Bioinformatische, genomweite Analyse genexpressionsregulierender Faktoren in Lebergewebe

Für eine Reihe einzelner genetischer Faktoren und Promotorelemente wurde in der Vergangenheit eine Regulation der Genexpression in der Leber (und auch in anderen Geweben) gezeigt. Mit der Verfügbarkeit des gesamten humanen Genoms sowie dessen Expressionsdaten in großen Microarray- und SAGE-Datenbanken bietet sich die Möglichkeit, solche Regulationsmechanismen in großem, genomweitem Maßstab zu untersuchen. Dabei geht diese Arbeit der Frage nach, ob es übergeordnete, eine Expression speziell in der Leber fördernde oder hemmende Faktoren gibt oder ob jedes Gen von einer unabhängigen Kombination von Faktoren reguliert wird, in dessen Summe die Expression des individuellen Gens in der Leber am stärksten ist. Sollten sich übergeordnete, eine Expression in der Leber stimulierende Faktoren finden, wären diese interessant für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte bei Lebererkrankungen. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden aus einem Affymetrix Microarray Datenset für 12 Gewebe die Expressiondaten von insgesamt jeweils 15.472 Genen extrahiert. In einem zweiten Schritt wurden zusätzlich die Promotorsequenzen der einzelnen zugehörigen Gene, definiert als eine 1000 bp Region upstream des Transkriptionsstarts, in dieselbe Datenbank abgelegt. Die Promotorsequenzen wurden über den PromotorScan-Algorithmus analysiert. Auf diese Weise wurden Transkriptionsfaktorbindungsstellen auf 7042 der Promotoren identifiziert. Es fand sich eine Gesamtzahl von 241.984 Transkriptionsfaktorbindungsstellen. Anhand der Microarray-Expressionsdaten wurde die Gesamtgruppe der verfügbaren Gene und Promotoren in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in die Gruppe der Gene, deren Expression in der Leber deutlich am höchsten gefunden wurde und in die Gruppe der Gene, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Jeder potentiell bindende Transkriptionsfaktor wurde auf unterschiedliches Vorkommen in diesen beiden Gruppen hin untersucht. Dies geschah unter der Vorstellung, dass übergeordnete Faktoren, die eine Expression in der Leber stimulieren in der Gruppe der Gene, die in der Leber am höchsten exprimiert sind, verhältnismäßig wesentlich häufiger zu finden sein könnten. Eine solches häufigeres Vorkommen ließ sich jedoch für keinen einzigen Faktor nachweisen. Transkriptionsfaktorbindungsstellen sind typischerweise zwischen 5 und 15 bp lang. Um auszuschließen, dass mit dem verwendeten PromotorScan-Algorithmus Transkriptionsfaktorbindungsstellen, die bisher nicht bekannt sind, nicht übersehen wurden, wurden die Häufigkeit sämtlicher möglicher 8 bp (48) und 10 bp (410) Nukleotid-Kombinationen in diesen Promotoren untersucht. Biologisch relevante Unterschiede fanden sich zwischen den beiden Gruppen nicht. In gleicher Weise wurde auch die Bedeutung von TATA-Boxen untersucht. TATA-Boxen kommt bei der Transkriptionsinitiierung eine wichtige Rolle zu, indem über sie die Bindung des initialen Transkriptionskomplexes vermittelt wird. Insgesamt 1033 TATA-Boxen wurden ebenfalls mittels PromotorScan vorausgesagt. Dabei waren 57 auf Promotoren von Genen, die in der Leber überexprimiert waren und 976 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben überexprimiert waren. Der Vergleich dieser beiden Gruppen ließ keine signifikant unterschiedliche Häufigkeit an TATA-Boxen erkennen. Im weiteren wurde die Bedeutung von CpG-Islands für eine potentiell differentielle Regulation untersucht. Insgesamt wurden 8742 CpG-Islands in einem Bereich von bis zu 5 kb upstream des Transkriptionsstarts identifiziert, 364 davon auf Promotoren von Genen, die am höchsten in der Leber exprimiert waren, 8378 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Signifikante Unterschiede in der Verteilung von CpG-Islands auf Promotoren dieser beiden Gengruppen ließen sich nicht nachweisen. Schließlich wurden die RNA- und Proteinsequenzen des Transkriptoms und Proteoms hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus einzelnen Nukleotiden bzw. Aminosäuren analysiert. Auch hierbei fanden sich keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung zwischen beiden Gengruppen. Die Zusammenschau der Ergebnisse zeigt, dass die Regulation der einzelnen Gene im Lebergewebe im wesentlichen individuell erfolgt. Im Rahmen der vorgelegten bioinformatischen Analysen fanden sich keine übergeordneten genetischen „Leberfaktoren“, die speziell eine Expression von Genen in der Leber stimulieren. Neue therapeutische Ansätze, die auf eine Regulation der Genexpression in der Leber zielen, werden somit auch weiterhin auf die Beeinflussung individueller Gene fokussiert bleiben.

Gene expression analysis in ‘Candidatus Phytoplasma mali’-resistant and -susceptible Malus genotypes

Apple proliferation (AP) disease is the most important graft-transmissible and vector-borne disease of apple in Europe. ‘Candidatus Phytoplasma mali’ (Ca. P. mali) is the causal agent of AP. Apple (Malus x domestica) and other Malus species are the only known woody hosts. In European apple orchards, the cultivars are mainly grafted on one rootstock, M. x domestica cv. M9. M9 like all other M. x domestica cultivars is susceptible to ‘Ca. P. mali’. Resistance to AP was found in the wild genotype Malus sieboldii (MS) and in MS-derived hybrids but they were characterised by poor agronomic value. The breeding of a new rootstock carrying the resistant and the agronomic traits was the major aim of a project of which this work is a part. The objective was to shed light into the unknown resistance mechanism. The plant-phytoplasma interaction was studied by analysing differences between the ‘Ca. P. mali’-resistant and -susceptible genotypes related to constitutively expressed genes or to induced genes during infection. The cDNA-Amplified Fragment Length Polymorphism (cDNA-AFLP) technique was employed in both approaches. Differences related to constitutively expressed genes were identified between two ‘Ca. P. mali’-resistant hybrid genotypes (4551 and H0909) and the ‘Ca. P. mali’-susceptible M9. 232 cDNA-AFLP bands present in the two resistant genotypes but absent in the susceptible one were isolated but several different products associated to each band were found. Therefore, two different macroarray hybridisation experiments were performed with the cDNA-AFLP fragments yielding 40 sequences encoding for genes of unknown function or a wide array of functions including plant defence. In the second approach, individuation and analysis of the induced genes was carried out exploiting an in vitro system in which healthy and ‘Ca. P. mali’-infected micropropagated plants were maintained under controlled conditions. Infection trials using in vitro grafting of ‘Ca. P. mali’ showed that the resistance phenotype could be reproduced in this system. In addition, ex vitro plants were generated as an independent control of the genes differentially expressed in the in vitro plants. The cDNA-AFLP analysis in in vitro plants yielded 63 bands characterised by over-expression in the infected state of both the H0909 and MS genotypes. The major part (37 %) of the associated sequences showed homology with products of unknown function. The other genes were involved in plant defence, energy transport/oxidative stress response, protein metabolism and cellular growth. Real-time qPCR analysis was employed to validate the differential expression of the genes individuated in the cDNA-AFLP analysis. Since no internal controls were available for the study of the gene expression in Malus, an analysis on housekeeping genes was performed. The most stably expressed genes were the elongation factor-1 α (EF1) and the eukaryotic translation initiation factor 4-A (eIF4A). Twelve out of 20 genes investigated through qPCR were significantly differentially expressed in at least one genotype either in in vitro plants or in ex vitro plants. Overall, about 20% of the genes confirmed their cDNA-AFLP expression pattern in M. sieboldii or H0909. On the contrary, 30 % of the genes showed down-regulation or were not differentially expressed. For the remaining 50 % of the genes a contrasting behaviour was observed. The qPCR data could be interpreted as follows: the phytoplasma infection unbalance photosynthetic activity and photorespiration down-regulating genes involved in photosynthesis and in the electron transfer chain. As result, and in contrast to M. x domestica genotypes, an up-regulation of genes of the general response against pathogens was found in MS. These genes involved the pathway of H2O2 and the production of secondary metabolites leading to the hypothesis that a response based on the accumulation of H2O2 in MS would be at the base of its resistance. This resembles a phenomenon known as “recovery” where the spontaneous remission of the symptoms is observed in old susceptible plants but occurring in a stochastic way while the resistance in MS is an inducible but stable feature. As additional product of this work three cDNA-AFLP-derived markers were developed which showed independent distribution among the seedlings of two breeding progenies and were associated to a genomic region characteristic of MS. These markers will contribute to the development of molecular markers for the resistance as well as to map the resistance on the Malus genome.

Mechanistic study of the effects of 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG) on reporter gene expression in mammalian cells

DNA damage causes replication errors, leading to genetic instability or cell death. Besides that, many types of DNA base modifications have been shown to interfere with transcriptional elongation if they are located in the transcribed DNA strand of active genes, acting as roadblocks for RNA polymerases. It is widely assumed that transcription blockage by endogenous DNA damage is responsible for the early cell senescence in organs and accelerated ageing observed in individuals with compromised nucleotide excision repair.rnThe aims of this work were to design new experimental systems for testing transcription blocking potentials of DNA base modifications in an individual gene and to apply these test systems to the investigation of the effects of a frequent endogenously generated base modification, namely 8-oxo-7,8-hydroxyguanine (8-oxoG), on the gene transcription in cells. Several experimental strategies were employed for this purpose. First, I constructed an episomal vector encoding for a short-lived EGFP-ODC fusion protein and measured expression of the reporter gene in permanently transfected clonal cell lines exposed to DNA damaging agents. Second, the expression of plasmid-borne EGFP gene damaged with photosensitisers to obtain one or several oxidative purine modifications per plasmid molecule was determined in transiently transfected human and mouse host cells in an approach known as “host cell reactivation”. As a prerequisite for these experiments, a robust method of precise quantitative measurement of the EGFP gene expression in transiently transfected cells by flow cytometry was developed and validated. Third, I elaborated a very efficient procedure for insertion of synthetic oligonucleotides carrying 8-oxoG into plasmid DNA, avoiding any unwanted base damage and strand breaks. The consequences of 8-oxoG placed in defined positions in opposing DNA strands of the EGFP gene for transcription were measured by host cell reactivation in cells with functional 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) gene and in OGG1 null cells.rnThe results obtained in Ogg1-/- cells demonstrated that unrepaired 8-oxoG, even if situated in the transcribed DNA strand, does not have any negative effect on the reporter gene transcription. On the other hand, as few as one 8-oxoG was sufficient to cause a significant decrease of the gene expression in OGG1-proficient cell lines, i.e. in the presence of base excision repair. For two analysed positions of 8-oxoG in the plasmid DNA, the inhibition of gene transcription by the base modification correlated with the efficiency of its excision by purified OGG1 protein under cell-free conditions. Based on these findings, it has to be concluded that the observed decrease of transcription is mediated by excision of the base modification by OGG1 and probably caused by the repair-induced single-strand breaks. The mechanism of transcription inhibition by 8-oxoG is therefore clearly distinct from stalling of elongating RNA polymerase II complexes at the modified base.