Efficient RNAi-induced Protein Knockdown in Somatic Cells Using Diced or Chemically Produced Small Interfering RNAs (siRNA)

Background: RNA interference (RNAi) is a post-transcriptional gene silencing process in which double-stranded RNA (dsRNA) directs the degradation of a specific corresponding target mRNA. The mediators of this process are small dsRNAs of approximately 21 to 23 bp in length, called small interfering RNAs (siRNAs), which can be prepared in vitro and used to direct the degradation of specific mRNAs inside cells. Hence, siRNAs represent a powerful tool to study and control gene and cell function. Rapid progress has been made in the use of siRNA as a means to attenuate the expression of any protein for which the cDNA sequence is known. Individual siRNAs can be chemically synthesized, in vitro-transcribed, or expressed in cells from siRNA expression vectors. However, screening for the most efficient siRNAs for post-transcriptional gene silencing in cells in culture is a laborious and expensive process. In this study, the effectiveness of two siRNA production strategies for the attenuation of abundant proteins for DNA repair were compared in human cells: (a) the in vitro production of siRNA mixtures by the Dicer enzyme (Diced siRNAs); and (b) the chemical synthesis of very specific and unique siRNA sequences (Stealth RNai (TM)). Materials, Methods & Results: For in vitro-produced siRNAs, two segments of the human Ku70 (167 bp in exon 5; and 249 bp in exon 13; NM001469) and Xrcc4 (172 bp in exon 2; and 108 bp in exon 6; NM003401) genes were chosen to generate dsRNA for subsequent "Dicing" to create mixtures of siRNAs. The Diced fragments of siRNA for each gene sequence were pooled and stored at -80 degrees C. Alternatively, chemically synthesized Stealth siRNAs were designed and generated to match two very specific gene sequence regions for each target gene of interest (Ku70 and Xrcc4). HCT116 cells were plated at 30% confluence in 24- or 6-well culture plates. The next day, cells were transfected by lipofection with either Diced or Stealth siRNAs for Ku70 or Xrcc4, in duplicate, at various doses, with blank and sham transfections used as controls. Cells were harvested at 0, 24, 48, 72 and 96 h post-transfection for protein determination. The knockdown of specific targeted gene products was quantified by Western blot using GAPDH as control. Transfection of gene-specific siRNA to either Ku70 or Xrcc4 with both Diced and Stealth siRNAs resulted in a down regulation of the targeted proteins to approximately 10 to 20% of control levels 48 h after transfection, with recovery to pre-treatment levels by 96 h. Discussion: By transfecting cells with Diced or chemically synthesized Stealth siRNAs, Ku70 and Xrcc4, two highly expressed proteins in cells, were effectively attenuated, demonstrating the great potential for the use of both siRNA production strategies as tools to perform loss of function experiments in mammalian cells. In fact, down-regulation of Ku70 and Xrcc4 has been shown to reduce the activity of the non-homologous end joining DNA pathway, a very desirable approach for the use of homologous recombination technology for gene targeting or knockout studies. Stealth RNAi (TM) was developed to achieve high specificity and greater stability when compared with mixtures of enzymatically-produced (Diced) siRNA fragments. In this study, both siRNA approaches inhibited the expression of Ku70 and Xrcc4 gene products, with no detectable toxic effects to the cells in culture. However, similar knockdown effects using Diced siRNAs were only attained at concentrations 10-fold higher than with Stealth siRNAs. The application of RNAi technology will expand and continue to provide new insights into gene regulation and as potential applications for new therapies, transgenic animal production and basic research.

MicroRNA miR-146b-5p regulates signal transduction of TGF-beta by repressing SMAD4 in thyroid cancer

MicroRNAs (miRNA) are small non-coding RNAs involved in post-transcriptional gene regulation that have crucial roles in several types of tumors, including papillary thyroid carcinoma (PTC). miR-146b-5p is overexpressed in PTCs and is regarded as a relevant diagnostic marker for this type of cancer. A computational search revealed that miR-146b-5p putatively binds to the 3' untranslated region (UTR) of SMAD4, an important member of the transforming growth factor beta (TGF-beta) signaling pathway. The TGF-beta pathway is a negative regulator of thyroid follicular cell growth, and the mechanism by which thyroid cancer cells evade its inhibitory signal remains unclear. We questioned whether the modulation of the TGF-beta pathway by miR-146b-5p can contribute to thyroid tumorigenesis. Luciferase reporter assay confirmed the direct binding of miR-146b-5p on the SMAD4 3'UTR. Specific inhibition of miR-146b-5p with a locked nucleic acid-modified anti-miR-146b oligonucleotide significantly increased SMAD4 levels in the human papillary carcinoma cell lines, TPC-1 and BCPAP. Moreover, suppression of miR-146b-5p increased the cellular response to the TGF-beta anti-proliferative signal, significantly decreasing the proliferation rate. The overexpression of miR-146b-5p in normal rat follicular PCCL3 cells decreased SMAD4 levels and disrupted TGF-beta signal transduction. MiR-146b-5p overexpression in PCCL3 cells also significantly increased cell proliferation in the absence of thyroid-stimulating hormone and conferred resistance to TGF-beta-mediated cell-cycle arrest. Additionally, the activation of thyroid most common oncogenes RET/PTC3 and BRAF in PCCL3 cells upregulated miR-146b-5p expression. Our results confirm the oncogenic role of miR-146b-5p in thyroid follicular cells and contribute to knowledge regarding the modulation of TGF-beta signal transduction by miRNAs in PTCs. Oncogene (2012) 31, 1910-1922; doi:10.1038/onc.2011.381; published online 29 August 2011

SET overexpression decreases cell detoxification efficiency: ALDH2 and GSTP1 are downregulated, DDR is impaired and DNA damage accumulates

Alcohol and tobacco consumption are risk factors for head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Aldehyde dehydrogenase 2 (ALDH2) and glutathione Stransferase pi 1 (GSTP1) are important enzymes for cellular detoxification and low efficiencies are implicated in cancer. We assessed the potential role of SET protein overexpression, a histone acetylation modulator accumulated in HNSCC, in gene regulation and protein activity of ALDH2 and GSTP1. SET was knocked down in HN13, HN12 and Cal27, and overexpressed in HEK293 cells; ethanol and cisplatin were the chemical agents. Cells with SET overexpression (HEK293/SET, HN13 and HN12) showed lower ALDH2 and GSTP1 mRNA levels and trichostatin A increased them (real-time PCR). Ethanol upregulated GSTP1 and ALDH2 mRNAs, whereas cisplatin upregulated GSTP1 in HEK293 cells. SET-chromatin binding revealed SET interaction with ALDH2 and GSTP1 promoters, specifically via SET NAP domain; ethanol and cisplatin abolished SET binding. ALDH2 and GSTP1 efficiency was assessed by enzymatic and comet assay. A lower ALDH2 activity was associated with greater DNA damage (tail intensity) in HEK293/SET compared with HEK293 cells, whereas HN13/siSET showed ALDH2 activity higher than HN13 cells. HN13/siSET cells showed increased tail intensity. Cisplatin-induced DNA damage response showed negative relationship between SET overexpression and BRCA2 recruitment. SET downregulated repair genes ATM, BRCA1 and CHEK2 and upregulated TP53. Cisplatin-induced cell-cycle arrest occurred in G0/G1 and S in HEK293 cells, whereas HEK293/SET showed G2/M stalling. Overall, cisplatin was more cytotoxic for HN13 than HN13/siSET cells. Our data suggest a role for SET in cellular detoxification, DNA damage response and genome integrity.

RNA interference-mediated knockdown of CD49e (α5 integrin chain) in human thymic epithelial cells modulates the expression of multiple genes and decreases thymocyte adhesion

Abstract Background The thymus is a central lymphoid organ, in which bone marrow-derived T cell precursors undergo a complex process of maturation. Developing thymocytes interact with thymic microenvironment in a defined spatial order. A component of thymic microenvironment, the thymic epithelial cells, is crucial for the maturation of T-lymphocytes through cell-cell contact, cell matrix interactions and secretory of cytokines/chemokines. There is evidence that extracellular matrix molecules play a fundamental role in guiding differentiating thymocytes in both cortical and medullary regions of the thymic lobules. The interaction between the integrin α5β1 (CD49e/CD29; VLA-5) and fibronectin is relevant for thymocyte adhesion and migration within the thymic tissue. Our previous results have shown that adhesion of thymocytes to cultured TEC line is enhanced in the presence of fibronectin, and can be blocked with anti-VLA-5 antibody. Results Herein, we studied the role of CD49e expressed by the human thymic epithelium. For this purpose we knocked down the CD49e by means of RNA interference. This procedure resulted in the modulation of more than 100 genes, some of them coding for other proteins also involved in adhesion of thymocytes; others related to signaling pathways triggered after integrin activation, or even involved in the control of F-actin stress fiber formation. Functionally, we demonstrated that disruption of VLA-5 in human TEC by CD49e-siRNA-induced gene knockdown decreased the ability of TEC to promote thymocyte adhesion. Such a decrease comprised all CD4/CD8-defined thymocyte subsets. Conclusion Conceptually, our findings unravel the complexity of gene regulation, as regards key genes involved in the heterocellular cell adhesion between developing thymocytes and the major component of the thymic microenvironment, an interaction that is a mandatory event for proper intrathymic T cell differentiation.

Identification and expression analysis of microRNAs and targets in the biofuel crop sugarcane

Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) are small regulatory RNAs, some of which are conserved in diverse plant genomes. Therefore, computational identification and further experimental validation of miRNAs from non-model organisms is both feasible and instrumental for addressing miRNA-based gene regulation and evolution. Sugarcane (Saccharum spp.) is an important biofuel crop with publicly available expressed sequence tag and genomic survey sequence databases, but little is known about miRNAs and their targets in this highly polyploid species. Results In this study, we have computationally identified 19 distinct sugarcane miRNA precursors, of which several are highly similar with their sorghum homologs at both nucleotide and secondary structure levels. The accumulation pattern of mature miRNAs varies in organs/tissues from the commercial sugarcane hybrid as well as in its corresponding founder species S. officinarum and S. spontaneum. Using sugarcane MIR827 as a query, we found a novel MIR827 precursor in the sorghum genome. Based on our computational tool, a total of 46 potential targets were identified for the 19 sugarcane miRNAs. Several targets for highly conserved miRNAs are transcription factors that play important roles in plant development. Conversely, target genes of lineage-specific miRNAs seem to play roles in diverse physiological processes, such as SsCBP1. SsCBP1 was experimentally confirmed to be a target for the monocot-specific miR528. Our findings support the notion that the regulation of SsCBP1 by miR528 is shared at least within graminaceous monocots, and this miRNA-based post-transcriptional regulation evolved exclusively within the monocots lineage after the divergence from eudicots. Conclusions Using publicly available nucleotide databases, 19 sugarcane miRNA precursors and one new sorghum miRNA precursor were identified and classified into 14 families. Comparative analyses between sugarcane and sorghum suggest that these two species retain homologous miRNAs and targets in their genomes. Such conservation may help to clarify specific aspects of miRNA regulation and evolution in the polyploid sugarcane. Finally, our dataset provides a framework for future studies on sugarcane RNAi-dependent regulatory mechanisms.

Motor recovery and synaptic preservation after ventral root avulsion and repair with a fibrin sealant derived from snake venom

Background: Ventral root avulsion is an experimental model of proximal axonal injury at the central/peripheral nervous system interface that results in paralysis and poor clinical outcome after restorative surgery. Root reimplantation may decrease neuronal degeneration in such cases. We describe the use of a snake venom-derived fibrin sealant during surgical reconnection of avulsed roots at the spinal cord surface. The present work investigates the effects of this fibrin sealant on functional recovery, neuronal survival, synaptic plasticity, and glial reaction in the spinal motoneuron microenvironment after ventral root reimplantation. Methodology/Principal Findings: Female Lewis rats (7 weeks old) were subjected to VRA and root replantation. The animals were divided into two groups: 1) avulsion only and 2) replanted roots with fibrin sealant derived from snake venom. Post-surgical motor performance was evaluated using the CatWalk system twice a week for 12 weeks. The rats were sacrificed 12 weeks after surgery, and their lumbar intumescences were processed for motoneuron counting and immunohistochemistry (GFAP, Iba-1 and synaptophysin antisera). Array based qRT-PCR was used to evaluate gene regulation of several neurotrophic factors and receptors as well as inflammatory related molecules. The results indicated that the root reimplantation with fibrin sealant enhanced motor recovery, preserved the synaptic covering of the motoneurons and improved neuronal survival. The replanted group did not show significant changes in microglial response compared to VRA-only. However, the astroglial reaction was significantly reduced in this group. Conclusions/Significance: In conclusion, the present data suggest that the repair of avulsed roots with snake venom fibrin glue at the exact point of detachment results in neuroprotection and preservation of the synaptic network at the microenvironment of the lesioned motoneurons. Also such procedure reduced the astroglial reaction and increased mRNA levels to neurotrophins and anti-inflammatory cytokines that may in turn, contribute to improving recovery of motor function.

High-throughput sequencing of small RNA transcriptomes reveals critical biological features targeted by microRNAs in cell models used for squamous cell cancer research

Abstract Background The implication of post-transcriptional regulation by microRNAs in molecular mechanisms underlying cancer disease is well documented. However, their interference at the cellular level is not fully explored. Functional in vitro studies are fundamental for the comprehension of their role; nevertheless results are highly dependable on the adopted cellular model. Next generation small RNA transcriptomic sequencing data of a tumor cell line and keratinocytes derived from primary culture was generated in order to characterize the microRNA content of these systems, thus helping in their understanding. Both constitute cell models for functional studies of microRNAs in head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC), a smoking-related cancer. Known microRNAs were quantified and analyzed in the context of gene regulation. New microRNAs were investigated using similarity and structural search, ab initio classification, and prediction of the location of mature microRNAs within would-be precursor sequences. Results were compared with small RNA transcriptomic sequences from HNSCC samples in order to access the applicability of these cell models for cancer phenotype comprehension and for novel molecule discovery. Results Ten miRNAs represented over 70% of the mature molecules present in each of the cell types. The most expressed molecules were miR-21, miR-24 and miR-205, Accordingly; miR-21 and miR-205 have been previously shown to play a role in epithelial cell biology. Although miR-21 has been implicated in cancer development, and evaluated as a biomarker in HNSCC progression, no significant expression differences were seen between cell types. We demonstrate that differentially expressed mature miRNAs target cell differentiation and apoptosis related biological processes, indicating that they might represent, with acceptable accuracy, the genetic context from which they derive. Most miRNAs identified in the cancer cell line and in keratinocytes were present in tumor samples and cancer-free samples, respectively, with miR-21, miR-24 and miR-205 still among the most prevalent molecules at all instances. Thirteen miRNA-like structures, containing reads identified by the deep sequencing, were predicted from putative miRNA precursor sequences. Strong evidences suggest that one of them could be a new miRNA. This molecule was mostly expressed in the tumor cell line and HNSCC samples indicating a possible biological function in cancer. Conclusions Critical biological features of cells must be fully understood before they can be chosen as models for functional studies. Expression levels of miRNAs relate to cell type and tissue context. This study provides insights on miRNA content of two cell models used for cancer research. Pathways commonly deregulated in HNSCC might be targeted by most expressed and also by differentially expressed miRNAs. Results indicate that the use of cell models for cancer research demands careful assessment of underlying molecular characteristics for proper data interpretation. Additionally, one new miRNA-like molecule with a potential role in cancer was identified in the cell lines and clinical samples.

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.

Der Carrier DcuB als zweiter Sensor des Zweikomponentensystems DcuSR in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate und andere Carbonsäuren als Substrate für den aeroben und anaeroben Stoffwechsel nutzen. Die Anwesenheit von C4-Dicarboxylaten im Außenmedium wird über das Zweikomponentensystem DcuSR, bestehend aus der membranständigen Sensorkinase DcuS und dem cytoplasmatischen Responseregulator DcuR, erkannt. Die Bindung von C4-Dicarboxylaten an die periplasmatische Domäne von DcuS führt zu einer Induktion der Zielgene. Hierzu zählen die Gene für den anaeroben Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB (dcuB), die anaerobe Fumarase (fumB) und die Fumaratreduktase (frdABCD). Unter aeroben Bedingungen stimuliert DcuSR die Expression des dctA Gens, das für den aeroben C4-Dicarboxylat-Carrier DctA kodiert. Für den Carrier DcuB konnte eine regulatorische Funktion bei der Expression der DcuSR-regulierten Gene gezeigt werden. Die Inaktivierung des dcuB Gens führte bereits ohne Fumarat zu einer maximalen Expression einer dcuB´-´lacZ Reportergenfusion und anderer DcuSR-abhängiger Gene. Diese Stimulierung erfolgte nur in einem dcuS-positiven Hintergrund. DcuB unterscheidet sich damit von den alternativen Carriern DcuA und DcuC, die diesen Effekt nicht zeigten. Mithilfe ungerichteter Mutagenese wurden DcuB-Punktmutanten hergestellt (Thr394Ile und Asp398Asn), die eine Geninduktion verursachten, aber eine intakte Transportfunktion besaßen. Dies zeigt, dass der regulatorische Effekt von DcuB unabhängig von dessen Transportfunktion ist. Durch gerichtete Mutagenese wurde die Funktion einer Punktmutation (Thr394) näher charakterisiert. Es werden zwei Modelle zur Membrantopologie von DcuB und der Lage der Punktmutationen im Protein vorgestellt. Da DcuB seine regulatorische Funktion über eine Interaktion mit DcuS vermitteln könnte, wurden mögliche Wechselwirkungen zwischen DcuB und DcuS als auch DcuR mithilfe von Two-Hybrid-Systemen untersucht. Für biochemische Untersuchungen von DcuB wurde außerdem die Expression des Proteins in vivo und in vitro versucht. Unter aeroben Bedingungen beeinflusst der C4-Dicarboxylat-Carrier DctA die Expression der DcuSR-abhängigen Gene. Eine Mutation des dctA Gens bewirkte eine stärkere Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion im Vergleich zum Wildtyp. Diese Expression nahm in einem dcuS-negativen Hintergrund ab, die Succinat-abhängige Induktion blieb jedoch erhalten. Unter anaeroben Bedingungen kann das dctA Gen auch durch Inaktivierung von DcuB induziert werden. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Beteiligung beider Carrier an der DcuSR-abhängigen Regulation erklärt.

Charakterisierung der Apolipoprotein J-Genregulation in Fibroblasten und glatten Gefäßmuskelzellen durch nekrotische Zellen und Toll-like Rezeptoren

Apolipoprotein J (ApoJ) ist ein sezerniertes heterodimeres 80kDa Glykoprotein mit zytoprotektiven und antiinflammatorischen Eigenschaften, das ein nahezu ubiquitäres Expressionsmuster aufweist. Eine stark erhöhte ApoJ-Expression ist mit neurodegenerativen Erkrankungen, Atherosklerose, myokardialem Infarkt sowie einer Vielzahl anderer pathophysiologischer Bedingungen assoziiert. Die potentielle Bedeutung von ApoJ umfasst eine Funktion als extrazelluläres Chaperon, Komplementinhibitor, NF-kB-Inhibitor sowie eine Beteiligung an der Endozytose von nekrotischen Zellfragmenten. Unter Bedingungen, die zu einer massiven Akkumulation von absterbenden Zellen führen, ist eine vermehrte Expression von ApoJ auf die überlebenden Nachbarzellen in den betroffenen Geweben beschränkt. Die molekularen Mechanismen, die dieser gesteigerten ApoJ-Genexpression zugrunde liegen, sind jedoch unbekannt. Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe konnten zeigen, dass eine Inkubation mit nekrotischem Zellmaterial in vitro eine Akkumulation von ApoJ-mRNA in Fibroblasten der Zelllinie Rat1 induziert, was darauf hindeutet, dass unter pathophysiologischen Bedingungen von nekrotischen Zellen exponierte bzw. freigesetzte Faktoren zu einer gesteigerten ApoJ-Genexpression in umliegenden vitalen Zellen beitragen können. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Korrelation zwischen der Expression von Toll-like Rezeptoren (TLRs) in Fibroblasten (Rat1), glatten Gefäßmuskelzellen (CRL2018) sowie embryonalen Dottersackzellen (10A) und einer durch nekrotische Zellen induzierten ApoJ-mRNA-Expression in diesen Zelllinien. Es wird angenommen, dass TLRs neben pathogenassoziierten Strukturen (PAMPs) auch durch körpereigene Agonisten wie Hitzeschockproteine und Nukleinsäuren aktiviert werden. In weiterführenden Experimenten stellte sich unter anderem heraus, dass neben nekrotischen Zellen auch der TLR3-spezifische Agonist Poly(I:C), eine synthetische doppelsträngige RNA, ausschließlich in den beiden TLR3-exprimierenden Zelllinien CRL2018 und Rat1, nicht jedoch in TLR3-defizienten 10A-Zellen, die ApoJ-mRNA-Expression induziert. Darüber hinaus führt auch die Inkubation mit eukaryotischer RNA (Gesamt-RNA, t-RNA) zu einer Akkumulation von ApoJ-mRNA in CRL2018-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmals, dass die Expression von ApoJ-mRNA durch extrazelluläre Ribonukleinsäuren in TLR3-abhängiger Weise induziert wird, was darauf hindeutet, dass in verletzten Geweben aus post-apoptotischen oder nekrotischen Zellen freigesetzte Ribonukleinsäuren zu einer vermehrten ApoJ-Genexpression in vitalen Nachbarzellen beitragen.

Molecular approach to Neurodegenerative Disorders: Role of Nociceptin/Orphanin FQ - NOP System in Parkinson and Epigenetic Mechanism in Alzheimer's Disease

With life expectancies increasing around the world, populations are getting age and neurodegenerative diseases have become a global issue. For this reason we have focused our attention on the two most important neurodegenerative diseases: Parkinson’s and Alzheimer’s. Parkinson’s disease is a chronic progressive neurodegenerative movement disorder of multi-factorial origin. Environmental toxins as well as agricultural chemicals have been associated with PD. Has been observed that N/OFQ contributes to both neurotoxicity and symptoms associated with PD and that pronociceptin gene expression is up-regulated in rat SN of 6-OHDA and MPP induced experimental parkinsonism. First, we investigated the role of N/OFQ-NOP system in the pathogenesis of PD in an animal model developed using PQ and/or MB. Then we studied Alzheimer's disease. This disorder is defined as a progressive neurologic disease of the brain leading to the irreversible loss of neurons and the loss of intellectual abilities, including memory and reasoning, which become severe enough to impede social or occupational functioning. Effective biomarker tests could prevent such devastating damage occurring. We utilized the peripheral blood cells of AD discordant monozygotic twin in the search of peripheral markers which could reflect the pathology within the brain, and also support the hypothesis that PBMC might be a useful model of epigenetic gene regulation in the brain. We investigated the mRNA levels in several genes involve in AD pathogenesis, as well DNA methylation by MSP Real-Time PCR. Finally by Western Blotting we assess the immunoreactivity levels for histone modifications. Our results support the idea that epigenetic changes assessed in PBMCs can also be useful in neurodegenerative disorders, like AD and PD, enabling identification of new biomarkers in order to develop early diagnostic programs.

Lernassoziierte Genexpression im murinen Hippokampus

Die bei Lern- und Gedächtnisvorgängen ablaufenden neurobiologischen Prozesse sind in ihrer Funktion bis heute nur unzureichend verstanden, wobei besonders die Rolle der lernabhängigen Genexpression unklar ist. Wiederholungen im Lernprozess fördern die Bildung von stabilen Gedächtnisinhalten. Die Lerneffiktivität kann hierbei durch lernfreie Zeitintervalle, insbesondere durch eingeschobene Schalfperioden, zusätzlich gesteigert werden. Entsprechend kann man den mehrtägigen Morris Water Maze (MWM)-Test mit einer verborgenen Plattform als einen mehrstufigen räumlichen Lernprozess bezeichnen. Dieser Test ist Hippokampus-abhängig und produziert Langzeitgedächtnisspuren in Nagern. Für diese Studie wurden FVB/NxC57Bl/6-Mäuse der F1-Generation über vier Tage in der MWM trainiert, das Erlernte in einem Probe Trial an Tag 5 überprüft und die Tiere gemäß ihrer Lernleistung in die beiden Gruppen „gute“ und „schlechte Lerner“ eingeteilt. Eine Analyse der hippokampalen Expression von Kandidatengenen per Microarray und Real-Time PCR erfolgte eine, sechs beziehungsweise 24 Stunden nach dem jeweils letzten Trainingslauf eines Tages. Durch den Vergleich von Schwimmkontrollen mit Test-naiven Mäusen wurde eine gleichgeschaltete, mit dem impliziten Lernen der MWM-Erfahrung der Tiere assoziierte unspezifische Genexpression festgestellt. Beim Vergleich der Schwimmkontrollen (ohne Plattform) mit den trainierten Tieren (verborgene Plattform mit konstanter Lokalisation) wurde in guten Lernern zu bestimmten Zeitpunkten eine Hochregulation von Genen, die mit Lernen und Gedächtnis (PP1, Kibra), neuronaler Aktivität (mt-CO1), Epigenetik (Dnmt3a, Dnmt3b) und neurodegenerativen Erkrankungen (Mapt, Sorl1) assoziiert sind, gefunden. Im Hippokampus der schlechten Lerner wurde eine im Vergleich zu den guten Lernern gesteigerte Synthese der mRNA von Genen festgestellt, die mit Lernen und Gedächtnis (Reelin, PP1, Kibra), Epigenetik (Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b) und neurodegenerativen Erkrankungen (Mapt, Sorl1, APP) in Zusammenhang stehen. Diese Studie liefert somit den bisher ersten Hinweis, dass während eines mehrtägigen MWM-Lernprozesses eine abnormal erhöhte de novo-mRNA-Synthese mit verminderter Lernleistung in Zusammenhang steht.

Comparative DNA sequence and methylation analyses of orthologous genes in humans and non-human primates: Genetic and epigenetic footprints of evolution

Welche genetische Unterschiede machen uns verschieden von unseren nächsten Verwandten, den Schimpansen, und andererseits so ähnlich zu den Schimpansen? Was wir untersuchen und auch verstehen wollen, ist die komplexe Beziehung zwischen den multiplen genetischen und epigenetischen Unterschieden, deren Interaktion mit diversen Umwelt- und Kulturfaktoren in den beobachteten phänotypischen Unterschieden resultieren. Um aufzuklären, ob chromosomale Rearrangements zur Divergenz zwischen Mensch und Schimpanse beigetragen haben und welche selektiven Kräfte ihre Evolution geprägt haben, habe ich die kodierenden Sequenzen von 2 Mb umfassenden, die perizentrischen Inversionsbruchpunkte flankierenden Regionen auf den Chromosomen 1, 4, 5, 9, 12, 17 und 18 untersucht. Als Kontrolle dienten dabei 4 Mb umfassende kollineare Regionen auf den rearrangierten Chromosomen, welche mindestens 10 Mb von den Bruchpunktregionen entfernt lagen. Dabei konnte ich in den Bruchpunkten flankierenden Regionen im Vergleich zu den Kontrollregionen keine höhere Proteinevolutionsrate feststellen. Meine Ergebnisse unterstützen nicht die chromosomale Speziationshypothese für Mensch und Schimpanse, da der Anteil der positiv selektierten Gene (5,1% in den Bruchpunkten flankierenden Regionen und 7% in den Kontrollregionen) in beiden Regionen ähnlich war. Durch den Vergleich der Anzahl der positiv und negativ selektierten Gene per Chromosom konnte ich feststellen, dass Chromosom 9 die meisten und Chromosom 5 die wenigsten positiv selektierten Gene in den Bruchpunkt flankierenden Regionen und Kontrollregionen enthalten. Die Anzahl der negativ selektierten Gene (68) war dabei viel höher als die Anzahl der positiv selektierten Gene (17). Eine bioinformatische Analyse von publizierten Microarray-Expressionsdaten (Affymetrix Chip U95 und U133v2) ergab 31 Gene, die zwischen Mensch und Schimpanse differentiell exprimiert sind. Durch Untersuchung des dN/dS-Verhältnisses dieser 31 Gene konnte ich 7 Gene als negativ selektiert und nur 1 Gen als positiv selektiert identifizieren. Dieser Befund steht im Einklang mit dem Konzept, dass Genexpressionslevel unter stabilisierender Selektion evolvieren. Die meisten positiv selektierten Gene spielen überdies eine Rolle bei der Fortpflanzung. Viele dieser Speziesunterschiede resultieren eher aus Änderungen in der Genregulation als aus strukturellen Änderungen der Genprodukte. Man nimmt an, dass die meisten Unterschiede in der Genregulation sich auf transkriptioneller Ebene manifestieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Unterschiede in der DNA-Methylierung zwischen Mensch und Schimpanse untersucht. Dazu wurden die Methylierungsmuster der Promotor-CpG-Inseln von 12 Genen im Cortex von Menschen und Schimpansen mittels klassischer Bisulfit-Sequenzierung und Bisulfit-Pyrosequenzierung analysiert. Die Kandidatengene wurden wegen ihrer differentiellen Expressionsmuster zwischen Mensch und Schimpanse sowie wegen Ihrer Assoziation mit menschlichen Krankheiten oder dem genomischen Imprinting ausgewählt. Mit Ausnahme einiger individueller Positionen zeigte die Mehrzahl der analysierten Gene keine hohe intra- oder interspezifische Variation der DNA-Methylierung zwischen den beiden Spezies. Nur bei einem Gen, CCRK, waren deutliche intraspezifische und interspezifische Unterschiede im Grad der DNA-Methylierung festzustellen. Die differentiell methylierten CpG-Positionen lagen innerhalb eines repetitiven Alu-Sg1-Elements. Die Untersuchung des CCRK-Gens liefert eine umfassende Analyse der intra- und interspezifischen Variabilität der DNA-Methylierung einer Alu-Insertion in eine regulatorische Region. Die beobachteten Speziesunterschiede deuten darauf hin, dass die Methylierungsmuster des CCRK-Gens wahrscheinlich in Adaption an spezifische Anforderungen zur Feinabstimmung der CCRK-Regulation unter positiver Selektion evolvieren. Der Promotor des CCRK-Gens ist anfällig für epigenetische Modifikationen durch DNA-Methylierung, welche zu komplexen Transkriptionsmustern führen können. Durch ihre genomische Mobilität, ihren hohen CpG-Anteil und ihren Einfluss auf die Genexpression sind Alu-Insertionen exzellente Kandidaten für die Förderung von Veränderungen während der Entwicklungsregulation von Primatengenen. Der Vergleich der intra- und interspezifischen Methylierung von spezifischen Alu-Insertionen in anderen Genen und Geweben stellt eine erfolgversprechende Strategie dar.

Transkriptom des Meristemgewebes des Kolumnarapfels

Kolumnare Apfelbäume (Malus x domestica) stellen aufgrund ihres auffälligen Phänotyps eine ökonomisch interessante Wuchsform dar. Diese extreme Form des Kurztriebwuchses zeichnet sich durch einen insgesamt sehr schlanken, säulenförmigen Habitus aus, welcher eine dichte Pflanzung und damit einhergehend Ertragssteigerungen im Vergleich zu normalwüchsigen Bäumen ermöglicht. Verursacht wird der Phänotyp durch die Anwesenheit eines einzelnen, dominanten Allels des Columnar (Co)-Gens. Bis auf die approximative Lokalisation des Gens auf Chromosom 10 ist über mögliche Identität und Funktion bislang nichts bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Versuch unternommen, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (NGS) Technologien und RNA-Seq Einblicke in das Transkriptom des Sprossapikalmeristems (SAM) kolumnarer Apfelbäume zu gewinnen. So konnte gezeigt werden, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Entnahme des Materials mehrere hundert Gene differentiell reguliert werden. Diese lassen sich funktional in mehrere überrepräsentierte Kategorien gruppieren, von denen sich einige wiederum mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren lassen. Durch den Einsatz weiterer Expressionsstudien (Microarrays, qRT-PCR) konnten frühere Ergebnisse bezüglich des Hormonhaushalts auf Genebene bestätigt und neue Erkenntnisse gewonnen werden, die eine mögliche Erklärung für den Phänotyp darstellen. Weiterhin ergab der Vergleich aller durchgeführten Expressionsstudien eine Anreicherung signifikant differentiell regulierter Gene auf Chromosom 10, was auf einen „selective sweep“ hindeutet. Eine potentielle epigenetische Regulation dieser Gene durch das Genprodukt von Co könnte daher möglich sein. Mehr als die Hälfte dieser Gene lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer Funktion direkt mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren.rnDiese Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Co-Allels massive Veränderungen in der Genregulation des SAMs mit sich bringt, wobei einige dieser differentiell regulierten Gene mit großer Wahrscheinlichkeit an der Etablierung des kolumnaren Phänotyps beteiligt sind. Auch wenn die Funktion des Co-Genproduktes nicht abschließend geklärt werden konnte, sind doch anhand der Resultate schlüssige Hypothesen diesbezüglich möglich.rn

Aureobasidium pullulans as biological control agent: modes of action

The postharvest phase has been considered an environment very suitable for successful application of biological control agents (BCAs). However, the tri-interaction between fungal pathogen, host (fruit) and antagonist is influenced by several parameters such as temperature, oxidative stresses, oxygen composition, water activity, etc. that could be determining for the success of biocontrol. Knowledge of the modes of action of BCAs is essential in order to enhance their viability and increase their potentialities in disease control. The thesis focused on the possibility to explain the modes of action of a biological control agent (BCA): Aureobasidium pullulans, in particular the strains L1 and L8, control effective against fruit postharvest fungal pathogen. In particular in this work were studied the different modes of action of BCA, such as: i) the ability to produce volatile organic compounds (VOCs), identified by SPME- gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and tested by in vitro and in vivo assays against Penicillium spp., Botrytis cinerea, Colletotrichum acutatum; ii) the ability to produce lytic enzymes (exo and endo chitinase and β-1,3-glucanase) tested against Monilinia laxa, causal agent of brown rot of stone fruits. L1 and L8 lytic enzymes were also evaluated through their relative genes by molecular tools; iii) the competition for space and nutrients, such as sugars (sucrose, glucose and fructose) and iron; the latter induced the production of siderophores, molecules with high affinity for iron chelation. A molecular investigation was carried out to better understand the gene regulation strictly correlated to the production of these chelating molucules. The competition for space against M. laxa was verified by electron microscopy techniques; iv) a depth bibliographical analysis on BCAs mechanisms of action and their possible combination with physical and chemical treatments was conducted.