helping to assess whether the absent domain is strictly necessary for a functional adhesin conformation and its contribution to the topology of the protein. This study suggests that epidemic clones appear to pursue different survival strategies, where adhesins, when present, exhibit diverse importance as virulence factors. A practical message arising from the present study is that strategies for the prevention and treatment of implant orthopaedic infections should target adhesins conjointly present in epidemic clones. Furthermore, the choice of reference strains for testing the anti-infective properties of biomaterials should focus on a selection of the most prevalent clones as they exhibit distinct profiles of adhesins.

Rapporto tra struttura e funzione della cistatina B e dei suoi mutanti in relazione all'epilessia mioclonica progressiva di tipo 1 (EPM1)

This work shows for the first time that native CSTB polymerizes on addition of Cu2+ and DnaK (Hsp70). Cysteines are involved in the polymerization process and in particular at least one cysteine is necessary. We propose that Cu2+ interacts with the thiol group of cysteine and oxidize it. The oxidized cysteine modifies the CSTB structure allowing interaction with DnaK/Hsp70 to occur. Thus, Cu2+ binding to CSTB exposes a site for DnaK and such interaction allows the polymerization of CSTB. The polymers generated from native CSTB monomers, are DTT sensitive and they may represent physiological polymers. Denatured CSTB does not require Cu2+ and polymerizes simply on addition of DnaK. The polymers generated from denatured CSTB do not respond to DTT. They have characteristics similar to those of the CSTB toxic aggregates described in vivo in eukaryotic cells following CSTB over-expression. Interaction between CSTB and Hsp70 is shown by IP experiments. The interaction occurs with WT CSTB and not with the cys mutant. This suggests that disulphur bonds are involved. Methal-cathalyzed oxidation of proteins involves reduction of the metal ion(s) bound to the protein itself and oxidation of neighboring ammino acid residues resulting in structural modification and de-stabilization of the molecule. In this work we propose that the cysteine thyol residue of CSTB in the presence of Cu2+ is oxidized, and cathalyzes the formation of disulphide bonds with Hsp70, that, once bound to CSTB, mediates its polymerization. In vivo this molecular mechanism of CSTB polymerization could be regulated by redox environment through the cysteine residue. This may imply that CSTB physiological polymers have a specific cellular function, different from that of the protease inhibitor known for the CSTB monomer. This hypothesis is interesting in relation to Progressive Myoclonus Epilepsy of type 1 (EPM1). This pathology is usually caused by mutations in the CSTB gene. CSTB is a ubiquitous protein, but EPM1 patients have problems only in the central nervous system. Maybe physiological CSTB polymers have a specific function altered in people affected by EPM1.

Determinazione di radicali OH: sintesi di materiali per la modifica di elettrodi di platino e carbone vetroso

Questa tesi descrive lo sviluppo di un elettrodo modificato con un polimero isolante per la determinazione indiretta del radicale OH. I polimeri testati sono stati polifenolo, polipirrolo e polipirrolo sovraoossidato ed il primo è risultato quello con le migliori prestazioni. Il film di modificante è stato depositato per elettropolimerizzazione del fenolo in ambiente acido, su un elettrodo di carbone vetroso (GC) ed è risultato isolante e perfettamente adeso al GC, impedendo il trasferimento di carica alle più comuni sonde redox. L’attacco dei radicali OH, generati dalla reazione di Fenton o dalla fotolisi di H2O2, rimuove parzialmente il polimero dal GC, ripristinando parzialmente il comportamento conduttore dell’elettrodo. L’entità della degradazione del film polifenolico è stata valutata sfruttando la corrente relativa alla sonda redox Ru(NH3)63+, che rappresenta il segnale analitico per la determinazione del radicale OH. L’elettrodo è stato impiegato per stimare le prestazioni di foto catalizzatori a base di nanoparticelle di TiO2, ottenendo risultati correlati a quelli ricavati da un metodo HPLC. Inoltre esso è stato usato per sviluppare una nuova procedura per la determinazione della capacità di scavenging verso i radicali OH, che è stata applicata all’analisi di composti puri e campioni reali. I risultati erano confrontabili con quelli determinati con metodiche standardizzate, comunemente impiegate per la determinazione della capacità antiossidante. Inoltre è stato condotto uno studio riguardante la modifica di un elettrodo di platino con un idrossido misto a strati a base di cobalto e alluminio (LDH). In particolare si sono valutati gli effetti di diversi pretrattamenti del Pt sulle caratteristiche e prestazioni elettrocatalitiche del film di LDH nei confronti dell’ossidazione di anilina, fenolo e acido salicilico. Questi composti possono essere impiegati come molecole sonda per la determinazione del radicale OH e rivestono interesse da un punto di vista elettroanalitico perché portano facilmente alla passivazione della superficie di Pt.

Localizzazione della topoisomerasi IB sui telomeri di S. cerevisiae e ruolo della sua attività catalitica sulle modificazioni istoniche

Il superavvolgimento del DNA nelle cellule, regolato dalle DNA Topoisomerasi, influenza molti processi biologici, quali la trascrizione, la replicazione, la ricombinazione ed il rimodellamento della cromatina. La DNA Topoisomerasi IB eucariotica, (Top1), è un enzima efficiente nella rimozione dei superavvolgimenti del DNA in vitro e la sua principale funzione cellulare è la rimozione dei superavvolgimenti positivi e negativi generati durante la trascrizione e la replicazione. Risultati recenti hanno fornito evidenze sperimentali del coinvolgimento di Top1 in meccanismi multipli di regolazione dell’espressione genica eucariotica, in particolare nella fase di inizio e maturazione dei trascritti. Tuttavia, le funzioni di Top1 non sono ancora state stabilite a livello globale. Pertanto, nella presente tesi di dottorato abbiamo risposto a questa domanda con l’analisi dei profili di trascrizione genica globale e con studi di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP) in cellule di S. cerevisiae. Circa il 9% dei geni sono influenzati da Top1, e l’analisi dei profili di espressione mostra che Top1 wt aumenta l’utilizzo del glucosio e dei pathway per la produzione di energia, con specifica diminuzione della trascrizione dei geni telomerici e subtelomerici. Abbiamo inoltre dimostrato che Top1 wt, ma non il suo mutante inattivo, aumenta la velocità di crescita cellulare nelle cellule di lievito studiate. Le analisi di ChIP mostrano che, in confronto all’assenza dell’enzima, Top1 wt diminuisce l’acetilazione dell’istone H4, compresa quella specifica della lisina 16, nel telomero destro del cromosoma XIV mentre la mutazione che inattiva l’enzima aumenta in maniera marcata l’acetilazione dell’istone H4 e la di-metilazione della lisina 4 dell’istone H3. Top1 wt incrementa anche il reclutamento di Sir3 nelle regioni di confine della cromatina silenziata dello stesso telomero. Studi di immunoprecipitazione indicano che l’enzima interagisce direttamente con la struttura della cromatina telomerica poichè entrambe le proteine, quella wt e quella inattiva, sono localizzate sulle ripetizioni telomeriche dei cromosomi di lievito. Questi risultati dimostrano che Top1, una proteina non essenziale in lievito, ottimizza i livelli globali dei trascritti per una crescita più efficiente di cellule in fase esponenziale. Indagando il meccanismo che è alla base della specifica repressione dei geni telomerici, abbiamo dimostrato che Top1 favorisce delle modifiche posttraduzionali degli istoni che indicano una struttura della cromatina repressa nelle regioni telomeriche.

Multiwavelenght study of cluster mergers and consequences for the radio emission properties of galaxy clusters

In the present thesis a thourough multiwavelength analysis of a number of galaxy clusters known to be experiencing a merger event is presented. The bulk of the thesis consists in the analysis of deep radio observations of six merging clusters, which host extended radio emission on the cluster scale. A composite optical and X–ray analysis is performed in order to obtain a detailed and comprehensive picture of the cluster dynamics and possibly derive hints about the properties of the ongoing merger, such as the involved mass ratio, geometry and time scale. The combination of the high quality radio, optical and X–ray data allows us to investigate the implications of the ongoing merger for the cluster radio properties, focusing on the phenomenon of cluster scale diffuse radio sources, known as radio halos and relics. A total number of six merging clusters was selected for the present study: A3562, A697, A209, A521, RXCJ 1314.4–2515 and RXCJ 2003.5–2323. All of them were known, or suspected, to possess extended radio emission on the cluster scale, in the form of a radio halo and/or a relic. High sensitivity radio observations were carried out for all clusters using the Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) at low frequency (i.e. ≤ 610 MHz), in order to test the presence of a diffuse radio source and/or analyse in detail the properties of the hosted extended radio emission. For three clusters, the GMRT information was combined with higher frequency data from Very Large Array (VLA) observations. A re–analysis of the optical and X–ray data available in the public archives was carried out for all sources. Propriety deep XMM–Newton and Chandra observations were used to investigate the merger dynamics in A3562. Thanks to our multiwavelength analysis, we were able to confirm the existence of a radio halo and/or a relic in all clusters, and to connect their properties and origin to the reconstructed merging scenario for most of the investigated cases. • The existence of a small size and low power radio halo in A3562 was successfully explained in the theoretical framework of the particle re–acceleration model for the origin of radio halos, which invokes the re–acceleration of pre–existing relativistic electrons in the intracluster medium by merger–driven turbulence. • A giant radio halo was found in the massive galaxy cluster A209, which has likely undergone a past major merger and is currently experiencing a new merging process in a direction roughly orthogonal to the old merger axis. A giant radio halo was also detected in A697, whose optical and X–ray properties may be suggestive of a strong merger event along the line of sight. Given the cluster mass and the kind of merger, the existence of a giant radio halo in both clusters is expected in the framework of the re–acceleration scenario. • A radio relic was detected at the outskirts of A521, a highly dynamically disturbed cluster which is accreting a number of small mass concentrations. A possible explanation for its origin requires the presence of a merger–driven shock front at the location of the source. The spectral properties of the relic may support such interpretation and require a Mach number M < ∼ 3 for the shock. • The galaxy cluster RXCJ 1314.4–2515 is exceptional and unique in hosting two peripheral relic sources, extending on the Mpc scale, and a central small size radio halo. The existence of these sources requires the presence of an ongoing energetic merger. Our combined optical and X–ray investigation suggests that a strong merging process between two or more massive subclumps may be ongoing in this cluster. Thanks to forthcoming optical and X–ray observations, we will reconstruct in detail the merger dynamics and derive its energetics, to be related to the energy necessary for the particle re–acceleration in this cluster. • Finally, RXCJ 2003.5–2323 was found to possess a giant radio halo. This source is among the largest, most powerful and most distant (z=0.317) halos imaged so far. Unlike other radio halos, it shows a very peculiar morphology with bright clumps and filaments of emission, whose origin might be related to the relatively high redshift of the hosting cluster. Although very little optical and X–ray information is available about the cluster dynamical stage, the results of our optical analysis suggest the presence of two massive substructures which may be interacting with the cluster. Forthcoming observations in the optical and X–ray bands will allow us to confirm the expected high merging activity in this cluster. Throughout the present thesis a cosmology with H0 = 70 km s−1 Mpc−1, m=0.3 and =0.7 is assumed.

Molecular markers for the assessment of genetic variability in threatened plant species

La variabilità genetica è un importante strumento per lo studio e la conservazione della biodiversità in specie rare e minacciate di estinzione. Durante il mio dottorato mi sono quindi occupata di mettere a punto diverse metodologie molecolari al fine di valutare la diversità genetica in due specie rare della flora italiana che presentano problematiche diverse e specifiche. I marcatori arbitrari RAPD e i marcatori semi-arbitrari ISSR sono stati utilizzati per valutare la diversità genetica in Quercus crenata Lam. e per confermare l’ipotesi della sua origine ibridogena dalle due specie presunte parentali Quercus cerris L. e Quercus suber L., essendo Q. crenata presente in Italia settentrionale dove Q. suber è attualmente assente. I marcatori SSR o microsatelliti sono invece stati messi a punto su una specie a rischio di estinzione, endemica dell’Appennino Tosco-Emiliano, Primula apennina Widmer, applicando una metodologia specifica, basata sulla costruzione di una libreria genomica arricchita per l’isolamento di primer specifici. I marcatori RAPD e ISSR, utilizzati su un totale di 85 campioni, hanno mostrato alti livelli di diversità molecolare entro le specie studiate, eccetto per Q. suber le cui popolazioni rappresentano il margine orientale di distribuzione della specie, per questo più sottoposte ad impoverimento genetico. Oltre alla cluster analysis (UPGMA) e alla Analisi delle Componenti Principali effettuate per entrambi i marcatori, che confermano l’ipotesi dell’origine ibrida degli individui di Q. crenata diffusi in Italia Settentrionale, sono stati calcolati l’indice di ibridità basato sul maximum likelihood, che dimostra una introgressione asimmetrica di Q. crenata verso il parentale caratterizzato da superiorità demografica (Q. cerris) e il test di Mantel. Quest’ultimo ha permesso di confrontare i due marcatori RAPD e ISSR utilizzati ottenendo una bassa correlazione, a conferma del fatto che, amplificando tratti differenti del DNA nucleare, i dati non sono sovrapponibili, sebbene forniscano risultati analoghi. Per l’isolamento di loci microsatelliti ipervariabili ho utilizzato il protocolllo FIASCO (Fast isolation by AFLP of sequences containing repeats- Zane et al. 2002) che permette di costruire una libreria genomica arricchita partendo dal DNA estratto da P. apennina. Tale procedura ha previsto la digestione del DNA genomico per la produzione di una miscela di frammenti di DNA. Tramite ibridazione con opportune sonde sono stati isolati i frammenti contenenti i microsatelliti. Sequenziando i cloni ricombinanti, ho ottenuto sequenze contenenti repeats sulle cui regioni fiancheggianti sono stati costruiti 15 coppie di primer che potranno, in seguito, essere utilizzate per definire la quota di riproduzione clonale in P. apennina e per valutare la diversità genetica delle popolazioni che coprono l’areale di distribuzione della specie. Data la loro natura altamente variabile e la loro abbondanza nel DNA, gli SSR saranno, come i marcatori RAPD e gli ISSR, ugualmente validi per lo studio della variabilità genetica e per l’analisi di problematiche specifiche legate alle specie rare.