Klonierung, Charakterisierung und Funktion der beiden SAPK-Mitglieder JNK und p38 MAPK des marinen Schwamms S. domuncula

Zusammenfassung der Dissertation von Markus Böhm 'Klonierung, Sequenzierung und Funktion der beiden SAPK-Mitglieder JNK und p38 MAPK des marinen Schwamms S. domuncula' am Fachbereich Biologie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz: Da Schwämme zu den einfachsten Metazoen gehören, eignen sie sich gut zur Erforschung von Signaltransduktionsprozessen. Die SAPKs stellen hoch konservierte Signalmoleküle dar, die durch viele Zellstress-auslösende Faktoren aktiviert werden und in zahlreichen biologischen Prozessen involviert sind.Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei SAPK-Gene aus S. domuncula isoliert. Ihre abgeleiteten Aminosäuresequenzen wiesen die höchsten Homologien zu den Mitgliedern der SAPK1/JNK- und SAPK2/p38 MAPK-Subfamilie der Metazoen auf. Die geringste Übereinstimmung existierte gegenüber der einzigen SAPK der Hefe (HOG1). Beide Gene des Schwamms besaßen zudem eine außerordentlich hohe Übereinstimmung hinsichtlich ihrer Exon/Intron-Strukturen. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass die SAPKs der multizellulären Tiere durch Duplikation eines HOG1-verwandten Vorläufergens entstanden sind. Durch den Vergleich der Intronpositionen mit denen von SAPK-Genen aus D. melanogaster, C. elegans und H. sapiens wurde ersichtlich, dass die Positionen der nichtkodierenden Sequenzbereiche dieser Gene hoch konserviert sind. Western Blot-Analysen demonstrierten, dass beide Schwamm-Kinasen durch hyperosmotischen Stress, LPS und den Phosphataseinhibitor Okadainsäure aktiviert werden. Außerdem wurde durch Versuche mit HOG1-defizienten Hefemutanten gezeigt, dass sie die Funktion des HOG1-Proteins in S. cerevisiae vollständig übernehmen können. Da die aktivierten Kinasen des Schwamms wie HOG1 im Nukleus der Hefezellen akkumuliert werden, müssen die Kerntransportmechanismen der SAPKs ebenfalls evolutionär erhalten sein.

Identifizierung und Charakterisierung T-zellerkannter Tumorantigene im Melanommodell MZ7

Die Kenntnis immunogener Tumorantigene ist Grundlage für die rationale Entwicklung immunologisch orientierter Therapieverfahren. In der vorliegenden Arbeit wurden im autologen Melanommodell MZ7 drei neue T-zellerkannte Tumorantigene vorgestellt. Während nahezu alle bisher beschriebenen Tumorantigene mit Hilfe von T-Zellklonen (CTL) entdeckt wurden, die aus tumorreaktiven MLTCs (gemischte Lymphozyten/Tumor-Zellkulturen) generiert worden waren, wurde in dieser Arbeit versucht, wenige Wochen stimulierte MLTCs direkt zur Antigensuche zu verwenden. Als sensitives Nachweissystem wurde der IFNg-ELISPOT-Assay eingesetzt. Die Motivation dazu waren einerseits praktische Erwägungen, da CTL-Klonierungen material- und zeitaufwendig sind. Andererseits wurde vermutet, dass die Etablierung von CTL-Klonen in Langzeitkultur neben Zufallsprozessen auch Selektionsprozessen unterliegt, die CTL mit bestimmten Eigenschaften favorisieren. Eventuell eröffnete sich durch den Einsatz der MLTCs die Möglichkeit, Antigene zu entdecken, die mit Hilfe permanent kultivierter CTL aus den MLTCs nicht gefunden würden.Um beispielsweise Schwankungen im Proliferationsverhalten und in Effektorfunktionen permanent kultivierter T-Zellen zu umgehen, wurden für die Versuche in dieser Arbeit in Portionen eingefrorene T-Zellen verwendet, die zuvor zu ausreichender Menge expandiert worden waren. Es ließ sich zeigen, dass durch die Kryokonservierung der T-Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt nach einer Restimulation mit den Tumorzellen der Aktivierungszustand der T-Zellen konserviert wurde, und dass die T-Zellen nach dem Auftauen in ELISPOT-Assays ohne wesentliche Einbußen spezifisch auf einen erneuten Antigenkontakt reagierten. Bei der Testung von mehreren, unabhängig generierten MLTCs gegen bekannte Tumorantigene wurden T-Zellantworten gegen gp100/HLA-B7.2, Tyrosinase/HLA-A26.1, SIRT2P182L/HLA-A3.1 und, deutlich stärker, gegen die Melanomzelllinie festgestellt. Nachfolgend wurde mit Hilfe bereits etablierter CTL-Klone die peptidkodierende Region von gp100 über die Transfektion von gp100-Fragmenten in COS-7-Zellen eingegrenzt und anschließend ein synthetisches Peptid identifiziert, das von den CTL-Klonen erkannt wurde. Das zweite identifizierte Tumorantigen, Tyrosinase/HLA-A26.1, wurde nur in einer von sechs neu generierten, unabhängigen MLTCs entdeckt. Da keine Tyrosinase/HLA-A26.1-reaktiven CTL-Klone zur Verfügung standen, wurden die zur Eingrenzung der peptidkodierenden Region transfizierten COS-7-Zellen mit der MLTC selbst getestet. Anschließend wurde ein synthetisches Peptid identifiziert, das von der MLTC erkannt wurde.Die Reaktivität der MLTCs gegen die Melanomzelllinie war bei weitem nicht durch die bis dahin gefundenen T-Zellantworten erklärbar. Daher wurde mit einer der MLTCs versucht, durch cDNA-Expressionsklonierung ein neues Antigen in der cDNA-Bank aus dem MZ7-Melanom zu identifizieren. Die Reaktivität der MLTC gegen den Tumor war hauptsächlich durch einen Antikörper gegen HLA-A3 blockierbar. Daher wurde HLA-A*03011-cDNA für das „Screening“ kotransfiziert. Das Verfahren führte zur Identifizierung eines weiteren punktmutierten Tumorantigens: GPNMBG181D (GPNMBmutiert). Die Mutation führte dazu, dass ein Teil eines ungespleißten Introns Bestandteil der im Tumor entdeckten cDNA war. Ein aus der Exon/Intron-Region kodiertes synthetisches Peptid mit der ausgetauschten Aminosäure wurde von der MLTC deutlich erkannt. Durch RT-PCR-Analysen wurde im MZ7-Melanom, in fast allen getesteten weiteren Melanomen sowie in einem Teil der überprüften Nierenzellkarzinome eine Variante der GPNMB-cDNA entdeckt, in der ebenfalls das erwähnte Intron enthalten war, ohne dass die Mutation vorlag (GPNMB/INT4). Diese Spleißvariante wurde nicht in EBV-B-Zelllinien und anderen Tumorzelllinien gefunden. Zusätzlich zu dem bereits zuvor charakterisierten Tumorantigen SIRT2P182L wurden drei weitere T-zellerkannte Antigene im Melanommodell MZ7 identifiziert. T-Zellreaktivität gegen das Antigen GPNMBG181D entwickelte sich, im Gegensatz zu den anderen Antigenen, in allen getesteten MLTCs. Dies spricht für eine immunologische Dominanz des Antigens im Melanommodell MZ7. Die Tatsache, dass das „stärkste“ Antigen mit Hilfe einer MLTC identifiziert wurde, bietet die Aussicht, evtl. weitere dominante Antigene mit dem Verfahren identifizieren zu können. Die Verwendung von kurzzeitstimulierten MLTCs anstelle von permanent kultivierten CTL-Klonen stellt einen ersten Schritt auf dem Weg zur Beschleunigung der Suche nach Tumorantigenen dar. Die Verfahrensbeschleunigung ist die Voraussetzung dafür, in Zukunft Antigene nicht nur in archivierten Modellen zu suchen, sondern in Patienten zu einem frühen Zeitpunkt der malignen Erkrankung. Dann bestünde die Chance, dass die Kenntnis individueller Tumorantigene in immuntherapeutische Konzepte eingeht.

Das Hämocyanin zweier lebender Fossilien: Nautilus pompilius und Nucula nucleus

Als erste vollständige cDNA-Sequenz eines Muschel-Hämocyanins wurde das Nucula nucleus-Hämocyanin (NnH) sequenziert. Es besteht aus den beiden Isoformen NnH1 und NnH2, die eine Identität von etwa 61 % aufweisen. Beide sind aus acht funktionellen Domänen a-h aufgebaut, von denen die C-terminale Domäne h jeweils eine Extension von etwa 100 Aminosäuren besitzt. Auf Sequenzebene weist das Muschel-Hämocyanin eine eigentümliche Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle und eine auffällig niedrige Anzahl an potentiellen N-Glykosylierungsstellen auf. Genomische Teilsequenzen bestätigen die Konservierung der Linkerintrons in Phase und Position, was bei den internen Introns nicht zu erkennen ist. Letztere konnten in den für die Domänen NnH1-d, NnH1-e und NnH2-c codierenden Genabschnitten nachgewiesen werden. Einen neuen Aspekt lieferte das interne Intron in NnH2-c, da es nur in einer der beiden Isoformen vorkommt. Das zweite sequenzierte Hämocyanin stammt von dem „lebenden Fossil“ Nautilus pompilius (NpH). Es wurde sowohl auf cDNA- als auch auf genomischer Ebene vollständig sequenziert und besteht aus sieben funktionellen Domänen, wobei die C-terminale Domäne h fehlt. Zu seinen Eigentümlichkeiten gehört neben 13 potentiellen N-Glykosylierungsstellen, von denen sich zwei innerhalb von Linkerregionen befinden, eine Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle von NpH-g. Neben den konservierten Linkerintrons liegt ein Intron innerhalb des Signalpeptids sowie in den Genabschnitten für NpH-a und NpH-g. Dagegen ist weder zwischen dem Signalpeptid und NpH-a noch innerhalb der 3’UTR ein Intron vorhanden. Anhand der neuen Sequenzdaten wurde eine phylogenetische Analyse durchgeführt, in der sich die funktionellen Domänen von NnH als Schwestergruppe zu den korrespondierenden Domänen der Gastropoden anordnen. Den Erwartungen entsprechend stellt sich NpH basal innerhalb der Klasse der Cephalopoden. Phylogenetische Analysen mit der vollständigen Hämocyanin-Sequenz lösen die Verwandtschaftsverhältnisse der Klassen zueinander nicht auf, was auf schnelle Radiation schließen lässt. Die Gruppierungen innerhalb der Klassen werden dagegen sehr gut unterstützt. Mittels einer Distanzmatrix wurde eine molekulare Uhr berechnet, für deren Eichpunkt die Cephalopoden-Gastropoden-Aufspaltung vor 520 Millionen Jahren gewählt wurde. Die Entstehung der Acht-Domänen-Untereinheit fand danach vor 732 (± 33) Millionen Jahren statt. Die Trennung der Gastropoda und Protobranchia erfolgte vor 494 (± 50) Millionen Jahren, was mit Fossilfunden der Nuculidae aus dem Ordovicium übereinstimmt. Vor 396 (± 55) Millionen Jahren gingen aus einer Genduplikation die beiden Isoformen des Nucula nucleus-Hämocyanins hervor. Innerhalb der Cephalopoden wurde die Trennung zwischen Nautiloidea und Coleoidea auf 415 (± 24) Millionen Jahre zurückdatiert. Nach Fossildaten liegt der Trennungszeitraum der beiden Gruppen 470 - 400 Millionen Jahre zurück, was gut zu den Hämocyanin-Daten passt.

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.

Genome characterization through a mathematical model of the genetic code: an analysis of the whole chromosome 1 of A. thaliana

The objective of this work is to characterize the genome of the chromosome 1 of A.thaliana, a small flowering plants used as a model organism in studies of biology and genetics, on the basis of a recent mathematical model of the genetic code. I analyze and compare different portions of the genome: genes, exons, coding sequences (CDS), introns, long introns, intergenes, untranslated regions (UTR) and regulatory sequences. In order to accomplish the task, I transformed nucleotide sequences into binary sequences based on the definition of the three different dichotomic classes. The descriptive analysis of binary strings indicate the presence of regularities in each portion of the genome considered. In particular, there are remarkable differences between coding sequences (CDS and exons) and non-coding sequences, suggesting that the frame is important only for coding sequences and that dichotomic classes can be useful to recognize them. Then, I assessed the existence of short-range dependence between binary sequences computed on the basis of the different dichotomic classes. I used three different measures of dependence: the well-known chi-squared test and two indices derived from the concept of entropy i.e. Mutual Information (MI) and Sρ, a normalized version of the “Bhattacharya Hellinger Matusita distance”. The results show that there is a significant short-range dependence structure only for the coding sequences whose existence is a clue of an underlying error detection and correction mechanism. No doubt, further studies are needed in order to assess how the information carried by dichotomic classes could discriminate between coding and noncoding sequence and, therefore, contribute to unveil the role of the mathematical structure in error detection and correction mechanisms. Still, I have shown the potential of the approach presented for understanding the management of genetic information.

Regelmechanismen und Determinanten der Transkription in Polytänchromosomen von Chironomus und Drosophila

Die kumulative Habil.‐Schrift gründet sich auf 6 Originalpublikationen, die beschreiben: [Sass, H. (1982), Cell 28: 269‐278]. RNA polymerase B in polytene chromosomes: Immunofluorescent and autoradiographic analysis during stimulated and repressed RNA synthesis. Elektronenmikroskopie charakterisierte das C. tentans Balbianiring BR2‐Gen von Speicheldrüsenchromosomen als hoch aktives 5‐6 μm langes single‐copy Gen, das 33/μm RNAPolymerasen B (Pol II) transkribieren (Diss., Sass, H., 1978, Univ. Tübingen). Diese Immunfluoreszenzstudie ortet Pol II in allen Interbanden von Region IV‐3B10‐3B5 des nichtinduzierten BR2. Prominente Fluoreszenz im BR2‐Genort 3B9/10 zeigt, das BR2‐Gen ist präaktiv, wie erwartet. 3H‐Autoradiogramme beweisen, in allen fluoreszierenden BR2, BR1, BR3, Puffs, aufgelockerten Banden, Interbanden und Loci ohne Puffing, synthetisiert Pol II RNA. Die genomweite ständige Pol II‐Präsenz zeigt, dass, wie beim nichtinduzierten BR2‐Gen, bereits schon gebundene Pol II wohl auch andere Gene präaktiviert. So erfolgt die Regulation der Transkription mehr über die transkriptionelle Elongation. Auch durch α‐Amanitin, oder Actinomycin D, oder Hitzeschock in vivo kollabierte BR2, BR1, BR3 besitzen Pol II. [Sass, H. (1984), Chromosoma 90: 20‐25]. Gene identification in polytene chromosomes: some Balbiani ring 2 gene sequences are located in an interband‐like region of Chironomus tentans. Immunfluoreszenz und 3H‐Autoradiographie zeigen, dass Injektionen von DRB in Larven die Balbianiringe (BR) sowie andere Puffs und deren Pol II‐Konzentration dramatisch reduzieren. Trotzdem zeigen 3H‐Uridin markierte Speicheldrüsenchromosomen, dass RNA‐Synthese doch in nichtinduzierten BR2, BR1, BR3 erfolgt, aber nur auf reduziertem Level. Das widerspricht der von Egyházi E. (1975, PNAS 73:947‐950) propagierten „Inhibition of Balbiani ring RNA synthesis at the initiation level“ durch DRB. Vielmehr sieht es so aus, DRB wirkt bei der transkriptionellen Elongation inhibierend. Durch in situ‐Hybridisierung von Sequenzen klonierter BR2‐DNA wurde in Speicheldrüsenchromosom IV das BR2‐Gen in Region 3B9/10 direkt identifiziert. [Sass, H. and Pederson, T. (1984), J. Mol. Biol. 180: 911‐926]. Transcription‐dependent localization of U1 and U2 small nuclear ribonucleoproteins at major sites of gene activity in polytene chromosomes. Immunolokalisation von Sm‐, U1‐ und U2snRNP‐spezifischen Antigenen in Speicheldrüsenchromosomen von C. tentans hat zur Entdeckung der beim Spleißen von prä‐mRNA beteiligten U1/U2snRNPs in Balbianiringen BR2, BR1, BR3 sowie anderen Puffs und aufgelockerten Banden geführt. Die überraschenden BR‐Daten zeigen erstmals: (i) Der Spleiß‐Apparat ist in Genloci mit intensiver RNA‐Synthese schon vorhanden. (ii) Immunfluoreszenz reflektiert den Exon‐Intron‐Bau dieser BR‐Gene. (iii) Transkription und spleißosomales Ausschneiden von Introns sind koordiniert. [Sass, H. (1989), Nucleic Acids Research 17: 10508]. Hsp82‐neo transposition vectors to study insertional mutagenesis in Drosophila melanogaster and tissue culture cells; [Sass, H. (1990), Gene 89: 179‐186]. P‐transposable vectors expressing a constitutive and thermoinducible hsp82‐neo fusion gene for Drosophila germline transformation and tissue‐culture transfection. Beschrieben sind Design, Konstruktion und Expression der Genfusion hsp82‐neo als ein in vivo selektierbares Reporter‐/Markergen, die Transposons P{hsp82‐neo/Adh} sowie P{hsp82‐neo} und Transformations‐Vektoren pHS22, pHS24, pHS85, pHS103 und pHS104. Sie stellen das von der Fliege gebildete Enzym bakteriellen Ursprungs, Neomycin‐Phosphotransferase II, für die G418‐Selektion bereit, um die Position, Struktur, Expression und Funktion von Genen mittels hsp82‐neo‐Mutagenese zu erforschen. [Sass, H. and Meselson, M. (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 6795‐6799]. Dosage compensation of the Drosophila pseudoobscura Hsp82 gene and the D. melanogaster Adh gene at ectopic sites in D. melanogaster. Quantitative Unterschiede in der Dosiskompensation des X‐chromosomalen hsp82‐Gens von D. pseudoobscura und autosomalen Adh‐Gens von D. melanogaster wurden als Erhöhung der RNAMenge in D. melanogaster gemessen. Beide Transgene sind dosiskompensiert, sprang P{hsp82‐ neo/Adh} in euchromatische Regionen des D. melanogaster X‐Chromosoms. Beide Transgene sind nicht dosiskompensiert, insertierte P{hsp82‐neo/Adh} ins β‐Heterochromatin in Region 20 an der Basis des X. Keine der zehn autosomalen Insertionen ist dosiskompensiert. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass X‐chromosomale regulatorische Sequenzen, die für die Verstärkung der Genaktivität um Faktor 2 in Männchen verantwortlich sind, gehäuft im X vorkommen, jedoch im β‐ Heterochromatin und den Autosomen fehlen. Das Kompensationsverhalten der transponierten Gene wird durch das neue chromosomale Milieu des Insertionsortes bestimmt.

Sequence capture and next-generation resequencing of multiple tagged nucleic acid samples for mutation screening of urea cycle disorders

Molecular genetic testing is commonly used to confirm clinical diagnoses of inherited urea cycle disorders (UCDs); however, conventional mutation screenings encompassing only the coding regions of genes may not detect disease-causing mutations occurring in regulatory elements and introns. Microarray-based target enrichment and next-generation sequencing now allow more-comprehensive genetic screening. We applied this approach to UCDs and combined it with the use of DNA bar codes for more cost-effective, parallel analyses of multiple samples.

Polymorphisms in the ABCB1 gene in phenobarbital responsive and resistant idiopathic epileptic Border Collies

BACKGROUND: Variation in the ABCB1 gene is believed to play a role in drug resistance in epilepsy. HYPOTHESIS/OBJECTIVES: Variation in the ABCB1 gene encoding the permeability-glycoprotein could have an influence on phenobarbital (PB) resistance, which occurs with high frequency in idiopathic epileptic Border Collies (BCs). Animals: Two hundred and thirty-six client-owned BCs from Switzerland and Germany including 25 with idiopathic epilepsy, of which 13 were resistant to PB treatment. METHODS: Prospective and retrospective case-control study. Data were collected retrospectively regarding disease status, antiepileptic drug (AED) therapy, and drug responsiveness. The frequency of a known mutation in the ABCB1 gene (4 base-pair deletion in the ABCB1 gene [c.296_299del]) was determined in all BCs. Additionally, the ABCB1 coding exons and flanking sequences were completely sequenced to search for additional variation in 41 BCs. Association analyses were performed in 2 case-control studies: idiopathic epileptic and control BCs and PB-responsive and resistant idiopathic epileptic BCs. RESULTS: One of 236 BCs (0.4%) was heterozygous for the mutation in the ABCB1 gene (c.296_299del). A total of 23 variations were identified in the ABCB1 gene: 4 in exons and 19 in introns. The G-allele of the c.-6-180T > G variation in intron 1 was significantly more frequent in epileptic BCs resistant to PB treatment than in epileptic BCs responsive to PB treatment (P(raw) = .0025). CONCLUSIONS AND CLINICAL IMPORTANCE: A variation in intron 1 of the ABCB1 gene is associated with drug responsiveness in BCs. This might indicate that regulatory mutations affecting the expression level of ABCB1 could exist, which may influence the reaction of a dog to AEDs.

STAR splicing mutations cause the severe phenotype of lipoid congenital adrenal hyperplasia: insights from a novel splice mutation and review of reported cases

OBJECTIVE The steroidogenic acute regulatory protein (StAR) transports cholesterol to the mitochondria for steroidogenesis. Loss of StAR function causes lipoid congenital adrenal hyperplasia (LCAH) which is characterized by impaired synthesis of adrenal and gonadal steroids causing adrenal insufficiency, 46,XY disorder of sex development (DSD) and failure of pubertal development. Partial loss of StAR activity may cause adrenal insufficiency only. PATIENT A newborn girl was admitted for mild dehydration, hyponatremia, hyperkalemia and hypoglycaemia and had normal external female genitalia without hyperpigmentation. Plasma cortisol, 17OH-progesterone, DHEA-S, androstendione and aldosterone were low, while ACTH and plasma renin activity were elevated, consistent with the diagnosis of primary adrenal insufficiency. Imaging showed normal adrenals, and cytogenetics revealed a 46,XX karyotype. She was treated with fluids, hydrocortisone and fludrocortisone. DESIGN, METHODS AND RESULTS Genetic studies revealed a novel homozygous STAR mutation in the 3' acceptor splice site of intron 4, c.466-1G>A (IVS4-1G>A). To test whether this mutation would affect splicing, we performed a minigene experiment with a plasmid construct containing wild-type or mutant StAR gDNA of exons-introns 4-6 in COS-1 cells. The splicing was assessed on total RNA using RT-PCR for STAR cDNAs. The mutant STAR minigene skipped exon 5 completely and changed the reading frame. Thus, it is predicted to produce an aberrant and shorter protein (p.V156GfsX19). Computational analysis revealed that this mutant protein lacks wild-type exons 5-7 which are essential for StAR-cholesterol interaction. CONCLUSIONS STAR c.466-1A skips exon 5 and causes a dramatic change in the C-terminal sequence of the protein, which is essential for StAR-cholesterol interaction. This splicing mutation is a loss-of-function mutation explaining the severe phenotype of our patient. Thus far, all reported splicing mutations of STAR cause a severe impairment of protein function and phenotype.

Regulation of human GH receptor gene transcription by 20 and 22 kDa GH in a human hepatoma cell line.

The human GH gene is 1.7 kilobase pairs (kb) in length and is composed of five exons and four introns. This gene is expressed in the pituitary gland and encodes a 22 kDa protein. In addition to this predominant (75%) form, 5-10% of pituitary GH is present as a 20 kDa protein that has an amino acid (aa) sequence identical to the 22 kDa form except for a 15 aa internal deletion of residues 32-46 as a result of an alternative splicing event. Because it has been reported that non-22-kDa GH isoforms might be partly responsible for short stature and growth retardation in children, the aim of this study was to compare the impact of both 22 kDa and 20 kDa GH on GH receptor gene (GH receptor/GH binding protein (GHR/GHBP)) expression. Various concentrations of 20 kDa and 22 kDa GH (0, 2, 5, 12.5, 25, 50 and 150 ng/ml) were added to human hepatoma (HuH7) cells cultured in serum-free hormonally defined medium for 0, 1 and 2 h. Thereafter GHR/GHBP mRNA expression was measured by quantitative PCR. Addition of either 20 kDa or 22 kDa GH, at low or normal physiological concentrations (0, 2, 5, 12.5, 25 or 50 ng/ml) induced a dose-dependent increase in GHR/GHBP expression. However, a supraphysiological concentration of 20 kDa GH (150 ng/ml) resulted in a significantly lower (P<0.05) downregulation of GHR/GHBP gene transcription compared with the downregulation achieved by this concentration of 22 kDa GH. This difference might be explained by a decreased ability to form a 1 : 1 complex with GHR and/or GHBP, which normally occurs at high concentrations of GH. Nuclear run-on experiments and GHBP determinations confirmed the changes in GHR/GHBP mRNA levels. In conclusion, we report that both 20 kDa and 22 kDa GH, in low and normal physiological concentrations, have the same effect on regulation of GHR/GHBP gene transcription in a human hepatoma cell line. At a supraphysiological concentration of 150 ng/ml, however, 20 kDa GH has a less self-inhibitory effect than the 22 kDa form.

Genome sequence of Fusobacterium nucleatum subspecies polymorphum - a genetically tractable fusobacterium.

Fusobacterium nucleatum is a prominent member of the oral microbiota and is a common cause of human infection. F. nucleatum includes five subspecies: polymorphum, nucleatum, vincentii, fusiforme, and animalis. F. nucleatum subsp. polymorphum ATCC 10953 has been well characterized phenotypically and, in contrast to previously sequenced strains, is amenable to gene transfer. We sequenced and annotated the 2,429,698 bp genome of F. nucleatum subsp. polymorphum ATCC 10953. Plasmid pFN3 from the strain was also sequenced and analyzed. When compared to the other two available fusobacterial genomes (F. nucleatum subsp. nucleatum, and F. nucleatum subsp. vincentii) 627 open reading frames unique to F. nucleatum subsp. polymorphum ATCC 10953 were identified. A large percentage of these mapped within one of 28 regions or islands containing five or more genes. Seventeen percent of the clustered proteins that demonstrated similarity were most similar to proteins from the clostridia, with others being most similar to proteins from other gram-positive organisms such as Bacillus and Streptococcus. A ten kilobase region homologous to the Salmonella typhimurium propanediol utilization locus was identified, as was a prophage and integrated conjugal plasmid. The genome contains five composite ribozyme/transposons, similar to the CdISt IStrons described in Clostridium difficile. IStrons are not present in the other fusobacterial genomes. These findings indicate that F. nucleatum subsp. polymorphum is proficient at horizontal gene transfer and that exchange with the Firmicutes, particularly the Clostridia, is common.

Estimation of male-to-female ratios of mutation rate in primates and rodents

Haldane (1935) developed a method for estimating the male-to-female ratio of mutation rate ($\alpha$) by using sex-linked recessive genetic disease, but in six different studies using hemophilia A data the estimates of $\alpha$ varied from 1.2 to 29.3. Direct genomic sequencing is a better approach, but it is laborious and not readily applicable to non-human organisms. To study the sex ratios of mutation rate in various mammals, I used an indirect method proposed by Miyata et al. (1987). This method takes advantage of the fact that different chromosomes segregate differently between males and females, and uses the ratios of mutation rate in sequences on different chromosomes to estimate the male-to-female ratio of mutation rate. I sequenced the last intron of ZFX and ZFY genes in 6 species of primates and 2 species of rodents; I also sequenced the partial genomic sequence of the Ube1x and Ube1y genes of mice and rats. The purposes of my study in addition to estimation of $\alpha$'s in different mammalian species, are to test the hypothesis that most mutations are replication dependent and to examine the generation-time effect on $\alpha$. The $\alpha$ value estimated from the ZFX and ZFY introns of the six primate specise is ${\sim}$6. This estimate is the same as an earlier estimate using only 4 species of primates, but the 95% confidence interval has been reduced from (2, 84) to (2, 33). The estimate of $\alpha$ in the rodents obtained from Zfx and Zfy introns is ${\sim}$1.9, and that deriving from Ube1x and Ube1y introns is ${\sim}$2. Both estimates have a 95% confidence interval from 1 to 3. These two estimates are very close to each other, but are only one-third of that of the primates, suggesting a generation-time effect on $\alpha$. An $\alpha$ of 6 in primates and 2 in rodents are close to the estimates of the male-to-female ratio of the number of germ-cell divisions per generation in humans and mice, which are 6 and 2, respectively, assuming the generation time in humans is 20 years and that in mice is 5 months. These findings suggest that errors during germ-cell DNA replication are the primary source of mutation and that $\alpha$ decreases with decreasing length of generation time. ^

Characterization of the human tissue transglutaminase gene promoter

Transglutaminases are a family of calcium-dependent enzymes, that catalyze the covalent cross-linking of proteins by forming $\varepsilon(\gamma$-glutamyl)lysine isopeptide bonds. In order to investigate the molecular mechanisms regulating the expression of the tissue transglutaminase gene and to determine its biological functions, the goal of this research has been to clone and characterize the human tissue transglutaminase promoter. Thirteen clones of the tissue transglutaminase gene were obtained from the screening of a human placental genomic DNA library. A 1.74 Kb fragment derived from DNA located immediately upstream of the translation start site was subcloned and sequenced. Sequence analysis of this DNA fragment revealed that it contains a TATA box (TATAA), a CAAT box (GGACAAT), and a series of potential transcription factor binding sites and hormone response elements. Four regions of significant homology, a GC-rich region, a TG-rich region, an AG-rich region, and HR1, were identified by aligning 1.8 Kb of DNA flanking the human, mouse, and guinea pig tissue transglutaminase genes.^ To measure promoter activity, we subcloned the 1.74 Kb fragment of the tissue transglutaminase gene into a luciferase reporter vector to generate transglutaminase promoter/luciferase reporter constructs. Transfection experiments showed that this DNA segment includes a functional promoter with high constitutive activity. Deletion analysis revealed that the SP1 sites or corresponding sequences contribute to this activity. We investigated the role of DNA methylation in regulating the activity of the promoter and found that in vitro methylation of tissue transglutaminase promoter/luciferase reporter constructs suppressed their basal activity. Methylation of the promoter is inversely correlated with the expression of the tissue transglutaminase gene in vivo. These results suggest that DNA methylation may be one of the mechanisms regulating the expression of the gene. The tumor suppressor gene product p53 was also shown to inhibit the activity of the promoter, suggesting that induction of the tissue transglutaminase gene is not involved in the p53-dependent programmed cell death pathway. Although retinoids regulate the expression of the tissue transglutaminase gene in vivo, retinoid-inducible activity can not be identified in 3.7 Kb of DNA 5$\sp\prime$ to the tissue transglutaminase gene.^ The structure of the 5$\sp\prime$ end of the tissue transglutaminase gene was mapped. Alignment analysis of the human tissue transglutaminase gene with other human transglutaminases showed that tissue transglutaminase is the simplest member of transglutaminase superfamily. Transglutaminase genes show a conserved core of exons and introns but diverse N-terminuses and promoters. These observations suggest that key regulatory sequences and promoter elements have been appended upstream of the core transglutaminase gene to generate the diversity of regulated expression and regulated activity characteristic of the transglutaminase gene family. ^

Human TNF receptor p75/80 gene structure and promoter characterization

Tumor necrosis factor receptor p75/80 ((TNF-R p75/80) is a 75 kDa type 1 transmembrane protein expressed predominately on cells of hematopoietic lineage. TNF-R p75/80 belongs to the TNF receptor superfamily characterized by cysteine-rich extracellular regions composed of three to six disulfide-linked domains. In the present report, we have characterized, for the first time, the complete gene structure for human TNF-R p75/80 which spans approximately 43 kbp. The gene consists of 10 exons (ranging from 34 bp to 2.5 kbp) and 9 introns (343 bp to 19 kbp). Consensus elements for transcription factors involved in T cell development and activation were noted in the 5$\sp\prime$ flanking region including TCF-1, Ikaros, AP-1, CK-2, IL-6RE, ISRE, GAS, NF-$\kappa$B and SP1, as well as an unusually high GC content and CpG frequency that appears characteristic of some TNF-R family members. The unusual (GATA)$\sb{\rm n}$ and (GAA)(GGA) repeats found within intron 1 may prove useful for further genome analysis within the 1p36 chromosomal locus. The human TNF-R p75/80 gene structure will permit further assessment of its involvement in normal hematopoietic cell development and function, autoimmune disease, and non-random translocations in hematopoietic malignancies. The region 1.8 kb 5$\sp\prime$ of the ATG was able to drive luciferase expression when transfected into cell lines expressing TNF-R p75/80. Further characterization of the 5$\sp\prime$-regulatory region will aid in determining factors and signal transduction pathways involved in regulating TNF-R p75/80 expression. ^

myogenin: Human candidate gene and knockout mouse effect

The myogenin gene encodes an evolutionarily conserved basic helix-loop-helix transcription factor that regulates the expression of skeletal muscle-specific genes and its homozygous deletion results in mice who die of respiratory failure at birth. The histology of skeletal muscle in the myogenin null mice is reminiscent of that found in some severe congenital myopathy patients, many of whom also die of respiratory complications and provides the rationale that an aberrant human myogenin (myf4) coding region could be associated with some congenital myopathy conditions.^ With PCR, we found similarly sized amplimers for the three exons of the myogenin gene in 37 patient and 40 control samples. In contrast to the GeneBank sequence for human myogenin, we report several differences in flanking and coding regions plus an additional 659 and 498 bps in the first and second introns, respectively, in all patients and controls. We also find a novel (CA)-dinucleotide repeat in the second intron. No causative mutations were detected in the myogenin coding regions of genomic DNA from patients with severe congenital myopathy.^ Severe congenital myopathies in humans are often associated with respiratory complications and pulmonary hypoplasia. We have employed the myogenin null mouse, which lacks normal development of skeletal muscle fibers as a genetically defined severe congenital myopathy mouse model to evaluate the effect of absent fetal breathing movement on pulmonary development.^ Significant differences are observed at embryonic days E14, E17 and E20 of lung:body weight, total DNA and histologically, suggesting that the myogenin null lungs are hypoplastic. RT-PCR, in-situ immunofluorescence and EM reveal pneumocyte type II differentiation in both null and wild lungs as early as E14. However, at E14, myogenin null lungs have decreased BrdU incorporation while E17 through term, augmented cell death is detected in the myogenin null lungs, not seen in wild littermates. Absent mechanical forces appear to impair normal growth, but not maturation, of the developing lungs in myogenin null mouse.^ These investigations provide the basis for delineating the DNA sequence of the myogenin gene and and highlight the importance of skeletal muscle development in utero for normal lung organogenesis. My observation of no mutations within the coding regions of the human myogenin gene in DNA from patients with severe congenital myopathy do not support any association with this condition. ^