Adenovirus-based exogenous gene expression in mammalian cells

Thesis (Ph.D.)--Brock University, 2010.

Elucidation of the components involved in the antioxidant activity of honey

Canadian honeys were analyzed for sugar concentration, honey colour, total phenolic content, the level of brown pigments, and antioxidant activity in order to elucidate the main components involved in the antioxidant activity of honey. By employing size-exclusion chromatography in combination with activity-guided fractionation, it was demonstrated that the antioxidant components are of high molecular weight (HMW), brown in colour and absorb at both 280nm and 450nm. The presence of brown HMW antioxidant components prompted an investigation on the influence of heattreatment on the Maillard reaction and the formation of melanoid ins. Heat-treatment of honey resulted in an increase in the level of phenolics in the melanoidin fractions which correlated with an increase in antioxidant activity. The preliminary results of this study suggest for the first time that honey melanoidins underlie the antioxidant activity of unheated and heat-treated honey, and that phenolic constituents are involved in the melanoidin structure and are likely incorporated by covalent or non-covalent interaction.

Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

Molecular studies on a Dictyostelium homolog of the tafazzin gene, the cause of Barth syndrome in humans

Der eukaryotische Mikroorganismus Dictyostelium discoideum lebt als einzellige Amöbe solange ausreichende Nahrungsressourcen zur Verfügung stehen. Sobald Nahrungsmangel eintritt, entwickeln sich die Zellen von einem einzelligen zu einem mehrzelligen Zustand, der mit einem multizellulären Fruchtkörper abschließt. Dieser Prozess wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Signale organisiert, die eine differentielle Genexpression regulieren. Die Gene der Discoidin I Familie gehören zu den Ersten, die im Laufe des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs (engl. GDT) aktiviert werden. Sie eignen sich daher vorzüglich als Marker für den Beginn der Entwicklung. Mit Hilfe einer REMI-Mutagenese und Discoidin I als molekularem Marker sind verschiedene Komponenten des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs in unserer Arbeitsgruppe identifiziert worden (Zeng et al., 2000 A und B; Riemann und Nellen, persönliche Mitteilung). Mit demselben Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit eine REMI-Mutante identifiziert, die eine Fehl-Expression von Discoidin zeigte und einen axenischen Wachstumsdefekt bei 15 °C aufwies. Das Gen wurde als Homolog zum humanen Tafazzin-Gen identifiziert. Dieses Gen wurde zur Rekonstruktion des Phänotyps über homologe Rekombination erneut disruptiert, was wie erwartet zu dem zuerst beschriebenen Phänotyp führte. Folgerichtig ergab eine Überexpression des Gens in den Mutanten eine Komplementation des Phänotyps. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine mitochondriale Lokalisation des Dictyostelium discoideum Taffazzin Proteins. Dass ein mitochondriales Protein in Zusammenhang mit dem Wachstums-Differenzierungs-Übergang steht, ist ein unerwarteter Befund, der aber als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass Mitochondrien einen direkten Einfluss auf die entwicklungsspezifische Signaltransduktion ausüben. Die Taffazzin Disruptions-Mutante in Dictyostelium führte zu einem abnormalen Cardiolipin Metabolismus. Dieses Phospholipid ist ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und für die Funktion verschiedener Enzyme erforderlich. Unsere vorläufigen Analysen des Phospholipid-Gehalts zeigten Übereinstimmung mit Daten von Patienten mit Barth-Syndrom, einer humanen Erkrankung, bei der das Taffazzin-Gen Mutationen aufweist, und mit Hefe-Mutanten dieses Gens. Dies zeigt den Wert von Dictyostelium discoideum als einen weiteren Modelorganismus zur Untersuchung des Barth-Syndroms und zur Erprobung möglicher Therapieansätze.

Unveiling the components of the signaling pathway between endosomes and the phagocytic uptake machinery in Dictyostelium discoideum

The soil amoebae Dictyostelium discoideum take up particles from their environment in order to obtain nutrition. The particle transits through the cell within a phagosome that fuses with organelles of different molecular compositions, undergoing a gradual degradation by different sets of hydrolytic enzymes. Griffiths’ concept of “phagosome individuality” predicts signaling from phagosomes into the cytoplasm, which might regulate many aspects of cell physiology. The finding that Dictyostelium cells depleted of the lysozyme AlyA or over-expressing the esterase Gp70 exhibit increased uptake of food particles, led to the postulation of a signaling cascade between endocytic compartments and the cytoskeletal uptake machinery at the plasma membrane. Assuming that Gp70 acts downstream of AlyA, gene-expression profiling of both mutants revealed different and overlapping sets of misregulated genes that might participate in this signaling cascade. Based on these results, we analyzed the effects of the artificial misregulation of six candidate genes by over-expression or negative genetic interference, in order to reconstruct at least part of the signaling pathway. SSB420 and SSL793 were chosen as candidates for the first signaling step, as they were up-regulated in AlyA-null cells and remained unaltered in the Gp70 over-expressing cells. The over-expression of SSB420 enhanced phagocytosis and raised the expression levels of Gp70, supporting its involvement in the signaling pathway between AlyA and Gp70 as a positive regulator of phagocytosis. However, this was not the case of cells over-expressing SSL793, as this mutation had no effects on phagocytosis. For the signaling downstream of Gp70, we studied four commonly misregulated genes in AlyA-depleted and Gp70 over-expressing cells. The expression levels of SLB350, SSB389 and TipD were lower in both mutants and therefore these were assumed as possible candidates for the negative regulation of phagocytosis. Cells depleted of SLB350 exhibited an increased phagocytic activity and no effect on Gp70 expression, proving its participation in the signaling pathway downstream of Gp70. Unlike SLB350, the disruption of the genes coding for SSB389 and TipD had no effects on particle uptake, excluding them from the pathway. The fourth candidate was Yipf1, the only gene that was commonly up-regulated in both mutants. Yet, the artificial over-expression of this protein had no effects on phagocytosis, so this candidate is also not included in the signaling pathway. Furthermore, localizing the products of the candidate genes within the cell helped unveiling several cellular organelles that receive signals from the phagosome and transduce them towards the uptake machinery.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.

One- and two-center energy components in the atoms in molecules theory

The energy decomposition scheme proposed in a recent paper has been realized by performing numerical integrations. The sample calculations carried out for some simple molecules show excellent agreement with the chemical picture of molecules, indicating that such an energy decomposition analysis can be useful from the point of view of connecting quantum mechanics with the genuine chemical concepts

Rapid characterisation of archaeological midden components using FT-IR spectroscopy, SEM-EDX and micro-XRD

Samples taken from middens at the Neolithic site of Catalhoyuk in Turkey have been analysed using IR spectroscopy backed up by powder XRD and SEM-EDX. Microcomponents studied include fossil hack-berries (providing evidence of ancient diet and seasonality), mineral nodules (providing evidence of post-depositional change) and phytoliths (mineralised plant cells, providing evidence of usage of plant species). Finely laminated ashy deposits have also been investigated allowing chemical and mineralogical variations to be explored. It is found that many layers which appear visually to be quite distinctive have, in fact, very similar mineralogy. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterisation of an s-type low molecular weight glutenin subunit of wheat and its proline and glutamine-rich repetitive domain

The low molecular weight glutenin subunits (LMW-GS) are major components of the glutenin polymers which determine the elastomeric properties of wheat (Triticum aestivum L.) gluten and dough. They comprise a complex mixture of components and have proved to be difficult to purify for detailed characterisation. The mature LMW subunit proteins comprise two structural domains, with one domain consisting of repeated sequences based on short peptide motifs. DNA sequences encoding this domain and a whole subunit were expressed in Escherichia coli and the recombinant proteins purified. Detailed comparisons by spectroscopy (CD, FT-IR) and dynamic light scattering indicated that the repetitive and non-repetitive domains of the proteins formed different structures with the former having an extended conformation with an equilibrium between poly-L-proline II-like structure and type II’ b-turns, and the latter a more compact globular structure rich in a-helix. Although the structures of these two domains appear to form independently, dynamic light scattering of the whole subunit dissolved in trifluoroethanol(TFE) suggested that they interact, leading to a more compact conformation. These observations may have relevance to the role of the LMW-GS in gluten structure and functionality.

Molecular characterization of Iranian wheat stripe virus shows its taxonomic position as a distinct species in the genus Tenuivirus

The full lengths of three genome segments of Iranian wheat stripe virus (IWSV) were amplified by reverse transcription (RT) followed by polymerase chain reaction (PCR) using a primer complementary to tenuivirus conserved terminal sequences. The segments were sequenced and found to comprise 3469, 2337, and 1831 nt, respectively. The gene organization of these segments is similar to that of other known tenuiviruses, each displaying an ambisense coding strategy. IWSV segments, however, are different from those of other viruses with respect to the number of nucleotides and deduced amino acid sequence for each ORF. Depending on the segment, the first 16-22 nt at the 5' end and the first 16 nt at the 3' end are highly conserved among IWSV and rice hoja blanca virus (RHBV), rice stripe virus (RSV) and maize stripe virus ( MStV). In addition, the first 15-18 nt at the 5' end are complementary to the first 16-18 nt at the 3' end. Phylogenetic analyses showed close similarity and a common ancestor for IWSV, RHBV, and Echinochloa hoja blanca virus (EHBV). These findings confirm the position of IWSV as a distinct species in the genus Tenuivirus.

Molecular characterization of Iranian wheat stripe virus shows its taxonomic position as a distinct species in the genus Tenuivirus

The full lengths of three genome segments of Iranian wheat stripe virus (IWSV) were amplified by reverse transcription (RT) followed by polymerase chain reaction (PCR) using a primer complementary to tenuivirus conserved terminal sequences. The segments were sequenced and found to comprise 3469, 2337, and 1831 nt, respectively. The gene organization of these segments is similar to that of other known tenuiviruses, each displaying an ambisense coding strategy. IWSV segments, however, are different from those of other viruses with respect to the number of nucleotides and deduced amino acid sequence for each ORF. Depending on the segment, the first 16-22 nt at the 5' end and the first 16 nt at the 3' end are highly conserved among IWSV and rice hoja blanca virus (RHBV), rice stripe virus (RSV) and maize stripe virus ( MStV). In addition, the first 15-18 nt at the 5' end are complementary to the first 16-18 nt at the 3' end. Phylogenetic analyses showed close similarity and a common ancestor for IWSV, RHBV, and Echinochloa hoja blanca virus (EHBV). These findings confirm the position of IWSV as a distinct species in the genus Tenuivirus.

Tin and tin-titanium as catalyst components for reversible hydrogen storage of sodium aluminium hydride

This paper is concerned with the effects of adding tin and/or titanium dopant to sodium aluminium hydride for both dehydrogenation and re-hydrogenation reactions during their reversible storage of molecular hydrogen. Temperature programmed decomposition (TPD) measurements show that the dehydrogenation kinetics of NaAlH4 are significantly enhanced upon doping the material with 2 mol% of tributyltin hydride, Sn(Bu)(3)H but the tin catalyst dopant is shown to be inferior than titanium. On the other hand, in this preliminary work, a significant synergetic catalytic effect is clearly revealed in material co-doped with both titanium and tin catalysts which shows the highest reversible rates of dehydrogenation and re-hydrogenation (after their hydrogen depletion). The re-hydrogenation rates of depleted Sn/Ti/NaAlH4 evaluated at both 9.5 and 140 bars hydrogen are also found to be favourable compared to the Ti/NaAlH4, which clearly suggest the importance of the catalyst choice. Basing on these results some mechanistic insights for the catalytic reversible dehydrogenation and re-hydrogenation processes of Sn/Ti/NaAlH4 are therefore made. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Rapid characterisation of archaeological midden components using FT-IR spectroscopy, SEM-EDX and micro-XRD

Samples taken from middens at the Neolithic site of Catalhoyuk in Turkey have been analysed using IR spectroscopy backed up by powder XRD and SEM-EDX. Microcomponents studied include fossil hack-berries (providing evidence of ancient diet and seasonality), mineral nodules (providing evidence of post-depositional change) and phytoliths (mineralised plant cells, providing evidence of usage of plant species). Finely laminated ashy deposits have also been investigated allowing chemical and mineralogical variations to be explored. It is found that many layers which appear visually to be quite distinctive have, in fact, very similar mineralogy. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

A molecular and structural characterization of senescing Arabidopsis siliques and comparison of transcriptional profiles with senescing petals and leaves

Senescence of plant organs is a genetically controlled process that regulates cell death to facilitate nutrient recovery and recycling, and frequently precedes, or is concomitant with, ripening of reproductive structures. In Arabidopsis thaliana, the seeds are contained within a silique, which is itself a photosynthetic organ in the early stages of development and undergoes a programme of senescence prior to dehiscence. A transcriptional analysis of the silique wall was undertaken to identify changes in gene expression during senescence and to correlate these events with ultrastructural changes. The study revealed that the most highly up-regulated genes in senescing silique wall tissues encoded seed storage proteins, and the significance of this finding is discussed. Global transcription profiles of senescing siliques were compared with those from senescing Arabidopsis leaf or petal tissues using microarray datasets and metabolic pathway analysis software (MapMan). In all three tissues, members of NAC and WRKY transcription factor families were up-regulated, but components of the shikimate and cell-wall biosynthetic pathways were down-regulated during senescence. Expression of genes encoding ethylene biosynthesis and action showed more similarity between senescing siliques and petals than between senescing siliques and leaves. Genes involved in autophagy were highly expressed in the late stages of death of all plant tissues studied, but not always during the preceding remobilization phase of senescence. Analyses showed that, during senescence, silique wall tissues exhibited more transcriptional features in common with petals than with leaves. The shared and distinct regulatory events associated with senescence in the three organs are evaluated and discussed.

Influence of sulfur amino acids on the volatile and nonvolatile components of cooked salmon (Salmo salar)

Volatile and nonvolatile compounds, which could contribute to flavor, were analyzed in salmon. One hundred twenty-three volatile compounds were identified in the headspace of two different samples of cooked salmon, including lipid-derived volatiles, Maillard-derived volatiles, sulfur volatiles, Strecker aldehydes, nitrogen heterocyclic compounds, terpenes, and trimethylamine. Significant differences between samples were found for 104 of the volatiles. Although the levels of free cysteine and methionine were low in the salmon, sulfur volatiles were formed in the cooked fish, demonstrating that there were sufficient sulfur amino acids present for their formation. Notable differences in sulfur compounds between the samples suggested that small changes in sulfur amino acids could be responsible. When this hypothesis was tested, salmon heated with cysteine had increased levels of many thiophenes, thiazoles, alicyclic sulfides, and nitrogen heterocycles. With the addition of methionine, levels of dimethyl sulfides, two alicyclic sulfides, pyrazines, some unsaturated aldehydes, and alcohols and 2-furanmethanethiol increased. The largest difference found among the nonvolatile (low molecular weight water-soluble) compounds was in inosine monophosphate.