DNA barcodes de peixes marinhos da Europa: compilação de uma biblioteca de referência validada e investigação de padrões de divergência genética

Dissertação de mestrado em Ecologia

Single molecule simulation of diffusion and enzyme kinetics

This work presents a molecular-scale agent-based model for the simulation of enzymatic reactions at experimentally measured concentrations. The model incorporates stochasticity and spatial dependence, using diffusing and reacting particles with physical dimensions. We developed strategies to adjust and validate the enzymatic rates and diffusion coefficients to the information required by the computational agents, i.e., collision efficiency, interaction logic between agents, the time scale associated with interactions (e.g., kinetics), and agent velocity. Also, we tested the impact of molecular location (a source of biological noise) in the speed at which the reactions take place. Simulations were conducted for experimental data on the 2-hydroxymuconate tautomerase (EC 5.3.2.6, UniProt ID Q01468) and the Steroid Delta-isomerase (EC 5.3.3.1, UniProt ID P07445). Obtained results demonstrate that our approach is in accordance to existing experimental data and long-term biophysical and biochemical assumptions.

Rolle des Neural Cell Adhesion Molecule (NCAM) in amygdalo-hippokampaler Interaktion und der Salienzkodierung des kontextuellen Furchtgedächtnisses

Magdeburg, Univ., Medizin. Fakultät, Diss., 2010

Kinetik des Auftretens fetaler DNA im mütterlichen Blut während und nach der Schwangerschaft

Magdeburg, Univ., Med. Fak., Diss., 2012

Logische Modellierung der DNA-Schadens-Antwort in humanen Epithelzellen

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2013

Untersuchungen molekularer Mechanismen und funktioneller Konsequenzen der DNA-Schädigung durch oxidativen Stress in Tumorzellen

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2014

Restriction site-associated DNA sequencing, genotyping error estimation and de novo assembly optimization for population genetic inference.

Restriction site-associated DNA sequencing (RADseq) provides researchers with the ability to record genetic polymorphism across thousands of loci for nonmodel organisms, potentially revolutionizing the field of molecular ecology. However, as with other genotyping methods, RADseq is prone to a number of sources of error that may have consequential effects for population genetic inferences, and these have received only limited attention in terms of the estimation and reporting of genotyping error rates. Here we use individual sample replicates, under the expectation of identical genotypes, to quantify genotyping error in the absence of a reference genome. We then use sample replicates to (i) optimize de novo assembly parameters within the program Stacks, by minimizing error and maximizing the retrieval of informative loci; and (ii) quantify error rates for loci, alleles and single-nucleotide polymorphisms. As an empirical example, we use a double-digest RAD data set of a nonmodel plant species, Berberis alpina, collected from high-altitude mountains in Mexico.

Array de DNA per identificar espècies de Fusarium: ampliació d'un array existent per incloure espècies del Sud d'Europa

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Department for Feed and Food Hygiene del National Veterinary Institute, Noruega, entre novembre i desembre del 2006. Els grans de cereal poden estar contaminats amb diferents espècies de Fusarium capaces de produir metabolits secundaris altament tòxics com trichotecenes, fumonisines o moniliformines. La correcta identificació d’aquestes espècies és de gran importància per l’assegurament del risc en l’àmbit de la salut humana i animal. La identificació de Fusarium en base a la seva morfologia requereix coneixements taxonòmics i temps; la majoria dels mètodes moleculars permeten la identificació d’una única espècie diana. Per contra, la tecnologia de microarray ofereix l’anàlisi paral•lel d’un alt nombre de DNA dianes. En aquest treball, s’ha desenvolupat un array per a la identificació de les principals espècies de Fusarium toxigèniques del Nord i Sud d’Europa. S’ha ampliat un array ja existent, per a la detecció de les espècies de Fusarium productores de trichothecene i moniliformina (predominants al Nord d’Europa), amb l’addició de 18 sondes de DNA que permeten identificar les espècies toxigèniques més abundants al Sud d’Europa, les qual produeixen majoritàriament fumonisines. Les sondes de captura han estat dissenyades en base al factor d’elongació translació- 1 alpha (TEF-1alpha). L’anàlisi de les mostres es realitza mitjançant una única PCR que permet amplificar part del TEF-1alpha seguida de la hibridació al xip de Fusarium. Els resultats es visualitzen mitjançant un mètode de detecció colorimètric. El xip de Fusarium desenvolupat pot esdevenir una eina útil i de gran interès per a l’anàlisi de cereals presents en la cadena alimentària.

A glycine-arginine domain in control of the human MRE11 DNA repair protein.

Human MRE11 is a key enzyme in DNA double-strand break repair and genome stability. Human MRE11 bears a glycine-arginine-rich (GAR) motif that is conserved among multicellular eukaryotic species. We investigated how this motif influences MRE11 function. Human MRE11 alone or a complex of MRE11, RAD50, and NBS1 (MRN) was methylated in insect cells, suggesting that this modification is conserved during evolution. We demonstrate that PRMT1 interacts with MRE11 but not with the MRN complex, suggesting that MRE11 arginine methylation occurs prior to the binding of NBS1 and RAD50. Moreover, the first six methylated arginines are essential for the regulation of MRE11 DNA binding and nuclease activity. The inhibition of arginine methylation leads to a reduction in MRE11 and RAD51 focus formation on a unique double-strand break in vivo. Furthermore, the MRE11-methylated GAR domain is sufficient for its targeting to DNA damage foci and colocalization with gamma-H2AX. These studies highlight an important role for the GAR domain in regulating MRE11 function at the biochemical and cellular levels during DNA double-strand break repair.

Results of a collaborative study of the EDNAP group regarding mitochondrial DNA heteroplasmy and segregation in hair shafts.

A collaborative exercise was carried out by the European DNA Profiling Group (EDNAP) in order to evaluate the distribution of mitochondrial DNA (mtDNA) heteroplasmy amongst the hairs of an individual who displays point heteroplasmy in blood and buccal cells. A second aim of the exercise was to study reproducibility of mtDNA sequencing of hairs between laboratories using differing chemistries, further to the first mtDNA reproducibility study carried out by the EDNAP group. Laboratories were asked to type 2 sections from each of 10 hairs, such that each hair was typed by at least two laboratories. Ten laboratories participated in the study, and a total of 55 hairs were typed. The results showed that the C/T point heteroplasmy observed in blood and buccal cells at position 16234 segregated differentially between hairs, such that some hairs showed only C, others only T and the remainder, C/T heteroplasmy at varying ratios. Additionally, differential segregation of heteroplasmic variants was confirmed in independent extracts at positions 16093 and the poly(C) tract at 302-309, whilst a complete A-G transition was confirmed at position 16129 in one hair. Heteroplasmy was observed at position 16195 on both strands of a single extract from one hair segment, but was not observed in the extracts from any other segment of the same hair. Similarly, heteroplasmy at position 16304 was observed on both strands of a single extract from one hair. Additional variants at positions 73, 249 and the HVII poly(C) region were reported by one laboratory; as these were not confirmed in independent extracts, the possibility of contamination cannot be excluded. Additionally, the electrophoresis and detection equipment used by this laboratory was different to those of the other laboratories, and the discrepancies at position 249 and the HVII poly(C) region appear to be due to reading errors that may be associated with this technology. The results, and their implications for forensic mtDNA typing, are discussed in the light of the biology of hair formation.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Use of DNA profiles for investigation using a simulated national DNA database: Part I. Partial SGM Plus profiles.

In traditional criminal investigation, uncertainties are often dealt with using a combination of common sense, practical considerations and experience, but rarely with tailored statistical models. For example, in some countries, in order to search for a given profile in the national DNA database, it must have allelic information for six or more of the ten SGM Plus loci for a simple trace. If the profile does not have this amount of information then it cannot be searched in the national DNA database (NDNAD). This requirement (of a result at six or more loci) is not based on a statistical approach, but rather on the feeling that six or more would be sufficient. A statistical approach, however, could be more rigorous and objective and would take into consideration factors such as the probability of adventitious matches relative to the actual database size and/or investigator's requirements in a sensible way. Therefore, this research was undertaken to establish scientific foundations pertaining to the use of partial SGM Plus loci profiles (or similar) for investigation.

A New Large-DNA-Fragment Delivery System Based on Integrase Activity from an Integrative and Conjugative Element.

During the past few decades, numerous plasmid vectors have been developed for cloning, gene expression analysis, and genetic engineering. Cloning procedures typically rely on PCR amplification, DNA fragment restriction digestion, recovery, and ligation, but increasingly, procedures are being developed to assemble large synthetic DNAs. In this study, we developed a new gene delivery system using the integrase activity of an integrative and conjugative element (ICE). The advantage of the integrase-based delivery is that it can stably introduce a large DNA fragment (at least 75 kb) into one or more specific sites (the gene for glycine-accepting tRNA) on a target chromosome. Integrase recombination activity in Escherichia coli is kept low by using a synthetic hybrid promoter, which, however, is unleashed in the final target host, forcing the integration of the construct. Upon integration, the system is again silenced. Two variants with different genetic features were produced, one in the form of a cloning vector in E. coli and the other as a mini-transposable element by which large DNA constructs assembled in E. coli can be tagged with the integrase gene. We confirmed that the system could successfully introduce cosmid and bacterial artificial chromosome (BAC) DNAs from E. coli into the chromosome of Pseudomonas putida in a site-specific manner. The integrase delivery system works in concert with existing vector systems and could thus be a powerful tool for synthetic constructions of new metabolic pathways in a variety of host bacteria.

Are there two species of Pygmy Shrews (Sorex)? Revisiting the question using DNA sequence data

Pygmy Shrews in North America have variously been considered to be one species (Sorex hoyi) or two species (S. hoyi and S. thompsoni). Currently, only S. hoyi is recognized. In this study, we examine mitochondrial DNA sequence data for the cytochrome b gene to evaluate the level of differentiation and phylogeographic relationships among eleven samples of Pygmy Shrews from across Canada. Pygmy Shrews from eastern Canada (i.e., Ontario, Quebec, New Brunswick, Nova Scotia, and Prince Edward Island) are distinct from Pygmy Shrews from western Canada (Alberta, Yukon) and Alaska. The average level of sequence divergence between these clades (3.3%) falls within the range of values for other recognized pairs of sister species of shrews. A molecular clock based on third position transversion substitutions suggests that these two lineages diverged between 0.44 and 1.67 million years ago. These molecular phylogenetic data. combined with a reinterpretation of previously published morphological data, are suggestive of separate species status for S. hoyi and S. thompsoni as has been previously argued by others. Further analysis of specimens from geographically intermediate areas (e.g., Manitoba. northern Ontario) is required to determine if there is secondary contact and/or introgression between these two putative species.