A complex chromosomal rearrangement involving chromosomes 2, 5, and X in autism spectrum disorder

Here, we describe a female patient with autism spectrum disorder and dysmorphic features that harbors a complex genetic alteration, involving a de novo balanced translocation t(2;X)(q11;q24), a 5q11 segmental trisomy and a maternally inherited isodisomy on chromosome 5. All the possibly damaging genetic effects of such alterations are discussed. In light of recent findings on ASD genetic causes, the hypothesis that all these alterations might be acting in orchestration and contributing to the phenotype is also considered. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Mutation and genomic amplification of the PIK3CA proto-oncogene in pituitary adenomas

The tumorigenesis of pituitary adenomas is poorly understood. Mutations of the PIK3CA proto-oncogene, which encodes the p110-α catalytic subunit of PI3K, have been reported in various types of human cancers regarding the role of the gene in cell proliferation and survival through activation of the PI3K/Akt signaling pathway. Only one Chinese study described somatic mutations and amplification of the PIK3CA gene in a large series of pituitary adenomas. The aim of the present study was to determine genetic alterations of PIK3CA in a second series that consisted of 33 pituitary adenomas of different subtypes diagnosed by immunohistochemistry: 6 adrenocorticotropic hormone-secreting microadenomas, 5 growth hormone-secreting macroadenomas, 7 prolactin-secreting macroadenomas, and 15 nonfunctioning macroadenomas. Direct sequencing of exons 9 and 20 assessed by qPCR was employed to investigate the presence of mutations and genomic amplification defined as a copy number ≥4. Previously identified PIK3CA mutations (exon 20) were detected in four cases (12.1%). Interestingly, the Chinese study reported mutations only in invasive tumors, while we found a PIK3CA mutation in one noninvasive corticotroph microadenoma. PIK3CA amplification was observed in 21.2% (7/33) of the cases. This study demonstrates the presence of somatic mutations and amplifications of the PIK3CA gene in a second series of pituitary adenomas, corroborating the previously described involvement of the PI3K/Akt signaling pathway in the tumorigenic process of this gland.

Molecular bases, pathogenic mechanisms and possible therapeutic approach in Leber's Hereditary Optic Neuropathy

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) is a mitochondrial disease characterized by a rapid loss of central vision and optic atrophy, due to the selective degeneration of retinal ganglion cells. The age of onset is around 20, and the degenerative process is fast and usually the second eye becomes affected in weeks or months. Even if this pathology is well known and has been well characterized, there are still open questions on its pathophysiology, such as the male prevalence, the incomplete penetrance and the tissue selectivity. This maternally inherited disease is caused by mutations in mitochondrial encoded genes of NADH ubiquinone oxidoreductase (complex I) of the respiratory chain. The 90% of LHON cases are caused by one of the three common mitochondrial DNA mutations (11778/ND4, 14484/ND6 and 3460/ND1) and the remaining 10% is caused by rare pathogenic mutations, reported in literature in one or few families. Moreover, there is also a small subset of patients reported with new putative pathogenic nucleotide changes, which awaits to be confirmed. We here clarify some molecular aspects of LHON, mainly the incomplete penetrance and the role of rare mtDNA mutations or variants on LHON expression, and attempt a possible therapeutic approach using the cybrids cell model. We generated novel structural models for mitochondrial encoded complex I subunits and a conservation analysis and pathogenicity prediction have been carried out for LHON reported mutations. This in-silico approach allowed us to locate LHON pathogenic mutations in defined and conserved protein domains and can be a useful tool in the analysis of novel mtDNA variants with unclear pathogenic/functional role. Four rare LHON pathogenic mutations have been identified, confirming that the ND1 and ND6 genes are mutational hot spots for LHON. All mutations were previously described at least once and we validated their pathogenic role, suggesting the need for their screening in LHON diagnostic protocols. Two novel mtDNA variants with a possible pathogenic role have been also identified in two independent branches of a large pedigree. Functional studies are necessary to define their contribution to LHON in this family. It also been demonstrated that the combination of mtDNA rare polymorphic variants is relevant in determining the maternal recurrence of myoclonus in unrelated LHON pedigrees. Thus, we suggest that particular mtDNA backgrounds and /or the presence of specific rare mutations may increase the pathogenic potential of the primary LHON mutations, thereby giving rise to the extraocular clinical features characteristic of the LHON “plus” phenotype. We identified the first molecular parameter that clearly discriminates LHON affected individuals from asymptomatic carriers, the mtDNA copy number. This provides a valuable mechanism for future investigations on variable penetrance in LHON. However, the increased mtDNA content in LHON individuals was not correlated to the functional polymorphism G1444A of PGC-1 alpha, the master regulator of mitochondrial biogenesis, but may be due to gene expression of genes involved in this signaling pathway, such as PGC-1 alpha/beta and Tfam. Future studies will be necessary to identify the biochemical effects of rare pathogenic mutations and to validate the novel candidate mutations here described, in terms of cellular bioenergetic characterization of these variants. Moreover, we were not able to induce mitochondrial biogenesis in cybrids cell lines using bezafibrate. However, other cell line models are available, such as fibroblasts harboring LHON mutations, or other approaches can be used to trigger the mitochondrial biogenesis.

Genetica molecolare dell'autismo: studi di associazione ed analisi di geni candidati

Autism is a neurodevelpmental disorder characterized by impaired verbal communication, limited reciprocal social interaction, restricted interests and repetitive behaviours. Twin and family studies indicate a large genetic contribution to ASDs (Autism Spectrum Disorders). During my Ph.D. I have been involved in several projects in which I used different genetic approaches in order to identify susceptibility genes in autism on chromosomes 2, 7 and X: 1)High-density SNP association and CNV analysis of two Autism Susceptibility Loci. The International Molecular Genetic Study of Autism Consortium (IMGSAC) previously identified linkage loci on chromosomes 7 and 2, termed AUTS1 and AUTS5, respectively. In this study, we evaluated the patterns of linkage disequilibrium (LD) and the distribution of haplotype blocks, utilising data from the HapMap project, across the two strongest peaks of linkage on chromosome 2 and 7. More than 3000 SNPs have been selected in each locus in all known genes, as well as SNPs in non-genic highly conserved sequences. All markers have been genotyped to perform a high-density association analysis and to explore copy number variation within these regions. The study sample consisted of 127 and 126 multiplex families, showing linkage to the AUTS1 and AUTS5 regions, respectively, and 188 gender-matched controls. Association and CNV analysis implicated several new genes, including IMMP2L and DOCK4 on chromosome 7 and ZNF533 and NOSTRIN on the chromosome 2. Particularly, my contribution to this project focused on the characterization of the best candidate gene in each locus: On the AUTS5 locus I carried out a transcript study of ZNF533 in different human tissues to verify which isoforms and start exons were expressed. High transcript variability and a new exon, never described before, has been identified in this analysis. Furthermore, I selected 31 probands for the risk haplotype and performed a mutation screen of all known exons in order to identify novel coding variants associated to autism. On the AUTS1 locus a duplication was detected in one multiplex family that was transmitted from father to an affected son. This duplication interrupts two genes: IMMP2L and DOCK4 and warranted further analysis. Thus, I performed a screening of the cohort of IMGSAC collection (285 multiplex families), using a QMPSF assay (Quantitative Multiplex PCR of Short fluorescent Fragments) to analyse if CNVs in this genic region segregate with autism phenotype and compare their frequency with a sample of 475 UK controls. Evidence for a role of DOCK4 in autism susceptibility was supported by independent replication of association at rs2217262 and the finding of a deletion segregating in a sib-pair family. 2)Analysis of X chromosome inactivation. Skewed X chromosome inactivation (XCI) is observed in females carrying gene mutations involved in several X-linked syndromes. We aimed to estimate the role of X-linked genes in ASD susceptibility by ascertaining the XCI pattern in a sample of 543 informative mothers of children with ASD and in a sample of 164 affected girls. The study sample included families from different european consortia. I analysed the XCI inactivation pattern in a sample of italian mothers from singletons families with ASD and also a control groups (144 adult females and 40 young females). We observed no significant excess of skewed XCI in families with ASD. Interestingly, two mothers and one girl carrying known mutations in X-linked genes (NLGN3, ATRX, MECP2) showed highly skewed XCI, suggesting that ascertainment of XCI could reveal families with X-linked mutations. Linkage analysis was carried out in the subgroup of multiplex families with skewed XCI (≥80:20) and a modest increased allele sharing was obtained in the Xq27-Xq28 region, with a peak Z score of 1.75 close to rs719489. In this region FMR1 and MECP2 have been associated in some cases with austim and therefore represent candidates for the disorder. I performed a mutation screen of MECP2 in 33 unrelated probands from IMGSAC and italian families, showing XCI skewness. Recently, Xq28 duplications including MECP2, have been identified in families with MR, with asymptomatic carrier females showing extreme (>85%) skewing of XCI. For these reason I used the sample of probands from X-skewed families to perform CNV analysis by Real-time quantitative PCR. No duplications have been found in our sample. I have also confirmed all data using as alternative method the MLPA assay (Multiplex Ligation dependent Probe Amplification). 3)ASMT as functional candidate gene for autism. Recently, a possible involvement of the acetylserotonin O-methyltransferase (ASMT) gene in susceptibility to ASDs has been reported: mutation screening of the ASMT gene in 250 individuals from the PARIS collection revealed several rare variants with a likely functional role; Moreover, significant association was reported for two SNPs (rs4446909 and rs5989681) located in one of the two alternative promoters of the gene. To further investigate these findings, I carried out a replication study using a sample of 263 affected individuals from the IMGSAC collection and 390 control individuals. Several rare mutations were identified, including the splice site mutation IVS5+2T>C and the L326F substitution previously reported by Melke et al (2007), but the same rare variants have been found also in control individuals in our study. Interestingly, a new R319X stop mutation was found in a single autism proband of Italian origin and is absent from the entire control sample. Furthermore, no replication has been found in our case-control study typing the SNPs on the ASMT promoter B.

Intrinsic uncoupling in the ATP synthase of Escherichia coli. Studies on WT and ε-truncated mutants

The H+/ATP ratio in the catalysis of ATP synthase has generally been considered a fixed parameter. However, Melandri and coworkers have recently shown that, in the ATP synthase of the photosynthetic bacterium Rb.capsulatus, this ratio can significantly decrease during ATP hydrolysis when the concentration of either ADP or Pi is maintained at a low level (Turina et al., 2004). The present work has dealt with the ATP synthase of E.coli, looking for evidence of this phenomenon of intrinsic uncoupling in this organism as well. First of all, we have shown that the DCCD-sensitive ATP hydrolysis activity of E.coli internal membranes was strongly inhibited by ADP and Pi, with a half-maximal effect in the submicromolar range for ADP and at 140 µM for Pi. In contrast to this monotonic inhibition, however, the proton pumping activity of the enzyme, as estimated under the same conditions by the fluorescence quenching of the ΔpH-sensitive probe ACMA, showed a clearly biphasic progression, both for Pi, increasing from 0 up to approximately 200 µM, and for ADP, increasing from 0 up to a few µM. We have interpreted these results as indicating that the occupancy of ADP and Pi binding sites shifts the enzyme from a partially uncoupled state to a fully coupled state, and we expect that the ADP- and Pi-modulated intrinsic uncoupling is likely to be a general feature of prokaryotic ATP synthases. Moreover, the biphasicity of the proton pumping data suggested that two Pi binding sites are involved. In order to verify whether the same behaviour could be observed in the isolated enzyme, we have purified the ATP synthase of E.coli and reconstituted it into liposomes. Similarly as observed in the internal membrane preparation, in the isolated and reconstituted enzyme it was possible to observe inhibition of the hydrolytic activity by ADP and Pi (with half-maximal effects at few µM for ADP and at 400 µM for Pi) with a concomitant stimulation of proton pumping. Both the inhibition of ATP hydrolysis and the stimulation of proton pumping as a function of Pi were lost upon ADP removal by an ADP trap. These data have made it possible to conclude that the results obtained in E.coli internal membranes are not due to the artefactual interference of enzymatic activities other than the ones of the ATP synthase. In addition, data obtained with liposomes have allowed a calibration of the ACMA signal by ΔpH transitions of known extent, leading to a quantitative evaluation of the proton pumping data. Finally, we have focused our efforts on searching for a possible structural candidate involved in the phenomenon of intrinsic uncoupling. The ε-subunit of the ATP-synthase is known as an endogenous inhibitor of the hydrolysis activity of the complex and appears to undergo drastic conformational changes between a non-inhibitory form (down-state) and an inhibitory form (up-state)(Rodgers & Wilce, 2000; Gibbons et al., 2000). In addition, the results of Cipriano & Dunn (2006) indicated that the C-terminal domain of this subunit played an important role in the coupling mechanism of the pump, and those of Capaldi et al. (2001), Suzuki et al. (2003) were consistent with the down-state showing a higher hydrolysis-to-synthesis ratio than the up-state. Therefore, we decided to search for modulation of pumping efficiency in a C-terminally truncated ε mutant. A low copy number expression vector has been built, carrying an extra copy of uncC, with the aim of generating an ε-overexpressing E.coli strain in which normal levels of assembly of the mutated ATP-synthase complex would be promoted. We have then compared the ATP hydrolysis and the proton pumping activity in membranes prepared from these ε-overexpressing E.coli strains, which carried either the WT ε subunit or the ε88-stop truncated form. Both strains yielded well energized membranes. Noticeably, they showed a marked difference in the inhibition of hydrolysis by Pi, this effect being largely lost in the truncated mutant. However, pre-incubation of the mutated enzyme with ADP at low nanomolar concentrations (apparent Kd = 0.7nM) restored the hydrolysis inhibition, together with the modulation of intrinsic uncoupling by Pi, indicating that, contrary to wild-type, during membrane preparation the truncated mutant had lost the ADP bound at this high-affinity site, evidently due to a lower affinity (and/or higher release) for ADP of the mutant relative to wild type. Therefore, one of the effects of the C-terminal domain of ε appears to be to modulate the affinity of at least one of the binding sites for ADP. The lack of this domain does not appear so much to influence the modulability of coupling efficiency, but instead the extent of this modulation. At higher preincubated ADP concentrations (apparent Kd = 117nM), the only observed effects were inhibition of both hydrolysis and synthesis, providing a direct proof that two ADP-binding sites on the enzyme are involved in the inhibition of hydrolysis, of which only the one at higher affinity also modulates the coupling efficiency.

Profilo genomico e di espressione dell'Osteosarcoma. Identificazione dei geni con alto grado di correlazione tra numero di copie ed espressione

To identify the regions of recurrent copy number abnormality in osteosarcoma and their effect on gene expression, we performed an integrated genome-wide high-resolution array CGH (aCGH) and gene expression profiling analysis on 40 human OS tissues and 12 OS cell lines. This analysis identified several recurrent chromosome regions that contain genes that show a gene dosage effect on gene expression. A further search, performed on those genes that were over-expressed and localized in the frequently amplified chromosomal regions, greatly reduced the number of candidate genes while their characterization using gene ontology (GO) analysis suggests the importance of the deregulation of the G1-to-S phase in the development of the disease. We also identified frequent deletions on 3q in the vicinity of LSAMP and performed a fine mapping analysis of the breakpoints. We precisely mapped the breakpoints in several instances and demonstrated that the majority do not involve the LSAMP gene itself, and that they appear to form by a process of non-homologous end joining. In addition, aCGH analysis revealed frequent gains of IGF1R that were highly correlated with its protein level. Blockade of IGF1R in OS cell lines with high copy number gain led to growth inhibition suggesting that IGF1R may be a viable drug target in OS, particularly in patients with copy number driven overexpression of this receptor.

Molekularzytogenetische Untersuchungen an Nierenzelltumoren des Menschen

Nierenkarzinome (NZK) des Erwachsenenalters weisen nebenhistologisch-zytologischen Merkmalen typische genetischeCharakteristika auf, die mit dem biologischen Verhalten derTumorzellen korrelieren. Der Nachweis genomischerVeränderungen wird zur Diagnostik und Prognoseeinschätzungvon Tumoren herangezogen. Für die untersuchtenNierentumorerkrankungen wurden lediglich das vonHippel-Lindau Tumorsuppressorgen (VHL) auf Chromosom 3 oderdas MET Proto-Onkogen auf Chromosom 7 als gesichertepathogenetische Faktoren in der Entstehung von NZKidentifiziert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitragzur molekularen Charakterisierung derNierentumor-Pathogenese. Die gewählten Ansätze umfassen: (A)Die Analyse 91 primärer Nierentumoren mit CGH (comparativegenomic hybridization), (B) die Untersuchung chromosomalerBruchpunkte eines komplex rearrangierten, familiärenNZK-Falles und (C) die Charakterisierung umschriebenerGenomveränderungen im Bereich des VHL-Lokus auf Chromosom 3p25 .(A) Chromosomen-Aberrationen wurden identifiziert undeingegrenzt. Das Auftreten spezifischer chromosomalerAberrationen konnte mit dem dokumentierten Krankheitsverlaufassoziiert werden. Die als progressionsassoziiert oderprognoserelevant identifizierten Chromosomen(bereiche)5(q22-qter), 4, 10, 14q, 17, 6, 8, 9, 12 können alsAusgangspunkte für eine Suche nach subtypspezifischen,relevanten Tumorgenen dienen. (B) Chromosomenanalysen einerFamilie mit Veranlagung für das klarzellige NZK belegteneine Translokation zwischen den Chromosomen 3 und 8 imperipheren Patientenblut. Weitere molekularzytogenetischeUntersuchungen deckten ein komplexes chromosomalesRearrangement t(3;8)(q13.1;p21.1) auf. (C) DieFeinkartierung der Region um den VHL-Genlokus istinsbesondere bei Tumoren ohne molekulargenetischnachzuweisenden VHL-Verlust erforderlich. Zur Identifikationweiterer in dieser Region kartierender, evtl. ko-deletierterTumorsuppressor-Kandidatengene, wurden genomische(PAC)-Sonden isoliert, charakterisiert und zurDeletionskartierung eingesetzt.

Transposable elements: structure and dynamic of the autonomous retrotransposon R2 in Arthropoda with non-canonical reproduction

Eukaryotic ribosomal DNA constitutes a multi gene family organized in a cluster called nucleolar organizer region (NOR); this region is composed usually by hundreds to thousands of tandemly repeated units. Ribosomal genes, being repeated sequences, evolve following the typical pattern of concerted evolution. The autonomous retroelement R2 inserts in the ribosomal gene 28S, leading to defective 28S rDNA genes. R2 element, being a retrotransposon, performs its activity in the genome multiplying its copy number through a “copy and paste” mechanism called target primed reverse transcription. It consists in the retrotranscription of the element’s mRNA into DNA, then the DNA is integrated in the target site. Since the retrotranscription can be interrupted, but the integration will be carried out anyway, truncated copies of the element will also be present in the genome. The study of these truncated variants is a tool to examine the activity of the element. R2 phylogeny appears, in general, not consistent with that of its hosts, except some cases (e.g. Drosophila spp. and Reticulitermes spp.); moreover R2 is absent in some species (Fugu rubripes, human, mouse, etc.), while other species have more R2 lineages in their genome (the turtle Mauremys reevesii, the Japanese beetle Popilia japonica, etc). R2 elements here presented are isolated in 4 species of notostracan branchiopods and in two species of stick insects, whose reproductive strategies range from strict gonochorism to unisexuality. From sequencing data emerges that in Triops cancriformis (Spanish gonochoric population), in Lepidurus arcticus (two putatively unisexual populations from Iceland) and in Bacillus rossius (gonochoric population from Capalbio) the R2 elements are complete and encode functional proteins, reflecting the general features of this family of transposable elements. On the other hand, R2 from Italian and Austrian populations of T. cancriformis (respectively unisexual and hermaphroditic), Lepidurus lubbocki (two elements within the same Italian population, gonochoric but with unfunctional males) and Bacillus grandii grandii (gonochoric population from Ponte Manghisi) have sequences that encode incomplete or non-functional proteins in which it is possible to recognize only part of the characteristic domains. In Lepidurus couesii (Italian gonochoric populations) different elements were found as in L. lubbocki, and the sequencing is still in progress. Two hypothesis are given to explain the inconsistency of R2/host phylogeny: vertical inheritance of the element followed by extinction/diversification or horizontal transmission. My data support previous study that state the vertical transmission as the most likely explanation; nevertheless horizontal transfer events can’t be excluded. I also studied the element’s activity in Spanish populations of T. cancriformis, in L. lubbocki, in L. arcticus and in gonochoric and parthenogenetic populations of B. rossius. In gonochoric populations of T. cancriformis and B. rossius I found that each individual has its own private set of truncated variants. The situation is the opposite for the remaining hermaphroditic/parthenogenetic species and populations, all individuals sharing – in the so far analyzed samples - the majority of variants. This situation is very interesting, because it isn’t concordant with the Muller’s ratchet theory that hypothesizes the parthenogenetic populations being either devoided of transposable elements or TEs overloaded. My data suggest a possible epigenetic mechanism that can block the retrotransposon activity, and in this way deleterious mutations don’t accumulate.

Die Leber als Latenzort des murinen Cytomegalovirus: Identifizierung und Charakterisierung des latent infizierten Zelltyps

Die Untersuchungen der murinen Cytomegalovirus (mCMV) Infektion im BALB/c Mausmodell konzentrierten sich bislang auf die Lunge, da diese einen Hauptort der mCMV Latenz darstellt. Da latentes CMV auch häufig durch Lebertransplantationen übertragen wird, wurde in dieser Arbeit die Leber als ein weiteres medizinisch relevantes Organ der CMV Latenz und Reaktivierung untersucht. Um zunächst die zellulären Orte der mCMV Latenz in der Leber zu ermitteln, wurden verschiedengeschlechtliche Knochenmarktransplantationen (KMT) mit männlichen tdy-positiven Spendern und weiblichen, tdy-negativen Empfängern, mit anschließender mCMV Infektion durchgeführt, um latent infizierte Mäuse mit geschlechtschromosomalem Chimärismus zu generieren. Diese Chimären erlaubten eine Unterscheidung zwischen tdy-positiven Zellen hämatopoetischen Ursprungs und tdy-negativen stromalen und parenchymalen Gewebszellen. Die Separation von Leberzellen der Chimären mittels zentrifugaler Elutriation und anschließender DNA Quantifizierung viraler und zellulärer Genome durch eine quantitative real-time PCR ergab einen ersten Hinweis, dass Endothelzellen ein zellulärer Ort der mCMV Latenz sind. Die darauf folgende immunomagnetische Zelltrennung lokalisierte latente virale DNA in der CD31-positiven Zellfraktion. Die Koexpression von CD31 mit dem endothelzellspezifischen Oberflächenmarker ME-9F1 identifizierte die sinusoidalen Endothelzellen der Leber (LSEC) als die Zellen, die latente virale DNA beherbergen. In den zytofluorometrisch aufgereinigten CD31+/ME-9F1+ LSEC waren bei gleichzeitigem Rückgang der männlichen tdy Markergene virale Genome angereichert, was darauf hinwies, dass Zellen, die virale DNA enthalten, vom Knochenmark-Empfänger stammen. Durch zytofluorometrische Analysen isolierter LSEC konnte eine vom Spender abstammende Subpopulation MHCII+/CD11b+ LSEC identifiziert werden. Anschließende Quantifizierungen viraler DNA aus latent infizierten Mäusen detektierten eine Abnahme viraler Genome mit zunehmender Menge an tdy-positiven Zellen, was beweist, dass MHCII+/CD11b+ LSEC keinen Ort der mCMV Latenz darstellen. Die limiting dilution Untersuchungen der isolierten latent infizierten LSEC ergaben eine Frequenz von einer latent infizierten Zelle unter ~1,9x104 LSEC und eine Anzahl von 7 bis 19 viralen Genomen pro latent infizierter Zelle. Nach 24 Stunden Kultivierung der LSEC konnte mittels quantitativer real-time RT-PCR mit Gesamt-RNA aus LSEC ein Anstieg der Genexpression der immediate early Gene ie1 und ie3 sowie eine Induktion des early Gens e1 gezeigt werden. Eine Erhöhung der transkriptionellen Reaktivierung durch die Inkubation der LSEC mit unterschiedlichen HDAC Inhibitoren konnte allerdings nicht erzielt werden, da sowohl die Menge der isolierten RNA aus behandelten Kulturen, als auch die Anzahl viraler Transkripte im Vergleich zu den unbehandelten Kulturen erniedrigt war. Aufgrund der kurzen Lebensdauer isolierter LSEC in vitro konnte durch Kokultivierungen latent infizierter LSEC zusammen mit murinen embryonalen Fibroblasten keine Virusreaktivierung induziert werden. Im Gegensatz dazu wurden durch den Transfer gereinigter ME-9F1+/CD31+ LSEC aus latent infizierten Spendern in immunsupprimierte Empfänger virale Rekurrenzen in Lungenexplantatkulturen des Rezipienten detektiert. Damit konnten LSEC eindeutig als zellulärer Ort von mCMV Latenz und Reaktivierung in der Leber identifiziert werden.

Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.

Vanillin production from ferulic acid with Pseudomonas fluorescens BF13-1p4

Bioconversion of ferulic acid to vanillin represents an attractive opportunity for replacing synthetic vanillin with a bio-based product, that can be label “natural”, according to current food regulations. Ferulic acid is an abundant phenolic compound in cereals processing by-products, such as wheat bran, where it is linked to the cell wall constituents. In this work, the possibility of producing vanillin from ferulic acid released enzymatically from wheat bran was investigated by using resting cells of Pseudomonas fluorescens strain BF13-1p4 carrying an insertional inactivation of vdh gene and ech and fcs BF13 genes on a low copy number plasmid. Process parameters were optimized both for the biomass production phase and the bioconversion phase using food-grade ferulic acid as substrate and the approach of changing one variable while fixing the others at a certain level followed by the response surface methodology (RSM). Under optimized conditions, vanillin up to 8.46 mM (1.4 g/L) was achieved, whereas highest productivity was 0.53 mmoles vanillin L-1 h-1). Cocktails of a number of commercial enzyme (amylases, xylanases, proteases, feruloyl esterases) combined with bran pre-treatment with steam explosion and instant controlled pressure drop technology were then tested for the release of ferulic acid from wheat bran. The highest ferulic acid release was limited to 15-20 % of the ferulic acid occurring in bran, depending on the treatment conditions. Ferulic acid 1 mM in enzymatic hydrolyzates could be bioconverted into vanillin with molar yield (55.1%) and selectivity (68%) comparable to those obtained with food-grade ferulic acid after purification from reducing sugars with a non polar adsorption resin. Further improvement of ferulic acid recovery from wheat bran is however required to make more attractive the production of natural vanillin from this by-product.

HIF1α regulates Mitochondrial biogenesis and Cellular senescence induced by Gamma Radiation

Cellular response to γ-rays is mediated by ATM-p53 axis. When p53 is phosphorylated, it can transactivate several genes to induce permanent cell cycle arrest (senescence) or apoptosis. Epithelial and mesenchymal cells are more resistant to radiation-induced apoptosis and respond mainly by activating senescence. Hence, tumor cells in a senescent state might remain as “dormant” malignant in fact through disruption of p53 function, cells may overcome growth arrest. Oncocytic features were acquired in the recurring neoplasia after radiation therapy in patient with colonrectal cancer. Oncocytic tumors are characterized by aberrant biogenesis and are mainly non-aggressive neoplasms. Their low proliferation degree can be explained by chronic destabilization of HIF1α, which presides to adaptation to hypoxia and also plays a pivotal role in hypoxia-related radio-resistance. The aim of the present thesis was to verify whether mitochondrial biogenesis can be induced following radiation treatment, in relation of HIF1α status and whether is predictive of a senescence response. In this study was demonstrate that mitochondrial biogenesis parameters like mitochondrial DNA copy number could be used for the prediction of hypoxic status of tissue after radiation treatment. γ-rays induce an increase of mitochondrial mass and function, in response to a genotoxic stress that pushes cells into senescence. Mitochondrial biogenesis is only indirectly regulated by p53, whose activation triggers a MDM2-mediated HIF1α degradation, leading to the release of PGC-1β inhibition by HIF1α. On the other hand, this protein blunts the mitochondrial response to γ-rays as well as the induction of p21-mediated cell senescence, indicating prevalence of the hypoxic over the genotoxic response. Finally in vivo, post-radiotherapy mtDNA copy number increase well correlates with lack of HIF1α increase in the tissue, concluding this may be a useful molecular tool to infer the trigger of a hypoxic response during radiotherapy, which may lead to failure of activation of senescence.

Genexpressionsanalyse der fötalen Wachstumsfuge des Rindes

Erkrankungen des Skelettapparats wie beispielsweise die Osteoporose oder Arthrose gehören neben den Herz-Kreislauferkrankungen und Tumoren zu den Häufigsten Erkrankungen des Menschen. Ein besseres Verständnis der Bildung und des Erhalts von Knochen- oder Knorpelgewebe ist deshalb von besonderer Bedeutung. Viele bisherige Ansätze zur Identifizierung hierfür relevanter Gene, deren Produkte und Interaktionen beruhen auf der Untersuchung pathologischer Situationen. Daher ist die Funktion vieler Gene nur im Zusammenhang mit Krankheiten beschrieben. Untersuchungen, die die Genaktivität bei der Normalentwicklung von knochen- und knorpelbildenden Geweben zum Ziel haben, sind dagegen weit weniger oft durchgeführt worden. rnEines der entwicklungsphysiologisch interessantesten Gewebe ist die Epiphysenfuge der Röhrenknochen. In dieser sogenannten Wachstumsfuge ist insbesondere beim fötalen Gewebe eine sehr hohe Aktivität derjenigen Gene zu erwarten, die an der Knochen- und Knorpelbildung beteiligt sind. In der vorliegenden Arbeit wurde daher aus der Epiphysenfuge von Kälberknochen RNA isoliert und eine cDNA-Bibliothek konstruiert. Von dieser wurden ca. 4000 Klone im Rahmen eines klassischen EST-Projekts sequenziert. Durch die Analyse konnte ein ungefähr 900 Gene umfassendes Expressionsprofil erstellt werden und viele Transkripte für Komponenten der regulatorischen und strukturbildenden Bestandteile der Knochen- und Knorpelentwicklung identifiziert werden. Neben den typischen Genen für Komponenten der Knochenentwicklung sind auch deutlich Bestandteile für embryonale Entwicklungsprozesse vertreten. Zu ersten gehören in erster Linie die Kollagene, allen voran Kollagen II alpha 1, das mit Abstand höchst exprimierte Gen in der fötalen Wachstumsfuge. Nach den ribosomalen Proteinen stellen die Kollagene mit ca. 10 % aller auswertbaren Sequenzen die zweitgrößte Gengruppe im erstellten Expressionsprofil dar. Proteoglykane und andere niedrig exprimierte regulatorische Elemente, wie Transkriptionsfaktoren, konnten im EST-Projekt aufgrund der geringen Abdeckung nur in sehr geringer Kopienzahl gefunden werden. Allerdings förderte die EST-Analyse mehrere interessante, bisher nicht bekannte Transkripte zutage, die detaillierter untersucht wurden. Dazu gehören Transkripte die, die dem LOC618319 zugeordnet werden konnten. Neben den bisher beschriebenen drei Exonbereichen konnte ein weiteres Exon im 3‘-UTR identifiziert werden. Im abgeleiteten Protein, das mindestens 121 AS lang ist, wurden ein Signalpeptid und eine Transmembrandomäne nachgewiesen. In Verbindung mit einer möglichen Glykosylierung ist das Genprodukt in die Gruppe der Proteoglykane einzuordnen. Leicht abweichend von den typischen Strukturen knochen- und knorpelspezifischer Proteoglykane ist eine mögliche Funktion dieses Genprodukts bei der Interaktion mit Integrinen und der Zell-Zellinteraktion, aber auch bei der Signaltransduktion denkbar. rnDie EST-Sequenzierungen von ca. 4000 cDNA-Klonen können aber in der Regel nur einen Bruchteil der möglichen Transkripte des untersuchten Gewebes abdecken. Mit den neuen Sequenziertechnologien des „Next Generation Sequencing“ bestehen völlig neue Möglichkeiten, komplette Transkriptome mit sehr hoher Abdeckung zu sequenzieren und zu analysieren. Zur Unterstützung der EST-Daten und zur deutlichen Verbreiterung der Datenbasis wurde das Transkriptom der bovinen fötalen Wachstumsfuge sowohl mit Hilfe der Roche-454/FLX- als auch der Illumina-Solexa-Technologie sequenziert. Bei der Auswertung der ca. 40000 454- und 75 Millionen Illumina-Sequenzen wurden Verfahren zur allgemeinen Handhabung, der Qualitätskontrolle, dem „Clustern“, der Annotation und quantitativen Auswertung von großen Mengen an Sequenzdaten etabliert. Beim Vergleich der Hochdurchsatz Blast-Analysen im klassischen „Read-Count“-Ansatz mit dem erstellten EST-Expressionsprofil konnten gute Überstimmungen gezeigt werden. Abweichungen zwischen den einzelnen Methoden konnten nicht in allen Fällen methodisch erklärt werden. In einigen Fällen sind Korrelationen zwischen Transkriptlänge und „Read“-Verteilung zu erkennen. Obwohl schon simple Methoden wie die Normierung auf RPKM („reads per kilo base transkript per million mappable reads“) eine Verbesserung der Interpretation ermöglichen, konnten messtechnisch durch die Art der Sequenzierung bedingte systematische Fehler nicht immer ausgeräumt werden. Besonders wichtig ist daher die geeignete Normalisierung der Daten beim Vergleich verschieden generierter Datensätze. rnDie hier diskutierten Ergebnisse aus den verschiedenen Analysen zeigen die neuen Sequenziertechnologien als gute Ergänzung und potentiellen Ersatz für etablierte Methoden zur Genexpressionsanalyse.rn

In vivo konditionale Depletion von latentem murinen Cytomegalovirus

Die Lunge stellt einen Hauptort der CMV-Latenz dar. Die akute CMV-Infektion wird durch infiltrierende antivirale CD8 T-Zellen terminiert. Das virale Genom verbleibt jedoch im Lungengewebe in einem nicht replikativen Zustand, der Latenz, erhalten. Es konnte bereits gezeigt werden, dass während der Latenz die Major Immediate Early- (MIE) Gene ie1- und ie2 sporadisch transkribiert werden. Bisher konnte diese beginnende Reaktivierung latenter CMV-Genome nur in einer Momentaufnahme gezeigt werden (Kurz et al., 1999; Grzimek et al., 2001; Simon et al., 2005; zur Übersicht: Reddehase et al., 2008). Die sporadische Expression der MIE-Gene führt jedoch zur Präsentation eines antigenen IE1-Peptids und somit zur Stimulation antiviraler IE1-Peptid-spezifischer CD8 T-Zellen, die durch ihre Effektorfunktion die beginnende Reaktivierung wieder beenden. Dies führte uns zu der Hypothese, dass MIE-Genexpression über einen Zeitraum betrachtet (period prevalence) häufiger stattfindet als es in einer Momentaufnahme (point prevalence) beobachtet werden kann.rnrnUm die Häufigkeit der MIE-Genexpression in der Dynamik in einem definierten Zeitraum zu erfassen, sollte eine Methode entwickelt werden, welche es erstmals ermöglicht, selektiv und konditional transkriptionell aktive Zellen sowohl während der akuten Infektion als auch während der Latenz auszulöschen. Dazu wurde mit Hilfe der Zwei-Schritt BAC-Mutagenese ein rekombinantes death-tagged Virus hergestellt, welches das Gen für den Diphtherie Toxin Rezeptor (DTR) unter Kontrolle des ie2-Promotors (P2) enthält. Ist der P2 transkriptionell aktiv, wird der DTR an der Zelloberfläche präsentiert und die Zelle wird suszeptibel für den Liganden Diphtherie Toxin (DT). Durch Gabe von DT werden somit alle Zellen ausgelöscht, in denen virale Genome transkriptionell aktiv sind. Mit zunehmender Dauer der DT-Behandlung sollte also die Menge an latenten viralen Genomen abnehmen.rnrnIn Western Blot-Analysen konnte das DTR-Protein bereits 2h nach der Infektion nachgewiesen werden. Die Präsentation des DTR an der Zelloberfläche wurde indirekt durch dessen Funktionalität bewiesen. Das rekombinante Virus konnte in Fibroblasten in Gegenwart von DT nicht mehr replizieren. In akut infizierten Tieren konnte die virale DNA-Menge durch eine einmalige intravenöse (i.v.) DT-Gabe signifikant reduziert werden. Verstärkt wurde dieser Effekt durch eine repetitive i.v. DT-Gabe. Auch während der Latenz gelang es, die Zahl der latenten viralen Genome durch repetitive i.v. und anschließende intraperitoneale (i.p.) DT-Gabe zu reduzieren, wobei wir abhängig von der Dauer der DT-Gabe eine Reduktion um 60\% erreichen konnten. Korrespondierend zu der Reduktion der DNA-Menge sank auch die Reaktivierungshäufigkeit des rekombinanten Virus in Lungenexplantatkulturen. rnrnrnUm die Reaktivierungshäufigkeit während der Latenz berechnen zu können, wurde durch eine Grenzverdünnungsanalyse die Anzahl an latenten viralen Genomen pro Zelle bestimmt. Dabei ergab sich eine Kopienzahl von 9 (6 bis 13). Ausgehend von diesen Ergebnissen lässt sich berechnen, dass, bezogen auf die gesamte Lunge, in dem getesteten Zeitraum von 184h durch die DT-Behandlung 1.000 bis 2.500 Genome pro Stunde ausgelöscht wurden. Dies entspricht einer Auslöschung von 110 bis 280 MIE-Gen-exprimierenden Lungenzellen pro Stunde. Damit konnte in dieser Arbeit erstmals die Latenz-assoziierte Genexpression in ihrer Dynamik dargestellt werden.rn

Mitochondrial DNA rearrangements during human aging: a study on liver, muscle and adipose tissue

Aging is characterized by a chronic, low-grade inflammatory state called “inflammaging”. Mitochondria are the main source of reactive oxygen species (ROS), which trigger the production of pro-inflammatory molecules. We are interested in studying the age-related modifications of the mitochondrial DNA (mtDNA), which can be affected by the lifelong exposure to ROS and are responsible of mitochondrial dysfunction. Moreover, increasing evidences show that telomere shortening, naturally occurring with aging, is involved in mtDNA damage processes and thus in the pathogenesis of age-related disorders. Thus the primary aim of this thesis was the analysis of mtDNA copy number, deletion level and integrity in different-age human biopsies from liver, vastus lateralis skeletal muscle of healthy subjects and patients with limited mobility of lower limbs (LMLL), as well as adipose tissue. The telomere length and the expression of nuclear genes related to mitobiogenesis, fusion and fission, mitophagy, mitochondrial protein quality control system, hypoxia, production and protection from ROS were also evaluated. In liver the decrease in mtDNA integrity with age is accompanied with an increase in mtDNA copy number, suggesting the existence of a “compensatory mechanism” able to maintain the functionality of this organ. Different is the case of vastus lateralis muscle, where any “compensatory pathway” is activated and mtDNA integrity and copy number decrease with age, both in healthy subjects and in patients. Interestingly, mtDNA rearrangements do not incur in adipose tissue with advancing age. Finally, in all tissues a marked gender difference appears, suggesting that aging and also gender diversely affect mtDNA rearrangements and telomere length in the three human tissues considered, likely depending on their different metabolic needs and inflammatory status.