DNA-Array-Technologie

Es wurde ein genomischer DNA-Array der Modellpflanze Arabidopsis thaliana mit einer 13.800 EST-Klone umfassenden cDNA-Bibliothek entwickelt und in der Genexpressionsanalyse der pflanzlichen Pathogenabwehr eingesetzt. Mittels PCR-Amplifikation sind 13.000 PCR-Produkte der cDNA-Fragmente hergestellt worden, mit denen 66 genomische Arabidopsis-Arrays auf Nylon und Polypropylen als Trägermaterial hergestellt werden konnten. Die Validierung mit Fluoreszenz- und Radiaktivhybridisierung sowie der Vergleich von drei Normalisierungsmethoden führte zu reproduzierbaren Ergebnissen bei hohem Korrelationskoeffizienten. Die etablierte DNA-Array-Technologie wurde zur Genexpressionsanalyse der pathogeninduzierten Abwehrmechanismen der Pflanze Arabidopsis thaliana in den ersten 24 Stunden nach Infektion mit dem avirulenten Bakterium Pseudomonas syringae pv. tomato eingesetzt. In einer Auswahl von 75 Genen der Stoffwechselwege Glycolyse, Citrat-Cyclus, Pentosephosphat-Cyclus und Glyoxylatmetabolismus konnte für 25 % der Gene, im Shikimat-, Tryptophan- und Phenylpropanoidsyntheseweg für 60 % der Gene eine erhöhte Transkriptionsrate nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit experimentellen Daten verschiedener unabhängiger Studien zur pflanzlichen Pathogenantwort überein. Darüberhinaus sind erstmals Transkriptionsprofile von bisher auf Transkriptionsebene nicht untersuchten Genen erstellt worden. Diese Ergebnisse bestätigen die transkriptionelle Aktivierung ganzer Stoffwechselwege und gewähren erstmals einen Einblick in die koordinierte differentielle Transkription ganzer Stoffwechselwege während der Pathogenabwehr.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

Das ADAM10-Gen kodiert für eine membrangebundene Disintegrin-Metalloproteinase, die das Amyloidvorläuferprotein spaltet. Im Mausmodell konnte bewiesen werden, dass die Überexpression von ADAM10 die Plaquebildung vermindern und das Langzeitgedächtnis verbessert. Aus diesem Grund ist es für einen möglichen Therapieansatz für die Alzheimer’sche Erkrankung erforderlich, die Organisation des humanen ADAM10-Gens und seines Promotors aufzuklären. Beim Vergleich der genomischen Sequenzen von humanem und murinem ADAM10 zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Beide Gene umfassen 160 kbp und bestehen aus 16 Exons. Die ersten 500 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt zwischen dem Menschen, der Maus und der Ratte sind hoch konserviert. Diese Region beinhaltet spezifische regulatorische Elemente, die die ADAM10-Transkription modulieren. In den ersten 2179 bp stromaufwärts vom humanen ADAM10-Translationsstartpunkt fanden sich einige potentiellen Transkriptionsfaktor-bindungsstellen (Brn-2, SREBP, Oct-1, Creb1/cJun, USF, Maz, MZF-1, NFkB und CDPCR3HD). Es wurde eine charakteristische GC-Box und eine CAAT-Box, aber keine TATA-Box identifiziert. Nach Klonierung dieser 2179 bp großen Region wurde eine starke Promotoraktivität, insbesondere in neuronalen Zelllinien, gefunden. Bei der Analyse von Deletionskonstrukten wurde die Region zwischen -508 und -300 als essentiell für die Transkriptionsaktivierung bestimmt. Die Promotoraktivität wird zudem streng herunterreguliert, wenn in die Region 317 bp stromaufwärts vom Startpunkt der Translation eine Punktmutation eingeführt wird. Diese per Computeranalyse als USF-Bindungsstelle deklarierte Region spielt eine zentrale Rolle bei der ADAM10-Transkription. Im EMSA wurde eine Protein-DNA-Interaktion für diese Region gezeigt. Durch transienten Transfektionen in Schneider Drosophila Insektenzellen konnte nachgewiesen werden, dass die Überexpression von Sp1 und USp3 für die ADAM10-Promotoraktivität entscheidend ist. In EMSA-Studien bestätigte sich eine Protein-DNA-Interaktion für die Region -366 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Die Punktmutation in der CAAT-Box veränderte die die Promotoraktivität nicht. Da weiterhin für diese potentielle Bindungsstelle kein Bindungsfaktor vorausgesagt wurde, scheint die CAAT-Box keine Bedeutung bei der Promotorregulation zu spielen. Schließlich fand sich im EMSA eine Protein-DNA-Interaktion für die Bindungsstelle 203 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Diese in Computeranalysen als RXR-Bindungsstelle identifizierte Region ist ebenfalls von Bedeutung in der Promotorregulation. Auf der Suche nach Substanzen, die die ADAM10-Promotoraktivität beeinflussen, wurde ein negativer Effekt durch die apoptoseauslösende Substanz Camptothecin und ein positiver Effekt durch die zelldifferenzierungsauslösende Substanz all-trans Retinsäure festgestellt. Mit dieser Arbeit wurde die genomische Organisation des ADAM10-Gens zusammen mit dem zugehörigen Promotor aufgeklärt und ein neuer Regulationsmechanismus für die Hochregulation der Expression der alpha-Sekretase ADAM10 gefunden. Im Weiteren sollen nun die genauen Mechanismen bei der Hochregulation der alpha-Sekretase ADAM10 durch Retinsäure untersucht und durch Mikroarray-Analysen an RNA-Proben transgener Mäuse, welche ADAM10 überexpremieren, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung der Alzheimer´schen Erkrankung identifiziert werden.

Farmacogenomica della Clofarabina nel trattamento delle Leucemie Acute pediatriche: identificazione di nuovi bersagli molecolari e del profilo genomico associato all’efficacia terapeutica del farmaco antitumorale

In quest’ultimi decenni si è assistito ad un notevole miglioramento nella terapia delle Leucemie Acute (LA) pediatriche, nonostante tutto si assiste oggi ad una fase di plateau della curva di sopravvivenza e le leucemie continuano a costituire la principale causa di morte pediatrica per malattia. Ulteriori progressi nel trattamento delle LA potrebbero essere ottenuti mediante studi di farmacogenomica che, identificando le componenti genetiche associate alla risposta individuale ai trattamenti farmacologici, consentono il disegno di terapie personalizzate e tumore-specifiche, ad alta efficacia e bassa tossicità per ciascun paziente. Il lavoro svolto è stato, dunque, finalizzato allo studio della farmacogenomica del farmaco antitumorale Clofarabina (CLO) nel trattamento delle LA pediatriche al fine di identificare marcatori genetici predittivi di risposta delle cellule leucemiche al farmaco, delucidare i meccanismi di resistenza cellulare ed individuare nuovi bersagli verso cui indirizzare terapie più mirate ed efficaci. L’analisi in vitro della sensibilità alla CLO di blasti provenienti da pazienti pediatrici affetti da Leucemia Acuta Linfoblastica (LAL) e Mieloide (LAM) ha consentito l’identificazione di due sottopopolazioni di cellule LAL ad immunofenotipo T a diversa sensibilità alla CLO. Mediante DNA-microarrays, si è identificata la “signature” genetica specificamente associata alla diversa risposta delle cellule LAL-T al farmaco. Successivamente, la caratterizzazione funzionale dei geni differenziali e l’analisi dei pathways hanno consentito l’identificazione specifica di potenziali biomarcatori di risposta terapeutica aprendo nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi di resistenza cellulare alla CLO e suggerendo un nuovo bersaglio terapeutico per le forme LAL-T a bassa sensibilità al farmaco. In conclusione, nel lavoro svolto si sono identificati set di geni e pathways di rilievo biologico per la risposta delle cellule LAL-T alla CLO suggerendo marcatori genetici in grado di identificare i soggetti eleggibili per il trattamento o verso cui disegnare terapie innovative. Il lavoro è paradigma per l’applicazione della farmacogenomica in altre neoplasie.

Molekulargenetische Untersuchungen zur Reblausresistenz bei der Unterlagsrebe Börner

Dass Pflanzen gegen phytopathogene Infektionen resistent sind, ist das Ergebnis von multip-len Abwehrreaktionen. Eine solche ist auch die Hypersensitivitätsreaktion (HR). Sie ist die Folge eines Befalls von Börner mit Rebläusen und zeigt sich an Blättern und Wurzeln der resistenten Unterlagsrebe in Form von lokalen Nekrosen. Die Erzeugung von neuen, trans-genen reblausresistenten Unterlagsreben verlangt präzise Kenntnisse über die Mechanismen der Reblausresistenz. Um Resistenzgene zu identifizieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit differenzielle Genexpressionsanalysen eingesetzt. Diese waren die Microarray Analyse mit der Geniom one Technik und die real time (RT) -PCR. Sie erlaubten eine Gegenüberstellung der Genexpression in behandeltem Wurzelgewebe mit der Expression im Normalgewebe der Unterlagsrebe Börner. Als experimenteller Induktor der HR in Börner diente die Indol-3-Essigsäure (IES), ein Bestandteil des Reblausspeichels. Frühere Untersuchungen zur Reb-lausresistenz zeigten, dass bei einer Behandlung mit IAA an Wurzeln von Börner Nekrosen entstehen, nicht jedoch an Wurzeln von der reblaustoleranten Unterlagssorte SO4 oder dem reblausanfälligem Edelreis. Das war der Grund, SO4 und Riesling als Vergleichsobjekte zu Börner für diese Studie auszuwählen. So sollte die Bedeutung der Rolle von IES als Auslö-ser der Resistenzmechanismen in Börner erklärt werden. Insgesamt konnten deutliche Unter-schiede in den Reaktionen der drei Rebsorten auf die IES Behandlung aufgedeckt werden. Während in Börner eine hohe Anzahl an Genen und diese intensiv auf den IES Reiz reagiert, fallen die Gene bei SO4 und Riesling zahlenmäßig kaum ins Gewicht und die Reaktionen der beiden Sorten auf IES zudem eher schwach aus. In der Summe waren es 27 Gene, die für die Reblausresistenz in Börner verantwortlich sein könnten. So konnte eine IES bedingte Aktivierung von Genen beobachtet werden, die bei der Produktion von Phytoalexinen be-deutsam sind, wie z.B. die phenylalanine ammonia-lyase, die lipoxygenase und die stilbene synthase. Weiter ließ sich eine Regulation von allgemein Stress assoziierten Genen und von Zellwandproteinen und eine Induktion von Signalkomponenten, etwa des Transkriptionsfak-tors ethylene response factor, nachweisen. Eine deutliche Hochregulation von Au-xintransportern in den IES behandelten Börnerwurzeln gab zudem Anhaltspunkte auf sorten-spezifische Unterschiede in der zellulären Aufnahme und Abgabe der IES. Durch die Ausar-beitung des Zusammenspiels der durch IES regulierten Gene konnten in dieser Arbeit wert-volle Hinweise auf die Mechanismen der Reblausresistenz in Börner gewonnen werden.

Differential expression analysis for sequence count data via mixtures of negative binomials

The recent advent of Next-generation sequencing technologies has revolutionized the way of analyzing the genome. This innovation allows to get deeper information at a lower cost and in less time, and provides data that are discrete measurements. One of the most important applications with these data is the differential analysis, that is investigating if one gene exhibit a different expression level in correspondence of two (or more) biological conditions (such as disease states, treatments received and so on). As for the statistical analysis, the final aim will be statistical testing and for modeling these data the Negative Binomial distribution is considered the most adequate one especially because it allows for "over dispersion". However, the estimation of the dispersion parameter is a very delicate issue because few information are usually available for estimating it. Many strategies have been proposed, but they often result in procedures based on plug-in estimates, and in this thesis we show that this discrepancy between the estimation and the testing framework can lead to uncontrolled first-type errors. We propose a mixture model that allows each gene to share information with other genes that exhibit similar variability. Afterwards, three consistent statistical tests are developed for differential expression analysis. We show that the proposed method improves the sensitivity of detecting differentially expressed genes with respect to the common procedures, since it is the best one in reaching the nominal value for the first-type error, while keeping elevate power. The method is finally illustrated on prostate cancer RNA-seq data.

Oligodendroglial exosomes in glia to neuron signaling

In the CNS, myelinating oligodendrocytes and axons form a functional unit based on intimate cell-cell interactions. In addition to axonal insulation serving to increase the conduction velocity of electrical impulses, oligodendrocytes provide trophic support to neurons essential for the long-term functional integrity of axons. The glial signals maintaining axonal functions are just at the beginning to become uncovered. Yet, their determination is highly relevant for all types of demyelinating diseases, where lack of glial support significantly contributes to pathology. rnThe present PhD thesis uncovers exosomes as a novel signaling entity in the CNS by which cargo can be transferred from oligodendrocytes to neurons. Exosomes are small membranous vesicles of endocytic origin, which are released by almost every cell type and have been implicated in intercellular communication. Oligodendrocytes secrete exosomes containing a distinct set of proteins as well as mRNA and microRNA. Intriguingly, oligodendroglial exosome release is stimulated by the neurotransmitter glutamate indicating that neuronal electrical activity controls glial exosome release. In this study, the role of exosomes in neuron-glia communication and their implications on glial support was examined. Cortical neurons internalized and accumulated oligodendroglial exosomes in the neuronal cell soma in a time-dependent manner. Moreover, uptake occurred likewise at the somatodendritic and axonal compartment of the neurons via dynamin and clathrin dependent endocytosis. Intriguingly, neuronal internalization of exosomes resulted in functional retrieval of exosomal cargo in vitro and in vivo upon stereotactic injection of Cre recombinase bearing exosomes. Functional recovery of Cre recombinase from transferred exosomes was indicated by acquired reporter recombination in the target cell. Electrophysiological analysis showed an increased firing rate in neurons exposed to oligodendroglial exosomes. Moreover, microarray analysis revealed differentially expressed genes after exosome treatment, indicating functional implications on neuronal gene expression and activity. rnTaken together, the results of this PhD thesis represent a proof of principle for exosome transmission from oligodendrocytes to neurons suggesting a new route of horizontal transfer in the CNS.rn

Die Rolle der Topoisomerase 2 beta in der normalen Herzfunktion sowie in der Entstehung der Herzinsuffizienz

Die Herzinsuffizienz (HI) ist eine der häufigsten und teuersten medizinischen Indikationen in der heutigen Zeit. rnIn der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal die Topoisomerase 2b (Top2b) in Zusammenhang mit der Entstehung einer dilatativen Kardiomyopathie gebracht werden. rnIn einem speziellen Mausmodell war es möglich, die Top2b gewebsspezifisch und zeitspezifisch nur in Kardiomyozyten zu deletieren. Dies geschah mittels eines Tamoxifen-induzierten Cre-Rekombinase-Gendeletionsmodells. Phänotypisch zeigten die Top2b-deletierten Mäuse 8 Wochen nach der Tamoxifen-Gabe signifikant reduzierte kardiale Ejektionsfraktionen sowie erhöhte linksventrikuläre enddiastolische und endsystolische Volumina. Weder Schlagvolumen noch Körpergewicht waren verändert. Die natriuretischen Peptide ANP und BNP waren in den Top2b-deletierten Tieren ebenfalls signifikant erhöht. Zusätzlich zeigten sowohl elektronenmikroskopische Untersuchungen als auch klassische histologische Verfahren fibrotische Veränderungen und erhöhte Kollagenablagerungen in Top2b-deletierten Tieren. Begleitend dazu stiegen die mRNA-Expressionslevel von Col1a1, Col3a1, Tgfβ1 und Tgfβ2 in den deletierten Tieren 8 Wochen nach der Implementierung der Deletion signifikant an. rnIn einer genomweiten Hochdurchsatz-Sequenzierung waren bereits 2 Wochen nach Tamoxifen-Gabe 128 Gene mindestens 2-fach gegenüber der Kontrollgruppe differentiell exprimiert. Eine genauere Analyse der veränderten Genexpression ließ bereits 14 Tage nach Implementierung der Deletion kardiale Verschlechterungen vermuten. So waren neben dem atrialen natriuretischen Peptid ANP die beiden häufigsten Kollagenarten im Herzen, Col3a1 und Col1a1, hochreguliert. rnInteressanterweise beinhalteten die 37 herunterregulierten Gene 11 Transkriptionsfaktoren. Da der Top2b in den letzten Jahren eine immer stärker werdende Bedeutung in der Transkription zugesprochen wird, sollte mittels Chromatin-Immunpräzipitation ein direkter Zusammenhang zwischen der Top2b-Deletion und der Herunterregulierung der 11 Transkriptionsfaktoren sowie die Bindung der Top2b an Promotoren ausgewählter, differentiell-exprimierter Gene untersucht werden. Generell konnte keine vermehrte Bindung von Top2b an Promotorbereiche gezeigt werden, was aber nicht dem generellen Fehlen einer Bindung gleichkommen muss. Vielmehr gab es methodische Schwierigkeiten, weshalb die Bedeutung der Top2b in der Transkription im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht ausreichend geklärt werden konnte.rnEine Kardiomyozyten-spezifische Top2b-Deletion mündete 8 Wochen nach Tamoxifen-Gabe in eine dilatative Kardiomyopathie. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind keine klaren Aussagen zum zugrundeliegenden Mechanismus der entstehenden Herzschädigung in Folge einer Top2b-Deletion zu treffen. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass der Tumorsuppressormarker p53 eine wichtige Rolle in der Entstehung der dilatativen Kardiomyopathie spielen könnte. So konnte 8 Wochen nach der Top2b-Deletion mittels Chromatin-Immunpräzipitation eine erhöhte Bindung von p53 an Promotorregionen von Col1a1, Tgfβ2 und Mmp2 detektiert werden. Die Bedeutung dieser Bindung, und ob aufgrund dessen die Entstehung der Fibrose erklärt werden könnte, ist zum jetzigen Zeitpunkt unklar.rn

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Gene expression profile of osseointegration of a hydrophilic compared with a hydrophobic microrough implant surface

OBJECTIVES: To compare the gene expression profile of osseointegration associated with a moderately rough and a chemically modified hydrophilic moderately rough surface in a human model. MATERIAL AND METHODS: Eighteen solid screw-type cylindrical titanium implants, 4 mm long and 2.8 mm wide, with either a moderately rough (SLA) or a chemically modified moderately rough (SLActive) surface were surgically inserted in the retromolar area of nine human volunteers. The devices were removed using a trephine following 4, 7 and 14 days of healing. The tissue surrounding the implant was harvested, total RNA was extracted and microarray analysis was carried out to identify the differences in the transcriptome between the SLA and SLActive surfaces at days 4, 7 and 14. RESULTS: There were no functionally relevant gene ontology categories that were over-represented in the list of genes that were differentially expressed at day 4. However, by day 7, osteogenesis- and angiogenesis-associated gene expression were up-regulated on the SLActive surface. Osteogenesis and angiogenesis appeared to be regulated by BMP and VEGF signalling, respectively. By day 14, VEGF signalling remains up-regulated on the SLActive surface, while BMP signalling was up-regulated on the SLA surface in what appeared to be a delayed compensatory response. Furthermore, neurogenesis was a prominent biological process within the list of differentially expressed genes, and it was influenced by both surfaces. CONCLUSIONS: Compared with SLA, SLActive exerts a pro-osteogenic and pro-angiogenic influence on gene expression at day 7 following implant insertion, which may be responsible for the superior osseointegrative properties of this surface.

Error models for microarray intensities

We derive the additive-multiplicative error model for microarray intensities, and describe two applications. For the detection of differentially expressed genes, we obtain a statistic whose variance is approximately independent of the mean intensity. For the post hoc calibration (normalization) of data with respect to experimental factors, we describe a method for parameter estimation.

DISSECTION OF STRESS RESPONSE NETWORKS REGULATING MULTIPLE STRESSES IN RICE

Important food crops like rice are constantly exposed to various stresses that can have devastating effect on their survival and productivity. Being sessile, these highly evolved organisms have developed elaborate molecular machineries to sense a mixture of stress signals and elicit a precise response to minimize the damage. However, recent discoveries revealed that the interplay of these stress regulatory and signaling molecules is highly complex and remains largely unknown. In this work, we conducted large scale analysis of differential gene expression using advanced computational methods to dissect regulation of stress response which is at the heart of all molecular changes leading to the observed phenotypic susceptibility. One of the most important stress conditions in terms of loss of productivity is drought. We performed genomic and proteomic analysis of epigenetic and miRNA mechanisms in regulation of drought responsive genes in rice and found subsets of genes with striking properties. Overexpressed genesets included higher number of epigenetic marks, miRNA targets and transcription factors which regulate drought tolerance. On the other hand, underexpressed genesets were poor in above features but were rich in number of metabolic genes with multiple co-expression partners contributing majorly towards drought resistance. Identification and characterization of the patterns exhibited by differentially expressed genes hold key to uncover the synergistic and antagonistic components of the cross talk between stress response mechanisms. We performed meta-analysis on drought and bacterial stresses in rice and Arabidopsis, and identified hundreds of shared genes. We found high level of conservation of gene expression between these stresses. Weighted co-expression network analysis detected two tight clusters of genes made up of master transcription factors and signaling genes showing strikingly opposite expression status. To comprehensively identify the shared stress responsive genes between multiple abiotic and biotic stresses in rice, we performed meta-analyses of microarray studies from seven different abiotic and six biotic stresses separately and found more than thirteen hundred shared stress responsive genes. Various machine learning techniques utilizing these genes classified the stresses into two major classes' namely abiotic and biotic stresses and multiple classes of individual stresses with high accuracy and identified the top genes showing distinct patterns of expression. Functional enrichment and co-expression network analysis revealed the different roles of plant hormones, transcription factors in conserved and non-conserved genesets in regulation of stress response.

LDOC1, A NOVEL BIOMARKER OF PROGNOSIS IN CHRONIC LYMPHOCYTIC LEUKEMIA

In chronic lymphocytic leukemia (CLL), one of the best predictors of outcome is the somatic mutation status of the immunoglobulin heavy chain variable region (IGHV) genes. Patients whose CLL cells have unmutated IGHV genes have a median survival of 8 years; those with mutated IGHV genes have a median survival of 25 years. To identify new prognostic biomarkers and molecular targets for therapy in untreated CLL patients, we reanalyzed the raw data from four published gene expression profiling microarray studies. Of 88 candidate biomarkers associated with IGHV somatic mutation status, we identified LDOC1 (Leucine Zipper, Down-regulated in Cancer 1), as one of the most significantly differentially expressed genes that distinguished mutated from unmutated CLL cases. LDOC1 is a putative transcription factor of unknown function in B-cell development and CLL pathophysiology. Using a highly sensitive quantitative RT-PCR (QRT-PCR) assay, we confirmed that LDOC1 mRNA was dramatically down-regulated in mutated compared to unmutated CLL cases. Expression of LDOC1 mRNA was also vii strongly associated with other markers of poor prognosis, including ZAP70 protein and cytogenetic abnormalities of poor prognosis (deletions of chromosomes 6q21, 11q23, and 17p13.1, and trisomy 12). CLL cases positive for LDOC1 mRNA had significantly shorter overall survival than negative cases. Moreover, in a multivariate model, LDOC1 mRNA expression predicted overall survival better than IGHV mutation status or ZAP70 protein, among the best markers of prognosis in CLL. We also discovered LDOC1S, a new LDOC1 splice variant. Using isoform-specific QRT-PCR assays that we developed, we found that both isoforms were expressed in normal B cells (naïve > memory), unmutated CLL cells, and in B-cell non-Hodgkin lymphomas with unmutated IGHV genes. To investigate pathways in which LDOC1 is involved, we knocked down LDOC1 in HeLa cells and performed global gene expression profiling. GFI1 (Growth Factor-Independent 1) emerged as a significantly up-regulated gene in both HeLa cells and CLL cells that expressed high levels of LDOC1. GFI1 oncoprotein is implicated in hematopoietic stem cell maintenance, lymphocyte development, and lymphomagenesis. Our findings indicate that LDOC1 mRNA is an excellent biomarker of overall survival in CLL, and may contribute to B-cell differentiation and malignant transformation.

DYSREGULATION OF MEOX2 FOLLOWING WT1 MUTATION IN KIDNEY DEVELOPMENT AND WILMS TUMORIGENESIS

Wilms tumor (WT) is a childhood tumor of the kidney and a productive model for understanding the role of genetic alteration and interactions in tumorigenesis. The Wilms tumor gene 1 (WT1) is a transcriptional factor and one of the few genes known to have genetic alterations in WT and has been shown be inactivated in 20% of WTs. However, the mechanisms of how WT1 mutations lead to Wilms tumorigenesis and its influence on downstream genes are unknown. Since it has been established that WT1 is a transcriptional regulator, it has been hypothesized that the loss of WT1 leads to the dysregulation of downstream genes, in turn result in the formation of WTs. To identify the dysregulated downstream genes following WT1 mutations, an Affymetrix GeneChip Human Genome Array was previously conducted to assess the differentially expressed genes in the WT1-wildtype human and WT1-mutant human WTs. Approximately 700 genes were identified as being significantly dysregulated. These genes were further prioritized based on their statistical significance, fold change, chromosomal region, spatial pattern of gene expression and known or putative cellular functions. Mesenchyme homeobox 2 (MEOX2) was one of the most significantly upregulated genes in WT1-mutant WT. MEOX2 is known to play a role in cell proliferation, apoptosis, and differentiation. In addition to its biological roles, it is expressed during early kidney development in the condensed mesenchyme similar to WT1. Furthermore, the use of the Match® web-based tool from the BIOBASE Biological Data base identified a significant predicted WT1 binding site within the first intron of MEOX2. The similarity in spatial gene expression in the developing kidney and the significant predicted WT1 binding site found in the first intron of MEOX2 lead to the development of my hypothesis that MEOX2 is upregulated via a WT1-dependent manner. Here as a part of my master’s work, I have validated the Affymetrix GeneChip Human Genome Array data using an independent set of Wilms tumors. MEOX2 remained upregulated in the mutant WT1 Wilms tumor by 41-fold. Wt1 and Meox2 gene expression were assessed in murine newborn kidney; both Wt1 and Meox2 were expressed in the condensed, undifferentiated metanephric mesenchyme. I have shown that the in vivo ablation of Wt1 during embryonic development at embryonic day (E) 13.5 resulted in the slight increase of Meox2 gene expression by two fold. In order to functionally demonstrate the effect of the loss of Wt1 on Meox2 gene expression in undifferentiated metanephric mesenchyme, I have generated a kidney mesenchymal cell line to genetically ablate Wt1 in vitro by adenoviral infection. The ablation of Wt1 in the kidney mesenchymal cell line resulted in the upregulation of Meox2 by 61-fold. Moreover, the upregulation of Meox2 resulted in the significant induction of p21 and Itgb5. In addition to the dysregulation of these genes the ablation of Wt1 in the kidney mesenchymal cells resulted in decrease in cell growth and loss of cellular adherence. However, it is uncertain whether the upregulation of Meox2 caused this particular cellular phenotype. Overall, I have demonstrated that the upregulation of Meox2 is Wt1-dependent during early kidney development.

Social motility of African trypanosomes is a property of a distinct life-cycle stage that occurs early in tsetse fly transmission

The protozoan pathogen Trypanosoma brucei is transmitted between mammals by tsetse flies. The first compartment colonised by trypanosomes after a blood meal is the fly midgut lumen. Trypanosomes present in the lumen-designated as early procyclic forms-express the stage-specific surface glycoproteins EP and GPEET procyclin. When the trypanosomes establish a mature infection and colonise the ectoperitrophic space, GPEET is down-regulated, and EP becomes the major surface protein of late procyclic forms. A few years ago, it was discovered that procyclic form trypanosomes exhibit social motility (SoMo) when inoculated on a semi-solid surface. We demonstrate that SoMo is a feature of early procyclic forms, and that late procyclic forms are invariably SoMo-negative. In addition, we show that, apart from GPEET, other markers are differentially expressed in these two life-cycle stages, both in culture and in tsetse flies, indicating that they have different biological properties and should be considered distinct stages of the life cycle. Differentially expressed genes include two closely related adenylate cyclases, both hexokinases and calflagins. These findings link the phenomenon of SoMo in vitro to the parasite forms found during the first 4-7 days of a midgut infection. We postulate that ordered group movement on plates reflects the migration of parasites from the midgut lumen into the ectoperitrophic space within the tsetse fly. Moreover, the process can be uncoupled from colonisation of the salivary glands. Although they are the major surface proteins of procyclic forms, EP and GPEET are not essential for SoMo, nor, as shown previously, are they required for near normal colonisation of the fly midgut.

Retinoic acid receptor beta and angiopoietin-like protein 1 are involved in the regulation of human androgen biosynthesis

Androgens are essential for sexual development and reproduction. However, androgen regulation in health and disease is poorly understood. We showed that human adrenocortical H295R cells grown under starvation conditions acquire a hyperandrogenic steroid profile with changes in steroid metabolizing enzymes HSD3B2 and CYP17A1 essential for androgen production. Here we studied the regulatory mechanisms underlying androgen production in starved H295R cells. Microarray expression profiling of normal versus starved H295R cells revealed fourteen differentially expressed genes; HSD3B2, HSD3B1, CYP21A2, RARB, ASS1, CFI, ASCL1 and ENC1 play a role in steroid and energy metabolism and ANGPTL1, PLK2, DUSP6, DUSP10 and FREM2 are involved in signal transduction. We discovered two new gene networks around RARB and ANGPTL1, and show how they regulate androgen biosynthesis. Transcription factor RARB stimulated the promoters of genes involved in androgen production (StAR, CYP17A1 and HSD3B2) and enhanced androstenedione production. For HSD3B2 regulation RARB worked in cooperation with Nur77. Secretory protein ANGPTL1 modulated CYP17A1 and DUSP6 expression by inducing ERK1/2 phosphorylation. By contrast, our studies revealed no evidence for hormones or cell cycle involvement in regulating androgen biosynthesis. In summary, these studies establish a firm role for RARB and ANGPTL1 in the regulation of androgen production in H295R cells.