“Unmixing” Tissue Gene Expression Signatures from Tumor Biopsies

Emergent molecular measurement methods, such as DNA microarray, qRTPCR, andmany others, offer tremendous promise for the personalized treatment of cancer. Thesetechnologies measure the amount of specific proteins, RNA, DNA or other moleculartargets from tumor specimens with the goal of “fingerprinting” individual cancers. Tumorspecimens are heterogeneous; an individual specimen typically contains unknownamounts of multiple tissues types. Thus, the measured molecular concentrations resultfrom an unknown mixture of tissue types, and must be normalized to account for thecomposition of the mixture.For example, a breast tumor biopsy may contain normal, dysplastic and cancerousepithelial cells, as well as stromal components (fatty and connective tissue) and bloodand lymphatic vessels. Our diagnostic interest focuses solely on the dysplastic andcancerous epithelial cells. The remaining tissue components serve to “contaminate”the signal of interest. The proportion of each of the tissue components changes asa function of patient characteristics (e.g., age), and varies spatially across the tumorregion. Because each of the tissue components produces a different molecular signature,and the amount of each tissue type is specimen dependent, we must estimate the tissuecomposition of the specimen, and adjust the molecular signal for this composition.Using the idea of a chemical mass balance, we consider the total measured concentrationsto be a weighted sum of the individual tissue signatures, where weightsare determined by the relative amounts of the different tissue types. We develop acompositional source apportionment model to estimate the relative amounts of tissuecomponents in a tumor specimen. We then use these estimates to infer the tissuespecificconcentrations of key molecular targets for sub-typing individual tumors. Weanticipate these specific measurements will greatly improve our ability to discriminatebetween different classes of tumors, and allow more precise matching of each patient tothe appropriate treatment

Cross-species and cross-platform gene expression studies with the Bioconductor-compliant R package 'annotationTools'.

Background: The variety of DNA microarray formats and datasets presently available offers an unprecedented opportunity to perform insightful comparisons of heterogeneous data. Cross-species studies, in particular, have the power of identifying conserved, functionally important molecular processes. Validation of discoveries can now often be performed in readily available public data which frequently requires cross-platform studies.Cross-platform and cross-species analyses require matching probes on different microarray formats. This can be achieved using the information in microarray annotations and additional molecular biology databases, such as orthology databases. Although annotations and other biological information are stored using modern database models ( e. g. relational), they are very often distributed and shared as tables in text files, i.e. flat file databases. This common flat database format thus provides a simple and robust solution to flexibly integrate various sources of information and a basis for the combined analysis of heterogeneous gene expression profiles.Results: We provide annotationTools, a Bioconductor-compliant R package to annotate microarray experiments and integrate heterogeneous gene expression profiles using annotation and other molecular biology information available as flat file databases. First, annotationTools contains a specialized set of functions for mining this widely used database format in a systematic manner. It thus offers a straightforward solution for annotating microarray experiments. Second, building on these basic functions and relying on the combination of information from several databases, it provides tools to easily perform cross-species analyses of gene expression data.Here, we present two example applications of annotationTools that are of direct relevance for the analysis of heterogeneous gene expression profiles, namely a cross-platform mapping of probes and a cross-species mapping of orthologous probes using different orthology databases. We also show how to perform an explorative comparison of disease-related transcriptional changes in human patients and in a genetic mouse model.Conclusion: The R package annotationTools provides a simple solution to handle microarray annotation and orthology tables, as well as other flat molecular biology databases. Thereby, it allows easy integration and analysis of heterogeneous microarray experiments across different technological platforms or species.

The cooperative induction of hypoxia-inducible factor-1 alpha and STAT3 during hypoxia induced an impairment of tumor susceptibility to CTL-mediated cell lysis.

Hypoxia is an essential component of tumor microenvironment. In this study, we investigated the influence of hypoxia (1% PO(2)) on CTL-mediated tumor cell lysis. We demonstrate that exposure of target tumor cells to hypoxia has an inhibitory effect on the CTL clone (Heu171)-induced autologous target cell lysis. Such inhibition correlates with hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF-1alpha) induction but is not associated with an alteration of CTL reactivity as revealed by granzyme B polarization or morphological change. Western blot analysis indicates that although hypoxia had no effect on p53 accumulation, it induced the phosphorylation of STAT3 in tumor cells by a mechanism at least in part involving vascular endothelial growth factor secretion. We additionally show that a simultaneous nuclear translocation of HIF-1alpha and phospho-STAT3 was observed. Interestingly, gene silencing of STAT3 by small interfering RNA resulted in HIF-1alpha inhibition and a significant restoration of target cell susceptibility to CTL-induced killing under hypoxic conditions by a mechanism involving at least in part down-regulation of AKT phosphorylation. Moreover, knockdown of HIF-1alpha resulted in the restoration of target cell lysis under hypoxic conditions. This was further supported by DNA microarray analysis where STAT3 inhibition resulted in a partly reversal of the hypoxia-induced gene expression profile. The present study demonstrates that the concomitant hypoxic induction of phospho-STAT3 and HIF-1alpha are functionally linked to the alteration of non-small cell lung carcinoma target susceptibility to CTL-mediated killing. Considering the eminent functions of STAT3 and HIF-1alpha in the tumor microenvironment, their targeting may represent novel strategies for immunotherapeutic intervention.

A conserved transcript pattern in response to a specialist and a generalist herbivore.

Transcript patterns elicited in response to attack reveal, at the molecular level, how plants respond to aggressors. These patterns are fashioned both by inflicted physical damage as well as by biological components displayed or released by the attacker. Different types of attacking organisms might therefore be expected to elicit different transcription programs in the host. Using a large-scale DNA microarray, we characterized gene expression in damaged as well as in distal Arabidopsis thaliana leaves in response to the specialist insect, Pieris rapae. More than 100 insect-responsive genes potentially involved in defense were identified, including genes involved in pathogenesis, indole glucosinolate metabolism, detoxification and cell survival, and signal transduction. Of these 114 genes, 111 were induced in Pieris feeding, and only three were repressed. Expression patterns in distal leaves were markedly similar to those of local leaves. Analysis of wild-type and jasmonate mutant plants, coupled with jasmonate treatment, showed that between 67 and 84% of Pieris-regulated gene expression was controlled, totally or in part, by the jasmonate pathway. This was correlated with increased larval performance on the coronatine insensitive1 glabrous1 (coi1-1 gl1) mutant. Independent mutations in COI1 and GL1 led to a faster larval weight gain, but the gl1 mutation had relatively little effect on the expression of the insect-responsive genes examined. Finally, we compared transcript patterns in Arabidopis in response to larvae of the specialist P. rapae and to a generalist insect, Spodoptera littoralis. Surprisingly, given the complex nature of insect salivary components and reported differences between species, almost identical transcript profiles were observed. This study also provides a robustly characterized gene set for the further investigation of plant-insect interaction.

The biological effects of high-pressure gas on the yeast transcriptome

The aim of the present study was to examine the feasibility of DNA microarray technology in an attempt to construct an evaluation system for determining gas toxicity using high-pressure conditions, as it is well known that pressure increases the concentration of a gas. As a first step, we used yeast (Saccharomyces cerevisiae) as the indicator organism and analyzed the mRNA expression profiles after exposure of yeast cells to nitrogen gas. Nitrogen gas was selected as a negative control since this gas has low toxicity. Yeast DNA microarray analysis revealed induction of genes whose products were localized to the membranes, and of genes that are involved in or contribute to energy production. Furthermore, we found that nitrogen gas significantly affected the transport system in the cells. Interestingly, nitrogen gas also resulted in induction of cold-shock responsive genes. These results suggest the possibility of applying yeast DNA microarray to gas bioassays up to 40 MPa. We therefore think that "bioassays" are ideal for use in environmental control and protection studies.

Identification des gènes responsables des hyperplasies surrénaliennes macronodulaires bilatérales familiales avec récepteurs aberrants

La majorité des hyperplasies macronodulaires bilatérales des surrénales avec syndrome de Cushing ACTH-indépendant (AIMAH) est due à l’expression aberrante de divers récepteurs hormonaux au niveau du cortex surrénalien. Les gènes responsables des AIMAH familiales avec récepteurs aberrants n’ont pas été identifiés. Le but de ce projet est de les identifier. Une étude de liaison, visant à identifier la ou les régions du génome comprenant le ou les gènes pouvant être en cause dans les AIMAH familiales, a été réalisée en utilisant l’ADN des membres d’une famille (10 malades et 7 sains) originaire du Québec, atteinte d’AIMAH et syndrome de Cushing et caractérisée par l’expression des récepteurs β-adrénergique et V1-vasopressine. Diverses régions chromosomiques entre les personnes atteintes et non-atteintes de la famille ont été soulignées. Un total de 707453 SNPs a été obtenu, et après analyse statistique, 159 SNPs significatifs, pouvant être associés au phénotype, ont été mis en évidence entre les deux groupes. Il a été constaté que la majorité de ces SNPs se situaient sur les régions chromosomiques 1q32.1 et 16q12.2. Une étude du transcriptome a aussi été réalisée en utilisant l’ADN des tumeurs de deux patients de la famille, ainsi que l’ADN d'autres tumeurs surrénaliennes. Les analyses statistiques ont permis d’identifier 15 gènes susceptibles d’être reliés à la maladie (11 surexprimés et 4 sous-exprimés). En utilisant les données de ces deux études, nous avons ciblé six gènes du chromosome 1 (ATP2B4, PPP1R12B, SOX13, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3), un du chromosome 16 (CHD9) et un du chromosome 13 (SPRY2), afin de rechercher la présence de mutations. Le séquençage n’a révélé aucun changement de nucléotide dans les gènes PPP1R12B et SOX13. Dans les gènes ATP2B4, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3, le séquençage a révélé des changements de nucléotides n’entrainant soit pas de changement d’acide aminé soit un changement d’acide aminé jugé « non pertinent », du fait qu’il ne permettait pas de différencier les sujets sains des sujets atteints. Pour ce qui est de CHD9 et SPRY2, le séquençage a permis d’identifier des changements de nucléotides entrainant des changements d’acides aminés de façon plus fréquente chez les sujets atteints par rapport aux sujets sains. En conclusion, nos travaux nous ont donc permis d’identifier, par étude de liaison et par analyse du transcriptome, des gènes candidats qui pourraient être responsables de cette pathologie. Le séquençage de ces gènes candidats a révélé des mutations de CHD9 et SPRY2. Ces résultats s’avèrent prometteurs puisque ces deux gènes produisent des protéines impliquées dans le remodelage de la chromatine et dans la régulation de la signalisation des protéines kinases. Le phénotypage et le génotypage des patients atteints doivent être poursuivis pour vérification.

Étude de la virulence et de la résistance aux antibiotiques des Staphylococcus aureus résistants à la méthicilline chez le porc à l'abattoir au Québec

Depuis quelques années et dans plusieurs pays, un nouveau type de Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM), le séquence type (ST) 398, a été fréquemment retrouvé chez les porcs et chez les fermiers en contact avec ces porcs. Au Canada, très peu d’informations sont disponibles concernant le SARM d’origine porcine. Une première étude dans notre laboratoire a permis de récolter 107 isolats de SARM provenant de deux abattoirs porcins du Québec. Le présent travail vise à caractériser les gènes de virulence et de résistance aux antibiotiques de ces SARM, d’étudier leur formation de biofilm en relation avec la spécificité du groupe agr et de vérifier la localisation plasmidique et la transférabilité de ces gènes à des souches de SARM d’origine humaine. Plusieurs souches ont démontré différents patrons phénotypiques de résistance aux antibiotiques. Vingt-quatre souches représentatives de ces isolats ont été soumises à une caractérisation plus approfondie par une étude génotypique en utilisant une biopuce à ADN et un grand nombre de gènes de virulence a été détecté codant pour des entérotoxines staphylococcales, des leucocidines, des hémolysines, des auréolysines, des facteurs d’immunoévasion, des superantigènes, des facteurs d’adhésion et des facteurs impliqués dans la formation de biofilm. Des gènes de résistance envers les aminoglycosides, les macrolides, les lincosamides, les tétracyclines et les biocides ont été également détectés par biopuce et leur localisation plasmidique a par la suite été déterminée. La transférabilité de ces gènes de souches porcines à des souches de SARM d’origine humaine a été démontrée par conjugaison bactérienne; ainsi le transfert horizontal de certains gènes de résistance aux antibiotiques et de virulence a été observé. Ces travaux de recherche apportent une meilleure connaissance de la résistance aux antibiotiques et de la virulence des SARM d’origine porcine et de leur potentiel de contribution à l’émergence de certaines résistances et facteurs de virulence chez le SARM d’origine humaine.

Approches bio-informatiques appliquées aux technologies émergentes en génomique

Les études génétiques, telles que les études de liaison ou d’association, ont permis d’acquérir une plus grande connaissance sur l’étiologie de plusieurs maladies affectant les populations humaines. Même si une dizaine de milliers d’études génétiques ont été réalisées sur des centaines de maladies ou autres traits, une grande partie de leur héritabilité reste inexpliquée. Depuis une dizaine d’années, plusieurs percées dans le domaine de la génomique ont été réalisées. Par exemple, l’utilisation des micropuces d’hybridation génomique comparative à haute densité a permis de démontrer l’existence à grande échelle des variations et des polymorphismes en nombre de copies. Ces derniers sont maintenant détectables à l’aide de micropuce d’ADN ou du séquençage à haut débit. De plus, des études récentes utilisant le séquençage à haut débit ont permis de démontrer que la majorité des variations présentes dans l’exome d’un individu étaient rares ou même propres à cet individu. Ceci a permis la conception d’une nouvelle micropuce d’ADN permettant de déterminer rapidement et à faible coût le génotype de plusieurs milliers de variations rares pour un grand ensemble d’individus à la fois. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse vise le développement de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils bio-informatiques de haute performance permettant la détection, à de hauts critères de qualité, des variations en nombre de copies et des variations nucléotidiques rares dans le cadre d’études génétiques. Ces avancées permettront, à long terme, d’expliquer une plus grande partie de l’héritabilité manquante des traits complexes, poussant ainsi l’avancement des connaissances sur l’étiologie de ces derniers. Un algorithme permettant le partitionnement des polymorphismes en nombre de copies a donc été conçu, rendant possible l’utilisation de ces variations structurales dans le cadre d’étude de liaison génétique sur données familiales. Ensuite, une étude exploratoire a permis de caractériser les différents problèmes associés aux études génétiques utilisant des variations en nombre de copies rares sur des individus non reliés. Cette étude a été réalisée avec la collaboration du Wellcome Trust Centre for Human Genetics de l’University of Oxford. Par la suite, une comparaison de la performance des algorithmes de génotypage lors de leur utilisation avec une nouvelle micropuce d’ADN contenant une majorité de marqueurs rares a été réalisée. Finalement, un outil bio-informatique permettant de filtrer de façon efficace et rapide des données génétiques a été implémenté. Cet outil permet de générer des données de meilleure qualité, avec une meilleure reproductibilité des résultats, tout en diminuant les chances d’obtenir une fausse association.

Prevalence et caracterisation de Staphylococcus aureus resistant a la methicilline d'origine aviaire au Quebec

Le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) est un enjeu majeur en santé publique. Il est responsable d’une grande variété d’infections. Les “Livestock Associated-MRSA” (LA-MRSA) sont des SARM ayant comme origine les animaux de production tels le porc ou la volaille. Ils constituent un risque de transmission à l’humain via la chaîne alimentaire. Les LA-MRSA peuvent former du biofilm ce qui augmente leur tolérance aux stress environnementaux. Le biofilm est partiellement régulé par le système Agr. Il n’existe aucune donnée sur les ‘LA-MRSA’ d’origine aviaire au Québec. Les objectifs de ce projet étaient : (i) de déterminer la prévalence de ces SARM dans la viande de poulet et le poulet à griller de la province de Québec et (ii) de caractériser les isolats retrouvés. La collecte d’échantillons s’est effectuée dans 43 épiceries (309 cuisses et pilons de poulet) et dans deux abattoirs (échantillons nasaux et fécaux de 200 poulets) de la Montérégie. La prévalence de SARM a été évaluée à 1.29% (IC 95%: 0.35-3.28) et 0% dans la viande et les oiseaux respectivement. Les isolats testés se sont révélés résistants aux bêta-lactamines (n=15), à la tétracycline (n=10), à l’oxytétracycline (n=10), à la spectinomycine (n=10) et à la tobramycine (n=1). Le typage a révélé deux clones différents (ST398-V, n=10; et ST8-IVa ’USA300’, n=5). La présence de gènes de résistance aux antibiotiques (blaZ, blaR, blaI, erm(A), lnu(A), aad(D), fosB, tet(K), tet(L) et spc) ainsi que plusieurs gènes codant pour l’évasion du système immunitaire (IEC), la production de toxines ou encore pour la production de biofilm ont aussi été détectés. Une forte production de biofilm a été observée pour la majorité des isolats (n=11) à l’exception de certains isolats ST398. Le taux d’expression du système Agr n’a révélé aucune différence particulière entre les SARM testés. Pour conclure, nos données indiquent une faible prévalence de SARM chez la volaille et la viande de poulet. Les isolats ont été catégorisés en deux génotypes, dont un portant plus de gènes de résistance aux antibiotiques (ST398) et l’autre possédant plus de gènes de virulence (ST8).

“Unmixing” Tissue Gene Expression Signatures from Tumor Biopsies

Emergent molecular measurement methods, such as DNA microarray, qRTPCR, and many others, offer tremendous promise for the personalized treatment of cancer. These technologies measure the amount of specific proteins, RNA, DNA or other molecular targets from tumor specimens with the goal of “fingerprinting” individual cancers. Tumor specimens are heterogeneous; an individual specimen typically contains unknown amounts of multiple tissues types. Thus, the measured molecular concentrations result from an unknown mixture of tissue types, and must be normalized to account for the composition of the mixture. For example, a breast tumor biopsy may contain normal, dysplastic and cancerous epithelial cells, as well as stromal components (fatty and connective tissue) and blood and lymphatic vessels. Our diagnostic interest focuses solely on the dysplastic and cancerous epithelial cells. The remaining tissue components serve to “contaminate” the signal of interest. The proportion of each of the tissue components changes as a function of patient characteristics (e.g., age), and varies spatially across the tumor region. Because each of the tissue components produces a different molecular signature, and the amount of each tissue type is specimen dependent, we must estimate the tissue composition of the specimen, and adjust the molecular signal for this composition. Using the idea of a chemical mass balance, we consider the total measured concentrations to be a weighted sum of the individual tissue signatures, where weights are determined by the relative amounts of the different tissue types. We develop a compositional source apportionment model to estimate the relative amounts of tissue components in a tumor specimen. We then use these estimates to infer the tissuespecific concentrations of key molecular targets for sub-typing individual tumors. We anticipate these specific measurements will greatly improve our ability to discriminate between different classes of tumors, and allow more precise matching of each patient to the appropriate treatment

The role of prophage-like elements in the diversity of Salmonella enterica serovars

The Salmonella enterica serovar Typhi CT18 (S. Typhi) chromosome harbours seven distinct prophage-like elements, some of which may encode functional bacteriophages. In silico analyses were used to investigate these regions in S. Typhi CT18, and ultimately compare these integrated bacteriophages against 40 other Salmonella isolates using DNA microarray technology. S. Typhi CT18 contains prophages that show similarity to the lambda, Mu, P2 and P4 bacteriophage families. When compared to other S. Typhi isolates, these elements were generally conserved, supporting a clonal origin of this serovar. However, distinct variation was detected within a broad range of Salmonella serovars; many of the prophage regions are predicted to be specific to S. Typhi. Some of the P2 family prophage analysed have the potential to carry non-essential "cargo" genes within the hyper-variable tail region, an observation that suggests that these bacteriophage may confer a level of specialisation on their host. Lysogenic bacteriophages therefore play a crucial role in the generation of genetic diversity within S. enterica. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Detailed molecular characterization of cord blood-derived endothelial progenitors

Objective. Given their involvement in pathological and physiological angiogenesis, there has been growing interest in understanding and manipulating endothellial progenitor cells (EPC) for therapeutic purposes. However, detailed molecular analysis of EPC before and during endothelial differentiation is lacking and is the subject of the present study. Materials and Methods. We report a detailed microarray gene-expression profile of freshly isolated (day 0) human cord blood (CB)-derived EPC (CD133(+)KDR(+) or CD34(+)KDR(+)), and at different time points during in vitro differentiation (early: day 13; late: day 27). Results. Data obtained reflect an EPC transcriptome enriched in genes related to stem/progenitor cells properties (chromatin remodeling, self-renewal, signaling, cytoskeleton organization and biogenesis, recruitment, and adhesion). Using a complementary DNA microarray enriched in intronic transcribed sequences, we observed, as well, that naturally transcribed intronic noncoding RNAs were specifically expressed at the EPC stage. Conclusion. Taken together, we have defined the global gene-expression profile of CB-derived EPC during the process of endothelial differentiation, which can be used to identify genes involved in different vascular pathologies. (C) 2008 ISEH - Society for Hematology and Stem Cells. Published by Elsevier Inc.

Effects of the antimicrobial peptide gomesin on the global gene expression profile, virulence and biofilm formation of Xylella fastidiosa

In the xylem vessels of susceptible hosts, such as citrus trees, Xylella fastidiosa forms biofilm-like colonies that can block water transport, which appears to correlate to disease symptoms. Besides aiding host colonization, bacterial biofilms play an important role in resistance against antimicrobial agents, for instance antimicrobial peptides (AMPs). Here, we show that gomesin, a potent AMP from a tarantula spider, modulates X. fastidiosa gene expression profile upon 60 min of treatment with a sublethal concentration. DNA microarray hybridizations revealed that among the upregulated coding sequences, some are related to biofilm production. In addition, we show that the biofilm formed by gomesin-treated bacteria is thicker than that formed by nontreated cells or cells exposed to streptomycin. We have also observed that the treatment of X. fastidiosa with a sublethal concentration of gomesin before inoculation in tobacco plants correlates with a reduction in foliar symptoms, an effect possibly due to the trapping of bacterial cells to fewer xylem vessels, given the enhancement in biofilm production. These results warrant further investigation of how X. fastidiosa would respond to the AMPs produced by citrus endophytes and by the insect vector, leading to a better understanding of the mechanism of action of these molecules on bacterial virulence.

Expression Profile of Rat Hippocampal Neurons Treated with the Neuroprotective Compound 2,4-Dinitrophenol: Up-Regulation of cAMP Signaling Genes

2,4-Dinitrophenol (DNP) is classically known as a mitochondrial uncoupler and, at high concentrations, is toxic to a variety of cells. However, it has recently been shown that, at subtoxic concentrations, DNP protects neurons against a variety of insults and promotes neuronal differentiation and neuritogenesis. The molecular and cellular mechanisms underlying the beneficial neuroactive properties of DNP are still largely unknown. We have now used DNA microarray analysis to investigate changes in gene expression in rat hippocampal neurons in culture treated with low micromolar concentrations of DNP. Under conditions that did not affect neuronal viability, high-energy phosphate levels or mitochondrial oxygen consumption, DNP induced up-regulation of 275 genes and down-regulation of 231 genes. Significantly, several up-regulated genes were linked to intracellular cAMP signaling, known to be involved in neurite outgrowth, synaptic plasticity, and neuronal survival. Differential expression of specific genes was validated by quantitative RT-PCR using independent samples. Results shed light on molecular mechanisms underlying neuroprotection by DNP and point to possible targets for development of novel therapeutics for neurodegenerative disorders.

Xylella fastidiosa: An in vivo system to study possible survival strategies within citrus xylem vessels based on global gene expression analysis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)