Comparative DNA sequence and methylation analyses of orthologous genes in humans and non-human primates: Genetic and epigenetic footprints of evolution

Welche genetische Unterschiede machen uns verschieden von unseren nächsten Verwandten, den Schimpansen, und andererseits so ähnlich zu den Schimpansen? Was wir untersuchen und auch verstehen wollen, ist die komplexe Beziehung zwischen den multiplen genetischen und epigenetischen Unterschieden, deren Interaktion mit diversen Umwelt- und Kulturfaktoren in den beobachteten phänotypischen Unterschieden resultieren. Um aufzuklären, ob chromosomale Rearrangements zur Divergenz zwischen Mensch und Schimpanse beigetragen haben und welche selektiven Kräfte ihre Evolution geprägt haben, habe ich die kodierenden Sequenzen von 2 Mb umfassenden, die perizentrischen Inversionsbruchpunkte flankierenden Regionen auf den Chromosomen 1, 4, 5, 9, 12, 17 und 18 untersucht. Als Kontrolle dienten dabei 4 Mb umfassende kollineare Regionen auf den rearrangierten Chromosomen, welche mindestens 10 Mb von den Bruchpunktregionen entfernt lagen. Dabei konnte ich in den Bruchpunkten flankierenden Regionen im Vergleich zu den Kontrollregionen keine höhere Proteinevolutionsrate feststellen. Meine Ergebnisse unterstützen nicht die chromosomale Speziationshypothese für Mensch und Schimpanse, da der Anteil der positiv selektierten Gene (5,1% in den Bruchpunkten flankierenden Regionen und 7% in den Kontrollregionen) in beiden Regionen ähnlich war. Durch den Vergleich der Anzahl der positiv und negativ selektierten Gene per Chromosom konnte ich feststellen, dass Chromosom 9 die meisten und Chromosom 5 die wenigsten positiv selektierten Gene in den Bruchpunkt flankierenden Regionen und Kontrollregionen enthalten. Die Anzahl der negativ selektierten Gene (68) war dabei viel höher als die Anzahl der positiv selektierten Gene (17). Eine bioinformatische Analyse von publizierten Microarray-Expressionsdaten (Affymetrix Chip U95 und U133v2) ergab 31 Gene, die zwischen Mensch und Schimpanse differentiell exprimiert sind. Durch Untersuchung des dN/dS-Verhältnisses dieser 31 Gene konnte ich 7 Gene als negativ selektiert und nur 1 Gen als positiv selektiert identifizieren. Dieser Befund steht im Einklang mit dem Konzept, dass Genexpressionslevel unter stabilisierender Selektion evolvieren. Die meisten positiv selektierten Gene spielen überdies eine Rolle bei der Fortpflanzung. Viele dieser Speziesunterschiede resultieren eher aus Änderungen in der Genregulation als aus strukturellen Änderungen der Genprodukte. Man nimmt an, dass die meisten Unterschiede in der Genregulation sich auf transkriptioneller Ebene manifestieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Unterschiede in der DNA-Methylierung zwischen Mensch und Schimpanse untersucht. Dazu wurden die Methylierungsmuster der Promotor-CpG-Inseln von 12 Genen im Cortex von Menschen und Schimpansen mittels klassischer Bisulfit-Sequenzierung und Bisulfit-Pyrosequenzierung analysiert. Die Kandidatengene wurden wegen ihrer differentiellen Expressionsmuster zwischen Mensch und Schimpanse sowie wegen Ihrer Assoziation mit menschlichen Krankheiten oder dem genomischen Imprinting ausgewählt. Mit Ausnahme einiger individueller Positionen zeigte die Mehrzahl der analysierten Gene keine hohe intra- oder interspezifische Variation der DNA-Methylierung zwischen den beiden Spezies. Nur bei einem Gen, CCRK, waren deutliche intraspezifische und interspezifische Unterschiede im Grad der DNA-Methylierung festzustellen. Die differentiell methylierten CpG-Positionen lagen innerhalb eines repetitiven Alu-Sg1-Elements. Die Untersuchung des CCRK-Gens liefert eine umfassende Analyse der intra- und interspezifischen Variabilität der DNA-Methylierung einer Alu-Insertion in eine regulatorische Region. Die beobachteten Speziesunterschiede deuten darauf hin, dass die Methylierungsmuster des CCRK-Gens wahrscheinlich in Adaption an spezifische Anforderungen zur Feinabstimmung der CCRK-Regulation unter positiver Selektion evolvieren. Der Promotor des CCRK-Gens ist anfällig für epigenetische Modifikationen durch DNA-Methylierung, welche zu komplexen Transkriptionsmustern führen können. Durch ihre genomische Mobilität, ihren hohen CpG-Anteil und ihren Einfluss auf die Genexpression sind Alu-Insertionen exzellente Kandidaten für die Förderung von Veränderungen während der Entwicklungsregulation von Primatengenen. Der Vergleich der intra- und interspezifischen Methylierung von spezifischen Alu-Insertionen in anderen Genen und Geweben stellt eine erfolgversprechende Strategie dar.

Nanoparticles for efficient uptake by human dendritic cells and T lymphocytes to be used in adoptive immunotherapy

Dendritic cells (DCs) are the most potent cell type for capture, processing, and presentation of antigens. They are able to activate naïve T cells as well as to initiate memory T-cell immune responses. T lymphocytes are key elements in eliciting cellular immunity against bacteria and viruses as well as in the generation of anti-tumor and anti-leukemia immune responses. Because of their central position in the immunological network, specific manipulations of these cell types provide promising possibilities for novel immunotherapies. Nanoparticles (NP) that have just recently been investigated for use as carriers of drugs or imaging agents, are well suited for therapeutic applications in vitro and also in vivo since they can be addressed to cells with a high target specificity upon surface functionalization. As a first prerequisite, an efficient in vitro labeling of cells with NP has to be established. In this work we developed protocols allowing an effective loading of human monocyte-derived DCs and primary antigen-specific T cells with newly designed NP without affecting biological cell functions. Polystyrene NP that have been synthesized by the miniemulsion technique contained perylenmonoimide (PMI) as a fluorochrome, allowing the rapid determination of intracellular uptake by flow cytometry. To confirm intracellular localization, NP-loaded cells were analyzed by confocal laser scanning microscopy (cLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Functional analyses of NP-loaded cells were performed by IFN-γ ELISPOT, 51Chromium-release, and 3H-thymidine proliferation assays. In the first part of this study, we observed strong labeling of DCs with amino-functionalized NP. Even after 8 days 95% of DCs had retained nanoparticles with a median fluorescence intensity of 67% compared to day 1. NP loading did not influence expression of cell surface molecules that are specific for mature DCs (mDCs) nor did it influence the immunostimulatory capacity of mDCs. This procedure did also not impair the capability of DCs for uptake, processing and presentation of viral antigens that has not been shown before for NP in DCs. In the second part of this work, the protocol was adapted to the very different conditions with T lymphocytes. We used leukemia-, tumor-, and allo-human leukocyte antigen (HLA) reactive CD8+ or CD4+ T cells as model systems. Our data showed that amino-functionalized NP were taken up very efficiently also by T lymphocytes, which usually had a lower capacity for NP incorporation compared to other cell types. In contrast to DCs, T cells released 70-90% of incorporated NP during the first 24 h, which points to the need to escape from intracellular uptake pathways before export to the outside can occur. Preliminary data with biodegradable nanocapsules (NC) revealed that encapsulated cargo molecules could, in principle, escape from the endolysosomal compartment after loading into T lymphocytes. T cell function was not influenced by NP load at low to intermediate concentrations of 25 to 150 μg/mL. Overall, our data suggest that NP and NC are promising tools for the delivery of drugs, antigens, and other molecules into DCs and T lymphocytes.

The interaction of Leishmania major parasites with human myeloid cells and its consequence for adaptive immunity

In der vorliegenden Arbeit fokussierten wir uns auf drei verschiedene Aspekte der Leishmanien-Infektion. Wir charakterisierten den Prozess des Zelltods „Apoptose“ bei Parasiten (1), untersuchten die Eignung von Makrophagen und dendritischen Zellen als Wirtszelle für die Entwicklung der Parasiten (2) und analysierten die Konsequenzen der Infektion für die Entstehung einer adaptiven Immunantwort im humanen System. Von zentraler Bedeutung für dieses Projekt war die Hypothese, dass apoptotische Leishmanien den Autophagie-Mechanismus ihrer Wirtszellen ausnutzen, um eine T-Zell-vermittelte Abtötung der Parasiten zu vermindern.rnWir definierten eine apoptotische Leishmanien-Population, welche durch eine rundliche Morphologie und die Expression von Phosphatidylserin auf der Parasitenoberfläche charakterisiert war. Die apoptotischen Parasiten befanden sich zudem in der SubG1-Phase und wiesen weniger und fragmentierte DNA auf, welche durch TUNEL-Assay nachgewiesen werden konnte. Bei der Interaktion der Parasiten mit humanen Makrophagen und dendritischen Zellen zeigte sich, dass die anti-inflammatorischen Makrophagen anfälliger für Infektionen waren als die pro-inflammatorischen Makrophagen oder die dendritischen Zellen. Interessanterweise wurde in den dendritischen Zellen jedoch die effektivste Umwandlung zur krankheitsauslösenden, amastigoten Lebensform beobachtet. Da sowohl Makrophagen als auch dendritische Zellen zu den antigenpräsentierenden Zellen gehören, könnte dies zur Aktivierung der T-Zellen des adaptiven Immunsystems führen. Tatsächlich konnte während der Leishmanien-Infektion die Proliferation von T-Zellen beobachtet werden. Dabei stellten wir fest, dass es sich bei den proliferierenden T-Zellen um CD3+CD4+ T-Zellen handelte, welche sich überraschenderweise als Leishmanien-spezifische CD45RO+ T-Gedächtniszellen herausstellten. Dies war unerwartet, da ein vorheriger Kontakt der Spender mit Leishmanien als unwahrscheinlich gilt. In Gegenwart von apoptotischen Parasiten konnte eine signifikant schwächere T-Zell-Proliferation in Makrophagen, jedoch nicht in dendritischen Zellen beobachtet werden. Da sich die T-Zell-Proliferation negativ auf das Überleben der Parasiten auswirkt, konnten die niedrigsten Überlebensraten in dendritischen Zellen vorgefunden werden. Innerhalb der Zellen befanden sich die Parasiten in beiden Zelltypen im Phagosom, welches allerdings nur in Makrophagen den Autophagie-Marker LC3 aufwies. Chemische Induktion von Autophagie führte, ebenso wie die Anwesenheit von apoptotischen Parasiten, zu einer stark reduzierten T-Zell-Proliferation und dementsprechend zu einem höheren Überleben der Parasiten.rnZusammenfassend lässt sich aus unseren Daten schließen, dass Apoptose in Einzellern vorkommt. Während der Infektion können sowohl Makrophagen, als auch dendritische Zellen mit Leishmanien infiziert und das adaptive Immunsystem aktivert werden. Die eingeleitete T-Zell-Proliferation nach Infektion von Makrophagen ist in Gegenwart von apoptotischen Parasiten reduziert, weshalb sie im Vergleich zu dendritischen Zellen die geeigneteren Wirtszellen für Leishmanien darstellen. Dafür missbrauchen die Parasiten den Autophagie-Mechanismus der Makrophagen als Fluchtstrategie um das adaptive Immunsystem zu umgehen und somit das Überleben der Gesamtpopulation zu sichern. Diese Ergebnisse erklären den Vorteil von Apoptose in Einzellern und verdeutlichen, dass der Autophagie-Mechanismus als potentielles therapeutisches Ziel für die Behandlung von Leishmaniose dienen kann.rn

Micromass co-culture of human articular chondrocytes and human bone marrow mesenchymal stem cells to investigate stable neocartilage tissue formation in vitro

Cell therapies for articular cartilage defects rely on expanded chondrocytes. Mesenchymal stem cells (MSC) represent an alternative cell source should their hypertrophic differentiation pathway be prevented. Possible cellular instruction between human articular chondrocytes (HAC) and human bone marrow MSC was investigated in micromass pellets. HAC and MSC were mixed in different percentages or incubated individually in pellets for 3 or 6 weeks with and without TGF-beta1 and dexamethasone (±T±D) as chondrogenic factors. Collagen II, collagen X and S100 protein expression were assessed using immunohistochemistry. Proteoglycan synthesis was evaluated applying the Bern score and quantified using dimethylmethylene blue dye binding assay. Alkaline phosphatase activity (ALP) was detected on cryosections and soluble ALP measured in pellet supernatants. HAC alone generated hyaline-like discs, while MSC formed spheroid pellets in ±T±D. Co-cultured pellets changed from disc to spheroid shape with decreasing number of HAC, and displayed random cell distribution. In -T-D, HAC expressed S100, produced GAG and collagen II, and formed lacunae, while MSC did not produce any cartilage-specific proteins. Based on GAG, collagen type II and S100 expression chondrogenic differentiation occurred in -T-D MSC co-cultures. However, quantitative experimental GAG and DNA values did not differ from predicted values, suggesting only HAC contribution to GAG production. MSC produced cartilage-specific matrix only in +T+D but underwent hypertrophy in all pellet cultures. In summary, influence of HAC on MSC was restricted to early signs of neochondrogenesis. However, MSC did not contribute to the proteoglycan deposition, and HAC could not prevent hypertrophy of MSC induced by chondrogenic stimuli.

Prolonged amelioration of acute lung allograft rejection by sequential overexpression of human interleukin-10 and hepatocyte growth factor in rats

The effect of prolonged electroporation-mediated human interleukin-10 (hIL-10) overexpression 24 hours before transplantation, combined with sequential human hepatocyte growth factor (HGF) overexpression into skeletal muscle on day 5, on rat lung allograft rejection was evaluated. Left lung allotransplantation was performed from Brown-Norway to Fischer-F344 rats. Gene transfer into skeletal muscle was enhanced by electroporation. Three groups were studied: group I animals (n = 5) received 2.5 μg pCIK-hIL-10 (hIL-10/CMV [cytomegalovirus] early promoter enhancer) on day -1 and 80 μg pCIK-HGF (HGF/CMV early promoter enhancer) on day 5. Group II animals (n = 4) received 2.5 μg pCIK-hIL-10 and pUbC-hIL-10 (hIL-10/pUbC promoter) on day -1. Control group III animals (n = 4) were treated by sham electroporation on days -1 and 5. All animals received daily nontherapeutic intraperitoneal dose of cyclosporin A (2.5 mg/kg) and were sacrificed on day 15. Graft oxygenation and allograft rejection were evaluated. Significant differences were found between study groups in graft oxygenation (Pao(2)) (P = .0028; group I vs. groups II and III, P < .01 each). Pao(2) was low in group II (31 ± 1 mm Hg) and in group III controls (34 ± 10 mm Hg), without statistically significant difference between these 2 groups (P = .54). In contrast, in group I, Pao(2) of recipients sequentially transduced with IL-10 and HGF plasmids was much improved, with 112 ± 39 mm Hg (vs. groups II and III; P < .01 each), paralleled by reduced vascular and bronchial rejection (group I vs. groups II and III, P < .021 each). Sequential overexpression of anti-inflammatory cytokine IL-10, followed by sequential and overlapping HGF overexpression on day 5, preserves lung function and reduces acute lung allograft rejection up to day 15 post transplant as compared to prolonged IL-10 overexpression alone.

The interorganizational challenge of agricultural reform in Bosnia and Herzegovina

The case study reported below examines USAID's "Linking Agricultural Markets with Producers" program. This program complemented Bosnia and Herzegovina's overall sustainable agriculture policies. Implementing organizations quickly recognized that sustainability must be achieved not only from an environmental perspective, but in the interorganizational domain as well. Public, private and nonprofit players had to develop the social, economic and political infrastructure required for sustainable agricultural projects to succeed. These institutional changes were at times more difficult than the sustainable agriculture policies and practices they supported. Framed within LAMP's identification of constraints and proposed solutions for agricultural reform, we explored the interorganizational linkages required for success. We identified three distinct types: 1) those within the international community, 2) those within the local community and 3) those between international and local organizations. The case illustrates the institutional and managerial obstacles to and opportunities for implementing sustainable development reforms in transition settings.

'Listen, Rama’s Wife!’: Maithil Women’s Perspectives and Practices in the Festival of Sāmā-Cakevā

As a female-only festival in a significantly gender-segregated society, sāmā cakevā provides a window into Maithil women’s understandings of their society and the sacred, cultural subjectivities, moral frameworks, and projects of self-construction. The festival reminds us that to read male-female relations under patriarchal social formations as a dichotomy between the empowered and the disempowered ignores the porous boundaries between the two in which negotiations and tradeoffs create a symbiotic reliance. Specifically, the festival names two oppositional camps—the male world of law and the female world of relationships—and then creates a male character, the brother, who moves between the two, loyal to each, betraying, in a sense, each, but demonstrating, by his movements, the currents and avenues of power. This article makes available to other scholars of South Asian culture and society an extended description and analysis of this distinctive festival, while also contributing to the scholarly discussion of women’s expressive traditions.

Dimethyloxalylglycine stabilizes HIF-1α in cultured human endothelial cells and increases random-pattern skin flap survival in vivo

The goal of this study was to evaluate in vitro and in vivo the effects of up-regulation of the proangiogenic hypoxia inducible factor (HIF)-1α induced by dimethyloxalylglycine on endothelial cell cultures and on skin flap survival.

The Economics and Nutritional Impacts of Food Assistance Policies and Programs

Recent evidence on malnutrition and poverty raise important questions on the role of food assistance policies and programs. In this review article, we examine evidence on the economic and nutritional impacts of international food assistance programs (FAPs) and policies. The returns on investments in FAPs are, on average, high but depend considerably on the targeting and cost structures as well as on food quality and role of complementary activities. We disaggregate findings into four classes of recipients. Returns to FAPs are highest for children under two. But, FAPs oriented towards early childhood interventions are less well funded than are interventions aimed at school-age children or at the broader, largely adult population even though available evidence indicates that these latter classes of interventions offer considerably lower average returns in economic, health, and nutrition terms. Nonetheless, FAP effectiveness in achieving any of several objectives varies with a range of key factors, including targeting, additionality, seasonality, timeliness, incentive effects, social acceptability and political economy considerations. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.