Genes involved in thoracic exoskeleton formation during the pupal-to-adult molt in a social insect model, Apis mellifera

Background: The insect exoskeleton provides shape, waterproofing, and locomotion via attached somatic muscles. The exoskeleton is renewed during molting, a process regulated by ecdysteroid hormones. The holometabolous pupa transforms into an adult during the imaginal molt, when the epidermis synthe3sizes the definitive exoskeleton that then differentiates progressively. An important issue in insect development concerns how the exoskeletal regions are constructed to provide their morphological, physiological and mechanical functions. We used whole-genome oligonucleotide microarrays to screen for genes involved in exoskeletal formation in the honeybee thoracic dorsum. Our analysis included three sampling times during the pupal-to-adult molt, i.e., before, during and after the ecdysteroid-induced apolysis that triggers synthesis of the adult exoskeleton. Results: Gene ontology annotation based on orthologous relationships with Drosophila melanogaster genes placed the honeybee differentially expressed genes (DEGs) into distinct categories of Biological Process and Molecular Function, depending on developmental time, revealing the functional elements required for adult exoskeleton formation. Of the 1,253 unique DEGs, 547 were upregulated in the thoracic dorsum after apolysis, suggesting induction by the ecdysteroid pulse. The upregulated gene set included 20 of the 47 cuticular protein (CP) genes that were previously identified in the honeybee genome, and three novel putative CP genes that do not belong to a known CP family. In situ hybridization showed that two of the novel genes were abundantly expressed in the epidermis during adult exoskeleton formation, strongly implicating them as genuine CP genes. Conserved sequence motifs identified the CP genes as members of the CPR, Tweedle, Apidermin, CPF, CPLCP1 and Analogous-to-Peritrophins families. Furthermore, 28 of the 36 muscle-related DEGs were upregulated during the de novo formation of striated fibers attached to the exoskeleton. A search for cis-regulatory motifs in the 5′-untranslated region of the DEGs revealed potential binding sites for known transcription factors. Construction of a regulatory network showed that various upregulated CP- and muscle-related genes (15 and 21 genes, respectively) share common elements, suggesting co-regulation during thoracic exoskeleton formation. Conclusions: These findings help reveal molecular aspects of rigid thoracic exoskeleton formation during the ecdysteroid-coordinated pupal-to-adult molt in the honeybee.

Modularity and evolutionary constraints in a baculovirus gene regulatory network

Abstract Background The structure of regulatory networks remains an open question in our understanding of complex biological systems. Interactions during complete viral life cycles present unique opportunities to understand how host-parasite network take shape and behave. The Anticarsia gemmatalis multiple nucleopolyhedrovirus (AgMNPV) is a large double-stranded DNA virus, whose genome may encode for 152 open reading frames (ORFs). Here we present the analysis of the ordered cascade of the AgMNPV gene expression. Results We observed an earlier onset of the expression than previously reported for other baculoviruses, especially for genes involved in DNA replication. Most ORFs were expressed at higher levels in a more permissive host cell line. Genes with more than one copy in the genome had distinct expression profiles, which could indicate the acquisition of new functionalities. The transcription gene regulatory network (GRN) for 149 ORFs had a modular topology comprising five communities of highly interconnected nodes that separated key genes that are functionally related on different communities, possibly maximizing redundancy and GRN robustness by compartmentalization of important functions. Core conserved functions showed expression synchronicity, distinct GRN features and significantly less genetic diversity, consistent with evolutionary constraints imposed in key elements of biological systems. This reduced genetic diversity also had a positive correlation with the importance of the gene in our estimated GRN, supporting a relationship between phylogenetic data of baculovirus genes and network features inferred from expression data. We also observed that gene arrangement in overlapping transcripts was conserved among related baculoviruses, suggesting a principle of genome organization. Conclusions Albeit with a reduced number of nodes (149), the AgMNPV GRN had a topology and key characteristics similar to those observed in complex cellular organisms, which indicates that modularity may be a general feature of biological gene regulatory networks.

Analysis of 16S rRNA and mxaF genes reveling insights into Methylobacterium niche-specific plant association

The genus Methylobacterium comprises pink-pigmented facultative methylotrophic (PPFM) bacteria, known to be an important plant-associated bacterial group. Species of this group, described as plant-nodulating, have the dual capacity of producing cytokinin and enzymes, such as pectinase and cellulase, involved in systemic resistance induction and nitrogen fixation under specific plant environmental conditions. The aim hereby was to evaluate the phylogenetic distribution of Methylobacterium spp. isolates from different host plants. Thus, a comparative analysis between sequences from structural (16S rRNA) and functional mxaF (which codifies for a subunit of the enzyme methanol dehydrogenase) ubiquitous genes, was undertaken. Notably, some Methylobacterium spp. isolates are generalists through colonizing more than one host plant, whereas others are exclusively found in certain specific plant-species. Congruency between phylogeny and specific host inhabitance was higher in the mxaF gene than in the 16S rRNA, a possible indication of function-based selection in this niche. Therefore, in a first stage, plant colonization by Methylobacterium spp. could represent generalist behavior, possibly related to microbial competition and adaptation to a plant environment. Otherwise, niche-specific colonization is apparently impelled by the host plant.

Expression analysis and in silico characterization of intronic long noncoding RNAs in renal cell carcinoma: emerging functional associations

Abstract Background Intronic and intergenic long noncoding RNAs (lncRNAs) are emerging gene expression regulators. The molecular pathogenesis of renal cell carcinoma (RCC) is still poorly understood, and in particular, limited studies are available for intronic lncRNAs expressed in RCC Methods Microarray experiments were performed with custom-designed arrays enriched with probes for lncRNAs mapping to intronic genomic regions. Samples from 18 primary RCC tumors and 11 nontumor adjacent matched tissues were analyzed. Meta-analyses were performed with microarray expression data from three additional human tissues (normal liver, prostate tumor and kidney nontumor samples), and with large-scale public data for epigenetic regulatory marks and for evolutionarily conserved sequences. Results A signature of 29 intronic lncRNAs differentially expressed between RCC and nontumor samples was obtained (false discovery rate (FDR) <5%). A signature of 26 intronic lncRNAs significantly correlated with the RCC five-year patient survival outcome was identified (FDR <5%, p-value ≤0.01). We identified 4303 intronic antisense lncRNAs expressed in RCC, of which 22% were significantly (p <0.05) cis correlated with the expression of the mRNA in the same locus across RCC and three other human tissues. Gene Ontology (GO) analysis of those loci pointed to 'regulation of biological processes’ as the main enriched category. A module map analysis of the protein-coding genes significantly (p <0.05) trans correlated with the 20% most abundant lncRNAs, identified 51 enriched GO terms (p <0.05). We determined that 60% of the expressed lncRNAs are evolutionarily conserved. At the genomic loci containing the intronic RCC-expressed lncRNAs, a strong association (p <0.001) was found between their transcription start sites and genomic marks such as CpG islands, RNA Pol II binding and histones methylation and acetylation. Conclusion Intronic antisense lncRNAs are widely expressed in RCC tumors. Some of them are significantly altered in RCC in comparison with nontumor samples. The majority of these lncRNAs is evolutionarily conserved and possibly modulated by epigenetic modifications. Our data suggest that these RCC lncRNAs may contribute to the complex network of regulatory RNAs playing a role in renal cell malignant transformation.

On the three-finger protein domain fold and CD59-like proteins in Schistosoma mansoni

Background: It is believed that schistosomes evade complement-mediated killing by expressing regulatory proteins on their surface. Recently, six homologues of human CD59, an important inhibitor of the complement system membrane attack complex, were identified in the schistosome genome. Therefore, it is important to investigate whether these molecules could act as CD59-like complement inhibitors in schistosomes as part of an immune evasion strategy. Methodology/Principal Findings: Herein, we describe the molecular characterization of seven putative SmCD59-like genes and attempt to address the putative biological function of two isoforms. Superimposition analysis of the 3D structure of hCD59 and schistosome sequences revealed that they contain the three-fingered protein domain (TFPD). However, the conserved amino acid residues involved in complement recognition in mammals could not be identified. Real-time RT-PCR and Western blot analysis determined that most of these genes are up-regulated in the transition from free-living cercaria to adult worm stage. Immunolocalization experiments and tegument preparations confirm that at least some of the SmCD59-like proteins are surface-localized; however, significant expression was also detected in internal tissues of adult worms. Finally, the involvement of two SmCD59 proteins in complement inhibition was evaluated by three different approaches: (i) a hemolytic assay using recombinant soluble forms expressed in Pichia pastoris and E. coli; (ii) complement-resistance of CHO cells expressing the respective membrane-anchored proteins; and (iii) the complement killing of schistosomula after gene suppression by RNAi. Our data indicated that these proteins are not involved in the regulation of complement activation. Conclusions: Our results suggest that this group of proteins belongs to the TFPD superfamily. Their expression is associated to intra-host stages, present in the tegument surface, and also in intra-parasite tissues. Three distinct approaches using SmCD59 proteins to inhibit complement strongly suggested that these proteins are not complement inhibitors and their function in schistosomes remains to be determined.

Acclimatization to 4100 m does not change capillary density or mRNA expression of potential angiogenesis regulatory factors in human skeletal muscle

[EN] Increased skeletal muscle capillary density would be a logical adaptive mechanism to chronic hypoxic exposure. However, animal studies have yielded conflicting results, and human studies are sparse. Neoformation of capillaries is dependent on endothelial growth factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF), a known target gene for hypoxia inducible factor 1 (HIF-1). We hypothesised that prolonged exposure to high altitude increases muscle capillary density and that this can be explained by an enhanced HIF-1alpha expression inducing an increase in VEGF expression. We measured mRNA levels and capillary density in muscle biopsies from vastus lateralis obtained in sea level residents (SLR; N=8) before and after 2 and 8 weeks of exposure to 4100 m altitude and in Bolivian Aymara high-altitude natives exposed to approximately 4100 m altitude (HAN; N=7). The expression of HIF-1alpha or VEGF mRNA was not changed with prolonged hypoxic exposure in SLR, and both genes were similarly expressed in SLR and HAN. In SLR, whole body mass, mean muscle fibre area and capillary to muscle fibre ratio remained unchanged during acclimatization. The capillary to fibre ratio was lower in HAN than in SLR (2.4+/-0.1 vs 3.6+/-0.2; P<0.05). In conclusion, human muscle VEGF mRNA expression and capillary density are not significantly increased by 8 weeks of exposure to high altitude and are not increased in Aymara high-altitude natives compared with sea level residents.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

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

A molecular phylogeny of bivalve mollusks: ancient radiations and divergences as revealed by mitochondrial genes

The main scope of my PhD is the reconstruction of the large-scale bivalve phylogeny on the basis of four mitochondrial genes, with samples taken from all major groups of the class. To my knowledge, it is the first attempt of such a breadth in Bivalvia. I decided to focus on both ribosomal and protein coding DNA sequences (two ribosomal encoding genes -12s and 16s -, and two protein coding ones - cytochrome c oxidase I and cytochrome b), since either bibliography and my preliminary results confirmed the importance of combined gene signals in improving evolutionary pathways of the group. Moreover, I wanted to propose a methodological pipeline that proved to be useful to obtain robust results in bivalves phylogeny. Actually, best-performing taxon sampling and alignment strategies were tested, and several data partitioning and molecular evolution models were analyzed, thus demonstrating the importance of molding and implementing non-trivial evolutionary models. In the line of a more rigorous approach to data analysis, I also proposed a new method to assess taxon sampling, by developing Clarke and Warwick statistics: taxon sampling is a major concern in phylogenetic studies, and incomplete, biased, or improper taxon assemblies can lead to misleading results in reconstructing evolutionary trees. Theoretical methods are already available to optimize taxon choice in phylogenetic analyses, but most involve some knowledge about genetic relationships of the group of interest, or even a well-established phylogeny itself; these data are not always available in general phylogenetic applications. The method I proposed measures the "phylogenetic representativeness" of a given sample or set of samples and it is based entirely on the pre-existing available taxonomy of the ingroup, which is commonly known to investigators. Moreover, it also accounts for instability and discordance in taxonomies. A Python-based script suite, called PhyRe, has been developed to implement all analyses.

Functional and molecular characterization of ethylene responsive factor genes involved in grape ripening

Grape berry is considered a non climacteric fruit, but there are some evidences that ethylene plays a role in the control of berry ripening. This PhD thesis aimed to give insights in the role of ethylene and ethylene-related genes in the regulation of grape berry ripening. During this study a small increase in ethylene concentration one week before véraison has been measured in Vitis vinifera L. ‘Pinot Noir’ grapes confirming previous findings in ‘Cabernet Sauvignon’. In addition, ethylene-related genes have been identified in the grapevine genome sequence. Similarly to other species, biosynthesis and ethylene receptor genes are present in grapevine as multi-gene families and their expression appeared tissue or developmental specific. All the other elements of the ethylene signal transduction cascade were also identified in the grape genome. Among them, there were ethylene response factors (ERF) which modulate the transcription of many effector genes in response to ethylene. In this study seven grapevine ERFs have been characterized and they showed tissue and berry development specific expression profiles. Two sequences, VvERF045 and VvERF063, seemed likely involved in berry ripening control due to their expression profiles and their sequence annotation. VvERF045 was induced before véraison and was specific of the ripe berry, by sequence similarity it was likely a transcription activator. VvERF063 displayed high sequence similarity to repressors of transcription and its expression, very high in green berries, was lowest at véraison and during ripening. To functionally characterize VvERF045 and VvERF063, a stable transformation strategy was chosen. Both sequences were cloned in vectors for over-expression and silencing and transferred in grape by Agrobacterium-mediated or biolistic-mediated gene transfer. In vitro, transgenic VvERF045 over-expressing plants displayed an epinastic phenotype whose extent was correlated to the transgene expression level. Four pathogen stress response genes were significantly induced in the transgenic plants, suggesting a putative function of VvERF045 in biotic stress defense during berry ripening. Further molecular analysis on the transgenic plants will help in identifying the actual VvERF045 target genes and together with the phenotypic characterization of the adult transgenic plants, will allow to extensively define the role of VvERF045 in berry ripening.

Bioinformatische, genomweite Analyse genexpressionsregulierender Faktoren in Lebergewebe

Für eine Reihe einzelner genetischer Faktoren und Promotorelemente wurde in der Vergangenheit eine Regulation der Genexpression in der Leber (und auch in anderen Geweben) gezeigt. Mit der Verfügbarkeit des gesamten humanen Genoms sowie dessen Expressionsdaten in großen Microarray- und SAGE-Datenbanken bietet sich die Möglichkeit, solche Regulationsmechanismen in großem, genomweitem Maßstab zu untersuchen. Dabei geht diese Arbeit der Frage nach, ob es übergeordnete, eine Expression speziell in der Leber fördernde oder hemmende Faktoren gibt oder ob jedes Gen von einer unabhängigen Kombination von Faktoren reguliert wird, in dessen Summe die Expression des individuellen Gens in der Leber am stärksten ist. Sollten sich übergeordnete, eine Expression in der Leber stimulierende Faktoren finden, wären diese interessant für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte bei Lebererkrankungen. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden aus einem Affymetrix Microarray Datenset für 12 Gewebe die Expressiondaten von insgesamt jeweils 15.472 Genen extrahiert. In einem zweiten Schritt wurden zusätzlich die Promotorsequenzen der einzelnen zugehörigen Gene, definiert als eine 1000 bp Region upstream des Transkriptionsstarts, in dieselbe Datenbank abgelegt. Die Promotorsequenzen wurden über den PromotorScan-Algorithmus analysiert. Auf diese Weise wurden Transkriptionsfaktorbindungsstellen auf 7042 der Promotoren identifiziert. Es fand sich eine Gesamtzahl von 241.984 Transkriptionsfaktorbindungsstellen. Anhand der Microarray-Expressionsdaten wurde die Gesamtgruppe der verfügbaren Gene und Promotoren in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in die Gruppe der Gene, deren Expression in der Leber deutlich am höchsten gefunden wurde und in die Gruppe der Gene, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Jeder potentiell bindende Transkriptionsfaktor wurde auf unterschiedliches Vorkommen in diesen beiden Gruppen hin untersucht. Dies geschah unter der Vorstellung, dass übergeordnete Faktoren, die eine Expression in der Leber stimulieren in der Gruppe der Gene, die in der Leber am höchsten exprimiert sind, verhältnismäßig wesentlich häufiger zu finden sein könnten. Eine solches häufigeres Vorkommen ließ sich jedoch für keinen einzigen Faktor nachweisen. Transkriptionsfaktorbindungsstellen sind typischerweise zwischen 5 und 15 bp lang. Um auszuschließen, dass mit dem verwendeten PromotorScan-Algorithmus Transkriptionsfaktorbindungsstellen, die bisher nicht bekannt sind, nicht übersehen wurden, wurden die Häufigkeit sämtlicher möglicher 8 bp (48) und 10 bp (410) Nukleotid-Kombinationen in diesen Promotoren untersucht. Biologisch relevante Unterschiede fanden sich zwischen den beiden Gruppen nicht. In gleicher Weise wurde auch die Bedeutung von TATA-Boxen untersucht. TATA-Boxen kommt bei der Transkriptionsinitiierung eine wichtige Rolle zu, indem über sie die Bindung des initialen Transkriptionskomplexes vermittelt wird. Insgesamt 1033 TATA-Boxen wurden ebenfalls mittels PromotorScan vorausgesagt. Dabei waren 57 auf Promotoren von Genen, die in der Leber überexprimiert waren und 976 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben überexprimiert waren. Der Vergleich dieser beiden Gruppen ließ keine signifikant unterschiedliche Häufigkeit an TATA-Boxen erkennen. Im weiteren wurde die Bedeutung von CpG-Islands für eine potentiell differentielle Regulation untersucht. Insgesamt wurden 8742 CpG-Islands in einem Bereich von bis zu 5 kb upstream des Transkriptionsstarts identifiziert, 364 davon auf Promotoren von Genen, die am höchsten in der Leber exprimiert waren, 8378 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Signifikante Unterschiede in der Verteilung von CpG-Islands auf Promotoren dieser beiden Gengruppen ließen sich nicht nachweisen. Schließlich wurden die RNA- und Proteinsequenzen des Transkriptoms und Proteoms hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus einzelnen Nukleotiden bzw. Aminosäuren analysiert. Auch hierbei fanden sich keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung zwischen beiden Gengruppen. Die Zusammenschau der Ergebnisse zeigt, dass die Regulation der einzelnen Gene im Lebergewebe im wesentlichen individuell erfolgt. Im Rahmen der vorgelegten bioinformatischen Analysen fanden sich keine übergeordneten genetischen „Leberfaktoren“, die speziell eine Expression von Genen in der Leber stimulieren. Neue therapeutische Ansätze, die auf eine Regulation der Genexpression in der Leber zielen, werden somit auch weiterhin auf die Beeinflussung individueller Gene fokussiert bleiben.

Expressions- und Funktionsanalysen von Neuroglobin und Cytoglobin

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten durchgeführt. Beide Globine wurden erst kürzlich entdeckt, und ihre Funktionen konnten trotz vorliegender Daten zur Struktur und biochemischen Eigenschaften dieser Proteine bisher nicht eindeutig geklärt werden. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurde die zelluläre und subzelluläre Lokalisation von Neuroglobin und Cytoglobin in murinen Gewebeschnitten untersucht. Die Expression von Ngb in neuronalen und endokrinen Geweben hängt offensichtlich mit den hohen metabolischen Aktivitäten dieser Organe zusammen. Insbesondere im Gehirn konnten regionale Unterschiede in der Ngb-Expression beobachtet werden. Dabei korrelierte eine besonders starke Neuroglobin-Expression mit Gehirnbereichen, die bekanntermaßen die höchsten Grundaktivitäten aufweisen. In Anbetracht dessen liegt die Funktion des Neuroglobins möglicherweise im basalen O2-Metabolismus dieser Gewebe, wobei Ngb als O2-Lieferant und kurzfristiger O2-Speicher den vergleichsweise hohen Sauerstoffbedarf vor Ort sicherstellen könnte. Weitere Funktionen in der Entgiftung von ROS bzw. RNS oder die kürzlich publizierte mögliche Rolle des Ngb bei der Verhinderung der Mitochondrien-vermittelten Apoptose durch eine Reduktion des freigesetzten Cytochrom c wären darüber hinaus denkbar. Die Cygb-Expression im Gehirn beschränkte sich auf relativ wenige Neurone in verschiedenen Gehirnbereichen und zeigte dort vorwiegend eine Co-Lokalisation mit der neuronalen NO-Synthase. Dieser Befund legt eine Funktion des Cytoglobins im NO-Metabolismus nahe. Quantitative RT-PCR-Experimente zur mRNA-Expression von Ngb und Cygb in alternden Säugern am Bsp. der Hamsterspezies Phodopus sungorus zeigten keine signifikanten Änderungen der mRNA-Mengen beider Globine in alten im Vergleich zu jungen Tieren. Dies widerspricht publizierten Daten, in denen bei der Maus anhand von Western Blot-Analysen eine Abnahme der Neuroglobin-Menge im Alter gezeigt wurde. Möglicherweise handelt es sich hierbei um speziesspezifische Differenzen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Sequenzanalyse der humanen und murinen NGB/Ngb-Genregion liefert zum einen Hinweise auf die mögliche Regulation der Ngb-Expression und zum anderen eine wichtige Grundlage für die funktionellen Analysen dieses Gens. Es konnte ein minimaler Promotorbereich definiert werden, der zusammen mit einigen konservierten regulatorischen Elementen als Basis für experimentelle Untersuchungen der Promotoraktivität in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen dienen wird. Bioinformatische Analysen führten zur Identifizierung des sog. „neuron restrictive silencer element“ (NRSE) im Ngb-Promotor, welches vermutlich für die vorwiegend neuronale Expression des Proteins verantwortlich ist. Die kontrovers diskutierte O2-abhängige Regulation der Ngb-Expression konnte hingegen anhand der durchgeführten komparativen Sequenzanalysen nicht bestätigt werden. Es wurden keine zwischen Mensch und Maus konservierten Bindestellen für den Transkriptionsfaktor HIF-1 identifiziert, der die Expression zahlreicher hypoxieregulierter Gene, z.B. Epo und VEGF, vermittelt. Zusammen mit den in vivo-Daten spricht dies eher gegen eine Regulation der Ngb-Expression bei verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff. Die Komplexität der Funktionen von Ngb und Cygb im O2-Stoffwechsel der Vertebraten macht den Einsatz muriner Modellsysteme unerlässlich, die eine sukzessive Aufklärung der Funktionen beider Proteine erlauben. Die vorliegende Arbeit liefert auch dazu einen wichtigen Beitrag. Die hergestellten „gene-targeting“-Vektorkonstrukte liefern in Verbindung mit den etablierten Nachweisverfahren zur Genotypisierung von embryonalen Stammzellen die Grundlage zur erfolgreichen Generierung von Ngb-knock out sowie Ngb- und Cygb-überexprimierenden transgenen Tieren. Diese werden für die endgültige Entschlüsselung funktionell relevanter Fragestellungen von enormer Bedeutung sein.

Cis- und trans-Regulation bei Drosophila-T-Box-Genen

Die räumliche und zeitliche Organisation von Genexpression ist für die Entwicklung und das Funktionieren eines jeden Lebewesens von immenser Bedeutung. Dazu laufen eine Vielzahl von Regulationsprozessen auf unterschiedlichen Ebenen ab. In dieser Arbeit wurden im ersten Teil Untersuchungen zur Genregulation des Drosophila optomotor-blind Genes und zur Funktion des Omb Proteins durchgeführt. Eine Mutante, der ein großer Teil der upstream regulatory region (URR) fehlt wurde erzeugt, aus einer Vielzahl von Linien isoliert und molekular charakterisiert. Die biologischen Auswirkungen dieser Deletion werden in Shen et al. (2008) beschrieben. Plasmide zur Erzeugung transgener Fliegen, mit deren Hilfe eine bereits von Sivasankaran et al. (2000) durchgeführte Enhancer-reporter-Analyse vervollständigt werden sollte, wurden hergestellt. Die bereits bekannte Inversion In(1)ombH31 wurde molekular kartiert. Eine Reihe von Konstrukten mit Punktmutationen in der Omb T-Domäne wurden generiert, die unter anderem über deren Funktion hinsichtlich DNA-Protein Interaktion und einer potentiellen Metallionenbindefähigkeit (ATCUN) hin Aufschluss geben sollen. Des Weiteren wurde eine Reihe von P-Element-Deletionslinien auf den Verlust eines alternativen omb Transkriptionsstartpunktes hin untersucht, mit dem Ziel eine vollständige Protein-Nullmutante zur Verfügung zu haben. Der zweite Abschnitt dieser Arbeit befasste sich mit der Erzeugung von Dpp-GFP-Fusionskonstrukten, mit deren Hilfe weitere Erkenntnisse über den Dpp-Langstreckentransport erhofft werden. Es wurde außerdem damit begonnen bei einem weitern Drosophila T-Box Transkriptionsfaktor, Optomotor-blind related gene-1 (Org-1), eine Reihe von Varianten mit homopolymeren polyAlanin und polyGlutamin Expansionen unterschiedlicher Länge herzustellen. Durch Experimente mit diesen Konstrukten soll Aufschluss darüber gewonnen werden, ob Glutamin-Expansionen, wie in der Literatur vorgeschlagen, aktivierend und Alanin-Expansionen in Transkriptionsfaktoren vielleicht reprimierend auf Genaktivität wirken. Letztlich wurden in dieser Arbeit im Rahmen des DROSDEL Projektes (Ryder et al., 2004, 2007) Deletionen in der distalen Hälfte des Chromosomenarms 3R hergestellt. Der DROSDEL Deletionskit, der durch eine Kooperation europäischer Labore entstand stellt der Drosophila Forschung einen umfassenden Satz molekular basengenau definierter Defizienzen zur Verfügung.

New computational biology tools for the systematic analysis of the structure and expression of human genes

From the late 1980s, the automation of sequencing techniques and the computer spread gave rise to a flourishing number of new molecular structures and sequences and to proliferation of new databases in which to store them. Here are presented three computational approaches able to analyse the massive amount of publicly avalilable data in order to answer to important biological questions. The first strategy studies the incorrect assignment of the first AUG codon in a messenger RNA (mRNA), due to the incomplete determination of its 5' end sequence. An extension of the mRNA 5' coding region was identified in 477 in human loci, out of all human known mRNAs analysed, using an automated expressed sequence tag (EST)-based approach. Proof-of-concept confirmation was obtained by in vitro cloning and sequencing for GNB2L1, QARS and TDP2 and the consequences for the functional studies are discussed. The second approach analyses the codon bias, the phenomenon in which distinct synonymous codons are used with different frequencies, and, following integration with a gene expression profile, estimates the total number of codons present across all the expressed mRNAs (named here "codonome value") in a given biological condition. Systematic analyses across different pathological and normal human tissues and multiple species shows a surprisingly tight correlation between the codon bias and the codonome bias. The third approach is useful to studies the expression of human autism spectrum disorder (ASD) implicated genes. ASD implicated genes sharing microRNA response elements (MREs) for the same microRNA are co-expressed in brain samples from healthy and ASD affected individuals. The different expression of a recently identified long non coding RNA which have four MREs for the same microRNA could disrupt the equilibrium in this network, but further analyses and experiments are needed.

Komparative Analyse der humanen Chromosomenregion 11p15.3 um die Gene LMO1,TUB und der orthologen Region in der Maus

Ziel der vorliegenden Arbeit war die vergleichende Sequenzierung und nachfolgende Analyse des syntänen chromosomalen Abschnitts auf dem kurzen Arm des humanen Chromosoms 11 in der Region 11p15.3 mit den Genen LMO1, TUB und dem orthologen Genomabschnitt der Maus auf Chromosom 7 F2. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Kartierung dieser beiden chromosomalen Bereiche ermöglichte die Komplettierung einer genomischen Karte auf insgesamt über eine Megabase, die im Kooperationssequenzierprojekt der Universitäts-Kinderklinik und dem Institut für Molekulargenetik in Mainz erstellt wurde. Mit Hilfe von 28 PAC- und Cosmid-Klonen konnten in dieser Arbeit 383 kb an genomischer DNA des Menschen und mit sechs BAC- und PAC-Klonen 412 kb an genomischer DNA der Maus dargestellt werden. Dies ermöglichte erstmals die exakte Festlegung der Reihenfolge der in diesem chromosomalen Abschnitt enthaltenen Gene und die genaue Kartierung von acht STS-Markern des Menschen, bzw. vier STS-Sonden der Maus. Es zeigte sich dabei, dass die chromosomale Orientierung telomer-/centromerwärts des orthologen Bereichs in der Maus im Vergleich zum Menschen in invertierter Ausrichtung vorliegt. Die Sequenzierung von drei humanen Klonen ermöglichte die Bestimmung von 319.119 bp an zusammenhängender genomischer DNA. Dadurch konnte die genaue Lokalisation und Strukturaufklärung der Gene LMO1, ein putatives Tumorsuppressorgen, das mit der Entstehung von Leukämien assoziiert ist, und TUB, ein Transkriptionsmodulator, der in die Fettstoffwechselregulation involviert ist, vorgenommen werden. Für das murine Genom wurden 412.827 bp an neuer DNA-Sequenz durch Sequenzierung von ebenfalls drei Klonen generiert. Der im Vergleich zum Menschen ca. 100 kb größere Genombereich beinhaltete zudem die neuen Gene Stk33 und Eif3. Es handelte sich dabei um zwei Gene, die erst im Rahmen dieser Arbeit entdeckt und charakterisiert wurden. Die parallele Bearbeitung beider Genombereiche ermöglichte eine umfassende komparative Analyse nach kodierenden, funktionellen und strukturgebenden Sequenzabschnitten in beiden Spezies. Es konnten dabei für beide Organismen die Exon-Intron-Strukturen der Gene LMO1/Lmo1 und TUB/Tub geklärt. Zudem konnten vier neue Exons und zwei neue speziesspezifischer Spleißvarianten für TUB/Tub beschrieben werden. Die Identifizierung dieser neuen Spleißvarianten offenbart neue Möglichkeiten für alternative Regulation und Funktion, oder für eine veränderte Proteinstruktur, die weitere Erklärungsansätze für die Entstehung der mit diesen Genen assoziierten Erkrankungen zulässt. In der sequenzierten, größeren Genomsequenz der Maus konnte in den flankierenden, nicht mit der sequenzierten Humansequenz überlappenden Bereich das neue Gen Eif3 in seiner Exon-Intron-Struktur und die beiden letzten Exons 11 und 12 des Gens Stk33 kartiert und charakterisiert werden. Die umfangreiche Sequenzanalyse beider sequenzierter Genombereiche ergab für den Abschnitt des Menschen insgesamt 229 potentielle Exonsequenzen und für den Bereich der Maus 527 mögliche Exonbereiche. Davon konnten beim Menschen explizit 21 Exons und bei der Maus 31 Exons als exprimierte Bereiche identifiziert und experimentell mittels RT-PCR, bzw. durch cDNA-Sequenzierung verifiziert werden. Diese Abschnitte beschrieben nicht nur die Exonbereiche der oben genannten vier Gene, sondern konnten auch neuen nicht weiter definierten EST-Sequenzen zugeordnet werden. Mittels des Interspeziesvergleiches war darüber hinaus auch die Analyse der nichtkodierenden Intergen-Bereiche möglich. So konnten beispielsweise im ersten Intron des LMO1/Lmo1 sieben Sequenzbereiche mit Konservierungen von ca. 90% bestimmt werden. Auch die Charakterisierung von Promotor- und putativ regulatorischen Sequenzabschnitten konnte mit Hilfe unterschiedlicher bioinformatischer Analyse-Tools durchgeführt werden. Die konservierten Sequenzbereiche der DNA zeigen im Durchschnitt eine Homologie von mehr als 65% auf. Auch die Betrachtung der Genomorganisation zeigte Gemeinsamkeiten, die sich meist nur in ihrer graduellen Ausprägung unterschieden. So weist ein knapp 80 kb großer Bereich proximal zum humanen TUB-Gen einen deutlich erhöhten AT-Gehalt auf, der ebenso im murinen Genom nur in verkürzter Version und schwächer ausgeprägt in Erscheinung tritt. Die zusätzliche Vergleichsanalyse mit einer weiteren Spezies, den orthologen Genomabschnitten von Fugu, zeigte, dass es sich bei den untersuchten Genen LMO1 und TUB um sehr konservierte und evolutiv alte Gene handelt, deren genomisches Organisationsmuster sich auch bei den paralogen Genfamilienmitglieder innerhalb derselben Spezies wiederfindet. Insgesamt konnte durch die Kartierung, Sequenzierung und Analyse eine umfassende Datenbasis für die betrachtete Genomregion und die beschriebenen Gene generiert werden, die für zukünftige Untersuchungen und Fragestellungen wertvolle Informationen bereithält.

Molecular characterization of human CD4+ IL-10-producing regulatory cells

Previous studies in the group led to the identification of CD4+FOXP3- cells with regulatory functions in human blood that coproduce IL-10 and IFN-gamma. These cells do not belong to the Treg cell lineage since they are Foxp3- but they show some similarities with Th1 cells since they express CCR5, T-bet and produce high levels of IFN-gamma. Thus, they share relevant characteristics with both T regulatory type I cells (Tr1) and Th1 cells and we called them Th1-10 cells. In this study we presented a molecular characterization of Th1-10 cells that includes a gene expression and a microRNA profiling and performed functional studies to assess Th1-10 cells regulatory properties. We demonstrated that Th1-10 cells have a high regulatory potential being able to block the proliferation of activated CD4 naïve T cells to a similar extent as conventional Treg cells, and that this suppression capacity is at least partially mediated by secreted IL10. We showed also that Th1-10 cells are closely related to Th1 effector memory cells and express genes involved in cytotoxicity. In particular, they express the transcription factor EOMES and the cytotoxic effector molecules GZMA and GZMK, and they release cytotoxic granules upon stimulation. Moreover, we found that Eomes regulates cytotoxic functions in CD4+ T cells. We demonstrated that miR-92a, selectively downregulated in Th1-10 cells, directly targets the 3’UTR of EOMES.and this finding identifies miR-92a as a possible mediator of Th1-10 cytotoxicity. Th1-10 cells retain some proliferative capacity when sorted ex vivo and activated in vitro via their TCR, and this effect is markedly enhanced by IL-15, which also had a pro-survival effect on Th-10 cells. Thus, in contrast to conventional cytotoxic T cells, Th1-10 cells have cytotoxic and regulatory functions and are not terminally differentiated, since they retain proliferative capacity.