Using genomic DNA-based probe-selection to improve the sensitivity of high-density oligonucleotide arrays when applied to heterologous species

High-density oligonucleotide (oligo) arrays are a powerful tool for transcript profiling. Arrays based on GeneChip® technology are amongst the most widely used, although GeneChip® arrays are currently available for only a small number of plant and animal species. Thus, we have developed a method to improve the sensitivity of high-density oligonucleotide arrays when applied to heterologous species and tested the method by analysing the transcriptome of Brassica oleracea L., a species for which no GeneChip® array is available, using a GeneChip® array designed for Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Genomic DNA from B. oleracea was labelled and hybridised to the ATH1-121501 GeneChip® array. Arabidopsis thaliana probe-pairs that hybridised to the B. oleracea genomic DNA on the basis of the perfect-match (PM) probe signal were then selected for subsequent B. oleracea transcriptome analysis using a .cel file parser script to generate probe mask files. The transcriptional response of B. oleracea to a mineral nutrient (phosphorus; P) stress was quantified using probe mask files generated for a wide range of gDNA hybridisation intensity thresholds. An example probe mask file generated with a gDNA hybridisation intensity threshold of 400 removed > 68 % of the available PM probes from the analysis but retained >96 % of available A. thaliana probe-sets. Ninety-nine of these genes were then identified as significantly regulated under P stress in B. oleracea, including the homologues of P stress responsive genes in A. thaliana. Increasing the gDNA hybridisation intensity thresholds up to 500 for probe-selection increased the sensitivity of the GeneChip® array to detect regulation of gene expression in B. oleracea under P stress by up to 13-fold. Our open-source software to create probe mask files is freely available http://affymetrix.arabidopsis.info/xspecies/ webcite and may be used to facilitate transcriptomic analyses of a wide range of plant and animal species in the absence of custom arrays.

Array based detection of antibiotic resistance genes in Gram negative bacteria isolated from retail poultry meat in the UK and Ireland

The use of antibiotics in birds and animals intended for human consumption within the European Union (EU) and elsewhere has been subject to regulation prohibiting the use of antimicrobials as growth promoters and the use of last resort antibiotics in an attempt to reduce the spread of multi-resistant Gram negative bacteria. Given the inexorable spread of antibiotic resistance there is an increasing need for improved monitoring of our food. Using selective media, Gram negative bacteria were isolated from retail chicken of UK-Intensively reared (n = 27), Irish-Intensively reared (n = 19) and UK-Free range (n = 30) origin and subjected to an oligonucleotide based array system for the detection of 47 clinically relevant antibiotic resistance genes (ARGs) and two integrase genes. High incidences of β-lactamase genes were noted in all sample types, acc (67%), cmy (80%), fox (55%) and tem (40%) while chloramphenicol resistant determinants were detected in bacteria from the UK poultry portions and were absent in bacteria from the Irish samples. Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) was used to qualitatively analyse the Gram negative population in the samples and showed the expected diversity based on band stabbing and DNA sequencing. The array system proved to be a quick method for the detection of antibiotic resistance gene (ARG) burden within a mixed Gram negative bacterial population.

Nonrecurrent MECP2 duplications mediated by genomic architecture-driven DNA breaks and break-induced replication repair

Recurrent submicroscopic genomic copy number changes are the result of nonallelic homologous recombination (NAHR). Nonrecurrent aberrations, however, can result from different nonexclusive recombination-repair mechanisms. We previously described small microduplications at Xq28 containing MECP2 in four male patients with a severe neurological phenotype. Here, we report on the fine-mapping and breakpoint analysis of 16 unique microduplications. The size of the overlapping copy number changes varies between 0.3 and 2.3 Mb, and FISH analysis on three patients demonstrated a tandem orientation. Although eight of the 32 breakpoint regions coincide with low-copy repeats, none of the duplications are the result of NAHR. Bioinformatics analysis of the breakpoint regions demonstrated a 2.5-fold higher frequency of Alu interspersed repeats as compared with control regions, as well as a very high GC content (53%). Unexpectedly, we obtained the junction in only one patient by long-range PCR, which revealed nonhomologous end joining as the mechanism. Breakpoint analysis in two other patients by inverse PCR and subsequent array comparative genomic hybridization analysis demonstrated the presence of a second duplicated region more telomeric at Xq28, of which one copy was inserted in between the duplicated MECP2 regions. These data suggest a two-step mechanism in which part of Xq28 is first inserted near the MECP2 locus, followed by breakage-induced replication with strand invasion of the normal sister chromatid. Our results indicate that the mechanism by which copy number changes occur in regions with a complex genomic architecture can yield complex rearrangements.

Production of DNA microarray and expression analysis of genes from Xylella fastidiosa in different culture media

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Implementation of DNA markers to produce genomically - Enhanced EPDs in nellore cattle

Background: The sequencing and publication of the cattle genome and the identification of single nucleotide polymorphism (SNP) molecular markers have provided new tools for animal genetic evaluation and genomic-enhanced selection. These new tools aim to increase the accuracy and scope of selection while decreasing generation interval. The objective of this study was to evaluate the enhancement of accuracy caused by the use of genomic information (Clarifide® - Pfizer) on genetic evaluation of Brazilian Nellore cattle. Review: The application of genome-wide association studies (GWAS) is recognized as one of the most practical approaches to modern genetic improvement. Genomic selection is perhaps most suited to the improvement of traits with low heritability in zebu cattle. The primary interest in livestock genomics has been to estimate the effects of all the markers on the chip, conduct cross-validation to determine accuracy, and apply the resulting information in GWAS either alone [9] or in combination with bull test and pedigree-based genetic evaluation data. The cost of SNP50K genotyping however limits the commercial application of GWAS based on all the SNPs on the chip. However, reasonable predictability and accuracy can be achieved in GWAS by using an assay that contains an optimally selected predictive subset of markers, as opposed to all the SNPs on the chip. The best way to integrate genomic information into genetic improvement programs is to have it included in traditional genetic evaluations. This approach combines traditional expected progeny differences based on phenotype and pedigree with the genomic breeding values based on the markers. Including the different sources of information into a multiple trait genetic evaluation model, for within breed dairy cattle selection, is working with excellent results. However, given the wide genetic diversity of zebu breeds, the high-density panel used for genomic selection in dairy cattle (Ilumina Bovine SNP50 array) appears insufficient for across-breed genomic predictions and selection in beef cattle. Today there is only one breed-specific targeted SNP panel and genomic predictions developed using animals across the entire population of the Nellore breed (www.pfizersaudeanimal.com), which enables genomically - enhanced selection. Genomic profiles are a way to enhance our current selection tools to achieve more accurate predictions for younger animals. Material and Methods: We analyzed the age at first calving (AFC), accumulated productivity (ACP), stayability (STAY) and heifer pregnancy at 30 months (HP30) in Nellore cattle fitting two different animal models; 1) a traditional single trait model, and 2) a two-trait model where the genomic breeding value or molecular value prediction (MVP) was included as a correlated trait. All mixed model analyses were performed using the statistical software ASREML 3.0. Results: Genetic correlation estimates between AFC, ACP, STAY, HP30 and respective MVPs ranged from 0.29 to 0.46. Results also showed an increase of 56%, 36%, 62% and 19% in estimated accuracy of AFC, ACP, STAY and HP30 when MVP information was included in the animal model. Conclusion: Depending upon the trait, integration of MVP information into genetic evaluation resulted in increased accuracy of 19% to 62% as compared to accuracy from traditional genetic evaluation. GE-EPD will be an effective tool to enable faster genetic improvement through more dependable selection of young animals.

Genes candidatos a marcadores tumorais na progressão do adenocarcinoma de próstata indentificados por análise de HR-CGH e CGH-ARRAY

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The cosmetic dye quinoline yellow causes DNA damage in vitro

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Virus oncogeni a dna in tumori umani: studio delle infezioni da papillomavirus e poliomavirus in neoplasie di diversa origine.

I virus tumorali inducono oncogenesi nel loro ospite naturale o in sistemi animali sperimentali, manipolando diverse vie cellulari. Ad oggi, sono stati identificati sette virus capaci di causare specifici tumori umani. Inoltre HPV, JCV ed SV40, sono stati associati con un grande numero di tumori umani in sedi corporee non convenzionali, ma, nonostante molti anni di ricerca, nessuna eziologia virale è stata ancora confermata. Lo scopo di questo studio è stato di valutare la presenza ed il significato sia di JCV ed SV40 in tumori ossei umani, e di HPV nel carcinoma della mammella (BC), galattoforectomie (GF), secrezioni mammarie patologiche (ND) e glioblastoma multiforme (GBM). Tecniche di biologia molecolare sono state impiegate per esaminare campioni di tessuto tumorale di 70 tumori ossei (20 osteosarcomi [OS], 20 tumori a cellule giganti [TCG], 30 condrosarcomi [CS]), 168 BCs , 30 GFs, 59 GBM e 30 campioni di ND. Il genoma di SV40 e JCV è stato trovato nel 70% dei CS + 20% degli OS, e nel 13% dei CS +10% dei TCG, rispettivamente. Il DNA di HPV è stato rilevato nel 30% dei pazienti con BC, nel 27% dei campioni GF e nel 13% dei NDs. HPV16 è stato il genotipo maggiormente osservato in tutti questi campioni, seguito da HPV18 e HPV35. Inoltre, il DNA di HPV è stato trovato nel 22% dei pazienti con GBM, in questo tumore HPV6 era il tipo più frequentemente rilevato, seguito da HPV16. L’ ISH ha mostrato che il DNA di HPV è situato all’interno di cellule tumorali mammarie e di GBM. I nostri risultati suggeriscono un possibile ruolo di JCV, SV40 e HPV in questi tumori, se non come induttori come promotori del processo neoplastico, tuttavia diversi criteri devono ancora essere soddisfatti prima di chiarirne il ruolo.

DNA-Reparatur-assoziierte genetische und epigenetische Faktoren für die Zweittumorentstehung nach Tumoren im Kindes- und Jugendalter

Die Ursachen der Zweittumorentwicklung bei Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten, sind weitgehend unklar. Strahlenexposition oder Chemotherapie führen in normalen somatischen Zellen zu DNA-Schäden, welche bei fehlerhafter Reparatur eine Karzinogenese auslösen können. Es ist denkbar, dass genetische Unterschiede z. B. in den Signalwegen der Zellzykluskontrolle und der DNA-Reparatur nach therapieinduzierten DNA-Schäden eine entscheidende Rolle bei der Zweittumorentwicklung spielen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 20 Personen, die eine Krebserkrankung in der Kindheit überlebten und einen unabhängigen Zweittumor entwickelten, mit 20 gematchten Kontrollpersonen ohne Zweittumorentwicklung verglichen. Die primären Fibroblasten der Patienten wurden auf somatische, genetische und/oder epigenetische Unterschiede in DNA-Reparaturnetzwerken untersucht. Die biologisch relevantesten Ergebnisse lieferten Proteinuntersuchungen mittels Antikörper-Microarrays. Hierbei wurde eine konstitutiv erniedrigte Menge an RAD9A und einigen anderen DNA-Reparatur-Proteinen (BRCA1, DDIT3, MSH6, p53, RAD51) in den Zweittumorpatienten im Vergleich zu den Eintumorpatienten festgestellt. Nach einer DNA-Schädigung durch 1 Gray Bestrahlung erhöhte sich die RAD9A-Proteinmenge, wobei die Zweittumorpatienten eine geringere Induktion als die Eintumorpatienten zeigten. Bei der Quantifizierung der mRNA-Expression mittels RTq-PCR wurde ein niedrigerer RAD9A-mRNA-Level sowohl in den unbehandelten und als auch in den 1 Gray bestrahlten Zellen der Zweittumorpatienten festgestellt. SNP-Array und Methylierungsanalysen konnten keine Auffälligkeiten im RAD9A-Lokus nachweisen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Modulationen von RAD9A und anderen Zellzyklusarrest- und DNA-Reparaturproteinen zum Risiko einer Zweittumorentwicklung in Kinderkrebspatienten beitragen. Bei einem diskordanten monozygoten Zwillingspaar wurde in ca. 20% der Zellen des Zweittumorzwillings eine Hypermethylierung des Tumorsuppressorgens BRCA1 festgestellt, die mit einer konstitutiv erniedrigten BRCA1-Proteinexpression einhergeht und einen möglichen Krebsrisikofaktor darstellt. Die partielle Deletion des Gens RSPO3, die wahrscheinlich als somatisches Zellmosaik beim Zweittumorzwilling vorliegt, korreliert mit einer niedrigeren RSPO3-mRNA-Expression und ist vermutlich auch mit einer erhöhten Krebsprädisposition assoziiert.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Veränderungen der DNA-Methylierung in Patienten mit AHCY-Defizienz

Die S-adenosyl-L-Homocysteinhydrolase (AHCY)-Defizienz ist eine seltene autosomal rezessive Erbkrankheit, bei der Mutationen im AHCY-Gen die Funktionsfähigkeit des kodierten Enzyms beeinträchtigen. Diese Krankheit führt zu Symptomen wie Entwicklungsverzögerungen, mentaler Retardierung und Myopathie. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der AHCY-Defizienz auf die Methylierung der DNA in Blutproben und Fibroblasten von Patienten mit AHCY-Defizienz, sowie in HEK293- und HepG2-Zelllinien mit AHCY-Knockdown untersucht. Der gesamtgenomische Methylierungsstatus wurde mit Hilfe des MethylFlash ™ Methylated DNA Quantification Kit (Epigentek) bei drei Patienten-Blutproben festgestellt. In den Blutproben von sieben Patienten und Fibroblasten von einem Patienten wurde die Methylierung von DMRs sieben geprägter Gene (GTL2, H19, LIT1, MEST, NESPAS, PEG3, SNRPN) und zwei repetitiver Elemente (Alu, LINE1) mittels Bisulfit-Pyrosequenzierung quantifiziert und durch High Resolution Melting-Analyse bestätigt. Zusätzlich wurde eine genomweite Methylierungsanalyse mit dem Infinium® HumanMethylation450 BeadChip (Illumina) für vier Patientenproben durchgeführt und die Expression von AHCY in Fibroblasten mittels Expressions-qPCR und QUASEP-Analyse untersucht. Die Methylierungsanalysen ergaben eine Hypermethylierung der gesamtgenomischen DNA und stochastische Hypermethylierungen von DMRs geprägter Gene bei einigen Patienten. Die HEK293- und HepG2-Zelllinien wiesen dagegen hauptsächlich stochastische Hypomethylierungen an einigen DMRs geprägter Gene und LINE1-Elementen auf. Die genomweite Methylierungsarray-Analyse konnte die Ergebnisse der Bisulfit-Pyrosequenzierung nicht bestätigen. Die Expressionsanalysen der AHCY-defizienten Fibroblasten zeigten eine verminderte Expression von AHCY, wobei beide Allele etwa gleich stark transkribiert wurden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die AHCY-Defizienz eine gute Modellerkrankung für die Untersuchung biologischer Konsequenzen von Methylierungsstörungen im Rahmen der Epigenetik-Forschung sein könnte. Sie ist unseres Wissens die erste monogene Erkrankung mit symptomaler DNA-Hypermethylierung beim Menschen.

Distinct DNA methylation patterns in cirrhotic liver and hepatocellular carcinoma

Abberrant DNA methylation is one of the hallmarks of cancerogenesis. Our study aims to delineate differential DNA methylation in cirrhosis and hepatic cancerogenesis. Patterns of methylation of 27,578 individual CpG loci in 12 hepatocellular carcinomas (HCCs), 15 cirrhotic controls and 12 normal liver samples were investigated using an array-based technology. A supervised principal component analysis (PCA) revealed 167 hypomethylated loci and 100 hypermethylated loci in cirrhosis and HCC as compared to normal controls. Thus, these loci show a "cirrhotic" methylation pattern that is maintained in HCC. In pairwise supervised PCAs between normal liver, cirrhosis and HCC, eight loci were significantly changed in all analyses differentiating the three groups (p < 0.0001). Of these, five loci showed highest methylation levels in HCC and lowest in control tissue (LOC55908, CELSR1, CRMP1, GNRH2, ALOX12 and ANGPTL7), whereas two loci showed the opposite direction of change (SPRR3 and TNFSF15). Genes hypermethylated between normal liver to cirrhosis, which maintain this methylation pattern during the development of HCC, are depleted for CpG islands, high CpG content promoters and polycomb repressive complex 2 (PRC2) targets in embryonic stem cells. In contrast, genes selectively hypermethylated in HCC as compared to nonmalignant samples showed an enrichment of CpG islands, high CpG content promoters and PRC2 target genes (p < 0.0001). Cirrhosis and HCC show distinct patterns of differential methylation with regards to promoter structure, PRC2 targets and CpG islands.

A Faster Circular Binary Segmentation Algorithm for the Analysis of Array CGH Data

Motivation: Array CGH technologies enable the simultaneous measurement of DNA copy number for thousands of sites on a genome. We developed the circular binary segmentation (CBS) algorithm to divide the genome into regions of equal copy number (Olshen {\it et~al}, 2004). The algorithm tests for change-points using a maximal $t$-statistic with a permutation reference distribution to obtain the corresponding $p$-value. The number of computations required for the maximal test statistic is $O(N^2),$ where $N$ is the number of markers. This makes the full permutation approach computationally prohibitive for the newer arrays that contain tens of thousands markers and highlights the need for a faster. algorithm. Results: We present a hybrid approach to obtain the $p$-value of the test statistic in linear time. We also introduce a rule for stopping early when there is strong evidence for the presence of a change. We show through simulations that the hybrid approach provides a substantial gain in speed with only a negligible loss in accuracy and that the stopping rule further increases speed. We also present the analysis of array CGH data from a breast cancer cell line to show the impact of the new approaches on the analysis of real data. Availability: An R (R Development Core Team, 2006) version of the CBS algorithm has been implemented in the ``DNAcopy'' package of the Bioconductor project (Gentleman {\it et~al}, 2004). The proposed hybrid method for the $p$-value is available in version 1.2.1 or higher and the stopping rule for declaring a change early is available in version 1.5.1 or higher.

Bayesian Hidden Markov Modeling of Array CGH Data

Genomic alterations have been linked to the development and progression of cancer. The technique of Comparative Genomic Hybridization (CGH) yields data consisting of fluorescence intensity ratios of test and reference DNA samples. The intensity ratios provide information about the number of copies in DNA. Practical issues such as the contamination of tumor cells in tissue specimens and normalization errors necessitate the use of statistics for learning about the genomic alterations from array-CGH data. As increasing amounts of array CGH data become available, there is a growing need for automated algorithms for characterizing genomic profiles. Specifically, there is a need for algorithms that can identify gains and losses in the number of copies based on statistical considerations, rather than merely detect trends in the data. We adopt a Bayesian approach, relying on the hidden Markov model to account for the inherent dependence in the intensity ratios. Posterior inferences are made about gains and losses in copy number. Localized amplifications (associated with oncogene mutations) and deletions (associated with mutations of tumor suppressors) are identified using posterior probabilities. Global trends such as extended regions of altered copy number are detected. Since the posterior distribution is analytically intractable, we implement a Metropolis-within-Gibbs algorithm for efficient simulation-based inference. Publicly available data on pancreatic adenocarcinoma, glioblastoma multiforme and breast cancer are analyzed, and comparisons are made with some widely-used algorithms to illustrate the reliability and success of the technique.