Taxonomy, phylogeny and molecular epidemiology of Echinococcus multilocularis: From fundamental knowledge to health ecology.

Alveolar echinococcosis, caused by the tapeworm Echinococcus multilocularis, is one of the most severe parasitic diseases in humans and represents one of the 17 neglected diseases prioritised by the World Health Organisation (WHO) in 2012. Considering the major medical and veterinary importance of this parasite, the phylogeny of the genus Echinococcus is of considerable importance; yet, despite numerous efforts with both mitochondrial and nuclear data, it has remained unresolved. The genus is clearly complex, and this is one of the reasons for the incomplete understanding of its taxonomy. Although taxonomic studies have recognised E. multilocularis as a separate entity from the Echinococcus granulosus complex and other members of the genus, it would be premature to draw firm conclusions about the taxonomy of the genus before the phylogeny of the whole genus is fully resolved. The recent sequencing of E. multilocularis and E. granulosus genomes opens new possibilities for performing in-depth phylogenetic analyses. In addition, whole genome data provide the possibility of inferring phylogenies based on a large number of functional genes, i.e. genes that trace the evolutionary history of adaptation in E. multilocularis and other members of the genus. Moreover, genomic data open new avenues for studying the molecular epidemiology of E. multilocularis: genotyping studies with larger panels of genetic markers allow the genetic diversity and spatial dynamics of parasites to be evaluated with greater precision. There is an urgent need for international coordination of genotyping of E. multilocularis isolates from animals and human patients. This could be fundamental for a better understanding of the transmission of alveolar echinococcosis and for designing efficient healthcare strategies.

Assembling models of embryo development: Image analysis and the construction of digital atlases

Digital atlases of animal development provide a quantitative description of morphogenesis, opening the path toward processes modeling. Prototypic atlases offer a data integration framework where to gather information from cohorts of individuals with phenotypic variability. Relevant information for further theoretical reconstruction includes measurements in time and space for cell behaviors and gene expression. The latter as well as data integration in a prototypic model, rely on image processing strategies. Developing the tools to integrate and analyze biological multidimensional data are highly relevant for assessing chemical toxicity or performing drugs preclinical testing. This article surveys some of the most prominent efforts to assemble these prototypes, categorizes them according to salient criteria and discusses the key questions in the field and the future challenges toward the reconstruction of multiscale dynamics in model organisms.

A novel motion tracking system for evaluation of functional rehabilitation of the upper limbs

Upper limb function impairment is one of the most common sequelae of central nervous system injury, especially in stroke patients and when spinal cord injury produces tetraplegia. Conventional assessment methods cannot provide objective evaluation of patient performance and the tiveness of therapies. The most common assessment tools are based on rating scales, which are inefficient when measuring small changes and can yield subjective bias. In this study, we designed an inertial sensor-based monitoring system composed of five sensors to measure and analyze the complex movements of the upper limbs, which are common in activities of daily living. We developed a kinematic model with nine degrees of freedom to analyze upper limb and head movements in three dimensions. This system was then validated using a commercial optoelectronic system. These findings suggest that an inertial sensor-based motion tracking system can be used in patients who have upper limb impairment through data integration with a virtual reality-based neuroretation system.

Estimación del coste de almacenamiento de una solución de preservación de la privacidad en archivos BAM reales

A menudo los científicos secuencian el ADN de un gran número de personas con el objetivo de determinar qué genes se asocian con determinadas enfermedades. Esto permite meóon del genoma humano. El precio de un perfil genómico completo se ha posicionado por debajo de los 200 dólares y este servicio lo ofrecen muchas compañías, la mayor parte localizadas en EEUU. Como consecuencia, en unos pocos a~nos la mayoría de las personas procedentes de los países desarrollados tendrán los medios para tener su ADN secuenciado. Alrededor del 0.5% del ADN de cada persona (que corresponde a varios millones de nucleótidos) es diferente del genoma de referencia debido a variaciones genéticas. Así que el genoma contiene información altamente sensible y personal y representa la identidad biológica óon sobre el entorno o estilo de vida de uno (a menudo facilmente obtenible de las redes sociales), sería posible inferir el fenotipo del individuo. Multiples GWAS (Genome Wide Association Studies) realizados en los últimos a~nos muestran que la susceptibilidad de un paciente a tener una enfermedad en particular, como el Alzheimer, cáncer o esquizofrenia, puede ser predicha parcialmente a partir de conjuntos de sus SNP (Single Nucleotide Polimorphism). Estos resultados pueden ser usados para medicina genómica personalizada (facilitando los tratamientos preventivos y diagnósticos), tests de paternidad genéticos y tests de compatibilidad genética para averiguar a qué enfermedades pueden ser susceptibles los descendientes. Estos son algunos de los beneficios que podemos obtener usando la información genética, pero si esta información no es protegida puede ser usada para investigaciones criminales y por compañías aseguradoras. Este hecho podría llevar a discriminaci ón genética. Por lo que podemos concluir que la privacidad genómica es fundamental por el hecho de que contiene información sobre nuestra herencia étnica, nuestra predisposición a múltiples condiciones físicas y mentales, al igual que otras características fenotópicas, ancestros, hermanos y progenitores, pues los genomas de cualquier par de individuos relacionados son idénticos al 99.9%, contrastando con el 99.5% de dos personas aleatorias. La legislación actual no proporciona suficiente información técnica sobre como almacenar y procesar de forma segura los genomas digitalizados, por lo tanto, es necesaria una legislación mas restrictiva ---ABSTRACT---Scientists typically sequence DNA from large numbers of people in order to determine genes associated with particular diseases. This allows to improve the modern healthcare and to provide a better understanding of the human genome. The price of a complete genome profile has plummeted below $200 and this service is ofered by a number of companies, most of them located in the USA. Therefore, in a few years, most individuals in developed countries will have the means of having their genomes sequenced. Around 0.5% of each person's DNA (which corresponds to several millions of nucleotides) is diferent from the reference genome, owing to genetic variations. Thus, the genome contains highly personal and sensitive information, and it represents our ultimate biological identity. By combining genomic data with information about one's environment or lifestyle (often easily obtainable from social networks), could make it possible to infer the individual's phenotype. Multiple Genome Wide Association Studies (GWAS) performed in recent years have shown that a patient's susceptibility to particular diseases, such as Alzheimer's, cancer, or schizophrenia, can be partially predicted from sets of his SNPs. This results can be used for personalized genomic medicine (facilitating preventive treatment and diagnosis), genetic paternity tests, ancestry and genealogical testing, and genetic compatibility tests in order to have knowledge about which deseases would the descendant be susceptible to. These are some of the betefts we can obtain using genoma information, but if this information is not protected it can be used for criminal investigations and insurance purposes. Such issues could lead to genetic discrimination. So we can conclude that genomic privacy is fundamental due to the fact that genome contains information about our ethnic heritage, predisposition to numerous physical and mental health conditions, as well as other phenotypic traits, and ancestors, siblings, and progeny, since genomes of any two closely related individuals are 99.9% identical, in contrast with 99.5%, for two random people. The current legislation does not ofer suficient technical information about safe and secure ways of storing and processing digitized genomes, therefore, there is need for more restrictive legislation.

Evolução do veneno em cnidários baseada em dados de genomas e proteomas

A evolução do veneno, uma das misturas mais complexas da natureza, tem sustentado o sucesso da diversificação de inúmeras linhagens de animais. Serpentes deslizantes ou medusas flutuantes utilizam o veneno, um coquetel de peptídeos farmacologicamente ativos, sais e moléculas orgânicas. Esses animais surpreendentes têm provocado grande fascínio ao longo da história humana. Nesta dissertação propomos um estudo da evolução dos venenos no filo Cnidaria, englobando dados proteômicos e genômicos. Este projeto teve como objetivos: (1) caracterizar e elucidar a evolução da composição do veneno em Cnidaria por meio da comparação de listas de proteínas; (2) testar a hipótese de que a variação na família de toxinas específica de cnidários tem sido o resultado de um regime de seleção positiva; e (3) determinar a extensão em que a duplicação de genes pode ser considerada como a principal razão para a diversificação de toxinas em Cnidaria. O capítulo \"Comparative proteomics reveals common components of a powerful arsenal in the earliest animal venomous lineage, the cnidarians\" propõe o estudo comparado mais completo sobre a composição do veneno de cnidários e uma hipótese sobre a montagem evolutiva do complexo arsenal bioquímico de cnidários e do veneno ancestral desse grupo basal. Vinte e oito famílias de proteínas foram identificadas. Destas, 13 famílias foram registradas pela primeira vez no proteoma de Cnidaria. Pelo menos 15 famílias de toxinas foram recrutadas no proteoma de veneno de cnidários antes da diversificação dos grupos Anthozoa e Medusozoa. Nos capítulos \"Evidence of episodic positive selection in the evolution of jellyfish toxins of the cnidarian venom\" e \"Gene duplications are extensive and contribute significantly to the toxic proteome of nematocysts isolated from Acropora digitifera (Cnidaria: Anthozoa: Scleractinia)\", nossas análises demonstram que as famílias de toxinas nos cnidários se diversificam amplamente mediante a duplicação de genes. Além disso, em contraste com as famílias de toxinas do veneno na maioria das linhagens animais; nós identificamos um padrão diferente na família de toxinas específica de cnidários, em que há uma seleção purificadora por longos períodos seguindo longos tempos de diversificação ou vice-versa

Incorporação de informações genômicas no desenvolvimento de índices econômicos para a seleção de bovinos leiteiros

A eficiência econômica da bovinocultura leiteira está relacionada à utilização de animais que apresentem, concomitantemente, bom desempenho quanto à produção, reprodução, saúde e longevidade. Nisto, o índice de seleção configura-se como ferramenta importante ao aumento da lucratividade nesse sistema, visto que permite a seleção de reprodutores para várias características simultaneamente, considerando a relação entre elas bem como a relevância econômica das mesmas. Com a recente disponibilidade de dados genômicos tornou-se ainda possível expandir a abrangência e acurácia dos índices de seleção por meio do aumento do número e qualidade das informações consideradas. Nesse contexto, dois estudos foram desenvolvidos. No primeiro, o objetivo foi estimar parâmetros genéticos e valores genéticos (VG) para características relacionadas à produção e qualidade do leite incluindo-se a informação genômica na avaliação genética. Foram utilizadas medidas de idade ao primeiro parto (IPP), produção de leite (PROD), teor de gordura (GOR), proteína (PROT), lactose, caseína, escore de células somáticas (ECS) e perfil de ácidos graxos de 4.218 vacas bem como os genótipos de 755 vacas para 57.368 polimorfismos de nucleotídeo único (SNP). Os componentes de variância e VG foram obtidos por meio de um modelo misto animal, incluindo-se os efeitos de grupos de contemporâneas, ordem de lactação, dias em lactação e os efeitos aditivo genético, ambiente permanente e residual. Duas abordagens foram desenvolvidas: uma tradicional, na qual a matriz de relacionamentos é baseada no pedigree; e uma genômica, na qual esta matriz é construída combinando-se a informação de pedigree e dos SNP. As herdabilidades variaram de 0,07 a 0,39. As correlações genéticas entre PROD e os componentes do leite variaram entre -0,45 e -0,13 enquanto correlações altas e positivas foram estimadas entre GOR e os ácidos graxos. O uso da abordagem genômica não alterou as estimativas de parâmetros genéticos; contudo, houve aumento entre 1,5% e 6,8% na acurácia dos VG, à exceção de IPP, para a qual houve uma redução de 1,9%. No segundo estudo, o objetivo foi incorporar a informação genômica no desenvolvimento de índices econômicos de seleção. Neste, os VG para PROD, GOR, PROT, teor de ácidos graxos insaturados (INSAT), ECS e vida produtiva foram combinados em índices de seleção ponderados por valores econômicos estimados sob três cenários de pagamento: exclusivamente por volume de leite (PAG1); por volume e por componentes do leite (PAG2); por volume e componentes do leite incluindo INSAT (PAG3). Esses VG foram preditos a partir de fenótipos de 4.293 vacas e genótipos de 755 animais em um modelo multi-característica sob as abordagens tradicional e genômica. O uso da informação genômica influenciou os componentes de variância, VG e a resposta à seleção. Entretanto, as correlações de ranking entre as abordagens foram altas nos três cenários, com valores entre 0,91 e 0,99. Diferenças foram principalmente observadas entre PAG1 e os demais cenários, com correlações entre 0,67 e 0,88. A importância relativa das características e o perfil dos melhores animais foram sensíveis ao cenário de remuneração considerado. Assim, verificou-se como essencial a consideração dos valores econômicos das características na avaliação genética e decisões de seleção.

Understanding human genome regulation through entropic graph-based regularization and submodular optimization

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Modeling hybridoma cell metabolism using a generic genome-scale metabolic model of Mus musculus

The reconstructed cellular metabolic network of Mus musculus, based on annotated genomic data, pathway databases, and currently available biochemical and physiological information, is presented. Although incomplete, it represents the first attempt to collect and characterize the metabolic network of a mammalian cell on the basis of genomic data. The reaction network is generic in nature and attempts to capture the carbon, energy, and nitrogen metabolism of the cell. The metabolic reactions were compartmentalized between the cytosol and the mitochondria, including transport reactions between the compartments and the extracellular medium. The reaction list consists of 872 internal metabolites involved in a total of 1220 reactions, whereof 473 relate to known open reading frames. Initial in silico analysis of the reconstructed model is presented.

Genetics and genomics of osteoclast differentiation: Integrating cell signaling pathways and gene networks

The regulation of osteoclast differentiation in the bone microenvironment is critical for normal bone remodeling, as well as for various human bone diseases. Over the last decade, our knowledge of how osteoclast differentiation occurs has progressed rapidly. We highlight some of the major advances in understanding how cell signaling and transcription are integrated to direct the differentiation of this cell type. These studies used genetic, molecular, and biochemical approaches. Additionally, we summarize data obtained from studies of osteoclast differentiation that used the functional genomic approach of global gene profiling applied to osteoclast differentiation. This genomic data confirms results from studies using the classical experimental approaches and also may suggest new modes by which osteoclast differentiation and function can be modulated. Two conclusions that emerge are that osteoclast differentiation depends on a combination of fairly ubiquitously expressed transcription factors rather than unique osteoclast factors, and that the overlay of cell signaling pathways on this set of transcription factors provides a powerful mechanism to fine tune the differentiation program in response to the local bone microenvironment.

Heuristic algorithm for computing reversal distance with multigene families via binary integer programming

Hannenhalli and Pevzner developed the first polynomial-time algorithm for the combinatorial problem of sorting of signed genomic data. Their algorithm solves the minimum number of reversals required for rearranging a genome to another when gene duplication is nonexisting. In this paper, we show how to extend the Hannenhalli-Pevzner approach to genomes with multigene families. We propose a new heuristic algorithm to compute the reversal distance between two genomes with multigene families via the concept of binary integer programming without removing gene duplicates. The experimental results on simulated and real biological data demonstrate that the proposed algorithm is able to find the reversal distance accurately. ©2005 IEEE

Evolving discriminative motifs for recognizing proteins imported to the peroxisome via the PTS2 pathway

Peroxisomes are small subcellular compartments that utilize proteins manufactured in the cytoplasm. Proteins use one of two peroxisomal import pathways. This paper presents a simple evolutionary search for a motif that describes the signal used by one of the two pathways: PTS2. The evolved motif has a discriminative accuracy exceeding previously manually curated motifs and can be used to screen genomic data for putative peroxisomal proteins.

Studio Integrato Geomorfologico-Geofisico dell'Area Epicentrale del Terremoto del 20 Maggio 2012 (Mw 5.9) in Emilia-Romagna

La Sequenza Sismica Emiliana del 2012 ha colpito la zona compresa tra Mirandola e Ferrara con notevoli manifestazioni cosismiche e post-sismiche secondarie, soprattutto legate al fenomeno della liquefazione delle sabbie e alla formazione di fratturazioni superficiali del terreno. A fronte del fatto che la deformazione principale, osservata tramite tecniche di remote-sensing, ha permesso di individuare la posizione della struttura generatrice, ci si è interrogati sul rapporto tra strutture profonde e manifestazioni secondarie superficiali. In questa tesi è stato svolto un lavoro di integrazione di dati a varia scala, dalla superficie al sottosuolo, fino profondità di alcuni chilometri, per analizzare il legame tra le strutture geologiche che hanno generato il sisma e gli effetti superficiali percepiti dagli osservatori. Questo, non solo in riferimento allo specifico del sisma emiliano del 2012, ma al fine di trarre utili informazioni in una prospettiva storica e geologica sugli effetti di un terremoto “tipico”, in una regione dove le strutture generatrici non affiorano in superficie. Gli elementi analizzati comprendono nuove acquisizioni e rielaborazioni di dati pregressi, e includono cartografie geomorfologiche, telerilevamenti, profili sismici a riflessione superficiale e profonda, stratigrafie e informazioni sulla caratterizzazione dell’area rispetto al rischio sismico. Parte dei dati di nuova acquisizione è il risultato dello sviluppo e la sperimentazione di metodologie innovative di prospezione sismica in corsi e specchi d’acqua continentali, che sono state utilizzate con successo lungo il Cavo Napoleonico, un canale artificiale che taglia ortogonalmente la zona di massima deformazione del sisma del 20 Maggio. Lo sviluppo della nuova metodologia di indagine geofisica, applicata ad un caso concreto, ha permesso di migliorare le tecniche di imaging del sottosuolo, oltre a segnalare nuove evidenze co-sismiche che rimanevano nascoste sotto le acque del canale, e a fornire elementi utili alla stratigrafia del terreno. Il confronto tra dati geofisici e dati geomorfologici ha permesso di cartografare con maggiore dettaglio i corpi e le forme sedimentarie superficiali legati alla divagazione fluviale dall’VIII sec a.C.. I dati geofisici, superficiali e profondi, hanno evidenziato il legame tra le strutture sismogeniche e le manifestazioni superficiali seguite al sisma emiliano. L’integrazione dei dati disponibili, sia nuovi che da letteratura, ha evidenziato il rapporto tra strutture profonde e sedimentazione, e ha permesso di calcolare i tassi geologici di sollevamento della struttura generatrice del sisma del 20 Maggio. I risultati di questo lavoro hanno implicazioni in vari ambiti, tra i quali la valutazione del rischio sismico e la microzonazione sismica, basata su una caratterizzazione geomorfologico-geologico-geofisica dettagliata dei primi 20 metri al di sotto della superficie topografica. Il sisma emiliano del 2012 ha infatti permesso di riconoscere l’importanza del substrato per lo sviluppo di fenomeni co- e post-sismici secondari, in un territorio fortemente eterogeneo come la Pianura Padana.

The use of future Internet technologies in the agriculture and food sectors:integrating the supply chain

The Future Internet is expected to greatly influence how the food and agriculture sector is currently operating. In this paper, we present the specific characteristics of the agri-food sector focusing on how information management in this area will take place under a highly heterogeneous group of actors and services, based on the EU SmartAgriFood project. We also discuss how a new dynamic marketplace will be realized based on the adoption of a number of specialized software modules, called “Generic Enablers” that are currently developed in the context of the EU FI-WARE project. Thus, the paper presents the overall vision for data integration along the supply chain as well as the development and federation of Future Internet services that are expected to revolutionize the agriculture sector.

Enhancing visibility in EPCIS governing agri-food supply chains via linked pedigrees

Data integration for the purposes of tracking, tracing and transparency are important challenges in the agri-food supply chain. The Electronic Product Code Information Services (EPCIS) is an event-oriented GS1 standard that aims to enable tracking and tracing of products through the sharing of event-based datasets that encapsulate the Electronic Product Code (EPC). In this paper, the authors propose a framework that utilises events and EPCs in the generation of "linked pedigrees" - linked datasets that enable the sharing of traceability information about products as they move along the supply chain. The authors exploit two ontology based information models, EEM and CBVVocab within a distributed and decentralised framework that consumes real time EPCIS events as linked data to generate the linked pedigrees. The authors exemplify the usage of linked pedigrees within the fresh fruit and vegetables supply chain in the agri-food sector.