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.

A Pseudolikelihood Approach for Simultaneous Analysis of Array Comparative Genomic Hybridizations (aCGH)

DNA sequence copy number has been shown to be associated with cancer development and progression. Array-based Comparative Genomic Hybridization (aCGH) is a recent development that seeks to identify the copy number ratio at large numbers of markers across the genome. Due to experimental and biological variations across chromosomes and across hybridizations, current methods are limited to analyses of single chromosomes. We propose a more powerful approach that borrows strength across chromosomes and across hybridizations. We assume a Gaussian mixture model, with a hidden Markov dependence structure, and with random effects to allow for intertumoral variation, as well as intratumoral clonal variation. For ease of computation, we base estimation on a pseudolikelihood function. The method produces quantitative assessments of the likelihood of genetic alterations at each clone, along with a graphical display for simple visual interpretation. We assess the characteristics of the method through simulation studies and through analysis of a brain tumor aCGH data set. We show that the pseudolikelihood approach is superior to existing methods both in detecting small regions of copy number alteration and in accurately classifying regions of change when intratumoral clonal variation is present.

EXPLORATION, NORMALIZATION, AND GENOTYPE CALLS OF HIGH DENSITY OLIGONUCLEOTIDE SNP ARRAY DATA

In most microarray technologies, a number of critical steps are required to convert raw intensity measurements into the data relied upon by data analysts, biologists and clinicians. These data manipulations, referred to as preprocessing, can influence the quality of the ultimate measurements. In the last few years, the high-throughput measurement of gene expression is the most popular application of microarray technology. For this application, various groups have demonstrated that the use of modern statistical methodology can substantially improve accuracy and precision of gene expression measurements, relative to ad-hoc procedures introduced by designers and manufacturers of the technology. Currently, other applications of microarrays are becoming more and more popular. In this paper we describe a preprocessing methodology for a technology designed for the identification of DNA sequence variants in specific genes or regions of the human genome that are associated with phenotypes of interest such as disease. In particular we describe methodology useful for preprocessing Affymetrix SNP chips and obtaining genotype calls with the preprocessed data. We demonstrate how our procedure improves existing approaches using data from three relatively large studies including one in which large number independent calls are available. Software implementing these ideas are avialble from the Bioconductor oligo package.

A modular LHC built on the DNA three-way junction

A light-harvesting complex composed of a p-stacked multichromophoric array in a DNA three-way junction is described. The modular design allows for a ready exchange of non-covalently attached energy acceptors

Whole genome methylation array analysis reveals new aspects in Balkan endemic nephropathy etiology

Background Balkan endemic nephropathy (BEN) represents a chronic progressive interstitial nephritis in striking correlation with uroepithelial tumours of the upper urinary tract. The disease has endemic distribution in the Danube river regions in several Balkan countries. DNA methylation is a primary epigenetic modification that is involved in major processes such as cancer, genomic imprinting, gene silencing, etc. The significance of CpG island methylation status in normal development, cell differentiation and gene expression is widely recognized, although still stays poorly understood. Methods We performed whole genome DNA methylation array analysis on DNA pool samples from peripheral blood from 159 affected individuals and 170 healthy individuals. This technique allowed us to determine the methylation status of 27 627 CpG islands throughout the whole genome in healthy controls and BEN patients. Thus we obtained the methylation profile of BEN patients from Bulgarian and Serbian endemic regions. Results Using specifically developed software we compared the methylation profiles of BEN patients and corresponding controls and revealed the differently methylated regions. We then compared the DMRs between all patient-control pairs to determine common changes in the epigenetic profiles. SEC61G, IL17RA, HDAC11 proved to be differently methylated throughout all patient-control pairs. The CpG islands of all 3 genes were hypomethylated compared to controls. This suggests that dysregulation of these genes involved in immunological response could be a common mechanism in BEN pathogenesis in both endemic regions and in both genders. Conclusion Our data propose a new hypothesis that immunologic dysregulation has a place in BEN etiopathogenesis. Keywords: Epigenetics; Whole genome array analysis; Balkan endemic nephropathy

Concept, design and implementation of a cardiovascular gene-centric 50 k SNP array for large-scale genomic association studies.

A wealth of genetic associations for cardiovascular and metabolic phenotypes in humans has been accumulating over the last decade, in particular a large number of loci derived from recent genome wide association studies (GWAS). True complex disease-associated loci often exert modest effects, so their delineation currently requires integration of diverse phenotypic data from large studies to ensure robust meta-analyses. We have designed a gene-centric 50 K single nucleotide polymorphism (SNP) array to assess potentially relevant loci across a range of cardiovascular, metabolic and inflammatory syndromes. The array utilizes a "cosmopolitan" tagging approach to capture the genetic diversity across approximately 2,000 loci in populations represented in the HapMap and SeattleSNPs projects. The array content is informed by GWAS of vascular and inflammatory disease, expression quantitative trait loci implicated in atherosclerosis, pathway based approaches and comprehensive literature searching. The custom flexibility of the array platform facilitated interrogation of loci at differing stringencies, according to a gene prioritization strategy that allows saturation of high priority loci with a greater density of markers than the existing GWAS tools, particularly in African HapMap samples. We also demonstrate that the IBC array can be used to complement GWAS, increasing coverage in high priority CVD-related loci across all major HapMap populations. DNA from over 200,000 extensively phenotyped individuals will be genotyped with this array with a significant portion of the generated data being released into the academic domain facilitating in silico replication attempts, analyses of rare variants and cross-cohort meta-analyses in diverse populations. These datasets will also facilitate more robust secondary analyses, such as explorations with alternative genetic models, epistasis and gene-environment interactions.

From Ribbons to Networks: Hierarchical Organization of DNA-Grafted Supramolecular Polymers

DNA-grafted supramolecular polymers (SPs) allow the programmed organization of DNA in a highly regular, one-dimensional array. Oligonucleotides are arranged along the edges of pyrene-based helical polymers. Addition of complementary oligonucleotides triggers the assembly of individual nanoribbons resulting in the development of extended supramolecular networks. Network formation is enabled by cooperative coaxial stacking interactions of terminal GC base pairs. The process is accompanied by structural changes in the pyrene polymer core that can be followed spectroscopically. Network formation is reversible, and disassembly into individual ribbons is realized either via thermal denaturation or by addition of a DNA separator strand.