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

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

Development and characterization of micromachined devices for separation techniques

Nowadays microfluidic is becoming an important technology in many chemical and biological processes and analysis applications. The potential to replace large-scale conventional laboratory instrumentation with miniaturized and self-contained systems, (called lab-on-a-chip (LOC) or point-of-care-testing (POCT)), offers a variety of advantages such as low reagent consumption, faster analysis speeds, and the capability of operating in a massively parallel scale in order to achieve high-throughput. Micro-electro-mechanical-systems (MEMS) technologies enable both the fabrication of miniaturized system and the possibility of developing compact and portable systems. The work described in this dissertation is towards the development of micromachined separation devices for both high-speed gas chromatography (HSGC) and gravitational field-flow fractionation (GrFFF) using MEMS technologies. Concerning the HSGC, a complete platform of three MEMS-based GC core components (injector, separation column and detector) is designed, fabricated and characterized. The microinjector consists of a set of pneumatically driven microvalves, based on a polymeric actuating membrane. Experimental results demonstrate that the microinjector is able to guarantee low dead volumes, fast actuation time, a wide operating temperature range and high chemical inertness. The microcolumn consists of an all-silicon microcolumn having a nearly circular cross-section channel. The extensive characterization has produced separation performances very close to the theoretical ideal expectations. A thermal conductivity detector (TCD) is chosen as most proper detector to be miniaturized since the volume reduction of the detector chamber results in increased mass and reduced dead volumes. The microTDC shows a good sensitivity and a very wide dynamic range. Finally a feasibility study for miniaturizing a channel suited for GrFFF is performed. The proposed GrFFF microchannel is at early stage of development, but represents a first step for the realization of a highly portable and potentially low-cost POCT device for biomedical applications.

Implementazione di protocolli automatici per la caratterizzazione di microchip mediante interfaccia labview

Uno dei principali passi della catena di produzione di circuiti integrati è quello di testare e valutare una serie di chip campione per verificare che essi rientrino nei valori e nelle specifiche scelte. Si tratta di un passaggio molto importante che determina le caratteristiche del prodotto nella realtà, mostrando le proprie capacità o i propri limiti, permettendo così di valutare un’eventuale produzione su larga scala. Ci permette inoltre di stimare quali dei chip rispetto agli altri presi in esame è migliore in alcuni aspetti, oppure quale risulta più lontano dalle specifiche volute. Il lavoro alle spalle di questa tesi è proprio questo: si è cercato di caratterizzare un microchip chiamato Carbonio, nato nei laboratori della II Facoltà di Ingegneria di Cesena, creando un banco di misura automatico, tramite l’ausilio del software Labview e di una scheda hardware realizzata ad hoc, che desse la possibilità di eseguire alcuni test consecutivi su ogni singolo circuito integrato in modo da caratterizzarlo estrapolando tutte le informazioni cercate e verificandone il funzionamento. Tutti i valori estratti sono stati poi sottoposti a una breve analisi statistica per stabilire per esempio quale circuito integrato fosse meno immune ai disturbi dovuti al rumore elettrico oppure per eseguire un’indagine al fine di vedere come i valori dei parametri scelti si disponessero rispetto ai lori rispettivi valori medi.

The APSEL4D Monolithic Active Pixel Sensor and its Usage in a Single Electron Interference Experiment

We have realized a Data Acquisition chain for the use and characterization of APSEL4D, a 32 x 128 Monolithic Active Pixel Sensor, developed as a prototype for frontier experiments in high energy particle physics. In particular a transition board was realized for the conversion between the chip and the FPGA voltage levels and for the signal quality enhancing. A Xilinx Spartan-3 FPGA was used for real time data processing, for the chip control and the communication with a Personal Computer through a 2.0 USB port. For this purpose a firmware code, developed in VHDL language, was written. Finally a Graphical User Interface for the online system monitoring, hit display and chip control, based on windows and widgets, was realized developing a C++ code and using Qt and Qwt dedicated libraries. APSEL4D and the full acquisition chain were characterized for the first time with the electron beam of the transmission electron microscope and with 55Fe and 90Sr radioactive sources. In addition, a beam test was performed at the T9 station of the CERN PS, where hadrons of momentum of 12 GeV/c are available. The very high time resolution of APSEL4D (up to 2.5 Mfps, but used at 6 kfps) was fundamental in realizing a single electron Young experiment using nanometric double slits obtained by a FIB technique. On high statistical samples, it was possible to observe the interference and diffractions of single isolated electrons traveling inside a transmission electron microscope. For the first time, the information on the distribution of the arrival time of the single electrons has been extracted.

Temperature Variation Aware Energy Optimization in Heterogeneous MPSoCs

Thermal effects are rapidly gaining importance in nanometer heterogeneous integrated systems. Increased power density, coupled with spatio-temporal variability of chip workload, cause lateral and vertical temperature non-uniformities (variations) in the chip structure. The assumption of an uniform temperature for a large circuit leads to inaccurate determination of key design parameters. To improve design quality, we need precise estimation of temperature at detailed spatial resolution which is very computationally intensive. Consequently, thermal analysis of the designs needs to be done at multiple levels of granularity. To further investigate the flow of chip/package thermal analysis we exploit the Intel Single Chip Cloud Computer (SCC) and propose a methodology for calibration of SCC on-die temperature sensors. We also develop an infrastructure for online monitoring of SCC temperature sensor readings and SCC power consumption. Having the thermal simulation tool in hand, we propose MiMAPT, an approach for analyzing delay, power and temperature in digital integrated circuits. MiMAPT integrates seamlessly into industrial Front-end and Back-end chip design flows. It accounts for temperature non-uniformities and self-heating while performing analysis. Furthermore, we extend the temperature variation aware analysis of designs to 3D MPSoCs with Wide-I/O DRAM. We improve the DRAM refresh power by considering the lateral and vertical temperature variations in the 3D structure and adapting the per-DRAM-bank refresh period accordingly. We develop an advanced virtual platform which models the performance, power, and thermal behavior of a 3D-integrated MPSoC with Wide-I/O DRAMs in detail. Moving towards real-world multi-core heterogeneous SoC designs, a reconfigurable heterogeneous platform (ZYNQ) is exploited to further study the performance and energy efficiency of various CPU-accelerator data sharing methods in heterogeneous hardware architectures. A complete hardware accelerator featuring clusters of OpenRISC CPUs, with dynamic address remapping capability is built and verified on a real hardware.

Self-Assembled Monolayers (SAMs) in Organic Field-Effect Transistors

Organic printed electronics is attracting an ever-growing interest in the last decades because of its impressive breakthroughs concerning the chemical design of π-conjugated materials and their processing. This has an impact on novel applications, such as flexible-large-area displays, low- cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. The organic field-effect transistor (OFET) relies on a thin film of organic semiconductor that bridges source and drain electrodes. Since its first discovery in the 80s, intensive research activities were deployed in order to control the chemico-physical properties of these electronic devices and consequently their charge. Self-assembled monolayers (SAMs) are a versatile tool for tuning the properties of metallic, semi-conducting, and insulating surfaces. Within this context, OFETs represent reliable instruments for measuring the electrical properties of the SAMs in a Metal/SAM/OS junction. Our experimental approach, named Charge Injection Organic-Gauge (CIOG), uses OTFT in a charge-injection controlled regime. The CIOG sensitivity has been extensively demonstrated on different homologous self-assembling molecules that differ in either chain length or in anchor/terminal group. One of the latest applications of organic electronics is the so-called “bio-electronics” that makes use of electronic devices to encompass interests of the medical science, such as biosensors, biotransducers etc… As a result, thee second part of this thesis deals with the realization of an electronic transducer based on an Organic Field-Effect Transistor operating in aqueous media. Here, the conventional bottom gate/bottom contact configuration is replaced by top gate architecture with the electrolyte that ensures electrical contact between the top gold electrode and the semiconductor layer. This configuration is named Electrolyte-Gated Field-Effect Transistor (EGOFET). The functionalization of the top electrode is the sensing core of the device allowing the detection of dopamine as well as of protein biomarkers with ultra-low sensitivity.

Test hardware del primo batch di schede rod per l'esperimento atlas ibl.

L’acceleratore di particelle LHC, al CERN di Ginevra, permette studi molto rilevanti nell'ambito della fisica subnucleare. L’importanza che ricopre in questo campo il rivelatore è grandissima ed è per questo che si utilizzano tecnologie d’avanguardia nella sua costruzione. É altresì fondamentale disporre di un sistema di acquisizione dati quanto più moderno ma sopratutto efficiente. Tale sistema infatti è necessario per gestire tutti i segnali elettrici che derivano dalla conversione dell’evento fisico, passaggio necessario per rendere misurabili e quantificabili le grandezze di interesse. In particolare in questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD dell’esperimento ATLAS IBL, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Un sistema simile era già implementato e funzionante, ma il degrado dei chip ha causato una perdita di prestazioni, che ha reso necessario l’inserimento di un layer aggiuntivo. Il nuovo strato di rivelatori a pixel, denominato Insertable Barrel Layer (IBL), porta così un aggiornamento tecnologico e prestazionale all'interno del Pixel Detector di ATLAS, andando a ristabilire l’efficacia del sistema.

Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Microarray based real-time analysis of nucleic acid hybridization kinetics and thermodynamics

Ziel dieser Dissertation ist die experimentelle Charakterisierung und quantitative Beschreibung der Hybridisierung von komplementären Nukleinsäuresträngen mit oberflächengebundenen Fängermolekülen für die Entwicklung von integrierten Biosensoren. Im Gegensatz zu lösungsbasierten Verfahren ist mit Microarray Substraten die Untersuchung vieler Nukleinsäurekombinationen parallel möglich. Als biologisch relevantes Evaluierungssystem wurde das in Eukaryoten universell exprimierte Actin Gen aus unterschiedlichen Pflanzenspezies verwendet. Dieses Testsystem ermöglicht es, nahe verwandte Pflanzenarten auf Grund von geringen Unterschieden in der Gen-Sequenz (SNPs) zu charakterisieren. Aufbauend auf dieses gut studierte Modell eines House-Keeping Genes wurde ein umfassendes Microarray System, bestehend aus kurzen und langen Oligonukleotiden (mit eingebauten LNA-Molekülen), cDNAs sowie DNA und RNA Targets realisiert. Damit konnte ein für online Messung optimiertes Testsystem mit hohen Signalstärken entwickelt werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde der gesamte Signalpfad von Nukleinsärekonzentration bis zum digitalen Wert modelliert. Die aus der Entwicklung und den Experimenten gewonnen Erkenntnisse über die Kinetik und Thermodynamik von Hybridisierung sind in drei Publikationen zusammengefasst die das Rückgrat dieser Dissertation bilden. Die erste Publikation beschreibt die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Spezifizität von Microarray Ergebnissen durch online Messung von Kinetik und Thermodynamik gegenüber endpunktbasierten Messungen mit Standard Microarrays. Für die Auswertung der riesigen Datenmengen wurden zwei Algorithmen entwickelt, eine reaktionskinetische Modellierung der Isothermen und ein auf der Fermi-Dirac Statistik beruhende Beschreibung des Schmelzüberganges. Diese Algorithmen werden in der zweiten Publikation beschrieben. Durch die Realisierung von gleichen Sequenzen in den chemisch unterschiedlichen Nukleinsäuren (DNA, RNA und LNA) ist es möglich, definierte Unterschiede in der Konformation des Riboserings und der C5-Methylgruppe der Pyrimidine zu untersuchen. Die kompetitive Wechselwirkung dieser unterschiedlichen Nukleinsäuren gleicher Sequenz und die Auswirkungen auf Kinetik und Thermodynamik ist das Thema der dritten Publikation. Neben der molekularbiologischen und technologischen Entwicklung im Bereich der Sensorik von Hybridisierungsreaktionen oberflächengebundener Nukleinsäuremolekülen, der automatisierten Auswertung und Modellierung der anfallenden Datenmengen und der damit verbundenen besseren quantitativen Beschreibung von Kinetik und Thermodynamik dieser Reaktionen tragen die Ergebnisse zum besseren Verständnis der physikalisch-chemischen Struktur des elementarsten biologischen Moleküls und seiner nach wie vor nicht vollständig verstandenen Spezifizität bei.

Transcriptional dynamics of the human DMD locus

The human DMD locus encodes dystrophin protein. Absence or reduced levels of dystrophin (DMD or BMD phenotype, respectively) lead to progressive muscle wasting. Little is known about the complex coordination of dystrophin expression and its transcriptional regulation is a field of intense interest. In this work we found that DMD locus harbours multiple long non coding RNAs which orchestrate and control transcription of muscle dystrophin mRNA isoforms. These lncRNAs are tissue-specific and highly expressed during myogenesis, suggesting a possible role in tissue-specific expression of DMD gene isoforms. Their forced ectopic expression in human muscle and neuronal cells leads to a specific and negative regulation of endogenous dystrophin full lenght isoforms. An intriguing aspect regarding the transcription of the DMD locus is the gene size (2.4Mb). The mechanism that ensures the complete synthesis of the primary transcript and the coordinated splicing of 79 exons is still completely unknown. By ChIP-on-chip analyses, we discovered novel regions never been involved before in the transcription regulation of the DMD locus. Specifically, we observed enrichments for Pol II, P-Ser2, P-Ser5, Ac-H3 and 2Me-H3K4 in an intronic region of 3Kb (approximately 21Kb) downstream of the end of DMD exon 52 and in a region of 4Kb spanning the DMD exon 62. Interestingly, this latter region and the TSS of Dp71 are strongly marked by 3Me-H3K36, an histone modification associated with the regulation of splicing process. Furthermore, we also observed strong presence of open chromatin marks (Ac-H3 and 2Me-H3K4) around intron 34 and the exon 45 without presence of RNA pol II. We speculate that these two regions may exert an enhancer-like function on Dp427m promoter, although further investigations are necessary. Finally, we investigated the nuclear-cytoplasmic compartmentalization of the muscular dystrophin mRNA and, specifically, we verified whether the exon skipping therapy could influence its cellular distribution.

Silicon Photonics Integrated Circuits for Flexible Optical Systems

This dissertation deals with the design and the characterization of novel reconfigurable silicon-on-insulator (SOI) devices to filter and route optical signals on-chip. Design is carried out through circuit simulations based on basic circuit elements (Building Blocks, BBs) in order to prove the feasibility of an approach allowing to move the design of Photonic Integrated Circuits (PICs) toward the system level. CMOS compatibility and large integration scale make SOI one of the most promising material to realize PICs. The concepts of generic foundry and BB based circuit simulations for the design are emerging as a solution to reduce the costs and increase the circuit complexity. To validate the BB based approach, the development of some of the most important BBs is performed first. A novel tunable coupler is also presented and it is demonstrated to be a valuable alternative to the known solutions. Two novel multi-element PICs are then analysed: a narrow linewidth single mode resonator and a passband filter with widely tunable bandwidth. Extensive circuit simulations are carried out to determine their performance, taking into account fabrication tolerances. The first PIC is based on two Grating Assisted Couplers in a ring resonator (RR) configuration. It is shown that a trade-off between performance, resonance bandwidth and device footprint has to be performed. The device could be employed to realize reconfigurable add-drop de/multiplexers. Sensitivity with respect to fabrication tolerances and spurious effects is however observed. The second PIC is based on an unbalanced Mach-Zehnder interferometer loaded with two RRs. Overall good performance and robustness to fabrication tolerances and nonlinear effects have confirmed its applicability for the realization of flexible optical systems. Simulated and measured devices behaviour is shown to be in agreement thus demonstrating the viability of a BB based approach to the design of complex PICs.

Entwicklung und Optimierung eines Mikroarray zur Erfassung der genetischen Prädisposition von Atherosklerose

Die Entstehung der Atherosklerose ist ein komplexer Vorgang, der sich durch Ablagerung von Lipiden an der Gefäßwand sowie durch immunologische und inflammatorische Prozesse auszeichnet. Neben konventionellen Risikofaktoren wie Alter, Geschlecht, Rauchen, HDL-Cholesterin, Diabetes mellitus und einer positiven Familienanamnese werden zur Bestimmung des atherosklerotischen Risikos neue Biomarker der inflammatorischen Reaktion untersucht. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Diagnostik des Atheroskleroserisikos. Es wurde eine neuartige Chip-Technologie eingesetzt, um das Risiko für eine potentiell drohende atherosklerotische Erkrankung abzuschätzen. Dabei wurde ausgenutzt, dass molekulare Veränderungen in Genen bestimmte Krankheitsbilder auslösen können. rnEs wurde ein molekularbiologischer Test entwickelt, welcher die Untersuchung von genetischen Variationen aus genomischer DNA ermöglicht. Dafür fand die Entwicklung einer Multiplex-PCR statt, deren Produkt mit der Chip-Technologie untersucht werden kann. Dazu wurden auf einem Mikroarray Sonden immobilisiert, mit deren Hilfe genspezifische Mutationen nachgewiesen werden können. So wurden mehrere Gene mit einem geringen Aufwand gleichzeitig getestet. rnDie Auswahl der entsprechenden Marker erfolgte anhand einer Literaturrecherche von randomisierten und kontrollierten klinischen Studien. Der Mikroarray konnte für zwölf Variationen in den acht Genen Prostaglandinsynthase-1 (PTGS1), Endotheliale NO-Synthase (eNOS), Faktor V (F5), 5,10-Methylentetrahydrofolsäure-Reduktase (MTHFR), Cholesterinester-Transferprotein (CETP), Apolipoprotein E (ApoE), Prothrombin (F2) und Lipoproteinlipase (LPL) erfolgreich etabliert werden. Die Präzision des Biochips wurde anhand der Echtzeit-PCR und der Sequenzierung nachgewiesen. rnDer innovative Mikroarray ermöglicht eine einfache, schnelle und kosteneffektive Genotypisierung von wichtigen Allelen. Viele klinisch relevante Variationen für Atherosklerose können nun in nur einem Test überprüft werden. Zukünftige Studien müssen zeigen, ob die Methode eine Vorhersage über den Ausbruch der Erkrankung und eine gezielte Therapie ermöglicht. Dies wäre ein erster Schritt in Richtung präventive und personalisierter Medizin für Atherosklerose.rn

A multiparental cross population for mapping QTL for relevant agronomic traits in durum wheat (Triticum durum Desf.)

Multiparental cross designs for mapping quantitative trait loci (QTL) in crops are efficient alternatives to conventional biparental experimental populations because they exploit a broader genetic basis and higher mapping resolution. We describe the development and deployment of a multiparental recombinant inbred line (RIL) population in durum wheat (Triticum durum Desf.) obtained by crossing four elite cultivars characterized by different traits of agronomic value. A linkage map spanning 2,663 cM and including 7,594 single nucleotide polymorphisms (SNPs) was produced by genotyping 338 RILs with a wheat-dedicated 90k SNP chip. A cluster file was developed for correct allele calling in the framework of the tetraploid durum wheat genome. Based on phenotypic data collected over four field experiments, a multi-trait quantitative trait loci (QTL) analysis was carried out for 18 traits of agronomic relevance (including yield, yield-components, morpho-physiological and seed quality traits). Across environments, a total of 63 QTL were identified and characterized in terms of the four founder haplotypes. We mapped two QTL for grain yield across environments and 23 QTL for grain yield components. A novel major QTL for number of grain per spikelet/ear was mapped on chr 2A and shown to control up to 39% of phenotypic variance in this cross. Functionally different QTL alleles, in terms of direction and size of genetic effect, were distributed among the four parents. Based on the occurrence of QTL-clusters, we characterized the breeding values (in terms of effects on yield) of most of QTL for heading and maturity as well as yield component and quality QTL. This multiparental RIL population provides the wheat community with a highly informative QTL mapping resource enabling the dissection of the genetic architecture of multiple agronomic relevant traits in durum wheat.

Die Rolle von Ephrin-B2 in der Invasion maligner Gliome

Das Glioblastoma multiforme zählt zu den häufigsten glialen Neoplasien des Menschen und weist zudem unter den Gliomen die höchste Malignität auf. Glioblastompatienten haben trotz aggressiver therapeutischer Ansätze eine mittlere Überlebenszeit von weniger als einem Jahr. Die diffuse Invasion in das umliegende Hirngewebe ist einer der Hauptgründe für die Rezidivbildung und die infauste Prognose von Glioblastompatienten. Neuere Untersuchungen lassen vermuten, dass die starke Invasion auch einer der Gründe für die beobachtete anti-angiogene Resistenz bei der Behandlung von Glioblastomen ist. Das bidirektionale EphB/Ephrin-B-System wurde bei der axonalen Wegfindung als Vermittler repulsiver Signale identifiziert und auch im Zusammenhang der Migration und Invasion von Zellen überprüft. In der vorliegenden Arbeit sollte daher die Funktion der bidirektionalen Eph- und Ephrin-Signaltransduktion in Bezug auf die Glioblastominvasion und Progression untersucht werden. rn Genetische und epigenetische Untersuchungen der EphB/Ephrin-B-Familie in einer Kohorte von Gliompatienten unterschiedlicher Malignitätsgrade identifizierten Ephrin-B2 als mögliches Tumorsuppressorgen. In Übereinstimmung damit führte die Inaktivierung von Ephrin-B2 in einem murinen Gliommodell zu einer verstärkten Invasion und einem erhöhtem Tumorwachstum in vivo. Dies konnte in verschiedenen Invasion-Assays in vitro bestätigt werden. Weiterhin zeigten unsere Untersuchungen, dass Ephrin-B2 transkriptionell durch das hypoxische Mikromilieu HIF-1α-vermittelt reprimiert wird. Da HIF-1α als transkriptioneller Aktivator Ephrin-B2 nicht direkt reprimieren kann, wurden potentielle HIF-1α-regulierte Repressoren untersucht, die für die Ephrin-B2 Herunterregulation verantwortlich sein könnten. Dabei wurde anhand von Ephrin-B2-Promotoranalysen und ChIP-Assays ZEB2 als HIF-1α-induzierbarer Repressor von Ephrin-B2 identifiziert. Zur Bestätigung der Hypothese, dass ZEB2 ein wichtiger Regulator der Tumorinvasion ist, wurden humane ZEB2-Knockdown-Glioblastomzellen generiert und in vitro sowie in vivo untersucht. Im Hinblick auf mögliche therapeutische Anwendungen wurden die ZEB2-Knockdown-Glioblastomzellen zusätzlich im Zusammenhang anti-Angiogenese-induzierter Invasion analysiert. Der Verlust von ZEB2 führte dabei zu einer verringerten Glioblastominvasion und Progression in einem Maus-Xenograft Modell. Die Behandlung der Tumoren mit dem anti-VEGF-Antikörper Avastin resultierte in einer stark erhöhten Invasion, die durch die Inaktivierung von ZEB2 und der dadurch reaktivierten repulsiven Signale von Ephrin-B2 wieder aufgehoben werden konnte. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals gezeigt werden, dass Ephrin-B2 als Tumorsuppressor in Gliomen agiert und durch verschiedene Mechanismen wie der genetischen und epigenetischen Kontrolle, aber auch der HIF-1α-vermittelten, ZEB2-abhängigen Repression inaktiviert wird. Dies resultiert in einer Blockade repulsiver Signale, so dass Tumorzellen diffus in das Parenchym und zu den Blutgefäßen migrieren können. Der in dieser Arbeit neu identifizierte Signalweg stellt ein attraktives therapeutisches Ziel zur Inhibition der Tumorzellinvasion dar und ermöglicht darüber hinaus der Ausbildung von Resistenzen gegenüber anti-angiogener Behandlung entgegenzuwirken. rn

Differential expression analysis for sequence count data via mixtures of negative binomials

The recent advent of Next-generation sequencing technologies has revolutionized the way of analyzing the genome. This innovation allows to get deeper information at a lower cost and in less time, and provides data that are discrete measurements. One of the most important applications with these data is the differential analysis, that is investigating if one gene exhibit a different expression level in correspondence of two (or more) biological conditions (such as disease states, treatments received and so on). As for the statistical analysis, the final aim will be statistical testing and for modeling these data the Negative Binomial distribution is considered the most adequate one especially because it allows for "over dispersion". However, the estimation of the dispersion parameter is a very delicate issue because few information are usually available for estimating it. Many strategies have been proposed, but they often result in procedures based on plug-in estimates, and in this thesis we show that this discrepancy between the estimation and the testing framework can lead to uncontrolled first-type errors. We propose a mixture model that allows each gene to share information with other genes that exhibit similar variability. Afterwards, three consistent statistical tests are developed for differential expression analysis. We show that the proposed method improves the sensitivity of detecting differentially expressed genes with respect to the common procedures, since it is the best one in reaching the nominal value for the first-type error, while keeping elevate power. The method is finally illustrated on prostate cancer RNA-seq data.