Multi-purpose utility of circulating plasma DNA testing in patients with advanced cancers.

Tumor genomic instability and selective treatment pressures result in clonal disease evolution; molecular stratification for molecularly targeted drug administration requires repeated access to tumor DNA. We hypothesized that circulating plasma DNA (cpDNA) in advanced cancer patients is largely derived from tumor, has prognostic utility, and can be utilized for multiplex tumor mutation sequencing when repeat biopsy is not feasible. We utilized the Sequenom MassArray System and OncoCarta panel for somatic mutation profiling. Matched samples, acquired from the same patient but at different time points were evaluated; these comprised formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) archival tumor tissue (primary and/or metastatic) and cpDNA. The feasibility, sensitivity, and specificity of this high-throughput, multiplex mutation detection approach was tested utilizing specimens acquired from 105 patients with solid tumors referred for participation in Phase I trials of molecularly targeted drugs. The median cpDNA concentration was 17 ng/ml (range: 0.5-1600); this was 3-fold higher than in healthy volunteers. Moreover, higher cpDNA concentrations associated with worse overall survival; there was an overall survival (OS) hazard ratio of 2.4 (95% CI 1.4, 4.2) for each 10-fold increase in cpDNA concentration and in multivariate analyses, cpDNA concentration, albumin, and performance status remained independent predictors of OS. These data suggest that plasma DNA in these cancer patients is largely derived from tumor. We also observed high detection concordance for critical 'hot-spot' mutations (KRAS, BRAF, PIK3CA) in matched cpDNA and archival tumor tissue, and important differences between archival tumor and cpDNA. This multiplex sequencing assay can be utilized to detect somatic mutations from plasma in advanced cancer patients, when safe repeat tumor biopsy is not feasible and genomic analysis of archival tumor is deemed insufficient. Overall, circulating nucleic acid biomarker studies have clinically important multi-purpose utility in advanced cancer patients and further studies to pursue their incorporation into the standard of care are warranted.

Building a 'Repository of Science': the importance of integrating Biobanks within molecular pathology programmes

Repositories containing high quality human biospecimens linked with robust and relevant clinical and pathological information are required for the discovery and validation of biomarkers for disease diagnosis, progression and response to treatment. Current molecular based discovery projects using either low or high throughput technologies rely heavily on ready access to such sample collections. It is imperative that modern biobanks align with molecular diagnostic pathology practices not only to provide the type of samples needed for discovery projects but also to ensure requirements for ongoing sample collections and the future needs of researchers are adequately addressed. Biobanks within comprehensive molecular pathology programmes are perfectly positioned to offer more than just tumour derived biospecimens; for example, they have the ability to facilitate researchers gaining access to sample metadata such as digitised scans of tissue samples annotated prior to macrodissection for molecular diagnostics or pseudoanonymised clinical outcome data or research results retrieved from other users utilising the same or overlapping cohorts of samples. Furthermore, biobanks can work with molecular diagnostic laboratories to develop standardized methodologies for the acquisition and storage of samples required for new approaches to research such as ‘liquid biopsies’ which will ultimately feed into the test validations required in large prospective clinical studies in order to implement liquid biopsy approaches for routine clinical practice. We draw on our experience in Northern Ireland to discuss how this harmonised approach of biobanks working synergistically with molecular pathology programmes is key for the future success of precision medicine.

Circuit-aware design of energy-efficient massive MIMO systems

Densification is a key to greater throughput in cellular networks. The full potential of coordinated multipoint (CoMP) can be realized by massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, where each base station (BS) has very many antennas. However, the improved throughput comes at the price of more infrastructure; hardware cost and circuit power consumption scale linearly/affinely with the number of antennas. In this paper, we show that one can make the circuit power increase with only the square root of the number of antennas by circuit-aware system design. To this end, we derive achievable user rates for a system model with hardware imperfections and show how the level of imperfections can be gradually increased while maintaining high throughput. The connection between this scaling law and the circuit power consumption is established for different circuits at the BS.

Taxonomic and Functional Diversity of Soil and Hypolithic Microbial Communities in Miers Valley, McMurdo Dry Valleys, Antarctica

The McMurdo Dry Valleys of Antarctica are an extreme polar desert. Mineral soils support subsurface microbial communities and translucent rocks support development of hypolithic communities on ventral surfaces in soil contact. Despite significant research attention, relatively little is known about taxonomic and functional diversity or their inter-relationships. Here we report a combined diversity and functional interrogation for soil and hypoliths of the Miers Valley in the McMurdo Dry Valleys of Antarctica. The study employed 16S rRNA fingerprinting and high throughput sequencing combined with the GeoChip functional microarray. The soil community was revealed as a highly diverse reservoir of bacterial diversity dominated by actinobacteria. Hypolithic communities were less diverse and dominated by cyanobacteria. Major differences in putative functionality were that soil communities displayed greater diversity in stress tolerance and recalcitrant substrate utilization pathways, whilst hypolithic communities supported greater diversity of nutrient limitation adaptation pathways. A relatively high level of functional redundancy in both soil and hypoliths may indicate adaptation of these communities to fluctuating environmental conditions.

Gene therapy tools: oligonucleotides and peptides

Genetic mutations can cause a wide range of diseases, e.g. cancer. Gene therapy has the potential to alleviate or even cure these diseases. One of the many gene therapies developed so far is RNA-cleaving deoxyribozymes, short DNA oligonucleotides that specifically bind to and cleave RNA. Since the development of these synthetic catalytic oligonucleotides, the main way of determining their cleavage kinetics has been through the use of a laborious and error prone gel assay to quantify substrate and product at different time-points. We have developed two new methods for this purpose. The first one includes a fluorescent intercalating dye, PicoGreen, which has an increased fluorescence upon binding double-stranded oligonucleotides; during the course of the reaction the fluorescence intensity will decrease as the RNA is cleaved and dissociates from the deoxyribozyme. A second method was developed based on the common denominator of all nucleases, each cleavage event exposes a single phosphate of the oligonucleotide phosphate backbone; the exposed phosphate can simultaneously be released by a phosphatase and directly quantified by a fluorescent phosphate sensor. This method allows for multiple turnover kinetics of diverse types of nucleases, including deoxyribozymes and protein nucleases. The main challenge of gene therapy is often the delivery into the cell. To bypass cellular defenses researchers have used a vast number of methods; one of these are cell-penetrating peptides which can be either covalently coupled to or non-covalently complexed with a cargo to deliver it into a cell. To further evolve cell-penetrating peptides and understand how they work we developed an assay to be able to quickly screen different conditions in a high-throughput manner. A luciferase up- and downregulation experiment was used together with a reduction of the experimental time by 1 day, upscaling from 24- to 96-well plates and the cost was reduced by 95% compared to commercially available assays. In the last paper we evaluated if cell-penetrating peptides could be used to improve the uptake of an LNA oligonucleotide mimic of GRN163L, a telomerase-inhibiting oligonucleotide. The combination of cell-penetrating peptides and our mimic oligonucleotide lead to an IC50 more than 20 times lower than that of GRN163L.

Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Flexible strategies for association analysis with genomic phenotypes

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Genometa - A Fast and Accurate Classifier for Short Metagenomic Shotgun Reads

Metagenomic studies use high-throughput sequence data to investigate microbial communities in situ. However, considerable challenges remain in the analysis of these data, particularly with regard to speed and reliable analysis of microbial species as opposed to higher level taxa such as phyla. We here present Genometa, a computationally undemanding graphical user interface program that enables identification of bacterial species and gene content from datasets generated by inexpensive high-throughput short read sequencing technologies. Our approach was first verified on two simulated metagenomic short read datasets, detecting 100% and 94% of the bacterial species included with few false positives or false negatives. Subsequent comparative benchmarking analysis against three popular metagenomic algorithms on an Illumina human gut dataset revealed Genometa to attribute the most reads to bacteria at species level (i.e. including all strains of that species) and demonstrate similar or better accuracy than the other programs. Lastly, speed was demonstrated to be many times that of BLAST due to the use of modern short read aligners. Our method is highly accurate if bacteria in the sample are represented by genomes in the reference sequence but cannot find species absent from the reference. This method is one of the most user-friendly and resource efficient approaches and is thus feasible for rapidly analysing millions of short reads on a personal computer.

Structure et biogéographie des communautés de pico- et de nanoeurcaryotes pélagiques autour de l'archipel du Svalbard

L’Arctique s’est réchauffé rapidement et il y a urgence d’anticiper les effets que cela pourrait avoir sur les protistes à la base de la chaîne alimentaire. Le phytoplancton de l’Océan Arctique inclut les pico- et nano-eucaryotes (0.45-10 μm diamètre de la cellule) et plusieurs de ceux-ci sont des écotypes retrouvés seulement dans l’Arctique alors que d’autres sont introduits des océans plus méridionaux. Alors que les océans tempérés pénètrent dans l’Arctique, il devient pertinent de savoir si ces communautés microbiennes pourraient être modifiées. L’archipel du Svalbard est une région idéale pour observer la biogéographie des communautés microbiennes sous l’influence de processus polaires et tempérés. Bien qu’ils soient géographiquement proches, les régions côtières entourant le Svalbard sont sujettes à des intrusions alternantes de masses d’eau de l’Arctique et de l’Atlantique en plus des conditions locales. Huit sites ont été échantillonnés en juillet 2013 pour identifier les protistes selon un gradient de profondeur et de masses d’eau autour de l’archipel. En plus des variables océanographiques standards, l’eau a été échantillonnée pour synthétiser des banques d’amplicons ciblant le 18S SSU ARNr et son gène pour ensuite être séquencées à haut débit. Cinq des sites d’étude avaient de faibles concentrations de chlorophylle avec des compositions de communauté post-efflorescence dominée par les dinoflagellés, ciliés, des alvéolés parasites putatifs, chlorophycées et prymnesiophytées. L’intrusion des masses d’eau et les conditions environnementales locales étaient corrélées avec la structure des communautés ; l’origine de la masse d’eau contribuant le plus à la distance phylogénétique des communautés microbiennes. Au sein de trois fjords, de fortes concentrations de chlorophylle sous-entendaient des activités d’efflorescence. Un fjord était dominé par Phaeocystis, un deuxième par un clade arctique identifié comme un Pelagophyceae et un troisième par un assemblage mixte. En général, un signal fort d’écotypes liés à l’Arctique prédominait autour du Svalbard.

Validation of Electronic Health Record Phenotyping of Bipolar Disorder Cases and Controls

Objective: The study was designed to validate use of elec-tronic health records (EHRs) for diagnosing bipolar disorder and classifying control subjects. Method: EHR data were obtained from a health care system of more than 4.6 million patients spanning more than 20 years. Experienced clinicians reviewed charts to identify text features and coded data consistent or inconsistent with a diagnosis of bipolar disorder. Natural language processing was used to train a diagnostic algorithm with 95% specificity for classifying bipolar disorder. Filtered coded data were used to derive three additional classification rules for case subjects and one for control subjects. The positive predictive value (PPV) of EHR-based bipolar disorder and subphenotype di- agnoses was calculated against diagnoses from direct semi- structured interviews of 190 patients by trained clinicians blind to EHR diagnosis. Results: The PPV of bipolar disorder defined by natural language processing was 0.85. Coded classification based on strict filtering achieved a value of 0.79, but classifications based on less stringent criteria performed less well. No EHR- classified control subject received a diagnosis of bipolar dis- order on the basis of direct interview (PPV=1.0). For most subphenotypes, values exceeded 0.80. The EHR-based clas- sifications were used to accrue 4,500 bipolar disorder cases and 5,000 controls for genetic analyses. Conclusions: Semiautomated mining of EHRs can be used to ascertain bipolar disorder patients and control subjects with high specificity and predictive value compared with diagnostic interviews. EHRs provide a powerful resource for high-throughput phenotyping for genetic and clinical research.

Diversité microbienne associée au cycle du méthane dans les mares de fonte du pergélisol subarctique

La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles.

Post-translational lysine-acetylation of Ran and its regulation by Sirtuin deacetylases

Through recent advances in high-throughput mass spectrometry it has become evident that post-translational N-(epsilon)-lysine-acetylation is a modification found on thousands of proteins of all cellular compartments and all essential physiological processes. Many aspects in the biology of lysine-acetylation are poorly understood, including its regulation by lysine-acetyltransferases and lysine-deacetylases (KDACs). Here, the role of this modification was investigated for the small GTP-binding protein Ran, which, inter alia, is essential for the regulation of nucleocytoplasmic transport. To this end, site-specifically acetylated Ran was produced in E. coli by genetic code expansion. For five previously identified sites, Ran acetylation was tested regarding its impact on the intrinsic GTP hydrolysis rate, the assembly of export complexes (modeled in vitro with the export receptor CRM1 and the export substrate Spn1) and the interaction of Ran with its GTPase activation protein RanGAP and RanBP1. Overall, mild effects of Ran acetylation were observed for intrinsic and RanGAP-stimulated GTP hydrolysis rates. The interaction of active Ran with RanBP1 was negatively influenced by Ran acetylation at K159. Moreover, CRM1 bound to Ran acetylated at K37, K99 or K159 interacted more strongly with Spn1. Thus, lysine-acetylation interferes with essential aspects of Ran function. An in vitro screen was performed to identify potential Ran KDACs. The NAD+-dependent KDACs of the Sirtuin class showed activity towards two acetylation sites of Ran, K37 and K71. The specificity of Sirtuins was further analyzed based on an additional Ran acetylation site, K38. Since deacetylation of RanAcK38 was much slower compared to RanAcK37, di-acetylated RanAcK37/38 was tested next. The deacetylation rate of di-acetylated Ran was comparable to that of RanAcK37. Deacetylation experiments under single turnover conditions revealed that deacetylation occurs first at the K38 site in the di-acetylated RanAcK37/38 background. The ability of Sirtuins to deacetylate two adjacent AcKs was further investigated based on two proteins, which had previously been found to be di-acetylated and targeted by Sirtuins, namely the tumor suppressor protein p53 and phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (PEPCK1). p53 was readily deacetylated at two di-acetylation sites (K372/372 and K381/382), whereas PEPCK1 was not deacetylated in vitro. Taken together, these results have important implications for the substrate specificity of Sirtuins.

Optimization of a multielectrode array (MEA)-based approach to study the impact of Aβ on the SH-SY5Y cell line

The human brain stores, integrates, and transmits information recurring to millions of neurons, interconnected by countless synapses. Though neurons communicate through chemical signaling, information is coded and conducted in the form of electrical signals. Neuroelectrophysiology focus on the study of this type of signaling. Both intra and extracellular approaches are used in research, but none holds as much potential in high-throughput screening and drug discovery, as extracellular recordings using multielectrode arrays (MEAs). MEAs measure neuronal activity, both in vitro and in vivo. Their key advantage is the capability to record electrical activity at multiple sites simultaneously. Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease and one of the leading causes of death worldwide. It is characterized by neurofibrillar tangles and aggregates of amyloid-β (Aβ) peptides, which lead to the loss of synapses and ultimately neuronal death. Currently, there is no cure and the drugs available can only delay its progression. In vitro MEA assays enable rapid screening of neuroprotective and neuroharming compounds. Therefore, MEA recordings are of great use in both AD basic and clinical research. The main aim of this thesis was to optimize the formation of SH-SY5Y neuronal networks on MEAs. These can be extremely useful for facilities that do not have access to primary neuronal cultures, but can also save resources and facilitate obtaining faster high-throughput results to those that do. Adhesion-mediating compounds proved to impact cell morphology, viability and exhibition of spontaneous electrical activity. Moreover, SH-SY5Y cells were successfully differentiated and demonstrated acute effects on neuronal function after Aβ addition. This effect on electrical signaling was dependent on Aβ oligomers concentration. The results here presented allow us to conclude that the SH-SY5Y cell line can be successfully differentiated in properly coated MEAs and be used for assessing acute Aβ effects on neuronal signaling.

Studies of Protein-Protein and Protein-Water Interactions by Small Angle X-Ray Scattering, Terahertz Spectroscopy, ASMOS, And Computer Simulation

The protein folding problem has been one of the most challenging subjects in biological physics due to its complexity. Energy landscape theory based on statistical mechanics provides a thermodynamic interpretation of the protein folding process. We have been working to answer fundamental questions about protein-protein and protein-water interactions, which are very important for describing the energy landscape surface of proteins correctly. At first, we present a new method for computing protein-protein interaction potentials of solvated proteins directly from SAXS data. An ensemble of proteins was modeled by Metropolis Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations, and the global X-ray scattering of the whole model ensemble was computed at each snapshot of the simulation. The interaction potential model was optimized and iterated by a Levenberg-Marquardt algorithm. Secondly, we report that terahertz spectroscopy directly probes hydration dynamics around proteins and determines the size of the dynamical hydration shell. We also present the sequence and pH-dependence of the hydration shell and the effect of the hydrophobicity. On the other hand, kinetic terahertz absorption (KITA) spectroscopy is introduced to study the refolding kinetics of ubiquitin and its mutants. KITA results are compared to small angle X-ray scattering, tryptophan fluorescence, and circular dichroism results. We propose that KITA monitors the rearrangement of hydrogen bonding during secondary structure formation. Finally, we present development of the automated single molecule operating system (ASMOS) for a high throughput single molecule detector, which levitates a single protein molecule in a 10 µm diameter droplet by the laser guidance. I also have performed supporting calculations and simulations with my own program codes.