Functional characterisation of the non-essential protein kinases and phosphatases regulating Aspergillus nidulans hydrolytic enzyme production

Abstract Background Despite recent advances in the understanding of lignocellulolytic enzyme regulation, less is known about how different carbon sources are sensed and the signaling cascades that result in the adaptation of cellular metabolism and hydrolase secretion. Therefore, the role played by non-essential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) in the sensing of carbon and/or energetic status was investigated in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. Results Eleven NPKs and seven NPPs were identified as being involved in cellulase, and in some cases also hemicellulase, production in A. nidulans. The regulation of CreA-mediated carbon catabolite repression (CCR) in the parental strain was determined by fluorescence microscopy, utilising a CreA: GFP fusion protein. The sensing of phosphorylated glucose, via the RAS signalling pathway induced CreA repression, while carbon starvation resulted in derepression. Growth on cellulose represented carbon starvation and derepressing conditions. The involvement of the identified NPKs in the regulation of cellulose-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics (GEO accession 47810). CreA:GFP localisation and the restoration of endocellulase activity via the introduction of the ∆creA mutation, was assessed in the NPK-deficient backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses, including the expression of hydrolytic enzymes and transporters. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as the NPK-deficient mutants were not able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Conclusions Collectively, this study identified multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon and/or energetic status, while demonstrating the overlapping, synergistic roles of schA and snfA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A. nidulans. The importance of a carbon starvation-induced signal for CreA derepression, permitting transcriptional activator binding, appeared paramount for hydrolase secretion.

A note on the use of the generalized odds ratio in meta-analysis of association studies involving bi- and tri-allelic polymorphisms

Abstract Background The generalized odds ratio (GOR) was recently suggested as a genetic model-free measure for association studies. However, its properties were not extensively investigated. We used Monte Carlo simulations to investigate type-I error rates, power and bias in both effect size and between-study variance estimates of meta-analyses using the GOR as a summary effect, and compared these results to those obtained by usual approaches of model specification. We further applied the GOR in a real meta-analysis of three genome-wide association studies in Alzheimer's disease. Findings For bi-allelic polymorphisms, the GOR performs virtually identical to a standard multiplicative model of analysis (e.g. per-allele odds ratio) for variants acting multiplicatively, but augments slightly the power to detect variants with a dominant mode of action, while reducing the probability to detect recessive variants. Although there were differences among the GOR and usual approaches in terms of bias and type-I error rates, both simulation- and real data-based results provided little indication that these differences will be substantial in practice for meta-analyses involving bi-allelic polymorphisms. However, the use of the GOR may be slightly more powerful for the synthesis of data from tri-allelic variants, particularly when susceptibility alleles are less common in the populations (≤10%). This gain in power may depend on knowledge of the direction of the effects. Conclusions For the synthesis of data from bi-allelic variants, the GOR may be regarded as a multiplicative-like model of analysis. The use of the GOR may be slightly more powerful in the tri-allelic case, particularly when susceptibility alleles are less common in the populations.

Profilo genomico e di espressione dell'Osteosarcoma. Identificazione dei geni con alto grado di correlazione tra numero di copie ed espressione

To identify the regions of recurrent copy number abnormality in osteosarcoma and their effect on gene expression, we performed an integrated genome-wide high-resolution array CGH (aCGH) and gene expression profiling analysis on 40 human OS tissues and 12 OS cell lines. This analysis identified several recurrent chromosome regions that contain genes that show a gene dosage effect on gene expression. A further search, performed on those genes that were over-expressed and localized in the frequently amplified chromosomal regions, greatly reduced the number of candidate genes while their characterization using gene ontology (GO) analysis suggests the importance of the deregulation of the G1-to-S phase in the development of the disease. We also identified frequent deletions on 3q in the vicinity of LSAMP and performed a fine mapping analysis of the breakpoints. We precisely mapped the breakpoints in several instances and demonstrated that the majority do not involve the LSAMP gene itself, and that they appear to form by a process of non-homologous end joining. In addition, aCGH analysis revealed frequent gains of IGF1R that were highly correlated with its protein level. Blockade of IGF1R in OS cell lines with high copy number gain led to growth inhibition suggesting that IGF1R may be a viable drug target in OS, particularly in patients with copy number driven overexpression of this receptor.

Depicting the role of CDKN2A/ARF alterations in adult BCR-ABL1-positive acute lymphoblastic leukemia patients: from genomic deletions to prognostic impact

This 9p21 locus, encode for important proteins involved in cell cycle regulation and apoptosis containing the p16/CDKN2A (cyclin-dependent kinase inhibitor 2a) tumor suppressor gene and two other related genes, p14/ARF and p15/CDKN2B. This locus, is a major target of inactivation in the pathogenesis of a number of human tumors, both solid and haematologic, and is a frequent site of loss or deletion also in acute lymphoblastic leukemia (ALL) ranging from 18% to 45% 1. In order to explore, at high resolution, the frequency and size of alterations affecting this locus in adult BCR-ABL1-positive ALL and to investigate their prognostic value, 112 patients (101 de novo and 11 relapse cases) were analyzed by genome-wide single nucleotide polymorphisms arrays and gene candidate deep exon sequencing. Paired diagnosis-relapse samples were further available and analyzed for 19 (19%) cases. CDKN2A/ARF and CDKN2B genomic alterations were identified in 29% and 25% of newly diagnosed patients, respectively. Deletions were monoallelic in 72% of cases and in 43% the minimal overlapping region of the lost area spanned only the CDKN2A/2B gene locus. The analysis at the time of relapse showed an almost significant increase in the detection rate of CDKN2A/ARF loss (47%) compared to diagnosis (p = 0.06). Point mutations within the 9p21 locus were found at very low level with only a non-synonymous substition in the exon 2 of CDKN2A. Finally, correlation with clinical outcome showed that deletions of CDKN2A/B are significantly associated with poor outcome in terms of overall survival (p = 0.0206), disease free-survival (p = 0.0010) and cumulative incidence of relapse (p = 0.0014). The inactivation of 9p21 locus by genomic deletions is a frequent event in BCR-ABL1-positive ALL. Deletions are frequently acquired at the leukemia progression and work as a poor prognostic marker.

Structural and functional analysis of centromeric chromatin

Animal neocentromeres are defined as ectopic centromeres that have formed in non-centromeric locations and avoid some of the features, like the DNA satellite sequence, that normally characterize canonical centromeres. Despite this, they are stable functional centromeres inherited through generations. The only existence of neocentromeres provide convincing evidence that centromere specification is determined by epigenetic rather than sequence-specific mechanisms. For all this reasons, we used them as simplified models to investigate the molecular mechanisms that underlay the formation and the maintenance of functional centromeres. We collected human cell lines carrying neocentromeres in different positions. To investigate the region involved in the process at the DNA sequence level we applied a recent technology that integrates Chromatin Immuno-Precipitation and DNA microarrays (ChIP-on-chip) using rabbit polyclonal antibodies directed against CENP-A or CENP-C human centromeric proteins. These DNA binding-proteins are required for kinetochore function and are exclusively targeted to functional centromeres. Thus, the immunoprecipitation of DNA bound by these proteins allows the isolation of centromeric sequences, including those of the neocentromeres. Neocentromeres arise even in protein-coding genes region. We further analyzed if the increased scaffold attachment sites and the corresponding tighter chromatin of the region involved in the neocentromerization process still were permissive or not to transcription of within encoded genes. Centromere repositioning is a phenomenon in which a neocentromere arisen without altering the gene order, followed by the inactivation of the canonical centromere, becomes fixed in population. It is a process of chromosome rearrangement fundamental in evolution, at the bases of speciation. The repeat-free region where the neocentromere initially forms, progressively acquires extended arrays of satellite tandem repeats that may contribute to its functional stability. In this view our attention focalized to the repositioned horse ECA11 centromere. ChIP-on-chip analysis was used to define the region involved and SNPs studies, mapping within the region involved into neocentromerization, were carried on. We have been able to describe the structural polymorphism of the chromosome 11 centromeric domain of Caballus population. That polymorphism was seen even between homologues chromosome of the same cells. That discovery was the first described ever. Genomic plasticity had a fundamental role in evolution. Centromeres are not static packaged region of genomes. The key question that fascinates biologists is to understand how that centromere plasticity could be combined to the stability and maintenance of centromeric function. Starting from the epigenetic point of view that underlies centromere formation, we decided to analyze the RNA content of centromeric chromatin. RNA, as well as secondary chemically modifications that involve both histones and DNA, represents a good candidate to guide somehow the centromere formation and maintenance. Many observations suggest that transcription of centromeric DNA or of other non-coding RNAs could affect centromere formation. To date has been no thorough investigation addressing the identity of the chromatin-associated RNAs (CARs) on a global scale. This prompted us to develop techniques to identify CARs in a genome-wide approach using high-throughput genomic platforms. The future goal of this study will be to focalize the attention on what strictly happens specifically inside centromere chromatin.

Bioinformatische, genomweite Analyse genexpressionsregulierender Faktoren in Lebergewebe

Für eine Reihe einzelner genetischer Faktoren und Promotorelemente wurde in der Vergangenheit eine Regulation der Genexpression in der Leber (und auch in anderen Geweben) gezeigt. Mit der Verfügbarkeit des gesamten humanen Genoms sowie dessen Expressionsdaten in großen Microarray- und SAGE-Datenbanken bietet sich die Möglichkeit, solche Regulationsmechanismen in großem, genomweitem Maßstab zu untersuchen. Dabei geht diese Arbeit der Frage nach, ob es übergeordnete, eine Expression speziell in der Leber fördernde oder hemmende Faktoren gibt oder ob jedes Gen von einer unabhängigen Kombination von Faktoren reguliert wird, in dessen Summe die Expression des individuellen Gens in der Leber am stärksten ist. Sollten sich übergeordnete, eine Expression in der Leber stimulierende Faktoren finden, wären diese interessant für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte bei Lebererkrankungen. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden aus einem Affymetrix Microarray Datenset für 12 Gewebe die Expressiondaten von insgesamt jeweils 15.472 Genen extrahiert. In einem zweiten Schritt wurden zusätzlich die Promotorsequenzen der einzelnen zugehörigen Gene, definiert als eine 1000 bp Region upstream des Transkriptionsstarts, in dieselbe Datenbank abgelegt. Die Promotorsequenzen wurden über den PromotorScan-Algorithmus analysiert. Auf diese Weise wurden Transkriptionsfaktorbindungsstellen auf 7042 der Promotoren identifiziert. Es fand sich eine Gesamtzahl von 241.984 Transkriptionsfaktorbindungsstellen. Anhand der Microarray-Expressionsdaten wurde die Gesamtgruppe der verfügbaren Gene und Promotoren in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in die Gruppe der Gene, deren Expression in der Leber deutlich am höchsten gefunden wurde und in die Gruppe der Gene, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Jeder potentiell bindende Transkriptionsfaktor wurde auf unterschiedliches Vorkommen in diesen beiden Gruppen hin untersucht. Dies geschah unter der Vorstellung, dass übergeordnete Faktoren, die eine Expression in der Leber stimulieren in der Gruppe der Gene, die in der Leber am höchsten exprimiert sind, verhältnismäßig wesentlich häufiger zu finden sein könnten. Eine solches häufigeres Vorkommen ließ sich jedoch für keinen einzigen Faktor nachweisen. Transkriptionsfaktorbindungsstellen sind typischerweise zwischen 5 und 15 bp lang. Um auszuschließen, dass mit dem verwendeten PromotorScan-Algorithmus Transkriptionsfaktorbindungsstellen, die bisher nicht bekannt sind, nicht übersehen wurden, wurden die Häufigkeit sämtlicher möglicher 8 bp (48) und 10 bp (410) Nukleotid-Kombinationen in diesen Promotoren untersucht. Biologisch relevante Unterschiede fanden sich zwischen den beiden Gruppen nicht. In gleicher Weise wurde auch die Bedeutung von TATA-Boxen untersucht. TATA-Boxen kommt bei der Transkriptionsinitiierung eine wichtige Rolle zu, indem über sie die Bindung des initialen Transkriptionskomplexes vermittelt wird. Insgesamt 1033 TATA-Boxen wurden ebenfalls mittels PromotorScan vorausgesagt. Dabei waren 57 auf Promotoren von Genen, die in der Leber überexprimiert waren und 976 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben überexprimiert waren. Der Vergleich dieser beiden Gruppen ließ keine signifikant unterschiedliche Häufigkeit an TATA-Boxen erkennen. Im weiteren wurde die Bedeutung von CpG-Islands für eine potentiell differentielle Regulation untersucht. Insgesamt wurden 8742 CpG-Islands in einem Bereich von bis zu 5 kb upstream des Transkriptionsstarts identifiziert, 364 davon auf Promotoren von Genen, die am höchsten in der Leber exprimiert waren, 8378 auf Promotoren von Genen, die in anderen Geweben am höchsten exprimiert waren. Signifikante Unterschiede in der Verteilung von CpG-Islands auf Promotoren dieser beiden Gengruppen ließen sich nicht nachweisen. Schließlich wurden die RNA- und Proteinsequenzen des Transkriptoms und Proteoms hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus einzelnen Nukleotiden bzw. Aminosäuren analysiert. Auch hierbei fanden sich keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung zwischen beiden Gengruppen. Die Zusammenschau der Ergebnisse zeigt, dass die Regulation der einzelnen Gene im Lebergewebe im wesentlichen individuell erfolgt. Im Rahmen der vorgelegten bioinformatischen Analysen fanden sich keine übergeordneten genetischen „Leberfaktoren“, die speziell eine Expression von Genen in der Leber stimulieren. Neue therapeutische Ansätze, die auf eine Regulation der Genexpression in der Leber zielen, werden somit auch weiterhin auf die Beeinflussung individueller Gene fokussiert bleiben.

Studio degli aplogruppi mitocondriali nei pazienti con narcocataplessia

La narcolessia è un disturbo del sonno disabilitante caratterizzato da eccessiva sonnolenza diurna associata a disturbi del sonno REM che si manifestano con cataplessia (improvvisa perdita del tono muscolare scatenata da forti emozioni), paralisi del sonno (all’addormentamento o al risveglio) e allucinazioni ipnagogiche. Al momento attuale sono in corso studi di genome-wide solo sul genoma nucleare, l'unico ulteriore materiale genetico non indagato finora per una eventuale predisposizione genetica multifattoriale alla narcolessia è il genoma mitocondriale, che, a causa della sua variabilità, possiede un potenziale ruolo protettivo/predisponente nell’ambito di diverse malattie neurodegenerative, metaboliche ed infettive. Come obiettivo della tesi si propone la ricerca di eventuali polimorfismi sul DNA mitocondriale in grado di agire come fattori di suscettibilità/protezione nei confronti della narcolessia e di confermare quindi l’importante legame tra metabolismo bioenergetico, beta ossidazione e narcolessia. In particolare, vista la già nota capacità degli aplogruppi mitocondriali di modulare l’espressione di diverse malattie neurodegenerative, sono stati identificati i principali aplogruppi mitocondriali in un campione di pazienti con narcolessia successivamente confrontati con una popolazione di controllo per cercare eventuali differenze di distribuzione statisticamente significative tra le due popolazioni. I risultati presentati in questo studio completano con l’analisi del DNA mitocondriale i precedenti studi “genome wide”. L’assenza di associazione statisticamente significativa tra aplogruppi mitocondriali e narcolessia non esclude ancora il ruolo che la variabilità genetica del DNA mitocondriale può giocare nella patogenesi della narcolessia. La definitiva esclusione può essere conclusa solo espandendo la coorte dei pazienti studiati e considerando possibilmente origini etnico-geografiche diverse.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

Molekulare Mechanismen der Kontaktinhibition: Identifizierung neuer Tumorsuppressorgene

Die Zellen eines Organismus unterliegen ständig den Einflüssen wachstumsfördernder und –hemmender Signale. Die korrekte Verarbeitung dieser Signale ist essentiell für die Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase. Wachstumsfördernde Signale sind z. B. Wachstumsfaktoren und –hormone. Diese Substanzen sowie ihre Rezeptoren und Signalwege sind relativ gut erforscht. Dagegen ist über die wachstumshemmenden Signalwege vergleichsweise wenig bekannt. Wichtige wachstumshemmende Signale werden einerseits über lösliche Faktoren, wie z. B. TGF-β, und andererseits über Zell-Zell-Kontakte vermittelt. Den Zell-Zell-Kontakt vermittelten Wachstumsstopp bezeichnet man auch als Kontaktinhibition. Die Kontaktinhibition ist ein wichtiges Merkmal nicht-transformierter Zellen. Im Gegensatz dazu zeichnen sich transformierte Zellen durch den Verlust der Kontaktinhibition aus, der einhergeht mit unkontrolliertem Wachstum der Zellen und Tumorbildung. Genauere Kenntnisse der molekularen Ursachen der Kontaktinhibition bzw. ihres Verlustes während der Tumorentstehung werden neue Ansatzpunkte für die Krebstherapie liefern. Diese können bei der Entwicklung neuer, nebenwirkungsärmerer Krebsmedikamente und einer verbesserten Diagnostik helfen. In der vorliegenden Arbeit sollten daher die molekularen Mechanismen der Kontaktinhibition in Fibroblasten aus der Maus näher untersucht werden. Dazu wurden differentielle Genexpressionsanalysen mittels genomweiter Microarrays durchgeführt. Weiterhin wurde der Einfluss der Kontaktinhibition auf die Regulation der Signalkaskaden der MAP-Kinasen ERK und p38 untersucht. Durch die Genexpressionsanalyse konnte gezeigt werden, dass viele Schlüsselgene des Zellzyklus und der DNA-Synthese in der Kontaktinhibition eine Rolle spielen, so zum Beispiel Skp2, Foxm1 und einige Komponenten des MCM-Komplexes. Weiterhin haben wir gezeigt, dass durch Kontaktinhibition selektiv die EGF-induzierte Signalkaskade über die MAP-Kinasen gehemmt wird.

Machine-learning methods for structure prediction of β-barrel membrane proteins

Different types of proteins exist with diverse functions that are essential for living organisms. An important class of proteins is represented by transmembrane proteins which are specifically designed to be inserted into biological membranes and devised to perform very important functions in the cell such as cell communication and active transport across the membrane. Transmembrane β-barrels (TMBBs) are a sub-class of membrane proteins largely under-represented in structure databases because of the extreme difficulty in experimental structure determination. For this reason, computational tools that are able to predict the structure of TMBBs are needed. In this thesis, two computational problems related to TMBBs were addressed: the detection of TMBBs in large datasets of proteins and the prediction of the topology of TMBB proteins. Firstly, a method for TMBB detection was presented based on a novel neural network framework for variable-length sequence classification. The proposed approach was validated on a non-redundant dataset of proteins. Furthermore, we carried-out genome-wide detection using the entire Escherichia coli proteome. In both experiments, the method significantly outperformed other existing state-of-the-art approaches, reaching very high PPV (92%) and MCC (0.82). Secondly, a method was also introduced for TMBB topology prediction. The proposed approach is based on grammatical modelling and probabilistic discriminative models for sequence data labeling. The method was evaluated using a newly generated dataset of 38 TMBB proteins obtained from high-resolution data in the PDB. Results have shown that the model is able to correctly predict topologies of 25 out of 38 protein chains in the dataset. When tested on previously released datasets, the performances of the proposed approach were measured as comparable or superior to the current state-of-the-art of TMBB topology prediction.

Analisi preclinica di nuove strategie terapeutiche basate sull'inibizione di protein-chinasi nell'osteosarcoma.

Scopo: L’obiettivo del presente programma di studio è stato quello di identificare e validare nuovi possibili bersagli terapeutici per l’osteosarcoma (OS) partendo dall’analisi del chinoma umano. Risultati: L’analisi del profilo di espressione genica ottenuta su 21 campioni clinici di OS ad alto grado di malignità ha permesso di selezionare le seguenti chinasi di possibile rilevanza biologica per l’OS: AURK-A, AURK-B, CDK2, PIK3CA, PLK-1. Le chinasi selezionate sono state validate tramite RNA interference. Successivamente è stata valutata l’efficacia dei relativi inibitori specifici: VX-680 e ZM-447439 inibitori delle Aurora-chinasi, Roscovitina di CDK2 e NMS1 di PLK-1, già inclusi in studi clinici. In termini d’inibizione della crescita cellulare le linee sono risultate maggiomente sensibili ai farmaci VX-680 e NMS1. E’ stata osservata una minor sensibilità ai farmaci VX-680, ZM447439 e NMS1 nelle linee doxorubicina(DX)-resistenti (caratterizzate da elevati livelli di espressione di ABCB1), indicando questi farmaci come potenziali substrati di ABCB1. La Roscovitina, nonostante i valori di IC50 elevati, non sembrerebbe substrato di ABCB1. La validazione preclinica di VX-680 e ZM447439 è stata completata. La forte inibizione della crescita è causata da endoreduplicazione per mancata citodieresi con conseguente formazione di una popolazione iperploide e apoptosi. Inoltre, VX-680 inibisce la motilità e la capacità di formare colonie. Esperimenti di associazione farmacologica mostrano che VX-680 interagisce positivamente con tutti i chemioterapici convenzionali impiegati nel trattamento dell’OS. NMS-1 produce interazioni positive con la DX in linee cellulari DX-resistenti, probabilmente grazie all’effetto revertante esercitato su ABCB1. La Roscovitina produce interazioni positive con CDDP e DX nelle varianti resistenti, effetto probbilmente dovuto al ruolo di CDK2 nei meccanismi di riparo del DNA. Conclusioni: L’analisi in vitro dell’attività degli inibitori ha permesso di identificare VX-680 come nuovo farmaco di potenziale interesse clinico, soprattutto in virtù delle sue interazioni sinergiche con i chemioterapici di uso convenzionale nel trattamento dell’osteosarcoma.

Identification of novel genetic alterations in pediatric cytogenetically normal acute myeloid leukemia by next-generation sequencing

Pediatric acute myeloid leukemia (AML) is a molecularly heterogeneous disease that arises from genetic alterations in pathways that regulate self-renewal and myeloid differentiation. While the majority of patients carry recurrent chromosomal translocations, almost 20% of childhood AML do not show any recognizable cytogenetic alteration and are defined as cytogenetically normal (CN)-AML. CN-AML patients have always showed a great variability in response to therapy and overall outcome, underlining the presence of unknown genetic changes, not detectable by conventional analyses, but relevant for pathogenesis, and outcome of AML. The development of novel genome-wide techniques such as next-generation sequencing, have tremendously improved our ability to interrogate the cancer genome. Based on this background, the aim of this research study was to investigate the mutational landscape of pediatric CN-AML patients negative for all the currently known somatic mutations reported in AML through whole-transcriptome sequencing (RNA-seq). RNA-seq performed on diagnostic leukemic blasts from 19 pediatric CN-AML cases revealed a considerable incidence of cryptic chromosomal rearrangements, with the identification of 21 putative fusion genes. Several of the fusion genes that were identified in this study are recurrent and might have a prognostic and/or therapeutic relevance. A paradigm of that is the CBFA2T3-GLIS2 fusion, which has been demonstrated to be a common alteration in pediatric CN-AML, predicting poor outcome. Important findings have been also obtained in the identification of novel therapeutic targets. On one side, the identification of NUP98-JARID1A fusion suggests the use of disulfiram; on the other, here we describe alteration-activating tyrosine kinases, providing functional data supporting the use of tyrosine kinase inhibitors to specifically inhibit leukemia cells. This study provides new insights in the knowledge of genetic alterations underlying pediatric AML, defines novel prognostic markers and putative therapeutic targets, and prospectively ensures a correct risk stratification and risk-adapted therapy also for the “all-neg” AML subgroup.

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

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

Charakterisierung der Proteine CEP164 und ppdpf sowie deren Einordnung in den mitotischen Kontext

Eine regelgerechte bipolare Mitose und die fehlerfreie Aufteilung duplizierter DNA ist die Voraussetzung für die Entwicklung aller Lebewesen. Treten Fehler bei diesem grundsätzlichen Prozess auf, ist entweder der Zelltod oder die maligne Entartung der Zelle die Folge. Daher ist es von zentraler Bedeutung, die Vorgänge während der Zellteilung zu verstehen und die Funktion der an diesem Prozess beteiligten Proteine aufzudecken. Im Vorfeld dieser Arbeit wurden im Rahmen eines siRNA-Screens genomweit alle Proteine durch RNA-Interferenz depletiert und die Mitosen nach erfolgter RNAi phänotypisch untersucht. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Entwicklung multipolarer Spindeln durch Defekte in der Zentrosomenbündelung. Dadurch wurden unter anderem die Proteine CEP164 und ppdpf identifiziert. Da weder für CEP164 noch für ppdpf mitotische Funktionen bekannt sind, war es Ziel dieser Arbeit, die beiden Proteine eingehender zu charakterisieren und in den Kontext der Mitose einzuordnen. rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass CEP164 einer komplexen mitotischen Regulation unterliegt. Die in Interphase durchweg zentrosomale Lokalisation von CEP164 geht in der Mitose verloren. Es wird demonstriert, dass CEP164 während der Mitose unter anderem von CDK1 phosphoryliert wird und des Weiteren ubiquitinyliert wird. Als Interaktionspartner wurde das zentrosomale Protein Ninein identifiziert und demonstriert, dass sich CEP164 mit diesem in einem Komplex von ~2MDA befindet. Als weiterer Interaktionspartner wurde das Ninein-like-Protein ermittelt. Im Hinblick auf die Induktion multipolarer Mitosen wurde gezeigt, dass die Depletion von CEP164 nicht dafür verantwortlich ist. Die Induktion multipolarer Spindeln ist stattdessen darin begründet, dass durch die Transfektion einer siRNA gegen CEP164 auch ein für die Ausbildung der mitotischen Spindel elementares Protein, Ch-TOG, depletiert wird.rnIm Gegensatz dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit bestätigt, dass das Protein ppdpf eine wichtige mitotische Funktion übernimmt. Zwar führt die Depletion von ppdpf nur zu einer sehr geringen Zunahme multipolarer Mitosen, allerdings steigt die Zahl aberranter Mitosen deutlich an, während die Spannung innerhalb mitotischer Spindeln abnimmt. Desweiteren konnte nachgewiesen werde, dass ppdpf-RNAi die Entwicklung von „lagging chromosomes“ und nachfolgend von Mikrokernen begünstigt. Es wurde gezeigt, dass ppdpf während der Mitose an Spindelmikrotubuli lokalisiert und spezifisch acetyliertes Tubulin bindet. Diese Interaktion hatte allerdings keinen Einfluss auf die Stabilität von Mikrotubuli während der Mitose. Das Protein ppdpf interagiert zudem mit dem Kinesin Eg5, wobei ppdpf-RNAi allerdings nicht zu einer Modulation der Aktivität von Eg5 zu führen scheint. Inwiefern diese Eigenschaften die Entwicklung von „lagging chromosomes“ begünstigen ist derzeit noch offen.

Analysis of Copy Number Variants identifies new candidate genes for Autism Spectrum Disorder and Intellectual Disability

Autism spectrum disorder (ASD) and Intellectual Disability (ID) are complex neuropsychiatric disorders characterized by extensive clinical and genetic heterogeneity and with overlapping risk factors. The aim of my project was to further investigate the role of Copy Numbers Variants (CNVs), identified through genome-wide studies performed by the Autism Geome Project (AGP) and the CHERISH consortium in large cohorts of ASD and ID cases, respectively. Specifically, I focused on four rare genic CNVs, selected on the basis of their impact on interesting ASD/ID candidate genes: a) a compound heterozygous deletion involving CTNNA3, predicted to cause the lack of functional protein; b) a 15q13.3 duplication containing CHRNA7; c) a 2q31.1 microdeletion encompassing KLHL23, SSB and METTL5; d) Lastly, I investigated the putative imprinting regulation of the CADPS2 gene, disrupted by a maternal deletion in two siblings with ASD and ID. This study provides further evidence for the role of CTNNA3, CHRNA7, KLHL23 and CADPS2 as ASD and/or ID susceptibility genes, and highlights that rare genetic variation contributes to disease risk in different ways: some rare mutations, such as those impacting CTNNA3, act in a recessive mode of inheritance, while other CNVs, such as those occurring in the 15q13.3 region, are implicated in multiple developmental and/or neurological disorders possibly interacting with other susceptibility variants elsewhere in the genome. On the other hand, the discovery of a tissue-specific monoallelic expression for the CADPS2 gene, implicates the involvement of epigenetic regulatory mechanisms as risk factors conferring susceptibility to ASD/ID.