High sensitivity analysis of BRAF mutations in neoplastic and non-neoplastic thyroid lesions

The clonal distribution of BRAFV600E in papillary thyroid carcinoma (PTC) has been recently debated. No information is currently available about precursor lesions of PTCs. My first aim was to establish whether the BRAFV600E mutation occurs as a subclonal event in PTCs. My second aim was to screen BRAF mutations in histologically benign tissue of cases with BRAFV600E or BRAFwt PTCs in order to identify putative precursor lesions of PTCs. Highly sensitive semi-quantitative methods were used: Allele Specific LNA quantitative PCR (ASLNAqPCR) and 454 Next-Generation Sequencing (NGS). For the first aim 155 consecutive formalin-fixed and paraffin-embedded (FFPE) specimens of PTCs were analyzed. The percentage of mutated cells obtained was normalized to the estimated number of neoplastic cells. Three groups of tumors were identified: a first had a percentage of BRAF mutated neoplastic cells > 80%; a second group showed a number of BRAF mutated neoplastic cells < 30%; a third group had a distribution of BRAFV600E between 30-80%. The large presence of BRAFV600E mutated neoplastic cell sub-populations suggests that BRAFV600E may be acquired early during tumorigenesis: therefore, BRAFV600E can be heterogeneously distributed in PTC. For the second aim, two groups were studied: one consisted of 20 cases with BRAFV600E mutated PTC, the other of 9 BRAFwt PTCs. Seventy-five and 23 histologically benign FFPE thyroid specimens were analyzed from the BRAFV600E mutated and BRAFwt PTC groups, respectively. The screening of BRAF mutations identified BRAFV600E in “atypical” cell foci from both groups of patients. “Unusual” BRAF substitutions were observed in histologically benign thyroid associated with BRAFV600E PTCs. These mutations were very uncommon in the group with BRAFwt PTCs and in BRAFV600E PTCs. Therefore, lesions carrying BRAF mutations may represent “abortive” attempts at cancer development: only BRAFV600E boosts neoplastic transformation to PTC. BRAFV600E mutated “atypical foci” may represent precursor lesions of BRAFV600E mutated PTCs.

Metodi computazionali per l'annotazione di genomi e proteomi

Il progresso tecnologico nel campo della biologia molecolare, pone la comunità scientifica di fronte all’esigenza di dare un’interpretazione all’enormità di sequenze biologiche che a mano a mano vanno a costituire le banche dati, siano esse proteine o acidi nucleici. In questo contesto la bioinformatica gioca un ruolo di primaria importanza. Un nuovo livello di possibilità conoscitive è stato introdotto con le tecnologie di Next Generation Sequencing (NGS), per mezzo delle quali è possibile ottenere interi genomi o trascrittomi in poco tempo e con bassi costi. Tra le applicazioni del NGS più rilevanti ci sono senza dubbio quelle oncologiche che prevedono la caratterizzazione genomica di tessuti tumorali e lo sviluppo di nuovi approcci diagnostici e terapeutici per il trattamento del cancro. Con l’analisi NGS è possibile individuare il set completo di variazioni che esistono nel genoma tumorale come varianti a singolo nucleotide, riarrangiamenti cromosomici, inserzioni e delezioni. Va però sottolineato che le variazioni trovate nei geni vanno in ultima battuta osservate dal punto di vista degli effetti a livello delle proteine in quanto esse sono le responsabili più dirette dei fenotipi alterati riscontrabili nella cellula tumorale. L’expertise bioinformatica va quindi collocata sia a livello dell’analisi del dato prodotto per mezzo di NGS ma anche nelle fasi successive ove è necessario effettuare l’annotazione dei geni contenuti nel genoma sequenziato e delle relative strutture proteiche che da esso sono espresse, o, come nel caso dello studio mutazionale, la valutazione dell’effetto della variazione genomica. È in questo contesto che si colloca il lavoro presentato: da un lato lo sviluppo di metodologie computazionali per l’annotazione di sequenze proteiche e dall’altro la messa a punto di una pipeline di analisi di dati prodotti con tecnologie NGS in applicazioni oncologiche avente come scopo finale quello della individuazione e caratterizzazione delle mutazioni genetiche tumorali a livello proteico.

Molecular genetics of inherited cystic kidney diseases: new diagnostic approaches

Background. Hhereditary cystic kidney diseases are a heterogeneous spectrum of disorders leading to renal failure. Clinical features and family history can help to distinguish the recessive from dominant diseases but the differential diagnosis is difficult due the phenotypic overlap. The molecular diagnosis is often the only way to characterize the different forms. A conventional molecular screening is suitable for small genes but is expensive and time-consuming for large size genes. Next Generation Sequencing (NGS) technologies enables massively parallel sequencing of nucleic acid fragments. Purpose. The first purpose was to validate a diagnostic algorithm useful to drive the genetic screening. The second aim was to validate a NGS protocol of PKHD1 gene. Methods. DNAs from 50 patients were submitted to conventional screening of NPHP1, NPHP5, UMOD, REN and HNF1B genes. 5 patients with known mutations in PKHD1 were submitted to NGS to validate the new method and a not genotyped proband with his parents were analyzed for a diagnostic application. Results. The conventional molecular screening detected 8 mutations: 1) the novel p.E48K of REN in a patient with cystic nephropathy, hyperuricemia, hyperkalemia and anemia; 2) p.R489X of NPHP5 in a patient with Senior Loken Syndrome; 3) pR295C of HNF1B in a patient with renal failure and diabetes.; 4) the NPHP1 deletion in 3 patients with medullar cysts; 5) the HNF1B deletion in a patient with medullar cysts and renal hypoplasia and in a diabetic patient with liver disease. The NGS of PKHD1 detected all known mutations and two additional variants during the validation. The diagnostic NGS analysis identified the patient’s compound heterozygosity with a maternal frameshift mutation and a paternal missense mutation besides a not transmitted paternal missense mutation. Conclusions. The results confirm the validity of our diagnostic algorithm and suggest the possibility to introduce this NGS protocol to clinical practice.

Transkriptom des Meristemgewebes des Kolumnarapfels

Kolumnare Apfelbäume (Malus x domestica) stellen aufgrund ihres auffälligen Phänotyps eine ökonomisch interessante Wuchsform dar. Diese extreme Form des Kurztriebwuchses zeichnet sich durch einen insgesamt sehr schlanken, säulenförmigen Habitus aus, welcher eine dichte Pflanzung und damit einhergehend Ertragssteigerungen im Vergleich zu normalwüchsigen Bäumen ermöglicht. Verursacht wird der Phänotyp durch die Anwesenheit eines einzelnen, dominanten Allels des Columnar (Co)-Gens. Bis auf die approximative Lokalisation des Gens auf Chromosom 10 ist über mögliche Identität und Funktion bislang nichts bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Versuch unternommen, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (NGS) Technologien und RNA-Seq Einblicke in das Transkriptom des Sprossapikalmeristems (SAM) kolumnarer Apfelbäume zu gewinnen. So konnte gezeigt werden, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Entnahme des Materials mehrere hundert Gene differentiell reguliert werden. Diese lassen sich funktional in mehrere überrepräsentierte Kategorien gruppieren, von denen sich einige wiederum mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren lassen. Durch den Einsatz weiterer Expressionsstudien (Microarrays, qRT-PCR) konnten frühere Ergebnisse bezüglich des Hormonhaushalts auf Genebene bestätigt und neue Erkenntnisse gewonnen werden, die eine mögliche Erklärung für den Phänotyp darstellen. Weiterhin ergab der Vergleich aller durchgeführten Expressionsstudien eine Anreicherung signifikant differentiell regulierter Gene auf Chromosom 10, was auf einen „selective sweep“ hindeutet. Eine potentielle epigenetische Regulation dieser Gene durch das Genprodukt von Co könnte daher möglich sein. Mehr als die Hälfte dieser Gene lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer Funktion direkt mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren.rnDiese Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Co-Allels massive Veränderungen in der Genregulation des SAMs mit sich bringt, wobei einige dieser differentiell regulierten Gene mit großer Wahrscheinlichkeit an der Etablierung des kolumnaren Phänotyps beteiligt sind. Auch wenn die Funktion des Co-Genproduktes nicht abschließend geklärt werden konnte, sind doch anhand der Resultate schlüssige Hypothesen diesbezüglich möglich.rn

Data management and data analysis in the large European projects GEHA (GEnetics of Healthy Aging) and NU-AGE (NUtrition and AGEing): a bioinformatic approach

The aging process is characterized by the progressive fitness decline experienced at all the levels of physiological organization, from single molecules up to the whole organism. Studies confirmed inflammaging, a chronic low-level inflammation, as a deeply intertwined partner of the aging process, which may provide the “common soil” upon which age-related diseases develop and flourish. Thus, albeit inflammation per se represents a physiological process, it can rapidly become detrimental if it goes out of control causing an excess of local and systemic inflammatory response, a striking risk factor for the elderly population. Developing interventions to counteract the establishment of this state is thus a top priority. Diet, among other factors, represents a good candidate to regulate inflammation. Building on top of this consideration, the EU project NU-AGE is now trying to assess if a Mediterranean diet, fortified for the elderly population needs, may help in modulating inflammaging. To do so, NU-AGE enrolled a total of 1250 subjects, half of which followed a 1-year long diet, and characterized them by mean of the most advanced –omics and non –omics analyses. The aim of this thesis was the development of a solid data management pipeline able to efficiently cope with the results of these assays, which are now flowing inside a centralized database, ready to be used to test the most disparate scientific hypotheses. At the same time, the work hereby described encompasses the data analysis of the GEHA project, which was focused on identifying the genetic determinants of longevity, with a particular focus on developing and applying a method for detecting epistatic interactions in human mtDNA. Eventually, in an effort to propel the adoption of NGS technologies in everyday pipeline, we developed a NGS variant calling pipeline devoted to solve all the sequencing-related issues of the mtDNA.

Analysis of the pig genome for the identification of genomic regions affecting production traits

The aim of this work was to identify markers associated with production traits in the pig genome using different approaches. We focused the attention on Italian Large White pig breed using Genome Wide Association Studies (GWAS) and applying a selective genotyping approach to increase the power of the analyses. Furthermore, we searched the pig genome using Next Generation Sequencing (NSG) Ion Torrent Technology to combine selective genotyping approach and deep sequencing for SNP discovery. Other two studies were carried on with a different approach. Allele frequency changes for SNPs affecting candidate genes and at Genome Wide level were analysed to identify selection signatures driven by selection program during the last 20 years. This approach confirmed that a great number of markers may affect production traits and that they are captured by the classical selection programs. GWAS revealed 123 significant or suggestively significant SNP associated with Back Fat Thickenss and 229 associated with Average Daily Gain. 16 Copy Number Variant Regions resulted more frequent in lean or fat pigs and showed that different copies of those region could have a limited impact on fat. These often appear to be involved in food intake and behavior, beside affecting genes involved in metabolic pathways and their expression. By combining NGS sequencing with selective genotyping approach, new variants where discovered and at least 54 are worth to be analysed in association studies. The study of groups of pigs undergone to stringent selection showed that allele frequency of some loci can drastically change if they are close to traits that are interesting for selection schemes. These approaches could be, in future, integrated in genomic selection plans.

Natural compounds Camptothecin and Triptolide: highly specific enzyme inhibitors and tools to dissect transcriptional functions

With this work I elucidated new and unexpected mechanisms of two strong and highly specific transcription inhibitors: Triptolide and Campthotecin. Triptolide (TPL) is a diterpene epoxide derived from the Chinese plant Trypterigium Wilfoordii Hook F. TPL inhibits the ATPase activity of XPB, a subunit of the general transcription factor TFIIH. In this thesis I found that degradation of Rbp1 (the largest subunit of RNA Polymerase II) caused by TPL treatments, is preceded by an hyperphosphorylation event at serine 5 of the carboxy-terminal domain (CTD) of Rbp1. This event is concomitant with a block of RNA Polymerase II at promoters of active genes. The enzyme responsible for Ser5 hyperphosphorylation event is CDK7. Notably, CDK7 downregulation rescued both Ser5 hyperphosphorylation and Rbp1 degradation triggered by TPL. Camptothecin (CPT), derived from the plant Camptotheca acuminata, specifically inhibits topoisomerase 1 (Top1). We first found that CPT induced antisense transcription at divergent CpG islands promoter. Interestingly, by immunofluorescence experiments, CPT was found to induce a burst of R loop structures (DNA/RNA hybrids) at nucleoli and mitochondria. We then decided to investigate the role of Top1 in R loop homeostasis through a short interfering RNA approach (RNAi). Using DNA/RNA immunoprecipitation techniques coupled to NGS I found that Top1 depletion induces an increase of R loops at a genome-wide level. We found that such increase occurs on the entire gene body. At a subset of loci R loops resulted particularly stressed after Top1 depletion: some of these genes showed the formation of new R loops structures, whereas other loci showed a reduction of R loops. Interestingly we found that new peaks usually appear at tandem or divergent genes in the entire gene body, while losses of R loop peaks seems to be a feature specific of 3’ end regions of convergent genes.

Caratterizzazione genomica di virus influenzali suini in Italia mediante next generation sequencing

I sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2 di influenza A virus sono largamente diffusi nella popolazione suina di tutto il mondo. Nel presente lavoro è stato sviluppato un protocollo di sequenziamento di c.d. nuova generazione, su piattaforma Ion Torrent PGM, idoneo per l’analisi di tutti i virus influenzali suini (SIV). Per valutare l’evoluzione molecolare dei SIV italiani, sono stati sequenziati ed analizzati mediante analisi genomica e filogenetica un totale di sessantadue ceppi di SIV appartenenti ai sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2, isolati in Italia dal 1998 al 2014. Sono stati evidenziati in sei campioni due fenomeni di riassortimento: tutti i SIV H1N2 esaminati presentavano una neuraminidasi di derivazione umana, diversa da quella dei SIV H1N2 circolanti in Europa, inoltre l’emoagglutinina (HA) di due isolati H1N2 era originata dal riassortimento con un SIV H1N1 avian-like. L’analisi molecolare dell’HA ha permesso di rivelare un’inserzione di due amminoacidi in quattro SIV H1N1 pandemici e una delezione di due aminoacidi in quattro SIV H1N2, entrambe a livello del sito di legame con il recettore cellulare. E’ stata inoltre evidenziata un’elevata omologia di un SIV H1N1 con ceppi europei isolati negli anni ’80, suggerendo la possibile origine vaccinale di questo virus. E’ stato possibile, in aggiunta, applicare il nuovo protocollo sviluppato per sequenziare un virus influenzale aviare altamente patogeno trasmesso all’uomo, direttamente da campione biologico. La diversità genetica nei SIV esaminati in questo studio conferma l’importanza di un continuo monitoraggio della costellazione genomica dei virus influenzali nella popolazione suina.

Metodi innovativi per il sequenziamento di acidi nucleici

Analisi dello sviluppo delle recenti metodologie di sequenziamento di acidi nucleici, con particolare attenzione a NGS e metodi high-throughput sequencing.

Regulatory T cell-mediated suppression of Th9 cell development and effector function

T helper (Th) 9 cells are an important subpopulation of the CD4+ T helper cells. Due to their ability to secrete Interleukin-(IL-)9, Th9 cells essentially contribute to the expulsion of parasitic helminths from the intestinal tract but they play also an immunopathological role in the course of asthma. Recently, a beneficial function of Th9 cells in anti-tumor immune responses was published. In a murine melanoma tumor model Th9 cells were shown to enhance the anti-melanoma immune response via the recruitment of CD8+ T cells, dendritic cells and mast cells. In contrast to Th9 effector cells regulatory T cells (Tregs) are able to control an immune response with the aid of different suppressive mechanisms. Based on their ability to suppress an immune response Tregs are believed to be beneficial in asthma by diminishing excessive allergic reactions. However, concerning cancer they can have a detrimental function because Tregs inhibit an effective anti-tumor immune reaction. Thus, the analysis of Th9 suppression by Tregs is of central importance concerning the development of therapeutic strategies for the treatment of cancer and allergic diseases and was therefore the main objective of this PhD thesis.rnIn general it could be demonstrated that the development of Th9 cells can be inhibited by Tregs in vitro. The production of the lineage-specific cytokine IL-9 by developing Th9 cells was completely suppressed at a Treg/Th9 ratio of 1:1 on the transcriptional (qRT-PCR) as well as on the translational level (ELISA). In contrast, the expression of IRF4 that was found to strongly promote Th9 development was not reduced in the presence of Tregs, suggesting that IRF4 requires additional transcription factors to induce the differentiation of Th9 cells. In order to identify such factors, which regulate Th9 development and therefore represent potential targets for Treg-mediated suppressive mechanisms, a transcriptome analysis using “next-generation sequencing” was performed. The expression of some genes which were found to be up- or downregulated in Th9 cells in the presence of Tregs was validated with qRT-PCR. Time limitations prevented a detailed functional analysis of these candidate genes. Nevertheless, the analysis of the suppressive mechanisms revealed that Tregs probably suppress Th9 cells via the increase of the intracellular cAMP concentration. In contrast, IL-9 production by differentiated Th9 cells was only marginally affected by Tregs in vitro and in vivo analysis (asthma, melanoma model). Hence, Tregs represent very effective inhibitors of Th9 development whereas they have only a minimal suppressive influence on differentiated Th9 cells.rn

Individualisierte Krebstherapie : präklinischer „proof of concept“ einer mutationsspezifischen Immuntherapie

Da nicht-synonyme tumorspezifische Punktmutationen nur in malignen Geweben vorkommen und das veränderte Proteinprodukt vom Immunsystem als „fremd“ erkannt werden kann, stellen diese einen bisher ungenutzten Pool von Zielstrukturen für die Immuntherapie dar. Menschliche Tumore können individuell bis zu tausenden nicht-synonymer Punktmutationen in ihrem Genom tragen, welche nicht der zentralen Immuntoleranz unterliegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Hypothese zu untersuchen, dass das Immunsystem in der Lage sein sollte, mutierte Epitope auf Tumorzellen zu erkennen und zu klären, ob auf dieser Basis eine wirksame mRNA (RNA) basierte anti-tumorale Vakzinierung etabliert werden kann. Hierzu wurde von Ugur Sahin und Kollegen, das gesamte Genom des murinen B16-F10 Melanoms sequenziert und bioinformatisch analysiert. Im Rahmen der NGS Sequenzierung wurden mehr als 500 nicht-synonyme Punktmutationen identifiziert, von welchen 50 Mutationen selektiert und durch Sanger Sequenzierung validiert wurden. rnNach der Etablierung des immunologischen Testsysteme war eine Hauptfragestellung dieser Arbeit, die selektierten nicht-synonyme Punktmutationen in einem in vivo Ansatz systematisch auf Antigenität zu testen. Für diese Studien wurden mutierte Sequenzen in einer Länge von 27 Aminosäuren genutzt, in denen die mutierte Aminosäure zentral positioniert war. Durch die Länge der Peptide können prinzipiell alle möglichen MHC Klasse-I und -II Epitope abgedeckt werden, welche die Mutation enthalten. Eine Grundidee des Projektes Ansatzes ist es, einen auf in vitro transkribierter RNA basierten oligotopen Impfstoff zu entwickeln. Daher wurden die Impfungen naiver Mäuse sowohl mit langen Peptiden, als auch in einem unabhängigen Ansatz mit peptidkodierender RNA durchgeführt. Die Immunphänotypisierung der Impfstoff induzierten T-Zellen zeigte, dass insgesamt 16 der 50 (32%) mutierten Sequenzen eine T-Zellreaktivität induzierten. rnDie Verwendung der vorhergesagten Epitope in therapeutischen Vakzinierungsstudien bestätigten die Hypothese das mutierte Neo-Epitope potente Zielstrukturen einer anti-tumoralen Impftherapie darstellen können. So wurde in therapeutischen Tumorstudien gezeigt, dass auf Basis von RNA 9 von 12 bestätigten Epitopen einen anti-tumoralen Effekt zeigte.rnÜberaschenderweise wurde bei einem MHC Klasse-II restringierten mutiertem Epitop (Mut-30) sowohl in einem subkutanen, als auch in einem unabhängigen therapeutischen Lungenmetastasen Modell ein starker anti-tumoraler Effekt auf B16-F10 beobachtet, der dieses Epitop als neues immundominantes Epitop für das B16-F10 Melanom etabliert. Um den immunologischen Mechanismus hinter diesem Effekt näher zu untersuchen wurde in verschieden Experimenten die Rolle von CD4+, CD8+ sowie NK-Zellen zu verschieden Zeitpunkten der Tumorentwicklung untersucht. Die Analyse des Tumorgewebes ergab, eine signifikante erhöhte Frequenz von NK-Zellen in den mit Mut-30 RNA vakzinierten Tieren. Das NK Zellen in der frühen Phase der Therapie eine entscheidende Rolle spielen wurde anhand von Depletionsstudien bestätigt. Daran anschließend wurde gezeigt, dass im fortgeschrittenen Tumorstadium die NK Zellen keinen weiteren relevanten Beitrag zum anti-tumoralen Effekt der RNA Vakzinierung leisten, sondern die Vakzine induzierte adaptive Immunantwort. Durch die Isolierung von Lymphozyten aus dem Tumorgewebe und deren Einsatz als Effektorzellen im IFN-γ ELISPOT wurde nachgewiesen, dass Mut-30 spezifische T-Zellen das Tumorgewebe infiltrieren und dort u.a. IFN-γ sekretieren. Dass diese spezifische IFN-γ Ausschüttung für den beobachteten antitumoralen Effekt eine zentrale Rolle einnimmt wurde unter der Verwendung von IFN-γ -/- K.O. Mäusen bestätigt.rnDas Konzept der individuellen RNA basierten mutationsspezifischen Vakzine sieht vor, nicht nur mit einem mutations-spezifischen Epitop, sondern mit mehreren RNA-kodierten Mutationen Patienten zu impfen um der Entstehung von „escape“-Mutanten entgegenzuwirken. Da es nur Erfahrung mit der Herstellung und Verabreichung von Monotop-RNA gab, also RNA die für ein Epitop kodiert, war eine wichtige Fragestellungen, inwieweit Oligotope, welche die mutierten Sequenzen sequentiell durch Linker verbunden als Fusionsprotein kodieren, Immunantworten induzieren können. Hierzu wurden Pentatope mit variierender Position des einzelnen Epitopes hinsichtlich ihrer in vivo induzierten T-Zellreaktivitäten charakterisiert. Die Experimente zeigten, dass es möglich ist, unabhängig von der Position im Pentatop eine Immunantwort gegen ein Epitop zu induzieren. Des weiteren wurde beobachtet, dass die induzierten T-Zellfrequenzen nach Pentatop Vakzinierung im Vergleich zur Nutzung von Monotopen signifikant gesteigert werden kann.rnZusammenfassend wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit präklinisch erstmalig nachgewiesen, dass nicht-synonyme Mutationen eine numerisch relevante Quelle von Zielstrukturen für die anti-tumorale Immuntherapie darstellen. Überraschenderweise zeigte sich eine dominante Induktion MHC-II restringierter Immunantworten, welche partiell in der Lage waren massive Tumorabstoßungsreaktionen zu induzieren. Im Sinne einer Translation der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein RNA basiertes Oligotop-Format etabliert, welches Eingang in die klinische Testung des Konzeptes fand.rn

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

One-year evaluation of a neonatal screening program for cystic fibrosis in Switzerland

BACKGROUND From January 2011 onward, the Swiss newborn screening (NBS) program has included a test for cystic fibrosis (CF). In this study, we evaluate the first year of implementation of the CF-NBS program. METHODS The CF-NBS program consists of testing in two steps: a heel prick sample is drawn (= Guthrie test) for measurement of immunoreactive trypsinogen (IRT) and for DNA screening. All children with a positive screening test are referred to a CF center for further diagnostic testing (sweat test and genetic analysis). After assessment in the CF center, the parents are given a questionnaire. All the results of the screening process and the parent questionnaires were centrally collected and evaluated. RESULTS In 2011, 83 198 neonates were screened, 84 of whom (0.1%) had a positive screening result and were referred to a CF center. 30 of these 84 infants were finally diagnosed with CF (positive predictive value: 35.7%). There was an additional infant with CF and meconium ileus whose IRT value was normal. The 31 diagnosed children with CF correspond to an incidence of 1 : 2683. The average time from birth to genetically confirmed diagnosis was 34 days (range: 13-135). 91% of the parents were satisfied that their child had undergone screening. All infants receiving a diagnosis of CF went on to receive further professional care in a CF center. CONCLUSION The suggested procedure for CF-NBS has been found effective in practice; there were no major problems with its implementation. It reached high acceptance among physicians and parents.

Streaming Support for Data Intensive Cloud-Based Sequence Analysis

Cloud computing provides a promising solution to the genomics data deluge problem resulting from the advent of next-generation sequencing (NGS) technology. Based on the concepts of “resources-on-demand” and “pay-as-you-go”, scientists with no or limited infrastructure can have access to scalable and cost-effective computational resources. However, the large size of NGS data causes a significant data transfer latency from the client’s site to the cloud, which presents a bottleneck for using cloud computing services. In this paper, we provide a streaming-based scheme to overcome this problem, where the NGS data is processed while being transferred to the cloud. Our scheme targets the wide class of NGS data analysis tasks, where the NGS sequences can be processed independently from one another. We also provide the elastream package that supports the use of this scheme with individual analysis programs or with workflow systems. Experiments presented in this paper show that our solution mitigates the effect of data transfer latency and saves both time and cost of computation.

Next-generation sequencing of HIV-1 RNA genomes: determination of error rates and minimizing artificial recombination.

Next-generation sequencing (NGS) is a valuable tool for the detection and quantification of HIV-1 variants in vivo. However, these technologies require detailed characterization and control of artificially induced errors to be applicable for accurate haplotype reconstruction. To investigate the occurrence of substitutions, insertions, and deletions at the individual steps of RT-PCR and NGS, 454 pyrosequencing was performed on amplified and non-amplified HIV-1 genomes. Artificial recombination was explored by mixing five different HIV-1 clonal strains (5-virus-mix) and applying different RT-PCR conditions followed by 454 pyrosequencing. Error rates ranged from 0.04-0.66% and were similar in amplified and non-amplified samples. Discrepancies were observed between forward and reverse reads, indicating that most errors were introduced during the pyrosequencing step. Using the 5-virus-mix, non-optimized, standard RT-PCR conditions introduced artificial recombinants in a fraction of at least 30% of the reads that subsequently led to an underestimation of true haplotype frequencies. We minimized the fraction of recombinants down to 0.9-2.6% by optimized, artifact-reducing RT-PCR conditions. This approach enabled correct haplotype reconstruction and frequency estimations consistent with reference data obtained by single genome amplification. RT-PCR conditions are crucial for correct frequency estimation and analysis of haplotypes in heterogeneous virus populations. We developed an RT-PCR procedure to generate NGS data useful for reliable haplotype reconstruction and quantification.