Shannon information and power law analysis of the chromosome code

This paper studies the information content of the chromosomes of twenty-three species. Several statistics considering different number of bases for alphabet character encoding are derived. Based on the resulting histograms, word delimiters and character relative frequencies are identified. The knowledge of this data allows moving along each chromosome while evaluating the flow of characters and words. The resulting flux of information is captured by means of Shannon entropy. The results are explored in the perspective of power law relationships allowing a quantitative evaluation of the DNA of the species.

The role of complex chromosome translocations in leukemia

Resumo A tumorigénese é um processo de transformação celular que se desenrola tipicamente em várias etapas. Os diferentes níveis de evolução tumoral resultam da acumulação sucessiva de mutações genéticas numa célula normal que lhe conferem uma vantagem selectiva no respectivo meio tecidular. As mutações podem manifestar-se sob a forma de alterações nucleotídicas pontuais ao nível da sequência de DNA, levando a uma desregulação da função proteíca ou à formação de proteínas não-funcionais, ou através de alterações cromossómicas numéricas ou estruturais. Na leucemia, por exemplo, os genes híbridos que resultam de translocações cromossómicas desempenham um importante papel no processo tumorigénico. Estes genes são transcritos sob a forma de um RNA mensageiro de fusão, o qual é traduzido numa proteína híbrida com função oncogénica. Frequentemente, os subtipos de doença leucémica estão associados com translocações cromossómicas que envolvem 2 pontos de quebra recorrentes e específicos. É disto exemplo a leucemia mielóide crónica, em que uma translocação recíproca entre os cromossomas 9 e 22 conduz à formação de um gene de fusão BCR-ABL1. Em diferentes subtipos de doença, existe também uma pequena proporção de casos que apresenta translocações cromossómicas complexas, que envolvem um ou mais pontos de quebra adicionais em outras localizações genómicas além das que estão implicadas na formação dos genes de fusão. Por vezes, os pontos de quebra estão também associados a delecções extensas de material genético que se pensa terem uma função importante na tumorigénese. No entanto, o papel destas regiões genómicas no desenvolvimento tumoral não tem sido um motivo recorrente de estudo. Neste contexto, o objectivo desta dissertação foi o de determinar o potencial papel tumorigénico de alterações génicas adicionais ocorridas nos pontos de quebra de translocações cromossómicas complexas. Para a prossecução do objectivo proposto, foram estudados 5 rearranjos cromossómicos distintos associados com diferentes tipos de doença hematológica maligna, nomeadamente a leucemia linfoblástica aguda de células B (2 casos), leucemia mielóide aguda, neoplasma mieloproliferativo e síndrome mielodisplásico/neoplasma ieloproliferativo, não classificável. O mapeamento dos pontos de quebra foi efectuado utilizando a hibridação fluorescente in situ e diferentes metodologias de biologia molecular, tendo como base a informação inicial da análise citogenética. Em casos seleccionados, o papel dos novos genes candidatos foi avaliado in vitro utilizando modelos de linhas celulares, nomeadamente no que respeita às funções de controlo da proliferação celular e de regulação transcricional. De entre os 5 casos estudados, quatro deles evidenciaram translocações complexas envolvendo 3 cromossomas, nomeadamente t(12;21;5)(p13;q22;q13), t(12;6;15)(p13;p24~25;q22), t(9;11;19)(p22;q23;p13) e t(X;20;16)(p11;q13;q23). No caso remanescente, foi observada uma translocação dicêntrica dic(9;12)(p11;p11) acompanhada de delecções extensas em ambos os pontos de quebra. Nos casos com t(12;21;5) e t(9;11;19) as translocações estavam associadas com a presença de genes de fusão recorrentes, nomeadamente TV6(12p13)-RUNX1(21q22) e TLL(11q23)-MLLT3(9p22), indicando que se tratavam de rearranjos complexos das translocações t(12;21) e t(9;11) associadas com a leucemia linfoblástica aguda de células B e a leucemia mielóide aguda, respectivamente. O papel dos pontos de quebra adicionais foi estudado em detalhe no caso com t(9;11;19). Através da metodologia de long distance inverse-polymerase chain reaction, foram identificados os pontos de quebra na sequência de DNA dos 3 cromossomas envolvidos na translocação. Além dos pontos de quebra nos genes MLL e MLLT3, foi observado que o local de quebra no cromossoma 19 interrompeu a sequência de um novo gene, designado CCDC94,conduzindo à sua haplo-insuficiência nas células com t(9;11;19). Através de ensaios de reverse transcription-polymerase chain reaction verificámos que o gene CCDC94 é expresso ubiquitariamente em tecidos humanos normais. A análise informática da sequência prevista da proteína CCDC94 indicou uma elevada identidade de aminoácidos com a proteína cwf16, envolvida na regulação do ciclo celular da levedura Schizosaccharomyces pombe. Através da clonagem do DNA complementar de CCDC94 em vectores de expressão, e após a transfecção destes em culturas de linhas celulares in vitro, observámos que este gene codifica uma proteína de localização exclusivamente nuclear. A expressão ectópica da proteína CCDC94 diminuiu a progressão do ciclo celular e a proliferação das células em cultura. Inversamente, a supressão do transcrito do gene CCDC94 através de interferência de RNA conduziu a um aumento significativo da proliferação celular, confirmando que CCDC94 regula negativamente a proliferação e a progressão do ciclo celular. Estes resultados mostram que os pontos de quebra adicionais, presentes em translocações cromossómicas complexas em leucemia, podem resultar na haplo-insuficiência de genes controladores dos mecanismos proliferativos, cooperando desta forma com a acção das proteínas de fusão para proporcionar ao clone leucémico uma proliferação celular descontrolada. Nos restantes 3 casos estudados não foram identificados genes de fusão. Ao invés, todos aqueles apresentaram delecções de extensão variável associadas com os pontos de quebra cromossómicos. No caso com t(12;6;15), identificámos uma delecção de 1.2 megabases de DNA na banda 12p13 que resultou na eliminação de 9 genes incluindo ETV6 e CDKN1B. O gene ETV6 codifica um factor de transcrição que é essencial para a formação das diferentes linhagens hematopoiéticas na medula óssea, enquanto CDKN1B é traduzido numa proteína responsável por bloquear a entrada das células na fase G1 do ciclo celular e,consequentemente, por travar a proliferação celular. Neste contexto, os resultados obtidos indicam que a perda simultânea de ETV6 e de CDKN1B, através de uma translocação cromossómica complexa, constituiu uma acção cooperativa na leucemogénese. A mesma noção pode aplicar-se ao caso com dic(9;12), no qual pelo menos 2 genes que codificam para factores de transcrição importantes na linhagem hematopoiética, PAX5 no cromossoma 9 e ETV6 no cromossoma 12, estavam deleccionados como resultado do rearranjo cromossómico. Dado que o factor de transcrição PAX5 regula negativamente a expressão do gene FLT3, que desempenha uma função pró-proliferativa, é expectável que a haplo-insuficiência de PAX5 no caso com dic(9;12) terá tido como consequência uma elevação dos níveis de expressão de FLT3, contribuindo deste modo para uma proliferação celular aumentada. A t(X;20;16) foi identificada num doente com trombocitémia essencial (TE), uma doença que está intimamente relacionada com alterações de vias intracelulares reguladas por citocinas. Neste caso, através da utilização de um array genómico, identificámos a presença de pequenas delecções associadas com os pontos de quebra nos cromossomas 16 e 20. No cromossoma 16 apenas um gene, MAF, estava deleccionado, enquanto no cromossoma 20 a delecção tinha abrangido 3 genes. Dos genes deleccionados, dois deles, NFATC2 (20q13) e MAF (16q23), codificam proteínas que operam como reguladores transcricionais de citocinas hematopoiéticas. Dado que NFATC2 se localiza numa região que constitui um alvo frequente de delecções em neoplasmas ieloproliferativos, incluindo a trombocitémia essencial,efectuámos um estudo detalhado do papel deste gene na proliferação megacariocítica e na regulação da expressão de uma citocina hematopoiética (GM-CSF), implicada na maturação das diferentes linhagens mielóides. Utilizando um modelo de linha celular de trombocitémia essencial, verificámos que a supressão do transcrito do gene NFATC2 in vitro, por interferência de RNA, estava associada com um aumento da proliferação celular. Em concordância, o bloqueio da activação da proteína NFATC2 através de um inibidor específico da sua interacção com a calcineurina, conduziu a um aumento da proliferação celular in vitro. Utilizando a PCR quantitativa em tempo real, detectou-se um aumento da produção do RNA de GM-CSF em ambos os ensaios celulares, indicando que o factor de transcrição NFATC2 pode regular negativamente a expressão de GM-CSF em células de trombocitémia essencial. No geral, estes resultados mostram que a redução dos níveis fisiológicos do transcrito NFATC2, ou a redução da respectiva actividade proteica, estão relacionados com a proliferação de megacariocitos através do aumento da produção de GM-CSF. De acordo com estes resultados, verificámos que as células dos doentes com TE apresentam níveis mais baixos do transcrito NFATC2 do que a população normal. Dado que o factor de transcrição MAF desempenha igualmente um papel como regular transcricional de citocinas, é plausível que a haplo-insuficiência dos genes NFATC2 e MAF, resultante do rearranjo cromossómico complexo t(X;20;16), teve um efeito cooperativo importante na patogénese da trombocitémia essencial através da alteração do padrão normal de expressão das citocinas hematopoiéticas. Em síntese, efectuámos nesta dissertação um estudo citogenético de 4 translocações cromossómicas complexas incluindo t(12;21;5), t(12;6;15), t(9;11;19) e t(X;20;16), e de uma translocação dicêntrica dic(9;12), associadas com diferentes neoplasmas hematológicos. Em casos seleccionados efectuámos também um estudo molecular detalhado das regiões dos pontos de quebra. Esta análise permitiu-nos identificar 2 genes, CCDC94 no cromossoma 19 e NFATC2 no cromossoma 20, cuja haplo-insuficiência pode promover o aumento da proliferação celular das células leucémicas. A partir destes estudos podem ser retiradas 2 noções principais: (i) Os pontos de quebra adicionais, que ocorrem em translocações complexas associadas com a formação de genes de fusão, podem ter como consequência a desregulação de genes controladores da proliferação celular (e.g., CCDC94); (ii) As translocações complexas caracterizadas pela ausência de genes de fusão recorrentes poderão estar preferencialmente associadas com a presença de delecções, envolvendo um ou mais genes, nos pontos de quebra; nestas situações, serão necessários pelo menos 2 genes com funções celulares semelhantes (e.g., NFATC2 e MAF) ou complementares (e.g., ETV6 e CDKN1B) para, quando deleccionados, promoverem de forma cooperativa a leucemogénese. Nestes termos, o modelo de alterações genéticas sequenciais que caracteriza o desenvolvimento do cancro pode ser substituído por um modelo em que vários genes-alvo são simultaneamente desregulados pela formação de uma translocação cromossómica complexa, evitando deste modo a necessidade de ocorrência de alterações genéticas subsequentes.----------------------ABSTRACT: Tumourigenesis is a multistep process which results from the accumulation of successive genetic mutations in a normal cell. In leukemia for instance, recurrent translocations play a part in this process by generating fusion genes which lead to the production of hybrid proteins with an oncogenic role. However, a minor subset of chromosomal translocations referred to as complex or variant involves extra breakpoints at variable genome locations in addition to those implicated in the formation of fusion genes. We aimed to describe in this work the role, if any, of genes located at extra breakpoint locations or which are affected by breakpoint-adjacent deletions through the study of 5 leukemia patients.Two of the patients presented with TV6(12p13)-RUNX1(21q22) and MLL(11q23)- MLLT3(9p22) fusion genes as a result of a t(12;21;5) and a t(9;11;19), respectively. Detailed molecular characterization of the extra breakpoint at chromosome 19 in the latter case revealed that a novel ubiquitously expressed gene, CCDC94, with a potential role in cell cycle regulation, was disrupted by the breakpoint. We demonstrated using in vitro cellular assays that this gene codifies for a nuclear protein which negatively regulates cell cycle progression. These data shows that extra breakpoint locations of complex translocations may result in haplo-insufficiency of critical proliferation genes, thereby cooperating with the generation of hybrid proteins to provide unrestrained cell proliferation. In the other 3 patients there were reakpoint-associated deletions which precluded the formation of putative fusion genes. In a case with a t(12;6;15) we characterized a deletion at 12p13 which eliminated ETV6 and 8 other genes including CDKN1B. These findings indicate that concomitant loss of ETV6 and CDKN1B, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor responsible for blocking entry of cells into the G1 phase of the cell cycle, acted cooperatively to promote leukemogenic proliferation. The same notion applied to a case with a dic(9;12) in which 2 genes encoding hematopoietic transcription factors - ETV6 and PAX5 (9p13)- were deleted as a result of breakpoint-adjacent deletions. Similarly, we found that 2 transcription factor genes involved in the regulation of cytokine expression, NFATC2 (20q13) and MAF (16q23), were involved in deletions contiguous to the breakpoints in a patient with a t(X;20;16). In vitro suppression of NFATC2 mRNA or inhibiton of NFATC2 protein activity enhanced cell proliferation as a result of an increase in the production of a myeloid-lineage stimulating hematopoietic cytokine, GM-CSF. These results suggest that haplo-insufficiency of NFATC2 and MAF genes had a cooperative effect in inducing cell proliferation as a result of a disregulation of cytokine production. Two main conclusions may be drawn from our studies: (i) In complex translocations associated with the production of fusion genes, additional breakpoints may cooperate in tumourigenesis by targeting genes that control cell proliferation; (ii) In complex translocations associated with small breakpoint-adjacent deletions, at least 2 genes with similar or complementary functions need to be deregulated to promote tumourigenesis.

Variant Rett Syndrome in a Girl with a Pericentric X-Chromosome Inversion Leading to Epigenetic Changes and Overexpression of the MECP2 Gene

Rett syndrome is a neurodevelopmental disorder caused by mutations in the MECP2 gene. We investigated the genetic basis of disease in a female patient with a Rett-like clinical. Karyotype analysis revealed a pericentric inversion in the X chromosome -46,X,inv(X)(p22.1q28), with breakpoints in the cytobands where the MECP2 and CDKL5 genes are located. FISH analysis revealed that the MECP2 gene is not dislocated by the inversion. However, and in spite of a balanced pattern of X inactivation, this patient displayed hypomethylation and an overexpression of the MECP2 gene at the mRNA level in the lymphocytes (mean fold change: 2.55±0.38) in comparison to a group of control individuals; the expression of the CDKL5 gene was similar to that of controls (mean fold change: 0.98±0.10). No gains or losses were detected in the breakpoint regions encompassing known or suspected transcription regulatory elements. We propose that the de-regulation of MECP2 expression in this patient may be due to alterations in long-range genomic interactions caused by the inversion and hypothesize that this type of epigenetic de-regulation of the MECP2 may be present in other RTT-like patients.

Cell division and chromosome segregation in Staphylococcus aureus

Dissertação para a obtenção do grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa

Measuring chromosome-end fusions in fission yeast

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Molecular Biology

Experimental lagochilascariosis in X-chromosome-linked immunodeficient mice

Lagochilascaris minor is the etiological agent of lagochilascariosis, a disease that affects the neck region and causes exudative abscesses, with eggs, adult parasites and L3/L4 larvae in the purulent exudates. Mice are now considered to be intermediate hosts for the parasite. To determine the pattern of infection in B1 cell-deficient mice, experimental lagochilascariosis was studied in BALB/c and X-chromosome-linked immunodeficient (xid) mice. BALB.xid-infected mice showed lower numbers of larvae. Third-stage larvae, fourth-stage larvae and adult parasites were found in both strains. BALB/c mice produced IgM, IgG, IgA and IgE against the crude extract and secreted/excreted antigens of the parasite. On the other hand, BALB.xid mice did not produce IgM and produced lower levels of IgG and IgA, and similar quantities of IgE.

Ancestry of the Brazilian TP53 c.1010G>A (p.Arg337His, R337H) founder mutation : clues from haplotyping of short tandem repeats on Chromosome 17p

Rare germline mutations in TP53 (17p13.1) cause a highly penetrant predisposition to a specific spectrum of early cancers, defining the Li-Fraumeni Syndrome (LFS). A germline mutation at codon 337 (p.Arg337His, c1010G>A) is found in about 0.3% of the population of Southern Brazil. This mutation is associated with partially penetrant LFS traits and is found in the germline of patients with early cancers of the LFS spectrum unselected for familial his- tory. To characterize the extended haplotypes carrying the mutation, we have genotyped 9 short tandem repeats on chromosome 17p in 12 trios of Brazilian p.Arg337His carriers. Results confirm that all share a common ancestor haplotype of Caucasian/Portuguese-Ibe- ric origin, distant in about 72–84 generations (2000 years assuming a 25 years intergenera- tional distance) and thus pre-dating European migration to Brazil. So far, the founder p. Arg337His haplotype has not been detected outside Brazil, with the exception of two resi- dents of Portugal, one of them of Brazilian origin. On the other hand, increased meiotic recombination in p.Arg337His carriers may account for higher than expected haplotype diversity. Further studies comparing haplotypes in populations of Brazil and of other areas of Portuguese migration are needed to understand the historical context of this mutation in Brazil.

Chromosome studies of Brazilian vespertilionids Lasiurus cinereus and Lasiurus ega (Mammalia, Chiroptera)

Cytogenetical studies based on conventional coloration by Giemsa, C-banding and Ag-NOR were performed on 2 species of bats from the vespertilionid family: Lasiurus cinereus (Beauvois, 1796) and Lasiurus ega (Gervais, 1856). The 2n was 28 and FN was 48 in both species. The constitutive heterochromatin is located in centromeric regions in the two species and in the short arm of the subtelocentric X chromosome in L. ega. NORs were observed in the secondary constriction of the smaller autosome in both species.

Social chromosome variants differentially affect queen determination and the survival of workers in the fire ant Solenopsis invicta.

Intraspecific variation in social organization is common, yet the underlying causes are rarely known. An exception is the fire ant Solenopsis invicta in which the existence of two distinct forms of social colony organization is under the control of the two variants of a pair of social chromosomes, SB and Sb. Colonies containing exclusively SB/SB workers accept only one single queen and she must be SB/SB. By contrast, when colonies contain more than 10% of SB/Sb workers, they accept several queens but only SB/Sb queens. The variants of the social chromosome are associated with several additional important phenotypic differences, including the size, fecundity and dispersal strategies of queens, aggressiveness of workers, and sperm count in males. However, little is known about whether social chromosome variants affect fitness in other life stages. Here, we perform experiments to determine whether differential selection occurs during development and in adult workers. We find evidence that the Sb variant of the social chromosome increases the likelihood of female brood to develop into queens and that adult SB/Sb workers, the workers that cull SB/SB queens, are overrepresented in comparison to SB/SB workers. This demonstrates that supergenes such as the social chromosome can have complex effects on phenotypes at various stages of development.

Rapid evolution of cancer/testis genes on the X chromosome.

BACKGROUND: Cancer/testis (CT) genes are normally expressed only in germ cells, but can be activated in the cancer state. This unusual property, together with the finding that many CT proteins elicit an antigenic response in cancer patients, has established a role for this class of genes as targets in immunotherapy regimes. Many families of CT genes have been identified in the human genome, but their biological function for the most part remains unclear. While it has been shown that some CT genes are under diversifying selection, this question has not been addressed before for the class as a whole. RESULTS: To shed more light on this interesting group of genes, we exploited the generation of a draft chimpanzee (Pan troglodytes) genomic sequence to examine CT genes in an organism that is closely related to human, and generated a high-quality, manually curated set of human:chimpanzee CT gene alignments. We find that the chimpanzee genome contains homologues to most of the human CT families, and that the genes are located on the same chromosome and at a similar copy number to those in human. Comparison of putative human:chimpanzee orthologues indicates that CT genes located on chromosome X are diverging faster and are undergoing stronger diversifying selection than those on the autosomes or than a set of control genes on either chromosome X or autosomes. CONCLUSION: Given their high level of diversifying selection, we suggest that CT genes are primarily responsible for the observed rapid evolution of protein-coding genes on the X chromosome.

Rare chromosome abnormalities, prevalence and prenatal diagnosis rates from population-based congenital anomaly registers in Europe.

The aim of this study is to quantify the prevalence and types of rare chromosome abnormalities (RCAs) in Europe for 2000-2006 inclusive, and to describe prenatal diagnosis rates and pregnancy outcome. Data held by the European Surveillance of Congenital Anomalies database were analysed on all the cases from 16 population-based registries in 11 European countries diagnosed prenatally or before 1 year of age, and delivered between 2000 and 2006. Cases were all unbalanced chromosome abnormalities and included live births, fetal deaths from 20 weeks gestation and terminations of pregnancy for fetal anomaly. There were 10,323 cases with a chromosome abnormality, giving a total birth prevalence rate of 43.8/10,000 births. Of these, 7335 cases had trisomy 21,18 or 13, giving individual prevalence rates of 23.0, 5.9 and 2.3/10,000 births, respectively (53, 13 and 5% of all reported chromosome errors, respectively). In all, 473 cases (5%) had a sex chromosome trisomy, and 778 (8%) had 45,X, giving prevalence rates of 2.0 and 3.3/10,000 births, respectively. There were 1,737 RCA cases (17%), giving a prevalence of 7.4/10,000 births. These included triploidy, other trisomies, marker chromosomes, unbalanced translocations, deletions and duplications. There was a wide variation between the registers in both the overall prenatal diagnosis rate of RCA, an average of 65% (range 5-92%) and the prevalence of RCA (range 2.4-12.9/10,000 births). In all, 49% were liveborn. The data provide the prevalence of families currently requiring specialised genetic counselling services in the perinatal period for these conditions and, for some, long-term care.

Genome-wide linkage in a highly consanguineous pedigree reveals two novel loci on chromosome 7 for non-syndromic familial Premature Ovarian Failure.

BACKGROUND: The human condition known as Premature Ovarian Failure (POF) is characterized by loss of ovarian function before the age of 40. A majority of POF cases are sporadic, but 10-15% are familial, suggesting a genetic origin of the disease. Although several causal mutations have been identified, the etiology of POF is still unknown for about 90% of the patients.¦METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: We report a genome-wide linkage and homozygosity analysis in one large consanguineous Middle-Eastern POF-affected family presenting an autosomal recessive pattern of inheritance. We identified two regions with a LOD(max) of 3.26 on chromosome 7p21.1-15.3 and 7q21.3-22.2, which are supported as candidate regions by homozygosity mapping. Sequencing of the coding exons and known regulatory sequences of three candidate genes (DLX5, DLX6 and DSS1) included within the largest region did not reveal any causal mutations.¦CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: We detect two novel POF-associated loci on human chromosome 7, opening the way to the identification of new genes involved in the control of ovarian development and function.

Definition and nomenclature of the chromosome races of Sorex araneus

A definition of a chromosome race of the common shrew (Sorex araneus) is proposed, and supplemented by rules and conventions to name, group and describe the races.