Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Sviluppo di un modello di ottimizzazione per il car sharing elettrico dell'Università di Bologna

Sviluppo di un modello di ottimizzazione per lo scheduling dei veicoli elettrici in car sharing dell'Università di Bologna.

Postmortem whole-body computed tomography angiography visualizing vascular rupture in a case of fatal car crash

In addition to the increasingly significant role of multislice computed tomography in forensic pathology, the performance of whole-body computed tomography angiography provides outstanding results. In this case, we were able to detect multiple injuries of the parenchymal organs in the upper abdomen as well as lesions of the brain parenchyma and vasculature of the neck. The radiologic findings showed complete concordance with the autopsy and even supplemented the autopsy findings in areas that are difficult to access via a manual dissection (such as the vasculature of the neck). This case shows how minimally invasive computed tomography angiography can serve as an invaluable adjunct to the classic autopsy procedure.

Deep-sequencing identification of the genomic targets of the cytidine deaminase AID and its cofactor RPA in B lymphocytes

The cytidine deaminase AID hypermutates immunoglobulin genes but can also target oncogenes, leading to tumorigenesis. The extent of AID's promiscuity and its predilection for immunoglobulin genes are unknown. We report here that AID interacted broadly with promoter-proximal sequences associated with stalled polymerases and chromatin-activating marks. In contrast, genomic occupancy of replication protein A (RPA), an AID cofactor, was restricted to immunoglobulin genes. The recruitment of RPA to the immunoglobulin loci was facilitated by phosphorylation of AID at Ser38 and Thr140. We propose that stalled polymerases recruit AID, thereby resulting in low frequencies of hypermutation across the B cell genome. Efficient hypermutation and switch recombination required AID phosphorylation and correlated with recruitment of RPA. Our findings provide a rationale for the oncogenic role of AID in B cell malignancy.

Multilocus sequence analysis and rpoB sequencing of Mycobacterium abscessus (sensu lato) strains

Mycobacterium abscessus, Mycobacterium bolletii, and Mycobacterium massiliense (Mycobacterium abscessus sensu lato) are closely related species that currently are identified by the sequencing of the rpoB gene. However, recent studies show that rpoB sequencing alone is insufficient to discriminate between these species, and some authors have questioned their current taxonomic classification. We studied here a large collection of M. abscessus (sensu lato) strains by partial rpoB sequencing (752 bp) and multilocus sequence analysis (MLSA). The final MLSA scheme developed was based on the partial sequences of eight housekeeping genes: argH, cya, glpK, gnd, murC, pgm, pta, and purH. The strains studied included the three type strains (M. abscessus CIP 104536(T), M. massiliense CIP 108297(T), and M. bolletii CIP 108541(T)) and 120 isolates recovered between 1997 and 2007 in France, Germany, Switzerland, and Brazil. The rpoB phylogenetic tree confirmed the existence of three main clusters, each comprising the type strain of one species. However, divergence values between the M. massiliense and M. bolletii clusters all were below 3% and between the M. abscessus and M. massiliense clusters were from 2.66 to 3.59%. The tree produced using the concatenated MLSA gene sequences (4,071 bp) also showed three main clusters, each comprising the type strain of one species. The M. abscessus cluster had a bootstrap value of 100% and was mostly compact. Bootstrap values for the M. massiliense and M. bolletii branches were much lower (71 and 61%, respectively), with the M. massiliense cluster having a fuzzy aspect. Mean (range) divergence values were 2.17% (1.13 to 2.58%) between the M. abscessus and M. massiliense clusters, 2.37% (1.5 to 2.85%) between the M. abscessus and M. bolletii clusters, and 2.28% (0.86 to 2.68%) between the M. massiliense and M. bolletii clusters. Adding the rpoB sequence to the MLSA-concatenated sequence (total sequence, 4,823 bp) had little effect on the clustering of strains. We found 10/120 (8.3%) isolates for which the concatenated MLSA gene sequence and rpoB sequence were discordant (e.g., M. massiliense MLSA sequence and M. abscessus rpoB sequence), suggesting the intergroup lateral transfers of rpoB. In conclusion, our study strongly supports the recent proposal that M. abscessus, M. massiliense, and M. bolletii should constitute a single species. Our findings also indicate that there has been a horizontal transfer of rpoB sequences between these subgroups, precluding the use of rpoB sequencing alone for the accurate identification of the two proposed M. abscessus subspecies.

Ambiguous nucleotide calls from population-based sequencing of HIV-1 are a marker for viral diversity and the age of infection

The time passed since the infection of a human immunodeficiency virus (HIV)-infected individual (the age of infection) is an important but often only poorly known quantity. We assessed whether the fraction of ambiguous nucleotides obtained from bulk sequencing as done for genotypic resistance testing can serve as a proxy of this parameter.

Targeted next generation sequencing as a diagnostic tool in epileptic disorders

Epilepsies have a highly heterogeneous background with a strong genetic contribution. The variety of unspecific and overlapping syndromic and nonsyndromic phenotypes often hampers a clear clinical diagnosis and prevents straightforward genetic testing. Knowing the genetic basis of a patient's epilepsy can be valuable not only for diagnosis but also for guiding treatment and estimating recurrence risks.

Intraoral foreign bodies detected 40 years after a car accident using cone beam computed tomography

Foreign bodies are common findings in the maxillofacial region, most commonly the result of accidents and physical aggression. Among the objects frequently found in the orofacial tissues are fragments of metal, plastic, wood, and glass. Visualization and exact identification of the location of these objects can be challenging but is of major importance prior to surgical removal. The present case report describes the use of cone beam computed tomography to locate, visualize, and surgically remove glass particles in the oral cavity.

Identification of the bovine Arachnomelia mutation by massively parallel sequencing implicates sulfite oxidase (SUOX) in bone development

Arachnomelia is a monogenic recessive defect of skeletal development in cattle. The causative mutation was previously mapped to a approximately 7 Mb interval on chromosome 5. Here we show that array-based sequence capture and massively parallel sequencing technology, combined with the typical family structure in livestock populations, facilitates the identification of the causative mutation. We re-sequenced the entire critical interval in a healthy partially inbred cow carrying one copy of the critical chromosome segment in its ancestral state and one copy of the same segment with the arachnomelia mutation, and we detected a single heterozygous position. The genetic makeup of several partially inbred cattle provides extremely strong support for the causality of this mutation. The mutation represents a single base insertion leading to a premature stop codon in the coding sequence of the SUOX gene and is perfectly associated with the arachnomelia phenotype. Our findings suggest an important role for sulfite oxidase in bone development.

Utilization of Probabilistic Models in Short Read Assembly from Second-Generation Sequencing

With the advent of cheaper and faster DNA sequencing technologies, assembly methods have greatly changed. Instead of outputting reads that are thousands of base pairs long, new sequencers parallelize the task by producing read lengths between 35 and 400 base pairs. Reconstructing an organism’s genome from these millions of reads is a computationally expensive task. Our algorithm solves this problem by organizing and indexing the reads using n-grams, which are short, fixed-length DNA sequences of length n. These n-grams are used to efficiently locate putative read joins, thereby eliminating the need to perform an exhaustive search over all possible read pairs. Our goal was develop a novel n-gram method for the assembly of genomes from next-generation sequencers. Specifically, a probabilistic, iterative approach was utilized to determine the most likely reads to join through development of a new metric that models the probability of any two arbitrary reads being joined together. Tests were run using simulated short read data based on randomly created genomes ranging in lengths from 10,000 to 100,000 nucleotides with 16 to 20x coverage. We were able to successfully re-assemble entire genomes up to 100,000 nucleotides in length.

Generation and analysis of a mouse intestinal metatranscriptome through Illumina based RNA-sequencing

With the advent of high through-put sequencing (HTS), the emerging science of metagenomics is transforming our understanding of the relationships of microbial communities with their environments. While metagenomics aims to catalogue the genes present in a sample through assessing which genes are actively expressed, metatranscriptomics can provide a mechanistic understanding of community inter-relationships. To achieve these goals, several challenges need to be addressed from sample preparation to sequence processing, statistical analysis and functional annotation. Here we use an inbred non-obese diabetic (NOD) mouse model in which germ-free animals were colonized with a defined mixture of eight commensal bacteria, to explore methods of RNA extraction and to develop a pipeline for the generation and analysis of metatranscriptomic data. Applying the Illumina HTS platform, we sequenced 12 NOD cecal samples prepared using multiple RNA-extraction protocols. The absence of a complete set of reference genomes necessitated a peptide-based search strategy. Up to 16% of sequence reads could be matched to a known bacterial gene. Phylogenetic analysis of the mapped ORFs revealed a distribution consistent with ribosomal RNA, the majority from Bacteroides or Clostridium species. To place these HTS data within a systems context, we mapped the relative abundance of corresponding Escherichia coli homologs onto metabolic and protein-protein interaction networks. These maps identified bacterial processes with components that were well-represented in the datasets. In summary this study highlights the potential of exploiting the economy of HTS platforms for metatranscriptomics.