I. The structure and properties of closed circular duplex DNA. II. Chemically interacting systems at equilibrium in a buoyant density gradient

I. The binding of the intercalating dye ethidium bromide to closed circular SV 40 DNA causes an unwinding of the duplex structure and a simultaneous and quantitatively equivalent unwinding of the superhelices. The buoyant densities and sedimentation velocities of both intact (I) and singly nicked (II) SV 40 DNAs were measured as a function of free dye concentration. The buoyant density data were used to determine the binding isotherms over a dye concentration range extending from 0 to 600 µg/m1 in 5.8 M CsCl. At high dye concentrations all of the binding sites in II, but not in I, are saturated. At free dye concentrations less than 5.4 µg/ml, I has a greater affinity for dye than II. At a critical amount of dye bound I and II have equal affinities, and at higher dye concentration I has a lower affinity than II. The number of superhelical turns, τ, present in I is calculated at each dye concentration using Fuller and Waring's (1964) estimate of the angle of duplex unwinding per intercalation. The results reveal that SV 40 DNA I contains about -13 superhelical turns in concentrated salt solutions.

The free energy of superhelix formation is calculated as a function of τ from a consideration of the effect of the superhelical turns upon the binding isotherm of ethidium bromide to SV 40 DNA I. The value of the free energy is about 100 kcal/mole DNA in the native molecule. The free energy estimates are used to calculate the pitch and radius of the superhelix as a function of the number of superhelical turns. The pitch and radius of the native I superhelix are 430 Å and 135 Å, respectively.

A buoyant density method for the isolation and detection of closed circular DNA is described. The method is based upon the reduced binding of the intercalating dye, ethidium bromide, by closed circular DNA. In an application of this method it is found that HeLa cells contain in addition to closed circular mitochondrial DNA of mean length 4.81 microns, a heterogeneous group of smaller DNA molecules which vary in size from 0.2 to 3.5 microns and a paucidisperse group of multiples of the mitochondrial length.

II. The general theory is presented for the sedimentation equilibrium of a macromolecule in a concentrated binary solvent in the presence of an additional reacting small molecule. Equations are derived for the calculation of the buoyant density of the complex and for the determination of the binding isotherm of the reagent to the macrospecies. The standard buoyant density, a thermodynamic function, is defined and the density gradients which characterize the four component system are derived. The theory is applied to the specific cases of the binding of ethidium bromide to SV 40 DNA and of the binding of mercury and silver to DNA.

Studies on T-even bacteriophage DNA

Part I. The regions of sequence homology and non-homology between the DNA molecules of T2, T4, and T6 have been mapped by the electron microscopic heteroduplex method. The heteroduplex maps have been oriented with respect to the T4 genetic map. They show characteristic, reproducible patterns of substitution and deletion loops. All heteroduplex molecules show more than 85% homology. Some of the loop patterns in T2/T4 heteroduplexes are similar to those in T4/T6.

We find that the rII, the lysozyme and ac genes, the D region, and gene 52 are homologous in T2, T4, and T6. Genes 43 and 47 are probably homologous between T2 and T4. The region of greatest homology is that bearing the late genes. The host range region, which comprises a part of gene 37 and all of gene 38, is heterologous in T2, T4, and T6. The remainder of gene 37 is partially homologous in the T2/T4 heteroduplex (Beckendorf, Kim and Lielausis, 1972) but it is heterologous in T4/T6 and in T2/T6. Some of the tRNA genes are homologous and some are not. The internal protein genes in general seem to be non-homologous.

The molecular lengths of the T-even DNAs are the same within the limit of experimental error; their calculated molecular weights are correspondingly different due to unequal glucosylation. The size of the T2 genome is smaller than that of T4 or T6, but the terminally repetitious region in T2 is larger. There is a length distribution of the terminal repetition for any one phage DNA, indicating a variability in length of the DNA molecules packaged within the phage.

Part II. E. coli cells infected with phage strains carrying extensive deletions encompassing the gene for the phage ser-tRNA are missing the phage tRNAs normally present in wild type infected cells. By DNA-RNA hybridization we have demonstrated that the DNA complementary to the missing tRNAs is also absent in such deletion mutants. Thus the genes for these tRNAs must be clustered in the same region of the genome as the ser-tRNA gene. Physical mapping of several deletions of the ser-tRNA and lysozyme genes, by examination of heteroduplex DNA in the electron microscope, has enabled us to locate the cluster, to define its maximum size, and to order a few of the tRNA genes within it. That such deletions can be isolated indicates that the phage-specific tRNAs from this cluster are dispensable.

Part III. Genes 37 and 38 between closely related phages T2 and T4 have been compared by genetic, biochemical, and hetero-duplex studies. Homologous, partially homologous and non-homologous regions of the gene 37 have been mapped. The host range determinant which interacts with the gene 38 product is identified.

Part IV. A population of double-stranded ØX-RF DNA molecules carrying a deletion of about 9% of the wild-type DNA has been discovered in a sample cultivated under conditions where the phage lysozyme gene is nonessential. The structures of deleted monomers, dimers, and trimers have been studied by the electron microscope heteroduplex method. The dimers and trimers are shown to be head-to-tail repeats of the deleted monomers. Some interesting examples of the dynamical phenomenon of branch migration in vitro have been observed in heteroduplexes of deleted dimer and trimer strands with undeleted wild-type monomer viral strands.

Desenvolvimento e validação de sistema multiplex X-STR para identificação humana por DNA

Novas metodologias de análise molecular voltadas para estudos populacionais, clínicos, evolutivos, da biodiversidade e identificação forense foram desenvolvidas com base em marcadores microssátelites ou STR Short Tandem Repeats. Os marcadores STR, que estão amplamente espalhados nos genomas e se caracterizam por apresentar alto grau de polimorfismo, podem ser analisados a partir da amplificação por PCR (Reação em Cadeia da polimerase). A análise foi facilitada a partir do desenvolvimento de sistemas de amplificação simultânea de múltiplos STR (multiplex STR) e com a detecção automatizada dos produtos de amplificação marcados por fluorescência. Recentemente, o uso de marcadores STR do cromossomo X (X-STR) tornou-se significativo na prática forense. Devido ao seu modo de transmissão, os X-STR são úteis em situações particulares de investigação de relações de parentesco, apresentando vantagens sobre o uso de STR autossômicos. Este estudo teve como principal objetivo o desenvolvimento e validação de sistema multiplex, denominado LDD (X-STR) Decaplex, capaz de amplificar dez loci X-STR (DXS7133, DXS7424, DXS8378, DXS6807, DXS7132, DXS10074, DXS7423, DXS8377, GATA172D05 e DXS10101) para aplicação em genética populacional, identificação e análises forenses. Utilizando o LDD (X-STR) Decaplex 170 indivíduos autodenominados afrodescendentes, não aparentados geneticamente, foram genotipados. As freqüências alélicas e genotípicas não apresentaram desvio do equilíbrio de Hardy-Weinberg e estão em concordância com aquelas observadas em outros estudos. Os haplótipos observados foram únicos em indivíduos de amostra masculina. A análise de desequilíbrio de ligação não revelou associação entre os marcadores X-STR. A diversidade genética foi elevada, variando entre 0,6218 para o locus DXS7133 a 0,9327 para o locus DXS8377. Os parâmetros de Probabilidade de Vinculação (PV), Índice de Vinculação (IV), Poder de Exclusão (PE), Poder de Discriminação e Razão de Verossimilhança foram também elevados, demonstraram que os dez X-STRs são altamente polimórficos e discriminativos na população estudada. A concentração mínima de DNA para a amplificação dos loci do LDD (X-STR) Decaplex é de 0,5 ng e verificamos que amplificação por PCR pode ser afetada quando são adicionados mais de 5 ng de DNA nas reações. Os percentuais de bandas stutter foram elevados para os loci DXS7132 e DXS8377. No teste de reprodutibilidade observamos consistência entre as tipagem de diferentes amostras biológicas, incluindo as de restos mortais. No teste de mistura a proporção limite em que observamos a coexistência de duas espécies biológicas foi de 2,5:1ng (feminino-masculino). Os resultados evidenciaram que os loci do LDD (X-STR) Decaplex são altamente informativos, consistindo, em conjunto, uma ferramenta importante em estudos de identificação humana e de relações de parentesco.

Avaliação da suscetibilidade antimicrobiana e do perfil de macrorrestrição do DNA de isolados humanos de Salmonella serovar Typhimurium fagotipo 193, no período de 1970 a 2008

Para analisar cepas de Salmonella ser. Typhimurium isoladas de processos entéricos e extraintestinais humanos ocorridos no período de 1970 a 2008 de diferentes regiões do país foram selecionadas, com base nos registros contidos no banco de dados do Laboratório de Enterobactérias do IOC/FIOCRUZ, RJ, amostras do fagotipo prevalente 193, visando precipuamente o reconhecimento de clones epidêmicos. Foram selecionadas 553 cepas de Salmonella ser. Typhimurium fagotipo 193 representadas por 91, 65, 70 e 327 amostras referentes as décadas de 70, 80, 90 e ao período de 2000 a 2008, respectivamente. Na análise global da sensibilidade destas cepas, 52% apresentaram um ou mais marcadores de resistência a antibióticos incluídos no perfil ACSSuT. Este perfil de resistência completo foi verificado em 20,9% dos isolados, sendo os 21,9% restantes, sensíveis a todas as drogas testadas, especialmente no período de 2000 a 2008, representadas por 121 amostras (37,0%) em relação as 327 culturas dessa época. O maior percentual de resistência foi observado nas amostras da década de 70 (99%) sendo o perfil ACSSuT detectado em 35,2% dos isolados, ressaltando-se que todas as amostras foram isoladas de processos gastroentéricos ocorridos na cidade de São Paulo. Ao longo das quatro décadas de estudo, descreve-se um ponto de ruptura entre a prevalência de resistência e a suscetibilidade na transição entre as décadas de 80 e 90. Embora o número de isolados de Salmonella ser. Typhimurium fagotipo 193 tenha aumentado no último período considerado, o percentual de mono e multirresistência aos antimicrobianos se situou em nível elevado (63,0%). A análise do polimorfismo obtido após macrorrestrição com a enzima XbaI revelou que cepas isoladas na década de 90 apresentaram elevado percentual de similaridade (≥85%) com cepas isoladas recentemente (período de 2000-2008), sendo agrupadas nos mesmos subclusters. Por outro lado, as cepas da década de 70 inserem-se em subclusters independentes, embora o percentual de similaridade entre tais subclusters e os demais seja ≥70%; o mesmo sendo observado para as cepas isoladas durante a década de 80. Em conclusão, este estudo mostrou que a prevalência de isolados humanos de Salmonella ser. Typhimurium fagotipo 193 no Brasil vem progredindo desde a década de 1990, enquanto a detecção do modelo R (ACSSuT) está diminuindo e a avaliação através da PFGE indicou a presença de multiplicidade de perfis de macrorrestrição no fagotipo 193, entretanto com elevados percentuais de similaridade entre si, sugerindo alguma clonalidade, tendo em vista o período entre o isolamento e a análise

Identifizierung der Welsart in Filetware durch Protein- und DNA-Analyse

Zusammenfassung Zur Identifizierung der folgenden vier Welsarten bzw. zwei Hybriden (Clarias gariepinus, Pangasius hypophthalmus, Pseudoplatystoma spp., Silurus glanis, Claresse® und Melander®) wurden die isolektrische Fokussierung (IEF) der wasserlöslichen Muskelproteine und die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) zur Vervielfältigung und Sequenzierung eines Abschnittes aus dem Cytochrom b – Gen eingesetzt. Die IEF ergab artspezifische Proteinmuster mit hitzestabilen Proteinbanden im anodalen Gelbereich. Der afrikanische Wels (C. gariepinus) und das Hybriderzeugnis Melander® wiesen das gleiche Proteinmuster auf. Mittels DNA-Analyse ließen sich die Welsarten anhand ihrer Cytochrom b Gensequenzen eindeutig identifizieren. Auch hier zeigte der Welshybrid Melander® ein identisches Ergebnis wie der afrikanische Wels. Die Schwierigkeiten der Identifizierung von Tigerwelsen südamerikanischer Herkunft aus der Gattung Pseudoplatystoma werden diskutiert. Abstract Isoelectric focusing (IEF) of water soluble proteins and PCR-based DNA- analysis were used to differentiate between four catfish species (Clarias gariepinus, Pangasius hypophthalmus, Pseudoplatystoma spp., Silurus glanis) and two hybrids Claresse® and Melander®. Specific protein patterns have been obtained for all species and Claresse®, but in case of Melander® the identical pattern was observed as for the African catfish Clarias gariepinus. By sequencing the PCR products and application of BLAST, authenticity of the different catfish samples was confirmed. The cytochrome b gene sequences of Melander® and African catfish were identical. The difficulties of identifying catfishes of the genus Pseudoplatystoma are discussed.

Utilização de sistema multiplex de marcadores do tipo INDELs em identificação humana por DNA

Os INDELs são polimorfismos de comprimento, gerados a partir de inserções e/ou deleções de um ou mais nucleotídeos. Os marcadores INDELs, que estão amplamente distribuídos pelo genoma e se caracterizam pela alta estabilidade devido à baixa taxa mutacional (10-9), podem ser analisados a partir da amplificação por PCR (Reação em Cadeia da Polimerase). A facilidade de análise e a possibilidade de construção de sistemas multiplex capazes de gerar amplicons curtos (menores que 100 pb) tornam os INDELs uma importante ferramenta para identificação humana por DNA. Para avaliar a eficiência e validar a metodologia que emprega os polimorfismos de inserção/deleção na identificação humana, utilizamos o sistema Indel-plex ID, capaz de amplificar simultaneamente 38 loci INDELs bialélicos de cromossomos autossomos. Diferentes amostras biológicas (cabelo, saliva, sangue, sêmen e urina) foram genotipadas apresentando reprodutibilidade entre todas as tipagens. A concentração mínima de DNA necessária para amplificação dos 38 loci INDELs foi de 0,5 ng. Artefatos do tipo split peaks foram observados em algumas amostras. Os produtos da PCR foram purificados em resina Sephadex proporcionando melhores condições de análise, redução de artefatos e aumento na intensidade média de fluorescência dos alelos amplificados. A eficiência do sistema Indel-plex ID na amplificação de DNA degradado foi verificada durante as análises das amostras de DNA extraídas de restos mortais (ossos e dentes). Comparativamente ao sistema Identifiler, o Indel-plex ID, se mostrou mais eficiente em termos de número de loci genotipados e qualidade de amplificação. Nas investigações de vínculos genéticos realizadas com o sistema Indel-plex ID foi possível corroborar resultados anteriores obtidos pela análise de marcadores STR. Nas análises com amostras in vivo foram obtidos valores máximos de Probabilidades de Paternidade de 99,99998%. Para casos envolvendo supostos pais falecidos, o sistema Indel-plex ID reforçou resultados obtidos com o sistema Identifiler e Minifiler. A Probabilidade de Paternidade de 99,953%, obtida com o sistema Indel-plex ID, conjugada com a Probabilidade de Paternidade de 99,957%, obtida como o sistema Minifiler, possibilitou um índice final de 99,99998%. Os resultados evidenciaram que os loci INDELs do sistema Indel-plex ID são altamente informativos, constituindo uma ferramenta importante em estudos de identificação humana e de relações de parentesco

Estudo da ancestralidade materna da população do Rio de Janeiro: análise do DNA mitocondrial

As porções uniparentais do genoma humano, representadas pelo cromossomo Y e pelo DNA mitocondrial (DNAmt), contêm informação genética relacionada às heranças patrilinear e matrilinear, respectivamente. Além da aplicabilidade em genética médica e forense, o DNAmt tem sido utilizado como um importante marcador molecular em estudos sobre evolução para traçar inferências filogenéticas e filogeográficas sobre as populações humanas. A análise de linhagens de DNAmt presentes em diferentes populações mundiais levou à identificação de haplogrupos reunindo diversos haplótipos específicos dos grandes grupos étnicos: africanos, europeus, asiáticos e nativos americanos. A população brasileira é conhecida como uma das mais heterogêneas do mundo, resultado do processo de colonização do país, abrangendo mais de cinco séculos de miscigenação entre povos de diferentes continentes. Este trabalho teve como objetivo estimar a partir da análise do DNA mitocondrial as proporções ancestrais africanas, européias e ameríndias na população do Rio de Janeiro. Para isso foram sequencidas as regiões hipervariáveis HVI e HVII do DNAmt de 109 indivíduos não relacionados geneticamente residentes no Rio de Janeiro. Os haplogrupos foram classificados de acordo com o conjunto de polimorfismos dos haplótipos individuais. Programas estatísticas foram utilizados para a determinação de parâmetros de diversidade genética e comparações populacionais. A diversidade haplotípica foi estimada em 0,9988. Nossos resultados demonstraram na população do Rio de Janeiro percentuais de cerca de 60%, 25% e 15% de ancestralidades maternas africana, ameríndia e européia, respectivamente. Através da análise de distâncias genéticas, evidenciou-se que a população do Rio de Janeiro está mais próxima das populações brasilerias dos estados de São Paulo e Alagoas. Como descrito nos registros históricos, algumas regiões do país tiveram processos de colonização muito específicos que se refletem nas proporções ancestrais maternas e paternas observadas. Em relação ao DNAmt, não se verificou diferença genética significativa entre as populações do Rio de Janeiro e a de Angola, uma população africana. Os resultados obtidos estão em estreita concordância com os registros históricos e outros estudos genéticos acerca da formação da população brasileira

Differenzierung von Kammmuscheln durch DNA-Analyse

Abstract In the last years scallops have reached a considerable popularity and the import of scallops into the EU has increased about 20 % over the last fi ve years from some 50.000 t to nearly 63.000 t in the year 2010. Scallops are fi shed or farmed, and traded as fresh or deep frozen product. Recently investigation of scallop products of various origins by determining the species using molecular biological techniques showed that the species had been mislabelled in a considerable proportion of samples. Determination of the species was performed by PCR-based DNA-analysis of mitochondrial DNA followed by (i) sequencing the PCR product and (ii) comparison of the DNA sequence with entries in GenBank using BLAST. The deduced sequences of the analysed samples were considerably different from each other allowing the unambiguous assignment of samples to a certain species. Kurzfassung Die Nachfrage von Kammmuscheln in der EU hat in den letzten fünf Jahren erheblich zugenommen. Der Import stieg von knapp 53.000 t im Jahr 2005 um 20% auf annähernd 63.000 t im Jahr 2010. Gehandelt werden Kammmuscheln sowohl als frische als auch als Tiefkühlware aus Wildfängen und Aquakultur. Untersuchungen von Kammmuschel-Proben aus verschiedenen Ursprungsländern und Bestimmung der Spezies auf molekularbiologischer Basis zeigten, dass ein erheblicher Anteil der Proben falsch deklariert war. Die Bestimmung der Spezies erfolgte durch Vervielfältigung eines Abschnitts des 16S rRNA Gens durch Polymerase- Kettenreaktion (PCR), anschließender Sequenzanalyse der PCR-Produkte und Vergleich der DNA Sequenzen untereinander und mit Dateneintragungen in GenBank. Die DNA-Sequenzen der ermittelten Abschnitte der 16S rRNA der Proben unterschieden sich erheblich voneinander und erlaubten eine eindeutige Zuordnung zu jeweils einer Spezies.

Estudo do reparo das lesões induzidas no DNA de Escherichia coli pela radiação ultravioleta C (UVC)

Didaticamente, podemos dividir o espectro da radiação ultravioleta (UV) em três faixas: UVA (400 a 320 nm), UVB (320 a 290 nm) e UVC (290 a 100 nm). Apesar do UVC ou UV-curto ser eficientemente filtrado pela camada de ozônio da Terra e sua atmosfera, este é uma das faixas do espectro de UV mais usadas para explorar as consequências de danos causados ao DNA, já que a letalidade induzida por este agente está relacionada aos danos diretos no genoma celular, como as lesões dímero de pirimidina, que são letais se não reparadas. Contudo, demonstrou-se que a radiação UVC pode gerar espécies reativas de oxigênio (ERO), como o oxigênio singleto (1O2). Embora, o radical hidroxil (OH) cause modificações oxidativas nas bases de DNA, alguns trabalhos indicam que o 1O2 também está envolvido nos danos oxidativos no DNA. Esta ERO é produzida por vários sistemas biológicos e reações fotossensibilização, quando cromóforos são expostos à luz visível ou são excitados pela luz UV, permitindo que essa energia possa ser transferida para o oxigênio sendo convertido em 1O2, que é conhecido por modificar resíduos de guanina, gerando 8-oxoG, que caso não seja reparada pode gerar uma transversão GC-TA. O objetivo deste trabalho foi o de elucidar a participação de ERO nos efeitos genotóxicos e mutagênicos gerados pela radiação UVC, assim como as enzimas envolvidas no processo de reparação destas lesões em células de Escherichia coli. Nos ensaios as culturas foram irradiadas com o UVC (254 nm; 15W General Electric G15T8 germicidal lamp, USA). Nossos resultados mostram que o uso de quelantes de ferro não alterou a letalidade induzida pelo UVC. A azida sódica, um captador de 1O2, protegeu as cepas contra os danos genotóxicos gerados pelo UVC e também diminuiu a frequência de mutações induzidas no teste com rifampicina. A reversão específica GC-TA foi induzida mais de 2,5 vezes no ensaio de mutagênese. A cepa deficiente na proteína de reparo Fpg, enzima que corrige a lesão 8-oxoG, apresentou menos quebras no DNA do que a cepa selvagem no ensaio de eletroforese alcalina. A letalidade induzida pelo UVC foi aumentada nos mutantes transformados com o plasmídeo pFPG, ao mesmo tempo que representou uma redução na indução mutagênica. Houve dimuição na eficiência de transformação com plasmídeo pUC 9.1 na cepa fpg quando comparado a cepa selvagem. Assim como, um aumento da sensibilidade ao UVC na associação entre mutantes fpg e uvrA. Estes resultados mostram que o 1O2 participa dos danos induzidos pelo UVC, através da geração da lesão 8-oxoG, uma lesão mutagênica, que é reparada pela proteína Fpg

Surface mucous as a source of genomic DNA from Atlantic billfishes (Istiophoridae) and swordfish (Xiphiidae)

Procedures for sampling genomic DNA from live billfishes involve manual restraint and tissue excision that can be difficult to carry out and may produce stresses that affect fish survival. We examined the collection of surface mucous as a less invasive alternative method for sourcing genomic DNA by comparing it to autologous muscle tissue samples from Atlantic blue marlin (Makaira nigricans), white marlin (Tetrapturus albidus), sailfish (Istiophorus platypterus), and swordfish (Xiphias gladius). Purified DNA from mucous was comparable to muscle and was suitable for conventional polymerase chain reaction, random amplified polymorphic DNA analysis, and mitochondrial and nuclear locus sequencing. The nondestructive and less invasive characteristics of surface mucous collection may promote increased survival of released specimens and may be advantageous for other marine fish genetic studies, particularly those involving large live specimens destined for release.

Evolutionary associations between sand seatrout (Cynoscion arenarius) and silver seatrout (C. nothus) inferred from morphological characters, mitochondrial DNA, and microsatellite markers

The evolutionary associations between closely related fish species, both contemporary and historical, are frequently assessed by using molecular markers, such as microsatellites. Here, the presence and variability of microsatellite loci in two closely related species of marine fishes, sand seatrout (Cynoscion arenarius) and silver seatrout (C. nothus), are explored by using heterologous primers from red drum (Sciaenops ocellatus). Data from these loci are used in conjunction with morphological characters and mitochondrial DNA haplotypes to explore the extent of genetic exchange between species offshore of Galveston Bay, TX. Despite seasonal overlap in distribution, low genetic divergence at microsatellite loci, and similar life history parameters of C. arenarius and C. nothus, all three data sets indicated that hybridization between these species does not occur or occurs only rarely and that historical admixture in Galveston Bay after divergence between these species was unlikely. These results shed light upon the evolutionary history of these fishes and highlight the genetic properties of each species that are influenced by their life history and ecology.

Mitochondrial DNA markers to identify commercial spiny lobster species (Panulirus spp.) from the Pacific coast of Mexico: an application on phyllosoma larvae

Molecular markers based on mitochondrial DNA (mtDNA) are extensively used to study genetic relationships. mtDNA has been used in phylogenetic studies to understand the evolutionary history of species because it is maternally inherited and is not subject to genetic recombination (Gyllensten et al., 1991). The high mutation rate of mtDNA makes it a useful tool for differentiating between closely related species (Brown et al., 1979)—a tool that is especially important when significant variations occur between species, but not within species (Hill et al., 2001; Blair et al., 2006; Chow et al., 2006a).