Analisi del profilo tossicologico e cancerogeno di contaminanti ambientali e identificazione dei rischi per la salute umana correlati all'esposizione

L’attenta analisi della letteratura scientifica su argomenti riguardanti i contaminanti ambientali oggetto di studio (i policlorodifenili) ha permesso di raccogliere dati utili riguardanti le proprietà di queste molecole, la loro diffusione e la loro pericolosità. Oggetto della ricerca è stato lo studio in vitro del potenziale citotossico e trasformante dei PCB, utilizzando come riferimento una miscela commerciale di PCB, l’Aroclor 1260, e di un MIX di 18 congeneri ricostituito in laboratorio. Il lavoro è proseguito con la valutazione degli effetti di queste miscele e di due congeneri singoli (PCB 118 e PCB 153) su linee cellulari diverse in test di vitalità a breve termine. L’utilizzo di test specifici ha poi permesso la valutazione di un possibile potenziale estrogenico. Una volta ottenuto un quadro generale sui possibili effetti delle miscele grazie ai risultati dei test funzionali, è stata valutata la modulazione, da parte delle molecole e/o di miscele delle stesse, dell’espressione di geni coinvolti nella risposta ad estrogeni o a composti diossino simili, andando ad effettuare un’analisi di tipo molecolare con Real-Time PCR (RT-PCR) e analizzando nello specifico marcatori di pathway dell’Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) o dell’Estrogen Receptor (ER). In ultima analisi al fine di verificare l’applicabilità di biomarkers di espressione a situazioni di contaminazioni reali, ci si è focalizzati su campioni estratti da matrici ambientali, ed in particolare linee cellulari di interesse sono state esposte a estratti di sedimenti provenienti da siti inquinati. L’approccio scelto è stato di tipo molecolare, con lo scopo di individuare pathway da valutare in un secondo momento in test funzionali specifici. L’attività di ricerca si è avvalsa della tecnica del DNA-microarray per valutare la modulazione dell’espressione genica in risposta all’esposizione a contaminanti ambientali. In questo modo è possibile definire i profili di espressione genica che sottendono a risposte biologiche complesse nell’intento di individuare biomarcatori in grado di predire il rischio per l’uomo, e di consentire la stima di una relazione diretta tra esposizione ed effetti possibili.

N-3 fatty acids and cardiovascular prevention

In this study we elucidate the role of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) in the prevention of cardiovascular diseases, focusing the attention on their role in the modulation of acyl composition of cell lipids and of gene expression. Regarding this latter mechanism, the effectiveness of PUFAs as activators of two transcriptional factors, SREBPs and PPARs, have been considered. Two different model system have been used: primary cultures of neonatal rat cardiomyocytes and an human hepatoma cell line (HepG2). Cells have been supplemented with different PUFAs at physiological concentration, and special attention has been devoted to the main n-3 PUFAs, EPA and DHA. PUFAs influence on global gene expression in cardiomyocytes has been evaluated using microarray technique. Furthermore, since it is not fully elucidated which transcription factors are involved in this modulation in the heart, expression and activation of the three different PPAR isoforms have been investigated. Hepatocytes have been used as experimental model system in the evaluation of PUFAs effect on SREBP activity. SREBPs are considered the main regulator of cholesterol and triglyceride synthesis, which occur mainly in the liver. In both experimental models the modification of cell lipid fatty acid composition subsequent to PUFAs supplementation has been evaluated, and related to the effects observed at molecular level. The global vision given by the obtained results may be important for addressing new researches and be useful to educators and policy makers in setting recommendations for reaching optimal health through good nutrition.

Molecular characterization of the human gut microbiota: the effect of aging

Age-related physiological changes in the gastrointestinal tract, as well as modification in lifestyle, nutritional behaviour, and functionality of the host immune system, inevitably affect the gut microbiota. The study presented here is focused on the application and comparison of two different microarray approaches for the characterization of the human gut microbiota, the HITChip and the HTF-Microb.Array, with particular attention to the effects of the aging process on the composition of this ecosystem. By using the Human Intestinal Tract Chip (HITChip), recently developed at the Wageningen University, The Netherland, we explored the age-related changes of gut microbiota during the whole adult lifespan, from young adults, through elderly to centenarians. We observed that the microbial composition and diversity of the gut ecosystem of young adults and seventy-years old people is highly similar but differs significantly from that of the centenarians. After 100 years of symbiotic association with the human host, the microbiota is characterized by a rearrangement in the Firmicutes population and an enrichment of facultative anaerobes. The presence of such a compromised microbiota in the centenarians is associated with an increased inflammation status, also known as inflamm-aging, as determined by a range of peripheral blood inflammatory markers. In parallel, we overtook the development of our own phylogenetic microarray with a lower number of targets, aiming the description of the human gut microbiota structure at high taxonomic level. The resulting chip was called High Taxonomic level Fingerprinting Microbiota Array (HTF-Microb.Array), and was based on the Ligase Detection Reaction (LDR) technology, which allowed us to develop a fast and sensitive tool for the fingerprint of the human gut microbiota in terms of presence/absence of the principal groups. The validation on artificial DNA mixes, as well as the pilot study involving eight healthy young adults, demonstrated that the HTF-Microb.Array can be used to successfully characterize the human gut microbiota, allowing us to obtain results which are in approximate accordance with the most recent characterizations. Conversely, the evaluation of the relative abundance of the target groups on the bases of the relative fluorescence intensity probes response still has some hindrances, as demonstrated by comparing the HTF.Microb.Array and HITChip high taxonomic level fingerprints of the same centenarians.

Functional Genomics and Cell Biology of the Dolphin (Tursiops runcatus): Establishment of Novel Molecular Tools to Study Marine Mammals in Changing Environments

The dolphin (Tursiops truncatus) is a mammal that is adapted to life in a totally aquatic environment. Despite the popularity and even iconic status of the dolphin, our knowledge of its physiology, its unique adaptations and the effects on it of environmental stressors are limited. One approach to improve this limited understanding is the implementation of established cellular and molecular methods to provide sensitive and insightful information for dolphin biology. We initiated our studies with the analysis of wild dolphin peripheral blood leukocytes, which have the potential to be informative of the animal’s global immune status. Transcriptomic profiles from almost 200 individual samples were analyzed using a newly developed species-specific microarray to assess its value as a prognostic and diagnostic tool. Functional genomics analyses were informative of stress-induced gene expression profiles and also of geographical location specific transcriptomic signatures, determined by the interaction of genetic, disease and environmental factors. We have developed quantitative metrics to unambiguously characterize the phenotypic properties of dolphin cells in culture. These quantitative metrics can provide identifiable characteristics and baseline data which will enable identification of changes in the cells due to time in culture. We have also developed a novel protocol to isolate primary cultures from cryopreserved tissue of stranded marine mammals, establishing a tissue (and cell) biorepository, a new approach that can provide a solution to the limited availability of samples. The work presented represents the development and application of tools for the study of the biology, health and physiology of the dolphin, and establishes their relevance for future studies of the impact on the dolphin of environmental infection and stress.

Controllo molecolare del differenziamento osteoblestico per applicazioni nel campo della rigenerazione del tessuto osseo

The aim of the study was to identify expression signatures unique for specific stages of osteoblast differentiation in order to improve our knowledge of the molecular mechanisms underlying bone repair and regeneration. We performed a microarray analysis on the whole transcriptome of human mesenchymal stem cells (hMSCs) obtained from the femoral canal of patients undergoing hip replacement. By defining different time-points within the differentiation and mineralization phases of hMSCs, temporal gene expression changes were visualised. Importantly, the gene expression of adherent bone marrow mononuclear cells, being the undifferentiated progenitors of bone cells, was used as reference. In addition, only the cultures able to form mineral nodules at the final time-point were considered for the gene expression analyses. To obtain the genes of our interest, we only focused on genes: i) whose expression was significantly upregulated; ii) which are involved in pathways or biological processes relevant to proliferation, differentiation and functions of bone cells; iii) which changed considerably during the different steps of differentiation and/or mineralization. Among the 213 genes identified as differentially expressed by microarray analysis, we selected 65 molecular markers related to specific steps of osteogenic differentiation. These markers are grouped into various gene clusters according to their involvement in processes which play a key role in bone cell biology such as angiogenesis, ossification, cell communication, development and in pathways like TGF beta and Wnt signaling pathways. Taken together, these results allow us to monitor hMSC cultures and to distinguish between different stages of differentiation and mineralization. The signatures represent a useful tool to analyse a broad spectrum of functions of hMSCs cultured on scaffolds, especially when the constructs are conceived for releasing growth factors or other signals to promote bone regeneration. Morover, this work will enhance our understanding of bone development and will enable us to recognize molecular defects that compromise normal bone function as occurs in pathological conditions.

Researches on berry composition in red grape: agronomical, biochemical and molecular approaches

It is well known that the best grape quality can occur only through the achievement of optimal source/sink ratio. Vine balance is in fact a key parameter in controlling berry sugar, acidity and secondary metabolites content (Howell, 2001; Vanden Heuvel et al., 2004). Despite yield reduction and quality improvement are not always strictly related, cluster thinning is considered a technique which could lead to improvement in grape sugar and anthocyanin composition (Dokoozlian and Hirschfelt, 1995; Guidoni et al., 2002). Among several microclimatic variables which may impact grape composition, the effect of cluster light exposure and temperature, which probably act in synergistic and complex way, has been widely explored showing positive even sometimes contradictory results (Spayd et al., 2001; Tarara et al., 2008). Pre-bloom and véraison defoliation are very efficient techniques in inducing cluster microclimatic modification. Furthermore pre-bloom defoliation inducing a lower berry set percentage On these basis the aim of the first experiment of the thesis was to verify in cv Sangiovese the effects on ripening and berry composition of management techniques which may increase source/sink ratio and /or promote light incidence on berries throughout grape ripening. An integrated agronomic, biochemical and microarray approach, aims to understand which mechanisms are involved in berry composition and may be conditioned in the berries during ripening in vines submitted to three treatments. In particular the treatments compared were: a) cluster thinning (increasing in source/sink ratio) b) leaf removal at véraison (increasing cluster light exposure) c) pre-bloom defoliation (increasing source sink ratio and cluster light exposure). Vine response to leaf removal at véraison was further evaluated in the second experiment on three different varieties (Cabernet Sauvignon, Nero d’Avola, Raboso Piave) chosen for their different genetic traits in terms of anthocyanin amount and composition. The integrated agronomic, biochemical and microarray approach, employed in order to understand those mechanisms involved in berry composition of Sangiovese vines submitted to management techniques which may increase source/sink ratio and induce microclimatic changes, bring to interesting results. This research confirmed the main role of source/sink ratio in conditioning sugars metabolism and revealed also that carbohydrates availability is a crucial issue in triggering anthocyanin biosynthesis. More complex is the situation of pre-bloom defoliation, where source/sink and cluster light increase effects are associated to determine final berry composition. It results that the application of pre-bloom defoliation may be risky, as too much dependent on seasonal conditions (rain and temperature) and physiological vine response (leaf area recovery, photosynthetic compensation, laterals regrowth). Early induced stress conditions could bring cluster at véraison in disadvantage to trigger optimal berry ripening processes compared to untreated vines. This conditions could be maintained until harvest, if no previously described physiological recovery occurs. Certainly, light exposure increase linked to defoliation treatments, showed a positive and solid effect on flavonol biosynthesis, as in our conditions temperature was not so different among treatments. Except the last aspects, that could be confirmed also for véraison defoliation, microclimatic changes by themselves seemed not able to induce any modification in berry composition. Further studies are necessary to understand if the peculiar anthocyanic and flavonols composition detected in véraison defoliation could play important role in both color intensity and stability of wines.

Different approaches to identify markers for meat quality and production traits in pigs: analysis of the transcriptome in post mortem skeletal muscle and investigation of candidate genes

Due to the growing attention of consumers towards their food, improvement of quality of animal products has become one of the main focus of research. To this aim, the application of modern molecular genetics approaches has been proved extremely useful and effective. This innovative drive includes all livestock species productions, including pork. The Italian pig breeding industry is unique because needs heavy pigs slaughtered at about 160 kg for the production of high quality processed products. For this reason, it requires precise meat quality and carcass characteristics. Two aspects have been considered in this thesis: the application of the transcriptome analysis in post mortem pig muscles as a possible method to evaluate meat quality parameters related to the pre mortem status of the animals, including health, nutrition, welfare, and with potential applications for product traceability (chapters 3 and 4); the study of candidate genes for obesity related traits in order to identify markers associated with fatness in pigs that could be applied to improve carcass quality (chapters 5, 6, and 7). Chapter three addresses the first issue from a methodological point of view. When we considered this issue, it was not obvious that post mortem skeletal muscle could be useful for transcriptomic analysis. Therefore we demonstrated that the quality of RNA extracted from skeletal muscle of pigs sampled at different post mortem intervals (20 minutes, 2 hours, 6 hours, and 24 hours) is good for downstream applications. Degradation occurred starting from 48 h post mortem even if at this time it is still possible to use some RNA products. In the fourth chapter, in order to demonstrate the potential use of RNA obtained up to 24 hours post mortem, we present the results of RNA analysis with the Affymetrix microarray platform that made it possible to assess the level of expression of more of 24000 mRNAs. We did not identify any significant differences between the different post mortem times suggesting that this technique could be applied to retrieve information coming from the transcriptome of skeletal muscle samples not collected just after slaughtering. This study represents the first contribution of this kind applied to pork. In the fifth chapter, we investigated as candidate for fat deposition the TBC1D1 [TBC1 (tre-2/USP6, BUB2, cdc16) gene. This gene is involved in mechanisms regulating energy homeostasis in skeletal muscle and is associated with predisposition to obesity in humans. By resequencing a fragment of the TBC1D1 gene we identified three synonymous mutations localized in exon 2 (g.40A>G, g.151C>T, and g.172T>C) and 2 polymorphisms localized in intron 2 (g.219G>A and g.252G>A). One of these polymorphisms (g.219G>A) was genotyped by high resolution melting (HRM) analysis and PCR-RFLP. Moreover, this gene sequence was mapped by radiation hybrid analysis on porcine chromosome 8. The association study was conducted in 756 performance tested pigs of Italian Large White and Italian Duroc breeds. Significant results were obtained for lean meat content, back fat thickness, visible intermuscular fat and ham weight. In chapter six, a second candidate gene (tribbles homolog 3, TRIB3) is analyzed in a study of association with carcass and meat quality traits. The TRIB3 gene is involved in energy metabolism of skeletal muscle and plays a role as suppressor of adipocyte differentiation. We identified two polymorphisms in the first coding exon of the porcine TRIB3 gene, one is a synonymous SNP (c.132T> C), a second is a missense mutation (c.146C> T, p.P49L). The two polymorphisms appear to be in complete linkage disequilibrium between and within breeds. The in silico analysis of the p.P49L substitution suggests that it might have a functional effect. The association study in about 650 pigs indicates that this marker is associated with back fat thickness in Italian Large White and Italian Duroc breeds in two different experimental designs. This polymorphisms is also associated with lactate content of muscle semimembranosus in Italian Large White pigs. Expression analysis indicated that this gene is transcribed in skeletal muscle and adipose tissue as well as in other tissues. In the seventh chapter, we reported the genotyping results for of 677 SNPs in extreme divergent groups of pigs chosen according to the extreme estimated breeding values for back fat thickness. SNPs were identified by resequencing, literature mining and in silico database mining. analysis, data reported in the literature of 60 candidates genes for obesity. Genotyping was carried out using the GoldenGate (Illumina) platform. Of the analyzed SNPs more that 300 were polymorphic in the genotyped population and had minor allele frequency (MAF) >0.05. Of these SNPs, 65 were associated (P<0.10) with back fat thickness. One of the most significant gene marker was the same TBC1D1 SNPs reported in chapter 5, confirming the role of this gene in fat deposition in pig. These results could be important to better define the pig as a model for human obesity other than for marker assisted selection to improve carcass characteristics.

LrhA als Regulator der Flagellen, Motilität, Chemotaxis und Typ 1 Fimbrien in Escherichia coli

Das lrhA-Gen von E. coli kodiert für einen Transkriptionsregulator der LysR-Familie. Die Funktion von LrhA war ungeklärt und sollte durch Vergleich der Gesamt-mRNA aus einem E. coli-Wildtyp und einer isogenen lrhA-Mutante mit Hilfe von Genomanalysen untersucht werden. In der lrhA-Mutante war der mRNA-Gehalt vieler Gene um den Faktor 3 bis 80 erhöht. Es handelt sich um Flagellen-, Motilitäts- und Chemotaxisgene, bzw. um Gene der Typ 1 Fimbrien. Diese Ergebnisse wurden in Expressionsmessungen bestätigt. LrhA war in der Lage an den Promotor von flhDC zu binden, aber nicht an die Promotoren der übrigen Gene für Motilität und Chemotaxis. FlhDC kodiert für den übergeordneten Regulator FlhD2C2 der Fagellensynthese.LrhA war außerdem in der Lage an die Promotoren der Gene für Typ 1 Fimbrien fimA und fimE zu binden. Typ 1 Fimbrien stellen in E. coli Virulenzfaktoren dar. Eine Regulation weiterer Virulenzfaktoren durch LrhA konnte in DNA-Pathoarrays ausgeschlossen werden.LrhA ist damit ein wichtiger Transkriptionsregulator, der die Expression der Gene für Flagellen, Motilität, Chemotaxis und Typ 1 Fimbrien reguliert. FlhDC, fimA und fimE stellen dabei direkte Zielgene von LrhA dar. Außerdem konnte eine positive Autoregulation von LrhA nachgewiesen werden.

Identifikation transkriptioneller Alterationen menschlicher Tumoren und Entwicklung eines neuen auf RNA-Transfer basierenden Verfahrens zur Bestimmung der Genfunktion

Zielvorgaben der vorliegenden Arbeit war die Identifikation neuer selektiv in Tumoren aktivierter Gene sowie die Entwicklung eines methodischen Prozesses, um die molekularen Effekte der fehlerhaften Aktivierung solcher Gene zu untersuchen. Für die erste Fragestellung haben wir zwei komplementäre Methoden entwickelt. Zum einen haben wir nach neuen Mitglieder der Cancer/Germline (CG) Familie von Genen gesucht, die bereits attraktive Zielstrukturen laufender Phase I/IIa Studien sind. Zu diesem Zweck wurde ein bioinformatischer Data Mining Ansatz generiert. Dieser führte zur erfolgreichen in silico Klonierung neuer CG Gene. Zur Identifikation von in Tumorzellen überexprimierten Genen nutzten wir einen cDNA Mikroarray mit 1152 ausgewählten Genen mit direkter oder indirekter tumorimmunologischer oder tumorbiologischer Relevanz. Die komparative transkriptionelle Untersuchung von humanen Tumor- und Normalgeweben mit diesem Array führte zur Wiederentdeckung bereits bekannter, aber auch zur Aufdeckung bisher nicht beschriebener tumor-assoziierter Transkriptionsveränderungen. Der zweite große Schwerpunkt dieser Arbeit war die Technologieentwicklung eines versatilen Prozesses zur Untersuchung von molekularen Effekten eines aberrant in Zellen exprimierten Gens. Zur Simulation dieser Situation stellten wir in vitro transkribierte RNA dieses Gens her und elektroporierten diese in Zielzellen. Transkriptionsanalysen solcher Transfektanden mit Affymetrix Oligonukleotid Mikroarray deckten auf gesamt-genomischer Ebene ganze Kaskaden konsekutiver, transkriptioneller Alterationen auf.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

Das ADAM10-Gen kodiert für eine membrangebundene Disintegrin-Metalloproteinase, die das Amyloidvorläuferprotein spaltet. Im Mausmodell konnte bewiesen werden, dass die Überexpression von ADAM10 die Plaquebildung vermindern und das Langzeitgedächtnis verbessert. Aus diesem Grund ist es für einen möglichen Therapieansatz für die Alzheimer’sche Erkrankung erforderlich, die Organisation des humanen ADAM10-Gens und seines Promotors aufzuklären. Beim Vergleich der genomischen Sequenzen von humanem und murinem ADAM10 zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Beide Gene umfassen 160 kbp und bestehen aus 16 Exons. Die ersten 500 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt zwischen dem Menschen, der Maus und der Ratte sind hoch konserviert. Diese Region beinhaltet spezifische regulatorische Elemente, die die ADAM10-Transkription modulieren. In den ersten 2179 bp stromaufwärts vom humanen ADAM10-Translationsstartpunkt fanden sich einige potentiellen Transkriptionsfaktor-bindungsstellen (Brn-2, SREBP, Oct-1, Creb1/cJun, USF, Maz, MZF-1, NFkB und CDPCR3HD). Es wurde eine charakteristische GC-Box und eine CAAT-Box, aber keine TATA-Box identifiziert. Nach Klonierung dieser 2179 bp großen Region wurde eine starke Promotoraktivität, insbesondere in neuronalen Zelllinien, gefunden. Bei der Analyse von Deletionskonstrukten wurde die Region zwischen -508 und -300 als essentiell für die Transkriptionsaktivierung bestimmt. Die Promotoraktivität wird zudem streng herunterreguliert, wenn in die Region 317 bp stromaufwärts vom Startpunkt der Translation eine Punktmutation eingeführt wird. Diese per Computeranalyse als USF-Bindungsstelle deklarierte Region spielt eine zentrale Rolle bei der ADAM10-Transkription. Im EMSA wurde eine Protein-DNA-Interaktion für diese Region gezeigt. Durch transienten Transfektionen in Schneider Drosophila Insektenzellen konnte nachgewiesen werden, dass die Überexpression von Sp1 und USp3 für die ADAM10-Promotoraktivität entscheidend ist. In EMSA-Studien bestätigte sich eine Protein-DNA-Interaktion für die Region -366 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Die Punktmutation in der CAAT-Box veränderte die die Promotoraktivität nicht. Da weiterhin für diese potentielle Bindungsstelle kein Bindungsfaktor vorausgesagt wurde, scheint die CAAT-Box keine Bedeutung bei der Promotorregulation zu spielen. Schließlich fand sich im EMSA eine Protein-DNA-Interaktion für die Bindungsstelle 203 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Diese in Computeranalysen als RXR-Bindungsstelle identifizierte Region ist ebenfalls von Bedeutung in der Promotorregulation. Auf der Suche nach Substanzen, die die ADAM10-Promotoraktivität beeinflussen, wurde ein negativer Effekt durch die apoptoseauslösende Substanz Camptothecin und ein positiver Effekt durch die zelldifferenzierungsauslösende Substanz all-trans Retinsäure festgestellt. Mit dieser Arbeit wurde die genomische Organisation des ADAM10-Gens zusammen mit dem zugehörigen Promotor aufgeklärt und ein neuer Regulationsmechanismus für die Hochregulation der Expression der alpha-Sekretase ADAM10 gefunden. Im Weiteren sollen nun die genauen Mechanismen bei der Hochregulation der alpha-Sekretase ADAM10 durch Retinsäure untersucht und durch Mikroarray-Analysen an RNA-Proben transgener Mäuse, welche ADAM10 überexpremieren, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung der Alzheimer´schen Erkrankung identifiziert werden.

Bioinformatic methods in applied genomic research

Here I will focus on three main topics that best address and include the projects I have been working in during my three year PhD period that I have spent in different research laboratories addressing both computationally and practically important problems all related to modern molecular genomics. The first topic is the use of livestock species (pigs) as a model of obesity, a complex human dysfunction. My efforts here concern the detection and annotation of Single Nucleotide Polymorphisms. I developed a pipeline for mining human and porcine sequences. Starting from a set of human genes related with obesity the platform returns a list of annotated porcine SNPs extracted from a new set of potential obesity-genes. 565 of these SNPs were analyzed on an Illumina chip to test the involvement in obesity on a population composed by more than 500 pigs. Results will be discussed. All the computational analysis and experiments were done in collaboration with the Biocomputing group and Dr.Luca Fontanesi, respectively, under the direction of prof. Rita Casadio at the Bologna University, Italy. The second topic concerns developing a methodology, based on Factor Analysis, to simultaneously mine information from different levels of biological organization. With specific test cases we develop models of the complexity of the mRNA-miRNA molecular interaction in brain tumors measured indirectly by microarray and quantitative PCR. This work was done under the supervision of Prof. Christine Nardini, at the “CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology” of Shangai, China (co-founded by the Max Planck Society and the Chinese Academy of Sciences jointly) The third topic concerns the development of a new method to overcome the variety of PCR technologies routinely adopted to characterize unknown flanking DNA regions of a viral integration locus of the human genome after clinical gene therapy. This new method is entirely based on next generation sequencing and it reduces the time required to detect insertion sites, decreasing the complexity of the procedure. This work was done in collaboration with the group of Dr. Manfred Schmidt at the Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (Heidelberg, Germany) supervised by Dr. Annette Deichmann and Dr. Ali Nowrouzi. Furthermore I add as an Appendix the description of a R package for gene network reconstruction that I helped to develop for scientific usage (http://www.bioconductor.org/help/bioc-views/release/bioc/html/BUS.html).

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.

Identifizierung und Charakterisierung glialer Gene im embryonalen zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster

Im embryonalen Nervensystem von Drosophila wird gliales Schicksal durch den Transkriptionsfaktor gcm induziert. Es konnte gezeigt werden, daß die ektopische Expression von gcm im Nervensystem einen Überschuß an Gliazellen generiert, während Funktionsverlustmutanten von gcm nahezu keine Gliazellen mehr besitzen. Im Gegensatz zu der beschriebenen Funktion von gcm als binäres Schaltergen zwischen neuronalem und glialem Schicksal, gibt es nur wenig Hinweise auf Mechanismen zur weiteren Spezifizierung und Differenzierung der verschiedenen glialen Subtypen und den daran beteiligten Genen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die auf Microarray-Experimenten basierende Genom-weite Suche nach neuen gcm-abhängigen glialen Genen. Diese Analyse vergleicht die ektopische Expression von gcm im gesamten Nervensystem und zum ersten Mal die gcm Funktionsverlustmutante mit dem Wildtyp. Beide Ansätze wurden als Zeitverlaufsexperimente durchgeführt, die den Zeitraum der Gliogenese in Drosophila umfassen. Im Vorfeld durchgeführte Kontrollexperimente ermöglichten die Bestimmung des methodischen und genetischen Hintergrundrauschens, die eine Reduktion von "falsch positiven" Genen ermöglichte und die Sensitivität der Microarray-Auswertung erhöhte. Durch manuelle Filterschritte wurde der Schwerpunkt der Daten-Interpretation eher auf biologische Aspekte als auf eine rein statistische Auswertung gelegt und dies brachte deutlich Vorteile in der Auswahl der potentiellen Zielgene. Insbesondere die Analyse der temporalen Expressionsprofile, der Vergleich der antagonistischen Ansätze sowie eine ausführliche Recherche der vorhandenen Datenbanken im Hinblick auf bekannte Expression und Funktion der differentiell regulierten Gene, ermöglichten die Identifizierung von etwa 400 potentiellen Zielgenen. Für mehr als 30% dieser Gene konnte Expression in den gcm-abhängigen Gliazellen, hämatopoetischen Zellen oder den "tendon cells" nachgewiesen werden. Hierunter befinden sich mehr als 50 Gene, deren Abhängigkeit von gcm bisher nicht bekannt war. Eine zelluläre Analyse ausgewählter Kandidatengene auf Einzelzellebene, ihre Abhängigkeit von gcm sowie eine regulatorische Analyse in verschiedenen mutanten Hintergründen bekannter glialer Gene, geben Einblick in die verschiedenen Mechanismen glialer Regulation. An einigen Beispielen wird eine mögliche Funktion der aus dieser Analyse hervorgegangen Gene in den bekannten Kontext glialer Differenzierung und Funktion für Drosophila diskutiert.

Molekulare Reaktionsmuster in dendritischen Zellen nach Allergenexposition

Allergische Erkrankungen, wie zum Beispiel die allergische Rhinitis oder das allergische Asthma haben im Verlauf der letzten vier Jahrzehnte stark zugenommen. So leidet heute jeder vierte bis fünfte Mensch an einer Allergie. Ausgelöst wird diese IgE-vermittelte Hypersensibilitätsreaktion des Typs I (Allergie vom Soforttyp) von Allergenen und beruht auf der Aktivierung von Mastzellen durch die Interaktion eines Antigens mit dem an eine Mastzelle über die Fc-Rezeptoren gebundenen IgE-Moleküls. Die degranulierende Mastzelle sezerniert Mediatoren, was zu einem Auftreten von allergischen Symptomen führt. Die Bildung von IgE wird durch das von TH2-Zellen produzierte Zytokin IL-4 induziert. Das von TH1-Zellen produzierte Zytokin IFN- ist in der Lage die Sekretion von IL-4 zu inhibieren, wie auch IL-4 hemmend auf die Produktion von IFN- wirkt. Dieses TH1-/ TH2-Gleichgewicht ist bei allergischen Erkrankungen in Richtung TH2 verschoben. Allergene werden von antigenpräsentierenden Zellen aufgenommen, prozessiert und auf der Zelloberfläche präsentiert. Die potentesten antigenpräsentierenden Zellen sind die dendritischen Zellen, die nach Kontakt mit einem Allergen in die benachbarten Lymphknoten wandern, ausreifen und kostimulatorische Moleküle exprimieren. Sie sind so in der Lage T-Zellen zu aktivieren und entweder in TH1- oder in TH2-Zellen differenzieren zu lassen. Die zytokinabhängige TH1- beziehungsweise TH2-Differenzierung führt zur Aktivierung der Januskinasen. Im aktiven Zustand phosphorylieren sie STAT-Moleküle, die dimerisieren und in den Zellkern translozieren, wo sie unter anderem als Transkriptionsfaktoren für Zytokingene dienen. Unreife humane dendritische Zellen von Allergikern zeigen nach Stimulation mit Proteinallergenen eine schnelle Phosphorylierung des mit der TH2-Entwicklung assoziierten STAT6. Dahingegen sind TH1-Antwort hervorrufende Kontaktallergene nicht in der Lage STAT6 oder andere STAT-Moleküle in dendritischen Zellen zu induzieren. Die Transkriptionsfaktoren T-bet und GATA3 sind ebenfalls von Bedeutung für die TH1-/TH2-Entwicklung, da T-bet ausschließlich in TH1-Zellen, GATA3 nur in TH2-Zellen exprimiert wird. Die Regulation des JAK/STAT-Weg unterliegt den Molekülen der intrazellulär vorkommenden Familie der SOCS-Proteine. SOCS3 ist in TH2-Zellen höher exprimiert als SOCS1, wohingegen SOCS1 in TH1-Zellen eine erhöhte Expression gegenüber SOCS3 aufweist. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Proteinallergenen auf humane dendritische Zellen untersucht. Zunächst konnte eine morphologische Veränderung der unreifen dendritischen Zellen nach Kontakt mit dem Allergenextrakt beobachtet werden. Die beginnende Ausreifung der Zellen konnte mittels Durchflußzytometrie anhand der kostimulatorischen Moleküle CD80 und CD86, insbesondere aber über den Marker für reife dendritische Zellen CD83, nachgewiesen werden. Die zu beobachtende beginnende Ausreifung scheint ein Effekt des bakteriellen Lipopolysaccharids (LPS) zu sein, das in dem Allergenextrakt vorkommt, da sich durch Zugabe des kationischen Antibiotikums Polymyxin B die beginnende Reifung verhindern ließ. Auf RNA-Ebene war es im Rahmen dieser Arbeit möglich, den Einfluss verschiedener Allergene auf unreifen humanen dendritischen Zellen näher zu charakterisieren. So weisen unreife humane dendritische Zellen nach Kontakt mit Proteinallergenextrakt ein TH2-assoziiertes Genexpressionprofil auf, was sich durch eine erhöhte relative Expression der Gene SOCS3 und GATA3 auszeichnet. Im Gegensatz hierzu zeigen unreife humane dendritische Zellen nach Inkubation mit dem Kontaktallergen MCI/MI eine erhöhte relative Expression des Gens T-bet, was mit einer TH1-Antwort assoziiert ist. Nach Zugabe des „TH1-/ TH2-neutralen“ Tetanustoxoids konnten erhöhte relative Expressionen der Gene GATA3, T-bet und SOCS3 gemessen werden. Die Ergebnisse in dem in dieser Arbeit benutzten humanen in vitro System geben Anlass zur Hypothese, dass die Art der Immunantwort (TH1 versus TH2) sich bereits auf Ebene der dendritischen Zellen anbahnt. GeneChip-Analysen mittels High Density Micro Arrays von unreifen humanen dendritischen Zellen, die entweder mit Proteinallergenextrakt oder mit LPS in Berührung kamen, zeigten statistisch signifikant regulierte Gene, die allerdings keine Gemeinsamkeiten aufwiesen. Es konnten für die mit Alllergenextrakt gepulsten dendritischen Zellen insgesamt 10 Gene identifiziert werden, jedoch gelang es nicht, diese näher zu deuten oder in einen Zusammenhang mit der allergischen Erkrankung oder der dendritischen Zelle zu bringen. Für die mit LPS, dem stärkeren Stimulus, gepulsten dendritischen Zellen konnten 40 Gene identifiziert werden, die unter anderem für die Maturierung der dendritischen Zelle verantwortlich sind. Zudem war es möglich, die Daten der Arrays auf Proteinebene exemplarisch anhand des Chemokins CXCL2 (Gro-β) zu verifizieren.

Ruolo di interleuchina-33 sull'espressione di geni profibrotici e sull'ipertrofia dei miofibroblasti nella fibrosi intestinale

Background: Intestinal fibrosis is a serious complication of IBD, with more than a third of Crohn’s disease (CD) patients developing a fibrostenosing phenotype with formation of strictures that will require surgical intervention. Remarkably, SAMP1/YitFc (SAMP) mice, a spontaneous model of CD, develop gut fibrosis; similar to IBD patients, the pathophysiology of SAMP fibrosis is unknown. IL-33 is a member of the IL-1 cytokine family and increased expression is associated with IBD. Emerging evidence suggests its potential role in liver and cutaneous fibrosis, as well as myofibroblast-associated colonic ulcerations . Aim: The aim of this study was to evaluate the role of IL-33 as a potential mediator of profibrotic events leading to intestinal fibrosis and possible stricture formation. Methods: A detailed histologic time course study, with collagen-specific Masson trichrome staining and IHC for ST2 (IL-33 receptor), was performed on SAMP and control AKR (parental strain) mice. qRT-PCR was done on full-thickness ilea for the profibrogenic genes, collagen (coll)-1, coll-3, connective tissue growth factor (CTGF) and insulin-like growth factor 1 (IGF-1). Exogenous IL-33 (33 μg/kg, i.p.) or vehicle was administered daily for 7d to SAMP and AKR mice (N=6/exp group), and ileal tissues evaluated as above. Finally, microarray analysis was performed on full-thickness ilea from SAMP and AKR mice, and IL-33 stimulated subepithelial myofibroblasts (SEMFs). Results: SAMP mice displayed ileal skip lesions with randomly distributed strictures, preceded by typical pre-stricture dilations of the ileum. Ileal wall was visibly thickened with hypertrophy of the serosa, muscularis mucosa, muscularis propria, within which intense collagen deposition was observed, and inflammatory infiltrates in segments showing strictures. Interestingly, intense ST2 staining was present within the inflamed lamina propria of SAMP, notably localized to SEMFs. Fibrosis was first observed at 20 wks, and reached its peak by 50 wks of age. mRNA expression of coll-1 (4.74±0.69-fold; P=0.001), coll-3 (4.92±1.05-fold; P=0.01), IGF1 (12.9±3.45; P=0.006), and CTGF (3.29±0.69; P=0.004) was dramatically elevated in SAMP vs. AKR ilea. IL-33 treatment of AKR mice induced a marked increase in muscle fiber/myofibroblast cellularity and hypertrophy of the muscularis propria (4.13±0.74-fold; P<0.0001), and mRNA expression of coll-1 (5.16±0.89-fold; P=0.0009), coll-3 (1.97±0.14-fold; P=0.01), IGF-1 (9.32±2.27-fold; P=0.004), and CTGF (1.43±0.31-fold; P=0.006) vs. vehicle controls. Microarray data from SAMP ilea and IL-33-treated SEMFs confirmed these trends, displaying a global increase in profibrogenic gene expression. Conclusion: These data suggest an important role for IL-33 in intestinal fibrosis, and may represent a potential target for the treatment of IBD-associated fibrosis and stricture formation.