Bioinformatic methods in applied genomic research

Here I will focus on three main topics that best address and include the projects I have been working in during my three year PhD period that I have spent in different research laboratories addressing both computationally and practically important problems all related to modern molecular genomics. The first topic is the use of livestock species (pigs) as a model of obesity, a complex human dysfunction. My efforts here concern the detection and annotation of Single Nucleotide Polymorphisms. I developed a pipeline for mining human and porcine sequences. Starting from a set of human genes related with obesity the platform returns a list of annotated porcine SNPs extracted from a new set of potential obesity-genes. 565 of these SNPs were analyzed on an Illumina chip to test the involvement in obesity on a population composed by more than 500 pigs. Results will be discussed. All the computational analysis and experiments were done in collaboration with the Biocomputing group and Dr.Luca Fontanesi, respectively, under the direction of prof. Rita Casadio at the Bologna University, Italy. The second topic concerns developing a methodology, based on Factor Analysis, to simultaneously mine information from different levels of biological organization. With specific test cases we develop models of the complexity of the mRNA-miRNA molecular interaction in brain tumors measured indirectly by microarray and quantitative PCR. This work was done under the supervision of Prof. Christine Nardini, at the “CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology” of Shangai, China (co-founded by the Max Planck Society and the Chinese Academy of Sciences jointly) The third topic concerns the development of a new method to overcome the variety of PCR technologies routinely adopted to characterize unknown flanking DNA regions of a viral integration locus of the human genome after clinical gene therapy. This new method is entirely based on next generation sequencing and it reduces the time required to detect insertion sites, decreasing the complexity of the procedure. This work was done in collaboration with the group of Dr. Manfred Schmidt at the Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (Heidelberg, Germany) supervised by Dr. Annette Deichmann and Dr. Ali Nowrouzi. Furthermore I add as an Appendix the description of a R package for gene network reconstruction that I helped to develop for scientific usage (http://www.bioconductor.org/help/bioc-views/release/bioc/html/BUS.html).

Genomisches Imprinting Beckwith-Wiedemann-Syndrom assoziierter Gene

In der vorliegenden Arbeit wurde das Imprinting von Genen der Chromosomenregion 11p15.5 des Menschen und des orthologen murinen Abschnitts 7F5 untersucht. Bei der Analyse der humanen Gene H19, IGF2 und KCNQ1OT1 stand deren Regulation durch differentiell methylierte Regionen (DMR) und die Identifizierung von Methylierungsfehlern bei Patienten mit Verdacht auf Beckwith-Wiedemann Syndrom (BWS) im Vordergrund. Hierzu wurden unmethylierte Cytosinnukleotide durch Bisulfitbehandlung in Uracilnukleotide umgewandelt und PCR-amplifizierte DNA-Fragmente sequenziert. Die elterliche Herkunft der Allele wurde mit Hilfe von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNP) bestimmt. Während in der H19-Promotorregion in Lymphozyten eine nur tendenziell allelspezifische Methylierung festgestellt werden konnte, wurde im B1-Repeat der H19/IGF2-Region in allen Kontroll- und 20 Patienten-DNAs eine spezifische Methylierung des väterlichen Allels nachgewiesen. Vier BWS-DNAs zeigten hingegen eine nahezu vollständige Hypomethylierung. In der zwe

Depicting the role of CDKN2A/ARF alterations in adult BCR-ABL1-positive acute lymphoblastic leukemia patients: from genomic deletions to prognostic impact

This 9p21 locus, encode for important proteins involved in cell cycle regulation and apoptosis containing the p16/CDKN2A (cyclin-dependent kinase inhibitor 2a) tumor suppressor gene and two other related genes, p14/ARF and p15/CDKN2B. This locus, is a major target of inactivation in the pathogenesis of a number of human tumors, both solid and haematologic, and is a frequent site of loss or deletion also in acute lymphoblastic leukemia (ALL) ranging from 18% to 45% 1. In order to explore, at high resolution, the frequency and size of alterations affecting this locus in adult BCR-ABL1-positive ALL and to investigate their prognostic value, 112 patients (101 de novo and 11 relapse cases) were analyzed by genome-wide single nucleotide polymorphisms arrays and gene candidate deep exon sequencing. Paired diagnosis-relapse samples were further available and analyzed for 19 (19%) cases. CDKN2A/ARF and CDKN2B genomic alterations were identified in 29% and 25% of newly diagnosed patients, respectively. Deletions were monoallelic in 72% of cases and in 43% the minimal overlapping region of the lost area spanned only the CDKN2A/2B gene locus. The analysis at the time of relapse showed an almost significant increase in the detection rate of CDKN2A/ARF loss (47%) compared to diagnosis (p = 0.06). Point mutations within the 9p21 locus were found at very low level with only a non-synonymous substition in the exon 2 of CDKN2A. Finally, correlation with clinical outcome showed that deletions of CDKN2A/B are significantly associated with poor outcome in terms of overall survival (p = 0.0206), disease free-survival (p = 0.0010) and cumulative incidence of relapse (p = 0.0014). The inactivation of 9p21 locus by genomic deletions is a frequent event in BCR-ABL1-positive ALL. Deletions are frequently acquired at the leukemia progression and work as a poor prognostic marker.

Kinetic and affinity analysis of hybridization reactions between PNA probes and DNA targets using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Sequenz spezifische biomolekulare Analyseverfahren erweisen sich gerade im Hinblick auf das Humane Genom Projekt als äußerst nützlich in der Detektion von einzelnen Nukleotid Polymorphismen (SNPs) und zur Identifizierung von Genen. Auf Grund der hohen Anzahl von Basenpaaren, die zu analysieren sind, werden sensitive und effiziente Rastermethoden benötigt, welche dazu fähig sind, DNA-Proben in einer geeigneten Art und Weise zu bearbeiten. Die meisten Detektionsarten berücksichtigen die Interaktion einer verankerten Probe und des korrespondierenden Targets mit den Oberflächen. Die Analyse des kinetischen Verhaltens der Oligonukleotide auf der Sensoroberfläche ist infolgedessen von höchster Wichtigkeit für die Verbesserung bereits bekannter Detektions - Schemata. In letzter Zeit wurde die Oberflächen Plasmonen feld-verstärkte Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) entwickelt. Sie stellt eine kinetische Analyse - und Detektions - Methode dar, die mit doppelter Aufzeichnung, d.h. der Änderung der Reflektivität und des Fluoreszenzsignals, für das Interphasen Phänomen operiert. Durch die Verwendung von SPFS können Kinetikmessungen für die Hybridisierung zwischen Peptid Nukleinsäure (PNA), welche eine synthetisierte Nukleinsäure DNA imitiert und eine stabilere Doppelhelix formt, und DNA auf der Sensoroberfläche ausgeführt werden. Mittels einzel-, umfassend-, und titrations- Experimenten sowohl mit einer komplementär zusammenpassenden Sequenz als auch einer mismatch Sequenz können basierend auf dem Langmuir Modell die Geschwindigkeitskonstanten für die Bindungsreaktion des oligomer DNA Targets bzw. des PCR Targets zur PNA ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Ionenstärke und der Temperatur für die PNA/DNA Hybridisierung in einer kinetischen Analyse aufgezeigt.

Novel tools for conservation genetics in marine fish: population structure and evolution of the European hake (Merluccius merluccius) inferred by SNP variation and applications to traceability

The research presented in my PhD thesis is part of a wider European project, FishPopTrace, focused on traceability of fish populations and products. My work was aimed at developing and analyzing novel genetic tools for a widely distributed marine fish species, the European hake (Merluccius merluccius), in order to investigate population genetic structure and explore potential applications to traceability scenarios. A total of 395 SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) were discovered from a massive collection of Expressed Sequence Tags, obtained by high-throughput sequencing, and validated on 19 geographic samples from Atlantic and Mediterranean. Genome-scan approaches were applied to identify polymorphisms on genes potentially under divergent selection (outlier SNPs), showing higher genetic differentiation among populations respect to the average observed across loci. Comparative analysis on population structure were carried out on putative neutral and outlier loci at wide (Atlantic and Mediterranean samples) and regional (samples within each basin) spatial scales, to disentangle the effects of demographic and adaptive evolutionary forces on European hake populations genetic structure. Results demonstrated the potential of outlier loci to unveil fine scale genetic structure, possibly identifying locally adapted populations, despite the weak signal showed from putative neutral SNPs. The application of outlier SNPs within the framework of fishery resources management was also explored. A minimum panel of SNP markers showing maximum discriminatory power was selected and applied to a traceability scenario aiming at identifying the basin (and hence the stock) of origin, Atlantic or Mediterranean, of individual fish. This case study illustrates how molecular analytical technologies have operational potential in real-world contexts, and more specifically, potential to support fisheries control and enforcement and fish and fish product traceability.

Identifizierung und Charakterisierung von Intermediärfilament-Organisatoren in Caenorhabditis elegans

Intermediärfilamente (IFs) sind neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten die dritte filamentäre Komponente des Zytoskeletts. Sie wirken als mechanische Stabilisatoren, sind außerdem an Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose beteiligt und tragen zu Zellpolarität bei. IFs sind dynamische Strukturen, die zelltypspezifisch in unterschiedlichen Anordnungen und Abundanzen vorkommen und von Signalkaskaden beeinflusst werden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser fein abgestimmten Prozesse sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit sollte deswegen ein Tiermodell entwickelt werden, um Regulatoren der IF-(Netzwerk)-Organisation in vivo zu untersuchen und zu identifizieren. Dazu wurde C. elegans ausgewählt, da es sich hierbei um einen genetisch gut charakterisierten und leicht manipulierbaren Organismus handelt, in dessen Genom elf Gene für zytoplasmatische IFs kodieren. Zunächst wurden stabil transgene C. elegans-Linien generiert, die fluoreszierende IFs exprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass das darmspezifische IFB-2::CFP im Bereich des apikalen Junktionskomplex verankert ist und nahezu vollständig im subapikalen Terminalgeflecht der Enterozyten lokalisiert, das als Teil der endotube besonders stabil und widerstandsfähig ist. Wenn diese Tiere mit dsRNA gegen das ebenfalls im Terminalgeflecht exprimierte IF ifc-2 behandelt wurden, entwickelten sich blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens, die auf eine Schwächung der rigiden und formgebenden endotube hinwiesen und damit einen direkten in vivo-Beweis für die stressprotektive Funktion des intestinalen IF-Netzwerks lieferten. Die leichte Detektierbarkeit des IFB-2::CFP-Musters wurde in einem optischen Screen ausgenutzt, bei dem nach chemischer Mutagenese nach Veränderungen im IF-Muster gefahndet wurde. Hierbei wurden drei Mutanten isoliert. In Komplementationsanalysen stellte sich heraus, dass es sich in zwei Fällen um Allele desselben Gens handelt. Die Identifizierung der betroffenen Gene gelang durch eine PCR-basierte Kartierung von single nucleotide polymorphisms nach Verpaarung mit dem Hawaii-Stamm (snp-mapping) und anschließender RNAi-Analyse der Einzelgene in den identifizierten Chromosomenabschnitten. Im einen Fall handelte es sich um das sma-5-Gen, einer Serin/Threonin-Kinase mit Homologie zu den MAP-Kinasen MAPK7/ERK5 der Säuger. Hier wurden, ebenso wie beim ifc-2 (RNAi)-Phänotyp, progressive blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens beobachtet. Die beiden anderen Allele tragen Mutationen in einem bisher nicht näher charakterisierten Gen. In diesen Würmern kommt es zu einem vollständigen Auflösung des IFB-2::CFP-Netzwerks mit prominenten Akkumulationen um die apikalen Junktionen. Das Darmlumen ist stellenweise geweitet und das elektronendichte Terminalgeflecht fehlt fast vollständig, die Integrität des Darmepithels ist jedoch nicht kompromittiert. Die anderen IFs des Terminalgeflechts sind ebenfalls fehlverteilt, und die intestinale Expression von Aktin ist stark reduziert. Expressionskonstrukte des Gens zeigten weiterhin, dass es darmspezifisch synthetisiert wird und mit den IFs im Terminalgeflecht kolokalisiert. Das Protein ist, ähnlich wie das IF-assoziierte Filaggrin der Säuger ausgesprochen histidinreich. Es enthält außerdem eine Prolin-reiche Domäne, die Teil einer potentiellen Aktin-Bindedomäne ist. Auf Grund all dieser Eigenschaften wird die Bezeichnung IFO-1 (intermediate filament organizer) für das neue Protein vorgeschlagen, das möglicherweise als struktureller Zytoskelett-Linker wirkt. Die vorgestellten Ergebnisse untermauern die Bedeutung von C. elegans für die Identifizierung von Faktoren, die IF-Netzwerke regulieren, und die Möglichkeit, Defekte im lebenden Gesamtorganismus zu bestimmen.

Wide-scale population genomics of Atlantic bluefin tuna (Thunnus thynnus) inferred by novel high-throughput technology

My PhD project was focused on Atlantic bluefin tuna, Thunnus thynnus, a fishery resource overexploited in the last decades. For a better management of stocks, it was necessary to improve scientific knowledge of this species and to develop novel tools to avoid collapse of this important commercial resource. To do this, we used new high throughput sequencing technologies, as Next Generation Sequencing (NGS), and markers linked to expressed genes, as SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms). In this work we applied a combined approach: transcriptomic resources were used to build cDNA libreries from mRNA isolated by muscle, and genomic resources allowed to create a reference backbone for this species lacking of reference genome. All cDNA reads, obtained from mRNA, were mapped against this genome and, employing several bioinformatics tools and different restricted parameters, we achieved a set of contigs to detect SNPs. Once a final panel of 384 SNPs was developed, following the selection criteria, it was genotyped in 960 individuals of Atlantic bluefin tuna, including all size/age classes, from larvae to adults, collected from the entire range of the species. The analysis of obtained data was aimed to evaluate the genetic diversity and the population structure of Thunnus thynnus. We detect a low but significant signal of genetic differentiation among spawning samples, that can suggest the presence of three genetically separate reproduction areas. The adult samples resulted instead genetically undifferentiated between them and from the spawning populations, indicating a presence of panmictic population of adult bluefin tuna in the Mediterranean Sea, without different meta populations.

Forensisch relevante SNP-Genotypisierung mittels elektronischer Microarray-Technologie

Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen eines multizentrischen EU-geförderten Projektes, das die Anwendungsmöglichkeiten von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) zur Individualisierung von Personen im Kontext der Zuordnung von biologischen Tatortspuren oder auch bei der Identifizierung unbekannter Toter behandelt. Die übergeordnete Zielsetzung des Projektes bestand darin, hochauflösende Genotypisierungsmethoden zu etablieren und zu validieren, die mit hoher Genauigkeit aber geringen Aufwand SNPs im Multiplexformat simultan analysieren können. Zunächst wurden 29 Y-chromosomale und 52 autosomale SNPs unter der Anforderung ausgewählt, dass sie als Multiplex eine möglichst hohe Individualisierungschance aufweisen. Anschließend folgten die Validierungen beider Multiplex-Systeme und der SNaPshot™-Minisequenzierungsmethode in systematischen Studien unter Beteiligung aller Arbeitsgruppen des Projektes. Die validierte Referenzmethode auf der Basis einer Minisequenzierung diente einerseits für die kontrollierte Zusammenarbeit unterschiedlicher Laboratorien und andererseits als Grundlage für die Entwicklung eines Assays zur SNP-Genotypisierung mittels der elektronischen Microarray-Technologie in dieser Arbeit. Der eigenständige Hauptteil dieser Dissertation beschreibt unter Verwendung der zuvor validierten autosomalen SNPs die Neuentwicklung und Validierung eines Hybridisierungsassays für die elektronische Microarray-Plattform der Firma Nanogen Dazu wurden im Vorfeld drei verschiedene Assays etabliert, die sich im Funktionsprinzip auf dem Microarray unterscheiden. Davon wurde leistungsorientiert das Capture down-Assay zur Weiterentwicklung ausgewählt. Nach zahlreichen Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich PCR-Produktbehandlung, gerätespezifischer Abläufe und analysespezifischer Oligonukleotiddesigns stand das Capture down-Assay zur simultanen Typisierung von drei Individuen mit je 32 SNPs auf einem Microarray bereit. Anschließend wurde dieses Verfahren anhand von 40 DNA-Proben mit bekannten Genotypen für die 32 SNPs validiert und durch parallele SNaPshot™-Typisierung die Genauigkeit bestimmt. Das Ergebnis beweist nicht nur die Eignung des validierten Analyseassays und der elektronischen Microarray-Technologie für bestimmte Fragestellungen, sondern zeigt auch deren Vorteile in Bezug auf Schnelligkeit, Flexibilität und Effizienz. Die Automatisierung, welche die räumliche Anordnung der zu untersuchenden Fragmente unmittelbar vor der Analyse ermöglicht, reduziert unnötige Arbeitsschritte und damit die Fehlerhäufigkeit und Kontaminationsgefahr bei verbesserter Zeiteffizienz. Mit einer maximal erreichten Genauigkeit von 94% kann die Zuverlässigkeit der in der forensischen Genetik aktuell eingesetzten STR-Systeme jedoch noch nicht erreicht werden. Die Rolle des neuen Verfahrens wird damit nicht in einer Ablösung der etablierten Methoden, sondern in einer Ergänzung zur Lösung spezieller Probleme wie z.B. der Untersuchung stark degradierter DNA-Spuren zu finden sein.

Novel isolates of Cydia pomonella granulovirus (CpGV): deciphering the molecular mechanism for overcoming CpGV resistance in codling moth (Cydia pomonella)

During the last twenty years, Cydia pomonolla granulovirus (CpGV, Baculoviridae) has become the most important biological control agent for the codling moth (CM) in organic and integrated apple production. All registered products in Europe are based on the isolate CpGV-M, which was discovered 1964 in Mexico. A serious threat to future application of CpGV is the occurrence of CM field populations resistant to CpGV. Since 2003, populations with up to 10,000-fold reduced susceptibility were reported from orchards in Germany, France, Italy, Switzerland, Austria and the Netherlands. A putative alternative to CpGV-M are novel CpGV isolates which are able to overcome CM resistance. This thesis focuses on the identification and characterisation of resistance overcoming CpGV isolates and the analysis of their molecular difference to CpGV-M.rnSixteen CpGV isolates were tested against CM lab strains in bioassays. Hereby, five isolates were identified which were able to completely overcome resistance. The genomes of these isolates were compared to CpGV-M by restriction fragment length polymorphism (RFLP) analysis. To identify the molecular factor responsible for improved virulence of some CpGV isolates, major genomic differences were sequenced and analysed. A 0.7 kb insertion was found in CpGV-I01, -I12 and -E2, but not in other resistance overcoming isolates. Analysis of the insertions sequence revealed that it might be due to a transposition event, but not involved in overcoming resistance. rnFor unequivocal identification of CpGV isolates, a new method based on molecular analysis was established. Partial sequencing of the conserved polyhedrin/granulin (polh/gran), late expression factor-8 (lef-8) and late expression factor-9 (lef-9) genes revealed single nucleotide polymorphisms (SNPs). SNP analysis correlated with the grouping obtained by RFLP analysis. A phylogenetic classification due to different genome types A-E is proposed. Phylogenetic analysis suggested that CpGV-M was the phylogenetically youngest of the tested CpGV isolates.rnWhole genome sequencing of two resistance overcoming isolates CpGV-I12 (type D genome) and -S (type E genome) and CpGV-M (type A genome) was performed. Comparison of the three genomes revealed a high sequence identity. Several insertions and deletions ranging from 1-700 nucleotides (nt) were found. Comparison on open reading frame (ORF) level revealed that CpGV-I12 and -S shared only one protein alteration when compared to CpGV-M: a stretch of 24 nt present in ORF cp24 was not found in any of the resistance overcoming isolates. Cp24 codes for the early gene pe38. Combined with the results of phylogenetic analysis, it is proposed that these 24 nt are a recent insertion into the CpGV-M genome. The role of pe38 in overcoming resistance was investigated by knocking out pe38 of a CpGV-M based bacmid and swapping of CpGV-I12 pe38 of into the k.o. bacmid. When pe38 of CpGV-I12 was inserted into the k.o. bacmid, the infectivity could not be rescued, suggesting that the genomic portion of pe38 might play a role in its function.rnIt can be concluded that the recently observed CpGV resistance in CM is only related to type A genomes. RFLP and SNP analysis provide tools for identifying and characterising different CpGV isolates reliably, a pre-condition for a future registration of CpGV products based on novel CpGV isolates.rnrnrn

Multiplex-Genotypisierung forensisch relevanter SNPs unter Verwendung von Microarrays auf chemisch aktivierten Glasflächen

Die Analyse tandem-repetitiver DNA-Sequenzen hat einen festen Platz als genetisches Typisierungsverfahren in den Breichen der stammesgeschichtlichen Untersuchung, der Verwandtschaftsanalyse und vor allem in der forensischen Spurenkunde, bei der es durch den Einsatz der Multiplex-PCR-Analyse von Short Tandem Repeat-Systemen (STR) zu einem Durchbruch bei der Aufklärung und sicheren Zuordnung von biologischen Tatortspuren kam. Bei der Sequenzierung des humanen Genoms liegt ein besonderes Augenmerk auf den genetisch polymorphen Sequenzvariationen im Genom, den SNPs (single nucleotide polymorphisms). Zwei ihrer Eigenschaften – das häufige Vorkommen innerhalb des humanen Genoms und ihre vergleichbar geringe Mutationsrate – machen sie zu besonders gut geeigneten Werkzeugen sowohl für die Forensik als auch für die Populationsgenetik.rnZum Ziel des EU-Projekts „SNPforID“, aus welchem die vorliegende Arbeit entstanden ist, wurde die Etablierung neuer Methoden zur validen Typisierung von SNPs in Multiplexverfahren erklärt. Die Berücksichtigung der Sensitivität bei der Untersuchung von Spuren sowie die statistische Aussagekraft in der forensischen Analyse standen dabei im Vordergrund. Hierfür wurden 52 autosomale SNPs ausgewählt und auf ihre maximale Individualisierungsstärke hin untersucht. Die Untersuchungen der ersten 23 selektierten Marker stellen den ersten Teil der vorliegenden Arbeit dar. Sie umfassen die Etablierung des Multiplexverfahrens und der SNaPshot™-Typisierungsmethode sowie ihre statistische Auswertung. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ein Teil der darauf folgenden, in enger Zusammenarbeit der Partnerlaboratorien durchgeführten Studie der 52-SNP-Multiplexmethode. rnEbenfalls im Rahmen des Projekts und als Hauptziel der Dissertation erfolgten Etablierung und Evaluierung des auf der Microarray-Technologie basierenden Verfahrens der Einzelbasenverlängerung auf Glasobjektträgern. Ausgehend von einer begrenzten DNA-Menge wurde hierbei die Möglichkeit der simultanen Hybridisierung einer möglichst hohen Anzahl von SNP-Systemen untersucht. Die Auswahl der hierbei eingesetzten SNP-Marker erfolgte auf der Basis der Vorarbeiten, die für die Etablierung des 52-SNP-Multiplexes erfolgreich durchgeführt worden waren. rnAus einer Vielzahl von Methoden zur Genotypisierung von biallelischen Markern hebt sich das Assay in seiner Parallelität und der Einfachheit des experimentellen Ansatzes durch eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis ab. In der vorliegenden Arbeit wurde das „array of arrays“-Prinzip eingesetzt, um zur gleichen Zeit unter einheitlichen Versuchsbedingungen zwölf DNA-Proben auf einem Glasobjektträger zu typisieren. Auf der Basis von insgesamt 1419 typisierten Allelen von 33 Markern konnte die Validierung mit einem Typisierungserfolg von 86,75% abgeschlossen werden. Dabei wurden zusätzlich eine Reihe von Randbedingungen in Bezug auf das Sonden- und Primerdesign, die Hybridisierungsbedingungen sowie physikalische Parameter der laserinduzierten Fluoreszenzmessung der Signale ausgetestet und optimiert. rn

Evolutionary genetics of lactase persistence in Eurasian human populations

Although ability to digest lactose generally declines after weaning in all mammals, in some human populations it persists also in adult individuals, a condition named lactase persistence (LP). Studies on the prevalence of the LP phenotype in worldwide human populations have shown that the frequency of this trait is highly variable in different ethnic groups, appearing to be positively correlated with the importance of milk in the diet. In particular, several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in the proximity of the LCT gene have been proved to be associated with LP. Nevertheless, few studies have till now analyzed genetic variation underlying LP in a wide set of Eurasian populations and, especially, in the Italian one. In the present study, we thus typed 40 SNPs surrounding the LCT gene in more than 1,000 samples from Italian and Arabic peninsulas to investigate patterns of LP-related genetic diversity in two regions which have played a pivotal role in the recent human evolutionary history according to their geographical position and historical/archaeological records. Our results underline a high and complex variability of the explored genomic region in both studied populations. In particular, a clear diversification of Northern Italian groups from the rest of the peninsula, was observed, with the formers being genetically more similar to Northern European populations than to Southern Italians. These observation are consistent with known decreasing pattern of LP from Northern to Southern Italy and suggest the possibility of an independent evolution of LP-associated genotypes in Northern Italy. A similar scenario was observed in the Arabian peninsula, with Dhofari Arabs from Southern Oman and Yemeni clustering together with respect to Arabs from Northern Oman and the subgroup of Omanis of Asian origin which appeared instead to be genetically closer to Europeans than to the rest of Arabic groups.

Evaluation von Nukleotidpolymorphismen für die Analyse des hämatopoetischen Spenderchimärismus auf Ebene der cDNA

Nach einer hämatopoetischen Stammzelltransplantation spielt die Zuordnung hämatopoetischer Zellen zum Spender oder Empfänger für viele transplantationsbezogene Fragestellungen eine wichtige Rolle. Unter anderem ist das Persistieren von dendritischen Zellen des Empfängers, welche allogene T-Zellen des Spenders stimulieren, ein wichtiger Schritt bei der Entstehung der akuten GVHD. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Weiterentwicklung einer Methode angestrebt, die es uns erlaubt, die Zugehörigkeit isolierter hämatopoetischer Zellen dem Spender oder dem Empfänger zuzuordnen (Chimärismusbestimmung) und gleichzeitig Aussagen über das Ursprungsgewebe und den Aktivierungszustand der Zellen machen zu können. Hierfür nutzten wir Einzelbasenpolymorphismen (SNPs). Ziel dieser Arbeit war es, einen Pool von cDNA-kodierten SNPs zu definieren, mit dem auch HLA-identische Geschwister eindeutig unteschieden werden können. rnHierfür wurden zunächst aus publizierten Datenbanken solche SNPs ausgewählt, die in kodierenden Genabschnitten konstitutiv und gewebeunabhängig auf expremierten Genen lagen und zugleich eine hohe Heterozygotenfrequenz in der europäischen Population aufwiesen. Anhand dieser Kriterien wurden mittels der NCBI-Datenbank insgesamt eine Anzahl von 208 Polymorphismen auf 150 Genen identifiziert. Anschließend erfolgte die Gestaltung von Primerpaaren zur Amplifikation der SNP-kodierenden cDNA-Abschnitte. Diese mussten mindestens eine Intron/Exon-Grenze überspannen, um genomische DNA in der PCR ausschließen zu können. Mit Hilfe der etablierten PCR-Reaktion wurden die Gene in unterschiedlichen Geweben auf ihre Expression hin überprüft. Für 45 Gene ließ sich sowohl eine entsprechende PCR etablieren als auch deren konstitutive Expression in verschiedenen hämatopoetischen Zellen nachweisen. Zur Detektion der einzelnen SNPs in der Minisequenzierung wurden Minisequenzierungs-Sonden generiert und geprüft. Im Folgenden wurden für PCR und Minisequezierung Multiplex-Reaktionen aus vier bis sechs Reaktionen zusammengestellt. Zu diesem Zweck wurden die jeweiligen Primerinteraktionen und die unterschiedlichen Basenlängen des PCR-Produktes berücksichtigt.rnVon den 45 etablierten Einzelreaktionen waren 30 für den Multiplexansatz geeignet. Unter Anwendung dieser Multiplex-Reaktionen wurden 24 HLA-identische Geschwisterpaare (Spender und Empfänger) getestet. Zur Kontrolle erfolgte zusätzlich eine konventionelle Sequenzierung der SNP-kodierenden Bereiche auf der cDNA der jeweiligen Proben. Mit Hilfe der SNP-Kombinationen und der etablierten Methodik waren wir in der Lage alle 24 untersuchten Geschwisterpaare in zwischen sechs und 18 SNP-Systemen zu unterscheiden. rnDie Möglichkeiten, die die Analysen des Chimärismus mittels SNPs auf kodierenden Bereichen der DNA mit sich bringen, liegen nicht nur in der gleichzeitigen Bestimmung der Gewebszugehörigkeit und der Detektion des bestehenden Chimärismus sowie dessen Quantifizierung unter Anwendung einer Real-time-PCR. Vielmehr ermöglicht sie auch eine Aussage über die Genexpression der untersuchten Zelle zu machen. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn geringe Zellzahlen von aus Gewebe isolierten Zellen zur Verfügung stehen. Die in dieser Arbeit etablierten Ansätze werden derzeit für eine Quantifizierung mittels real-time RCR weiterentwickelt und sollen mittelfristig insbesondere für Untersuchungen des Chimärismus von dermalen und epidermalen dendritischen Zellen der Haut und anderer Zielgewebe der GvHD verwendet werden.rn

A multiparental cross population for mapping QTL for relevant agronomic traits in durum wheat (Triticum durum Desf.)

Multiparental cross designs for mapping quantitative trait loci (QTL) in crops are efficient alternatives to conventional biparental experimental populations because they exploit a broader genetic basis and higher mapping resolution. We describe the development and deployment of a multiparental recombinant inbred line (RIL) population in durum wheat (Triticum durum Desf.) obtained by crossing four elite cultivars characterized by different traits of agronomic value. A linkage map spanning 2,663 cM and including 7,594 single nucleotide polymorphisms (SNPs) was produced by genotyping 338 RILs with a wheat-dedicated 90k SNP chip. A cluster file was developed for correct allele calling in the framework of the tetraploid durum wheat genome. Based on phenotypic data collected over four field experiments, a multi-trait quantitative trait loci (QTL) analysis was carried out for 18 traits of agronomic relevance (including yield, yield-components, morpho-physiological and seed quality traits). Across environments, a total of 63 QTL were identified and characterized in terms of the four founder haplotypes. We mapped two QTL for grain yield across environments and 23 QTL for grain yield components. A novel major QTL for number of grain per spikelet/ear was mapped on chr 2A and shown to control up to 39% of phenotypic variance in this cross. Functionally different QTL alleles, in terms of direction and size of genetic effect, were distributed among the four parents. Based on the occurrence of QTL-clusters, we characterized the breeding values (in terms of effects on yield) of most of QTL for heading and maturity as well as yield component and quality QTL. This multiparental RIL population provides the wheat community with a highly informative QTL mapping resource enabling the dissection of the genetic architecture of multiple agronomic relevant traits in durum wheat.

Studio del possibile ruolo del complesso polycomb nel determinare la schisi del labbro e del palato

La labioschisi con o senza palatoschisi non-sindromica (NSCL/P) è tra le più frequenti alterazioni dello sviluppo embrionale, causata dall’interazione di fattori genetici e ambientali, moti dei quali ancora ignoti. L'obiettivo del mio progetto di Dottorato consiste nell’identificazione di fattori di rischio genetico in un processo a due stadi che prevede la selezione di geni candidati e la verifica del loro coinvolgimento nella determinazione della malformazione mediante studi di associazione. Ho analizzato alcuni polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) dei geni RFC1 e DHFR, appartenenti alla via metabolica dell’acido folico, evidenziando una debole associazione tra alcuni degli SNPs indagati e la NSCL/P nella popolazione italiana. Presso il laboratorio della Dott.ssa Mangold dell’Università di Bonn, ho valutato il ruolo di 15 diverse regioni cromosomiche nel determinare la suscettibilità alla malattia, evidenziando una significativa associazione per i marcatori localizzati in 8q24 e 1p22. Ho quindi rivolto la mia attenzione al ruolo del complesso Polycomb nell’insorgenza della schisi. Nell’uomo i due complessi Polycomb, PRC1 e PRC2, rimodellano la cromatina agendo da regolatori dei meccanismi trascrizionali alla base della differenziazione cellulare e dello sviluppo embrionale. Ho ipotizzato che mutazioni a carico di geni appartenenti a PRC2 possano essere considerati potenziali fattori di rischio genetico nel determinare la NSCL/P. Il razionale consiste nel fatto che JARID2, una proteina che interagisce con PRC2, è associata all’insorgenza della NSCL/P ed espressa a livello delle cellule epiteliali delle lamine palatine che si approssimano alla fusione. L’indagine condotta analizzando i geni di elementi o partner dei due complessi Polycomb, ha evidenziato un’associazione significativa con alcuni polimorfismi dei geni indagati, associazione ulteriormente confermata dall’analisi degli aplotipi. Le analisi condotte sui geni candidati mi hanno permesso di raccogliere dati interessanti sull’eziologia della malformazione. Studi indipendenti saranno necessari per poter validare l'associazione tra le varianti genetiche di questi geni candidati e la NSCL/P.

Detrimental effects of exuberant and restrained immune responses against the central nervous system in the context of multiple sclerosis and glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and most aggressive astrocytic tumor of the central nervous system (CNS) in adults. The standard treatment consisting of surgery, followed by a combinatorial radio- and chemotherapy, is only palliative and prolongs patient median survival to 12 to 15 months. The tumor subpopulation of stem cell-like glioma-initiating cells (GICs) shows resistance against radiation as well as chemotherapy, and has been suggested to be responsible for relapses of more aggressive tumors after therapy. The efficacy of immunotherapies, which exploit the immune system to specifically recognize and eliminate malignant cells, is limited due to strong immunosuppressive activities of the GICs and the generation of a specialized protective microenvironment. The molecular mechanisms underlying the therapy resistance of GICs are largely unknown. rnThe first aim of this study was to identify immune evasion mechanisms in GICs triggered by radiation. A model was used in which patient-derived GICs were treated in vitro with fractionated ionizing radiation (2.5 Gy in 7 consecutive passages) to select for a more radio-resistant phenotype. In the model cell line 1080, this selection process resulted in increased proliferative but diminished migratory capacities in comparison to untreated control GICs. Furthermore, radio-selected GICs downregulated various proteins involved in antigen processing and presentation, resulting in decreased expression of MHC class I molecules on the cellular surface and diminished recognition potential by cytotoxic CD8+ T cells. Thus, sub-lethal fractionated radiation can promote immune evasion and hamper the success of adjuvant immunotherapy. Among several immune-associated proteins, interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) was found to be upregulated in radio-selected GICs. While high expression of IFITM3 was associated with a worse overall survival of GBM patients (TCGA database) and increased proliferation and migration of differentiated glioma cell lines, a strong contribution of IFITM3 to proliferation in vitro as well as tumor growth and invasiveness in a xenograft model could not be observed. rnMultiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the CNS in young adults of the Western World, which leads to progressive disability in genetically susceptible individuals, possibly triggered by environmental factors. It is assumed that self-reactive, myelin-specific T helper cell 1 (Th1) and Th17 cells, which have escaped the control mechanisms of the immune system, are critical in the pathogenesis of the human disease and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). It was observed that in vitro differentiated interleukin 17 (IL-17) producing Th17 cells co-expressed the Th1-phenotypic cytokine Interferon-gamma (IFN-γ) in combination with the two respective lineage-associated transcription factors RORγt and T-bet after re-isolation from the CNS of diseased mice. Pathogenic molecular mechanisms that render a CD4+ T cell encephalitogenic have scarcely been investigated up to date. rnIn the second part of the thesis, whole transcriptional changes occurring in in vitro differentiated Th17 cells in the course of EAE were analyzed. Evaluation of signaling networks revealed an overrepresentation of genes involved in communication between the innate and adaptive immune system and metabolic alterations including cholesterol biosynthesis. The transcription factors Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 and Spi1, associated with thymocyte development and naïve T cells were upregulated in encephalitogenic CNS-isolated CD4+ T cells, proposing a contribution to T cell plasticity. Correlation of the murine T-cell gene expression dataset to putative MS risk genes, which were selected based on their proximity (± 500 kb; ensembl database, release 75) to the MS risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) proposed by the most recent multiple sclerosis GWAS in 2011, revealed that 67.3% of the MS risk genes were differentially expressed in EAE. Expression patterns of Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, and Thada were confirmed in independent experiments, suggesting a contribution to T cell pathogenicity. Functional analysis of Nfatc1 revealed that Nfatc1-deficient CD4+ T cells were restrained in their ability to induce clinical signs of EAE. Nfatc1-deficiency allowed proper T cell activation, but diminished their potential to fully differentiate into Th17 cells and to express high amounts of lineage cytokines. As the inducible Nfatc1/αA transcript is distinct from the other family members, it could represent an interesting target for therapeutic intervention in MS.rn