Dengue virus type 3 adaptive changes during epidemics in São Jose de Rio Preto, Brazil, 2006–2007

Global dengue virus spread in tropical and sub-tropical regions has become a major international public health concern. It is evident that DENV genetic diversity plays a significant role in the immunopathology of the disease and that the identification of polymorphisms associated with adaptive responses is important for vaccine development. The investigation of naturally occurring genomic variants may play an important role in the comprehension of different adaptive strategies used by these mutants to evade the human immune system. In order to elucidate this role we sequenced the complete polyprotein-coding region of thirty-three DENV-3 isolates to characterize variants circulating under high endemicity in the city of São José de Rio Preto, Brazil, during the onset of the 2006-07 epidemic. By inferring the evolutionary history on a local-scale and estimating rates of synonymous (dS) and nonsynonimous (dN) substitutions, we have documented at least two different introductions of DENV-3 into the city and detected 10 polymorphic codon sites under significant positive selection (dN/dS > 1) and 8 under significant purifying selection (dN/dS < 1). We found several polymorphic amino acid coding sites in the envelope (15), NS1 (17), NS2A (11), and NS5 (24) genes, which suggests that these genes may be experiencing relatively recent adaptive changes. Furthermore, some polymorphisms correlated with changes in the immunogenicity of several epitopes. Our study highlights the existence of significant and informative DENV variability at the spatio-temporal scale of an urban outbreak.

TNFRSF13B Genetic variability an anthropological - evolutionary approach to Biomedical Research

In the recent years TNFRSF13B coding variants have been implicated by clinical genetics studies in Common Variable Immunodeficiency (CVID), the most common clinically relevant primary immunodeficiency in individuals of European ancestry, but their functional effects in relation to the development of the disease have not been entirely established. To examine the potential contribution of such variants to CVID, the more comprehensive perspective of an evolutionary approach was applied in this study, underling the belief that evolutionary genetics methods can play a role in dissecting the origin, causes and diffusion of human diseases, representing a powerful tool also in human health research. For this purpose, TNFRSF13B coding region was sequenced in 451 healthy individuals belonging to 26 worldwide populations, in addition to 96 control, 77 CVID and 38 Selective IgA Deficiency (IgAD) individuals from Italy, leading to the first achievement of a global picture of TNFRSF13B nucleotide diversity and haplotype structure and making suggestion of its evolutionary history possible. A slow rate of evolution, within our species and when compared to the chimpanzee, low levels of genetic diversity geographical structure and the absence of recent population specific selective pressures were observed for the examined genomic region, suggesting that geographical distribution of its variability is more plausibly related to its involvement also in innate immunity rather than in adaptive immunity only. This, together with the extremely subtle disease/healthy samples differences observed, suggests that CVID might be more likely related to still unknown environmental and genetic factors, rather than to the nature of TNFRSF13B variants only.

Studies of OPA1 pathogenic mechanisms in Dominant Optic Atrophy and novel protein function in mitochondrial DNA stability

The mitochondrion is an essential cytoplasmic organelle that provides most of the energy necessary for eukaryotic cell physiology. Mitochondrial structure and functions are maintained by proteins of both mitochondrial and nuclear origin. These organelles are organized in an extended network that dynamically fuses and divides. Mitochondrial morphology results from the equilibrium between fusion and fission processes, controlled by a family of “mitochondria-shaping” proteins. It is becoming clear that defects in mitochondrial dynamics can impair mitochondrial respiration, morphology and motility, leading to apoptotic cell death in vitro and more or less severe neurodegenerative disorders in vivo in humans. Mutations in OPA1, a nuclear encoded mitochondrial protein, cause autosomal Dominant Optic Atrophy (DOA), a heterogeneous blinding disease characterized by retinal ganglion cell degeneration leading to optic neuropathy (Delettre et al., 2000; Alexander et al., 2000). OPA1 is a mitochondrial dynamin-related guanosine triphosphatase (GTPase) protein involved in mitochondrial network dynamics, cytochrome c storage and apoptosis. This protein is anchored or associated on the inner mitochondrial membrane facing the intermembrane space. Eight OPA1 isoforms resulting from alternative splicing combinations of exon 4, 4b and 5b have been described (Delettre et al., 2001). These variants greatly vary among diverse organs and the presence of specific isoforms has been associated with various mitochondrial functions. The different spliced exons encode domains included in the amino-terminal region and contribute to determine OPA1 functions (Olichon et al., 2006). It has been shown that exon 4, that is conserved throughout evolution, confers functions to OPA1 involved in maintenance of the mitochondrial membrane potential and in the fusion of the network. Conversely, exon 4b and exon 5b, which are vertebrate specific, are involved in regulation of cytochrome c release from mitochondria, and activation of apoptosis, a process restricted to vertebrates (Olichon et al., 2007). While Mgm1p has been identified thanks to its role in mtDNA maintenance, it is only recently that OPA1 has been linked to mtDNA stability. Missense mutations in OPA1 cause accumulation of multiple deletions in skeletal muscle. The syndrome associated to these mutations (DOA-1 plus) is complex, consisting of a combination of dominant optic atrophy, progressive external ophtalmoplegia, peripheral neuropathy, ataxia and deafness (Amati- Bonneau et al., 2008; Hudson et al., 2008). OPA1 is the fifth gene associated with mtDNA “breakage syndrome” together with ANT1, PolG1-2 and TYMP (Spinazzola et al., 2009). In this thesis we show for the first time that specific OPA1 isoforms associated to exon 4b are important for mtDNA stability, by anchoring the nucleoids to the inner mitochondrial membrane. Our results clearly demonstrate that OPA1 isoforms including exon 4b are intimately associated to the maintenance of the mitochondrial genome, as their silencing leads to mtDNA depletion. The mechanism leading to mtDNA loss is associated with replication inhibition in cells where exon 4b containing isoforms were down-regulated. Furthermore silencing of exon 4b associated isoforms is responsible for alteration in mtDNA-nucleoids distribution in the mitochondrial network. In this study it was evidenced that OPA1 exon 4b isoform is cleaved to provide a 10kd peptide embedded in the inner membrane by a second transmembrane domain, that seems to be crucial for mitochondrial genome maintenance and does correspond to the second transmembrane domain of the yeasts orthologue encoded by MGM1 or Msp1, which is also mandatory for this process (Diot et al., 2009; Herlan et al., 2003). Furthermore in this thesis we show that the NT-OPA1-exon 4b peptide co-immuno-precipitates with mtDNA and specifically interacts with two major components of the mitochondrial nucleoids: the polymerase gamma and Tfam. Thus, from these experiments the conclusion is that NT-OPA1- exon 4b peptide contributes to the nucleoid anchoring in the inner mitochondrial membrane, a process that is required for the initiation of mtDNA replication and for the distribution of nucleoids along the network. These data provide new crucial insights in understanding the mechanism involved in maintenance of mtDNA integrity, because they clearly demonstrate that, besides genes implicated in mtDNA replications (i.e. polymerase gamma, Tfam, twinkle and genes involved in the nucleotide pool metabolism), OPA1 and mitochondrial membrane dynamics play also an important role. Noticeably, the effect on mtDNA is different depending on the specific OPA1 isoforms down-regulated, suggesting the involvement of two different combined mechanisms. Over two hundred OPA1 mutations, spread throughout the coding region of the gene, have been described to date, including substitutions, deletions or insertions. Some mutations are predicted to generate a truncated protein inducing haploinsufficiency, whereas the missense nucleotide substitutions result in aminoacidic changes which affect conserved positions of the OPA1 protein. So far, the functional consequences of OPA1 mutations in cells from DOA patients are poorly understood. Phosphorus MR spectroscopy in patients with the c.2708delTTAG deletion revealed a defect in oxidative phosphorylation in muscles (Lodi et al., 2004). An energetic impairment has been also show in fibroblasts with the severe OPA1 R445H mutation (Amati-Bonneau et al., 2005). It has been previously reported by our group that OPA1 mutations leading to haploinsufficiency are associated in fibroblasts to an oxidative phosphorylation dysfunction, mainly involving the respiratory complex I (Zanna et al., 2008). In this study we have evaluated the energetic efficiency of a panel of skin fibroblasts derived from DOA patients, five fibroblast cell lines with OPA1 mutations causing haploinsufficiency (DOA-H) and two cell lines bearing mis-sense aminoacidic substitutions (DOA-AA), and compared with control fibroblasts. Although both types of DOA fibroblasts maintained a similar ATP content when incubated in a glucose-free medium, i.e. when forced to utilize the oxidative phosphorylation only to produce ATP, the mitochondrial ATP synthesis through complex I, measured in digitonin-permeabilized cells, was significantly reduced in cells with OPA1 haploinsufficiency only, whereas it was similar to controls in cells with the missense substitutions. Furthermore, evaluation of the mitochondrial membrane potential (DYm) in the two fibroblast lines DOA-AA and in two DOA-H fibroblasts, namely those bearing the c.2819-2A>C mutation and the c.2708delTTAG microdeletion, revealed an anomalous depolarizing response to oligomycin in DOA-H cell lines only. This finding clearly supports the hypothesis that these mutations cause a significant alteration in the respiratory chain function, which can be unmasked only when the operation of the ATP synthase is prevented. Noticeably, oligomycin-induced depolarization in these cells was almost completely prevented by preincubation with cyclosporin A, a well known inhibitor of the permeability transition pore (PTP). This results is very important because it suggests for the first time that the voltage threshold for PTP opening is altered in DOA-H fibroblasts. Although this issue has not yet been addressed in the present study, several are the mechanisms that have been proposed to lead to PTP deregulation, including in particular increased reactive oxygen species production and alteration of Ca2+ homeostasis, whose role in DOA fibroblasts PTP opening is currently under investigation. Identification of the mechanisms leading to altered threshold for PTP regulation will help our understanding of the pathophysiology of DOA, but also provide a strategy for therapeutic intervention.

Role of SP-A gene polymorphism in lung transplantation

Lung transplantation is a widely accepted therapeutic option for end stage lung disease. Clinical outcome is yet challenged by primary graft failure responsible for the majority of the early mortality, by chronic allograft dysfunction and chronic rejection accounting for more than 30% of deaths after the third postoperative year. Pulmonary surfactant proteins (SP) A, B, C and D are one of the first host defense mechanisms the lung can mount. SP-A in particular, produced by the type II pneumocytes, is active in the innate and adaptive immune system being an opsonin, but also regulating the macrophage and lymphocyte response. The main hypothesis for this project is that pulmonary surfactant protein A polymorphism may determine the early and long term lung allograft survival. Of note SP-A biologic activity seems to be genetically determined and SP-A polymorphisms have been associated to various lung disease. The two SP-A genes SP-A1 and SP-A2 have several polymorphisms within the coding region, SP-A1 (6A, 6A2-20), and SP-A2(1A, 1A0-13). The SP-A gene expression is regulated by cAMP, TTF-1 and glucocorticoids. In vitro studies have indicated that SP-A1 and SP-A2 gene variants may have a variable response to glucocorticoids. We proposed to determine if SP-A gene polymorphism predicts primary graft dysfunction and/or chronic lung allograft dysfunction and if SP-A may serve as a biomarker of lung allograft dysfunction. We also proposed to study the interaction between immunosuppressive drugs and SP-A expression and determine whether this is dependent on SP-A polymorphisms. This study will generate novel information improving our understanding of lung allograft dysfunction. It is conceivable that the information will stimulate the interest for a multi centre study to investigate if SP-A polymorphism may be integrated in the donor lung selection criteria and/or to implement post transplant tailored immunosuppression.

RNA-basierte Impfstoffe zur Induktion optimaler Immunantworten

Antigen-kodierende RNA wird als eine sichere und effiziente Alternative zu traditionellen Impfstoff-Formulierungen, wie Peptid-, Protein-, rekombinanten viralen oder DNA basierten Impfstoffen betrachtet. Der endgültige klinische Nutzen RNA-basierter Impfstoffe wird von der Optimierung verschiedener Parameter abhängig sein, die zur Induktion und effizienten Expansion der humoralen und zellvermittelten Immunantwort beitragen. Vor diesem Hintergrund war die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, die Etablierung pharmakologischer und immunologischer Parameter für die Generierung effektiver Immunantworten durch RNA-Impfstoffe sowie deren Wirksamkeit in vitro und im Mausmodell unter Nutzung von Modellantigenen zu testen. Zur Untersuchung und Optimierung der RNA-Pharmakokinetik, als einem Schlüsselaspekt der klinischen Medikamentenentwicklung, wurde der Einfluss von strukturellen Modifikationen auf die Transkriptstabilität und Translationseffizienz von Reporter-Proteinen in einer zeitabhängigen Kinetik evaluiert. Es wurde gezeigt, dass ein poly(A) Schwanz von 120 Adenosinen, verglichen mit einem kürzeren, ein freies 3´ poly(A) Ende, verglichen mit einem verdeckten und eine doppelte β-globin 3´ UTR, unabhängig voneinander zu einer Erhöhung der IVT-RNA Stabilität und zu einer Verbesserung der Translationseffizienz beitrugen und dadurch insgesamt zu einer erhöhten Proteinexpression führten. Antigen-kodierende IVT-RNA mit diesen molekularen Merkmalen in Kombination führte, im Vergleich zur Standard IVT-RNA, zu einer erhöhten Dichte und Stabilität von Peptid/MHC-Komplexen auf der Zelloberfläche transfizierter DCs und dadurch zu einer verbesserten Stimulation von CD4+ und CD8+ T-Zellen im murinen und humanen System. Mit dem Ziel, die RNA kodierte Antigenform für die Induktion einer verstärkten Antikörperantwort zu modifizieren, wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Antigen-IgM Fusionskonstrukt hergestellt und hinsichtlich seiner Eignung als neues Impfstoff-Format untersucht. Die Ausgangshypothese, dass die RNA kodierten Antigen-IgM Fusionsproteine polymerisieren, von transfizierten Zellen sezerniert werden und aufgrund der repetitiven Antigenstruktur im Vergleich mit dem monomeren Antigen zu einer Verstärkung der Antikörperantwort führen, wurde in vitro und in vivo im Mausmodell bestätigt. Die Entwicklung und Evaluierung von Zytokinfusionsproteinen zur selektiven Verstärkung der antigenspezifischen Immunantworten bildeten den dritten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Zur weiteren Verstärkung der Antikörperantwort wurde basierend auf den Resultaten aus dem zweiten Teil ein IL2-IgM Fusionskonstrukt hergestellt. Die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2-IgM kodierender IVT-RNA führte zu einer signifikant stärkeren Antikörperantwort als die Ko-Transfektion von Antigen-IgM und IL2. Für die Initiierung einer erfolgreichen anti-Tumor-Immunantwort ist das Priming antigenspezifischer T-Zellen essentiell. Um die Effizienz dieses Prozesses zu steigern, wurde ein bifunktionelles IL2-mCD40L Fusionskonstrukt hergestellt und sein Einfluss auf die Effektorfunktion von DCs in vitro und in vivo untersucht. Es wurde gezeigt, dass ein RNA kodiertes IL2-mCD40L Fusionsprotein als genetisches Adjuvanz zu einer Effizienzsteigerung des Priming zytotoxischer T-Zellen führt. Somit wurden in dieser Arbeit durch die Optimierung der Pharmakokinetik, die Modifikation der Antigenform und die Herstellung und Evaluierung von Zytokinfusionskonstrukten als genetische Adjuvantien, RNA-basierte Impfstoffe für eine optimierte Induktion von antigenspezifischen Immunantworten weiter verbessert.

New computational biology tools for the systematic analysis of the structure and expression of human genes

From the late 1980s, the automation of sequencing techniques and the computer spread gave rise to a flourishing number of new molecular structures and sequences and to proliferation of new databases in which to store them. Here are presented three computational approaches able to analyse the massive amount of publicly avalilable data in order to answer to important biological questions. The first strategy studies the incorrect assignment of the first AUG codon in a messenger RNA (mRNA), due to the incomplete determination of its 5' end sequence. An extension of the mRNA 5' coding region was identified in 477 in human loci, out of all human known mRNAs analysed, using an automated expressed sequence tag (EST)-based approach. Proof-of-concept confirmation was obtained by in vitro cloning and sequencing for GNB2L1, QARS and TDP2 and the consequences for the functional studies are discussed. The second approach analyses the codon bias, the phenomenon in which distinct synonymous codons are used with different frequencies, and, following integration with a gene expression profile, estimates the total number of codons present across all the expressed mRNAs (named here "codonome value") in a given biological condition. Systematic analyses across different pathological and normal human tissues and multiple species shows a surprisingly tight correlation between the codon bias and the codonome bias. The third approach is useful to studies the expression of human autism spectrum disorder (ASD) implicated genes. ASD implicated genes sharing microRNA response elements (MREs) for the same microRNA are co-expressed in brain samples from healthy and ASD affected individuals. The different expression of a recently identified long non coding RNA which have four MREs for the same microRNA could disrupt the equilibrium in this network, but further analyses and experiments are needed.

Populationsgenetik kupfer- und bronzezeitlicher Bevölkerungen der osteuropäischen Steppe

Mit der vorliegenden Arbeit wurden erstmals prähistorische Bevölkerungsstrukturen in der osteuropäischen Steppe von der Oberthrakischen Tiefebene bis zur Wolga populationsgenetisch untersucht. Mit Multiplex-PCR und 454-Sequencing wurden von 65 kupfer- und bronzezeitlichen Individuen die Hypervariable Region I und 30 Abschnitte der coding region der mitochondrialen DNA analysiert. Außerdem wurden bis zu 20 putativ selektierte autosomale SNPs und ein geschlechtsspezifischer Locus genotypsiert. Zu Vergleichszwecken wurden veröffentlichte prähistorische DNA-Daten aus Westeurasien und moderne DNA-Sequenzen herangezogen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass frühneolithische Bauern aus Südosteuropa durch demische Diffusion an der Etablierung der Viehwirtschaft in der Steppe beteiligt waren. Die durchweg niedrigen FST-Werte zwischen der frühbronzezeitlichen Jamnaja-Kultur in der Steppe und den aufeinanderfolgenden neolithischen Kulturen Mitteleuropas sprechen für regelmäßige Kontakte. Die der Jamnaja-Kultur nachfolgende Katakombengrabkultur ist von einem hohen Anteil der in nord- und osteuropäischen Jäger/Sammler-Populationen verbreiteten Haplogruppe U4 geprägt. Niedrige FST-Werte zwischen den prähistorischen Steppenpopulationen und der heutigen Bevölkerung Mittel- und Osteuropas weisen auf genetische Kontinuität hin. Die nukleären Genotypenfrequenzen bestätigt dies. Der moderne europäische Genpool lässt sich nach aktuellem Kenntnisstand auf drei Wurzeln zurückführen: indigene Mesolithiker, frühe Bauern aus dem Nahen Osten und eine nordeurasische Komponente jungpalaeolithischen Ursprungs. Letztere könnte vielleicht über die nordpontische Population in das Erbgut spätneolithischer Europäer gelangt sein.

Charakterisierung und funktionelle Analyse verschiedener Isoformen von Clusterin (Apolipoprotein J)

Clusterin (CLU), auch bekannt unter dem Namen Apolipoprotein J (ApoJ), wird von Zellen als hetreodimeres Glykoprotein exprimiert und in den extrazellulären Raum sezerniert. Es wird daher auch als sezerniertes CLU (sCLU) bezeichnet. Neben sCLU sind auch nicht-sezernierte Isoformen von CLU bekannt, die in der vorliegenden Arbeit erforscht wurden. Ziel dabei war es, die Expression, die Biogenese, sowie die Funktion dieser Proteine zu ergründen. Nicht-sezernierte CLU-Formen werden ausschließlich von Zellen exprimiert, die zuvor einer Stresssituation ausgesetzt wurden. Dies konnte insbesondere durch Kultur verschiedener Zelllinien bei erhöhter Temperatur oder durch Behandlung mit dem Proteasominhibitor MG 132 demonstriert werden, worauf neben sCLU auch 50 kDa bzw. 45 kDa große, nicht-sezernierte CLU-Proteine in geringen Mengen exprimiert wurden. Bezüglich der Biogenese dieser Proteine wurden mehrere Hypothesen bzw. Mechanismen diskutiert und in dieser Arbeit untersucht: alternative Translationsstartpunkte auf verschiedenen mRNAs, alternatives Splicing einzelner mRNAs sowie Retrotranslokation oder Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen. Um die Hypothesen eruieren zu können, musste zuerst eine Expressionsanalyse der bekannten CLU-mRNAs durchgeführt werden. Über 5’-RACE, semi-quantitative und quantitative PCRs wurde die Expression von vier CLU-mRNAs sowie deren Induktion auf Zellstress hin festgestellt. Variante 1 (BP211675) ist die dominante CLU-mRNA und macht über 99,5 % an CLU-mRNA in unbehandelten sowie in gestressten Zellen aus. Des Weiteren sind geringste Mengen der mRNA-Varianten 2 und 3 (NR_038335.1 und NR_045494.1) detektiert worden, deren Sequenzen sich lediglich in ihrem alternativen Exon 1 von Variante 1 unterscheiden. Schließlich konnte die Expression von Variante 1 [Δex2] festgestellt werden, welcher durch alternatives Splicing, i.e. Exon-skipping, das Exon 2 mit der ER-Signalsequenz-codierenden Region (SSCR) fehlt. HEK 293-Zellen, die transient mit je einer der rekombinanten CLU-mRNAs in Form rekombinanter cDNA transfiziert wurden, exprimierten neben großen Mengen sCLU auch geringe Mengen an den nicht-sezernierten CLU-Isoformen. Die anschließend durchgeführten in vitro Mutagenesen belegen, dass alle Isoformen ausgehend von distinkten Translationsstartpunkten aus synthetisiert werden. CLU1-449 (50 kDa) wird als prä-Proprotein von sCLU ausgehend von einem Startcodon auf Exon 2 unmittelbar vor der SSCR translatiert. Unter Zellstress-Bedingungen kann es zu einer Mistranslokation während der co-translationalen Translokation kommen, sodass Teile von CLU1-449 im Cytosol akkumulieren. CLU21-449 (50 kDa) wird ausgehend von einem CUG-Startcodon downstream der SSCR über interne Translationsinitiation gebildet. Analoges gilt für CLU34-449 (45 kDa), welches von einem AUG-Startcodon auf Exon 3 translatiert wird. CLU34-449 ist außerdem die einzige CLU-Form die von Variante 1 [Δex2] codiert wird. Somit konnten drei der in der Literatur postulierten Mechanismen zur Ent-stehung nicht-sezernierter CLU-Isoformen in gestressten Zellen verifiziert werden. Die Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen, welche entscheidend zum Auftreten der nicht-sezernierten CLU-Formen beiträgt, die Alternative Translationsinitiation an distinkten Startcodons sowie das alternative Splicing von CLU-mRNA-Variante 1. Weiterführende Experimente bestätigten, dass alle nicht-sezernierten CLU-Isoformen im Cytosol der Zellen lokalisiert sind und keine Glykosylierungen tragen. Somit konnte ein weiterer, in der Literatur kontrovers diskutierter Punkt bezüglich dieser Proteine geklärt werden. Abschließend wurde die physiologische Funktion der einzelnen CLU-Isoformen analysiert. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich sCLU eine Chaperonaktivität zukommt, die es ermöglicht, durch Hitze denaturierte Zielproteine in Lösung zu halten. Diese Funktion konnte nicht für die cytosolischen Iso¬formen bestätigt werden. Weiterhin konnte keine Auswirkung einzelner CLU-Formen auf die intrinsische Apoptose oder auf den NF κB-vermittelten Signaltransduktionsweg festgestellt werden, obgleich entsprechende Einflüsse von anderen Arbeitsgruppen postuliert wurden. Die hier gemachten Beobachtungen werfen daher die Frage auf, ob den nicht-sezernierten, cytosolischen CLU-Isoformen überhaupt eine physiologische Funktion zukommt und stellen aktuelle Hypothesen bezüglich der Rolle von CLU bei pathophysiologischen Prozessen infrage.

Populationsgenetik eisenzeitlicher Reiternomaden der Eurasischen Steppe

Vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Populationsgenetik eisenzeitlicher Bevölkerungen der Eurasischen Steppe, die mit der skythischen Kultur assoziiert werden. Für die Analysen wurden 30 Fragmente der kodierenden Region und die HVR1 (16040–16400) des mitochondrialen Genoms, sowie 20 phänotypische Marker untersucht. Die Marker wurden durch Multiplex-PCRs angereichert, mit einem probenspezifischen barcode versehen und einer parallelen Sequenzanalyse mit dem 454 GS FLX Sequenzierer unterzogen. 97 Individuen wurden erfolgreich analysiert, von denen 19 aus dem Westen der Eurasischen Steppe und 78 aus dem Bereich des Altai-Gebirges stammen. Die populationsgenetischen Analysen ergaben geringe genetische Distanzen zwischen den skythischen Populationen aus dem Bereich des Altai-Gebirges, die sich vom 9. bis zum 3. Jahrhundert vor Christus erstrecken, was für eine kontinuierliche Bevölkerungsentwicklung sprechen könnte. Weiterhin finden sich geringe genetische Distanzen zwischen den Gruppen im Osten und Westen der Eurasischen Steppe, was auf eine gemeinsame Ursprungspopulation, oder zumindest Genfluss hinweisen kann. Die Ergebnisse aus dem Vergleich mit neolithischen und bronzezeitlichen Referenzpopulationen aus Zentralasien und den angrenzenden Gebieten weisen auf die Möglichkeit eines gemeinsamen zentral-asiatischen Ursprungs hin, zeigen aber auch, dass die östlichen und westlichen Gruppen der Eisenzeit jeweils zusätzlich lokalem Genfluss ausgesetzt waren. Die Allelfrequenzen der phänotypischen Marker deuten auf einen größeren europäischen Einfluss auf das östliche Zentralasien in der Eisenzeit hin, oder ansteigenden Genfluss aus Ostasien nach der Eisenzeit.

Molecular genetic investigation of the Neolithic population history in the western Carpathian Basin

Der Fokus dieser Dissertation ist die populationsgenetische Analyse der neolithischen Bevölkerungswechsel in den 6.-5. Jahrtausende vor Christus, die im westlichen Karpatenbecken stattfanden. Die Zielsetzung der Studie war, mittels der Analyse von mitochondrialer und Y-chromosomaler aDNA, den Genpool der sechs neolithischen und kupferzeitlichen Populationen zu untersuchen und die daraus resultierenden Ergebnisse mit anderen prähistorischen und modernen genetischen Daten zu vergleichen.rnInsgesamt wurden 323 Individuen aus 32 ungarischen, kroatischen und slowakischen Fundplätzen beprobt und bearbeitet in den archäogenetischen Laboren der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. Die DNA Ergebnisse wurden mit verschiedenen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Vergleichsdaten von prähistorischen und modernen eurasiatischen Populationen wurden dazu gesammelt.rnDie HVS-I Region der mitochondrialen DNA konnten bei 256 Individuen reproduziert und authentifiziert werden (mit einer Erfolgsrate von 85.9%). Die Typisierung der HVS-II Region war in 80 Fällen erfolgreich. Testend alle gut erhaltene Proben, die Y-chromosomale Haplogruppe konnte in 33 männlichen Individuen typisiert werden.rnDie neolithischen, mitochondrialen Haplogruppen deuten auf eine hohe Variabilität des maternalen Genpools hin. Sowohl die mitochondrialen als auch die Y-chromosomalen Daten lassen Rückschlüsse auf eine nah-östliche bzw. südwestasiatische Herkunft der frühen Bauern zu. Die Starčevo- und linearbandkermaischen-Populationen in westlichem Karpatenbecken (letztere abgekürzt als LBKT) und die linearbandkermaischen-Population in Mitteleuropa (LBK) haben so starke genetische Ähnlichkeit, dass die Verbreitung der LBK nach Mitteleuropa mit vorangegangenen Wanderungsereignissen zu erklären ist. Die Transdanubische aDNA Daten zeigen hohe Affinität zu den publizierten prähistorischen aDNA Datensätzen von Mitteleuropa aus den 6.-4. Jahrtausende vor Chr. Die maternal-genetische Variabilität der Starčevo-Population konnte auch innerhalb der nachfolgenden Populationen Transdanubiens festgestellt werden. Nur kleinere Infiltrationen und Immigrationsereignissen konnten während der Vinča-, LBKT-, Sopot- und Balaton-Lasinja-Kultur in Transdanubien identifiziert werden. Zwischen den transdanubischen Regionen konnten mögliche genetische Unterschiede nur in der LBKT und in der Lengyel-Periode beobachtet werden, als sich die nördlichen Gruppen von den südlichen Populationen trennten. rnDie festgestellte Heterogenität der mtDNA in Zusammenhang mit der Y-chromosomalen Homogenität in den Starčevo- und LBK-Populationen, weisen auf patrilokale Residenzregeln und patrilineare Abstammungsregeln in den ersten Bauergemeinschaften hin. rnObwohl die hier präsentierten Daten einen großen Fortschritt in der Forschung von aDNA und Neolithikum des Karpatenbeckens und Mitteleuropas bedeuten, werfen sie auch mehrere Fragen auf, deren Beantwortung durch zukünftige Genomforschungen erbracht werden könnte.

Bone morphogenetic protein receptor 2 in patients with idiopathic portal hypertension

In idiopathic portal hypertension (IPH) typical vascular lesions are present in the branches of the portal vein or in the perisinusoidal area of the liver. Similar histological alterations have been reported in the pulmonary vasculature of patients with idiopathic pulmonary artery hypertension (IPAH). As IPAH is associated with mutations of the bone morphogenetic protein receptor 2 (BMPR2) gene, the aim of this study was to investigate whether this association might also be found in patients with IPH. Twenty-three samples belonging to 21 unrelated caucasian patients with IPH followed in the hepatic haemodynamic laboratory of the Hospital Clinic in Barcelona were included in the study. All patients were studied for the entire open reading frame and splice site of the BMPR2 gene by direct sequencing and multiple ligation probe amplification (MLPA) in order to detect large deletions/duplications. None of the 23 patients had pulmonary artery hypertension. Four patients presented one single nucleotide polymorphism (SNP) in intron 5, four patients had a SNP in exon 12 and a SNP in exon 1 was found in two cases. Two patients had both intron 5 and exon 12 polymorphisms. All SNPs were previously described. Except for these three SNPs, neither mutations nor rearrangements have been identified in the BMPR2 gene in this population. We did not detect mutations or rearrangements in the coding region of the BMPR2 gene in our patients with IPH. These findings suggest that, in contrast to IPAH, mutations in BMPR2 are not involved in the pathogenesis of IPH.

Estimating the net contribution of interleukin-28B variation to spontaneous hepatitis C virus clearance

The identification of associations between interleukin-28B (IL-28B) variants and the spontaneous clearance of hepatitis C virus (HCV) raises the issues of causality and the net contribution of host genetics to the trait. To estimate more precisely the net effect of IL-28B genetic variation on HCV clearance, we optimized genotyping and compared the host contributions in multiple- and single-source cohorts to control for viral and demographic effects. The analysis included individuals with chronic or spontaneously cleared HCV infections from a multiple-source cohort (n = 389) and a single-source cohort (n = 71). We performed detailed genotyping in the coding region of IL-28B and searched for copy number variations to identify the genetic variant or haplotype carrying the strongest association with viral clearance. This analysis was used to compare the effects of IL-28B variation in the two cohorts. Haplotypes characterized by carriage of the major alleles at IL-28B single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were highly overrepresented in individuals with spontaneous clearance versus those with chronic HCV infections (66.1% versus 38.6%, P = 6 × 10(-9) ). The odds ratios for clearance were 2.1 [95% confidence interval (CI) = 1.6-3.0] and 3.9 (95% CI = 1.5-10.2) in the multiple- and single-source cohorts, respectively. Protective haplotypes were in perfect linkage (r(2) = 1.0) with a nonsynonymous coding variant (rs8103142). Copy number variants were not detected. CONCLUSION: We identified IL-28B haplotypes highly predictive of spontaneous HCV clearance. The high linkage disequilibrium between IL-28B SNPs indicates that association studies need to be complemented by functional experiments to identify single causal variants. The point estimate for the genetic effect was higher in the single-source cohort, which was used to effectively control for viral diversity, sex, and coinfections and, therefore, offered a precise estimate of the net host genetic contribution.

An unusual splice defect in the mitofusin 2 gene (MFN2) is associated with degenerative axonopathy in Tyrolean Grey cattle

Tyrolean Grey cattle represent a local breed with a population size of approximately 5000 registered cows. In 2003, a previously unknown neurological disorder was recognized in Tyrolean Grey cattle. The clinical signs of the disorder are similar to those of bovine progressive degenerative myeloencephalopathy (weaver syndrome) in Brown Swiss cattle but occur much earlier in life. The neuropathological investigation of an affected calf showed axonal degeneration in the central nervous system (CNS) and femoral nerve. The pedigrees of the affected calves suggested a monogenic autosomal recessive inheritance. We localized the responsible mutation to a 1.9 Mb interval on chromosome 16 by genome-wide association and haplotype mapping. The MFN2 gene located in this interval encodes mitofusin 2, a mitochondrial membrane protein. A heritable human axonal neuropathy, Charcot-Marie-Tooth disease-2A2 (CMT2A2), is caused by MFN2 mutations. Therefore, we considered MFN2 a positional and functional candidate gene and performed mutation analysis in affected and control Tyrolean Grey cattle. We did not find any non-synonymous variants. However, we identified a perfectly associated silent SNP in the coding region of exon 20 of the MFN2 gene. This SNP is located within a putative exonic splice enhancer (ESE) and the variant allele leads to partial retention of the entire intron 19 and a premature stop codon in the aberrant MFN2 transcript. Thus we have identified a highly unusual splicing defect, where an exonic single base exchange leads to the retention of the preceding intron. This splicing defect represents a potential explanation for the observed degenerative axonopathy. Marker assisted selection can now be used to eliminate degenerative axonopathy from Tyrolean Grey cattle.

The bovine aristaless-like homeobox 4 (ALX4) as a candidate gene for syndactyly

The ALX4 (aristaless-like homeobox 4) gene encodes a paired-type homeodomain transcriptional activator and plays a major role in anterior-posterior pattern formation during limb development. Here, the cloning, genomic structure and expression of the bovine ortholog of the ALX4 gene are reported. The bovine ALX4 gene consists of four exons and is located on BTA15q28-->q29 in a region syntenic to HSA11p11.2. The transcribed ALX4 mRNA encodes a 397-amino-acid protein showing a paired-type homeodomain and a C-terminal stretch of amino acids known as the OAR- or aristaless domain. The predicted protein shares 92.5% identity to human and mouse ALX4 proteins and all three species share almost complete identity in the conserved domains. ALX4 expression was detected by reverse transcriptase polymerase chain reaction in bovine fetal limb bones. The ALX4 gene was evaluated as a candidate gene for bovine syndactyly which has been mapped on the telomeric region of cattle chromosome 15. Sequencing of the four exons with flanking sequences of the bovine ALX4 gene from a panel of 14 affected animals belonging to German Holstein, German Fleckvieh and crossbreds, and 27 unaffected individuals from German Holstein revealed five silent SNPs within the coding region out of eleven SNPs in total. Four SNPs were polymorphic in the affected animals, but in comparison to the genotyped unaffected individuals the genotype distribution showed no evidence for an association to the phenotype. Therefore our data indicate that the ALX4 gene can probably be excluded as candidate gene for bovine syndactyly in the examined animals.

Characterization of the canine CLCN3 gene and evaluation as candidate for late-onset NCL

BACKGROUND: The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCL) are a heterogenous group of inherited progressive neurodegenerative diseases in different mammalian species. Tibetan Terrier and Polish Owczarek Nizinny (PON) dogs show rare late-onset NCL variants with autosomal recessive inheritance, which can not be explained by mutations of known human NCL genes. These dog breeds represent animal models for human late-onset NCL. In mice the chloride channel 3 gene (Clcn3) encoding an intracellular chloride channel was described to cause a phenotype similar to NCL. RESULTS: Two full-length cDNA splice variants of the canine CLCN3 gene are reported. The current canine whole genome sequence assembly was used for gene structure analyses and revealed 13 coding CLCN3 exons in 52 kb of genomic sequence. Sequence analysis of the coding exons and flanking intron regions of CLCN3 using six NCL-affected Tibetan terrier dogs and an NCL-affected Polish Owczarek Nizinny (PON) dog, as well as eight healthy Tibetan terrier dogs revealed 13 SNPs. No consistent CLCN3 haplotype was associated with NCL. CONCLUSION: For the examined animals we excluded the complete coding region and adjacent intronic regions of canine CLCN3 to harbor disease-causing mutations. Therefore it seems to be unlikely that a mutation in this gene is responsible for the late-onset NCL phenotype in these two dog breeds.