A clustering method for robust and reliable large scale functional and structural protein sequence annotation

Bioinformatics, in the last few decades, has played a fundamental role to give sense to the huge amount of data produced. Obtained the complete sequence of a genome, the major problem of knowing as much as possible of its coding regions, is crucial. Protein sequence annotation is challenging and, due to the size of the problem, only computational approaches can provide a feasible solution. As it has been recently pointed out by the Critical Assessment of Function Annotations (CAFA), most accurate methods are those based on the transfer-by-homology approach and the most incisive contribution is given by cross-genome comparisons. In the present thesis it is described a non-hierarchical sequence clustering method for protein automatic large-scale annotation, called “The Bologna Annotation Resource Plus” (BAR+). The method is based on an all-against-all alignment of more than 13 millions protein sequences characterized by a very stringent metric. BAR+ can safely transfer functional features (Gene Ontology and Pfam terms) inside clusters by means of a statistical validation, even in the case of multi-domain proteins. Within BAR+ clusters it is also possible to transfer the three dimensional structure (when a template is available). This is possible by the way of cluster-specific HMM profiles that can be used to calculate reliable template-to-target alignments even in the case of distantly related proteins (sequence identity < 30%). Other BAR+ based applications have been developed during my doctorate including the prediction of Magnesium binding sites in human proteins, the ABC transporters superfamily classification and the functional prediction (GO terms) of the CAFA targets. Remarkably, in the CAFA assessment, BAR+ placed among the ten most accurate methods. At present, as a web server for the functional and structural protein sequence annotation, BAR+ is freely available at http://bar.biocomp.unibo.it/bar2.0.

Interpreting Judgements using Knowledge Representation Methods and Computational Models of Argument

The goal of the present research is to define a Semantic Web framework for precedent modelling, by using knowledge extracted from text, metadata, and rules, while maintaining a strong text-to-knowledge morphism between legal text and legal concepts, in order to fill the gap between legal document and its semantics. The framework is composed of four different models that make use of standard languages from the Semantic Web stack of technologies: a document metadata structure, modelling the main parts of a judgement, and creating a bridge between a text and its semantic annotations of legal concepts; a legal core ontology, modelling abstract legal concepts and institutions contained in a rule of law; a legal domain ontology, modelling the main legal concepts in a specific domain concerned by case-law; an argumentation system, modelling the structure of argumentation. The input to the framework includes metadata associated with judicial concepts, and an ontology library representing the structure of case-law. The research relies on the previous efforts of the community in the field of legal knowledge representation and rule interchange for applications in the legal domain, in order to apply the theory to a set of real legal documents, stressing the OWL axioms definitions as much as possible in order to enable them to provide a semantically powerful representation of the legal document and a solid ground for an argumentation system using a defeasible subset of predicate logics. It appears that some new features of OWL2 unlock useful reasoning features for legal knowledge, especially if combined with defeasible rules and argumentation schemes. The main task is thus to formalize legal concepts and argumentation patterns contained in a judgement, with the following requirement: to check, validate and reuse the discourse of a judge - and the argumentation he produces - as expressed by the judicial text.

Un framework di analisi e di servizi innovativi per la mobilita veicolare elettrica

Internet of Energy è un progetto di ricerca europeo nato con lo scopo di sviluppare infrastrutture hardware e software volte a introdurre la mobilità elettrica veicolare nei moderni contesti urbani. È stato oggetto di tesi di Federco Montori il quale ha sviluppato un primo prototipo di piattaforma comprendente un servizio cittadino di gestione delle ricariche, un’applicazione mobile che vi interagiva e infine un simulatore necessario al test della piattaforma. Nel corso di oltre un anno di sviluppo ho riscritto tutte le componenti software che costituivano il progetto ampliandone notevolmente le funzionalità, rendendole modulari e ben ingegnerizzate. Del progetto originario è stata ereditata l’architettura ontology-based basata sullo scambio di informazioni tramite il Semantic Information Broker (SIB). Il mio contributo è iniziato nel 2012 con la riscrittura dell’applicazione mobile che inizialmente funzionava solo in presenza del simulatore. Attualmente permette di interfacciarsi a un veicolo reale tramite la tecnologia Blue&Me di Fiat. Questo approccio è stato reso possibile grazie all’opportunità offerta dal Centro Ricerche Fiat, che ci ha permesso di testare presso loro sede l’applicazione mobile su un prototipo di Daily elettrico. Ho inoltre introdotto lo studio del profilo altimetrico e consumo energetico che separa il possessore dello smartphone da una determinata destinazione. Nel 2013 ho deciso di riscrivere il Servizio Cittadino per renderlo conforme a un nuovo protocollo di prenotazione. Ho colto l’occasione per rendere il servizio altamente performante grazie a tecniche quali: pool di thread, pool di oggetti e caching. Infine a cavallo tra il 2013 e il 2014 ho riscritto il simulatore al fine di ottimizzare il consumo di risorse, velocizzare il setup delle simulazioni e sopratutto renderlo più conforme alla realtà. Questo lavoro ha permesso di avere una piattaforma software che permette di valutare realisticamente gli scenari di mobilità elettrica veicolare.

Transkriptom des Meristemgewebes des Kolumnarapfels

Kolumnare Apfelbäume (Malus x domestica) stellen aufgrund ihres auffälligen Phänotyps eine ökonomisch interessante Wuchsform dar. Diese extreme Form des Kurztriebwuchses zeichnet sich durch einen insgesamt sehr schlanken, säulenförmigen Habitus aus, welcher eine dichte Pflanzung und damit einhergehend Ertragssteigerungen im Vergleich zu normalwüchsigen Bäumen ermöglicht. Verursacht wird der Phänotyp durch die Anwesenheit eines einzelnen, dominanten Allels des Columnar (Co)-Gens. Bis auf die approximative Lokalisation des Gens auf Chromosom 10 ist über mögliche Identität und Funktion bislang nichts bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Versuch unternommen, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (NGS) Technologien und RNA-Seq Einblicke in das Transkriptom des Sprossapikalmeristems (SAM) kolumnarer Apfelbäume zu gewinnen. So konnte gezeigt werden, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Entnahme des Materials mehrere hundert Gene differentiell reguliert werden. Diese lassen sich funktional in mehrere überrepräsentierte Kategorien gruppieren, von denen sich einige wiederum mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren lassen. Durch den Einsatz weiterer Expressionsstudien (Microarrays, qRT-PCR) konnten frühere Ergebnisse bezüglich des Hormonhaushalts auf Genebene bestätigt und neue Erkenntnisse gewonnen werden, die eine mögliche Erklärung für den Phänotyp darstellen. Weiterhin ergab der Vergleich aller durchgeführten Expressionsstudien eine Anreicherung signifikant differentiell regulierter Gene auf Chromosom 10, was auf einen „selective sweep“ hindeutet. Eine potentielle epigenetische Regulation dieser Gene durch das Genprodukt von Co könnte daher möglich sein. Mehr als die Hälfte dieser Gene lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer Funktion direkt mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren.rnDiese Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Co-Allels massive Veränderungen in der Genregulation des SAMs mit sich bringt, wobei einige dieser differentiell regulierten Gene mit großer Wahrscheinlichkeit an der Etablierung des kolumnaren Phänotyps beteiligt sind. Auch wenn die Funktion des Co-Genproduktes nicht abschließend geklärt werden konnte, sind doch anhand der Resultate schlüssige Hypothesen diesbezüglich möglich.rn

La gestione delle relazioni tra soggetto produttore e risorse archivistiche nel semantic web. Un modello ontologico

La ricerca nel campo del cultural heritage management ha adottato negli ultimi decenni le tecnologie web quali strumenti privilegiati per stabilire i nuovi approcci e indirizzi nella valorizzazione della conoscenza. Questa tesi si colloca nell'ambito interdisciplinare tra le scienze umanistiche e informatiche e si fonda sulla consapevolezza del reciproco arricchimento che può derivare dal continuo confronto, le une disponendo di mezzi più espressivi e popolari per divulgare il proprio patrimonio e le altre usufruendo di “materia prima” autorevole (ossia dati strutturati di qualità e alto livello di fiducia) in fase di sperimentazione. Lo studio dei punti di tangenza tra le discipline muove da due ambiti precisi, ovvero le applicazioni informatiche nel campo dell'archivistica e gli sviluppi del semantic web nel settore delle digital humanities.

Modello per la stima del tempo di percorrenza in bicicletta, basato sugli attributi del percorso ciclabile, usando il database openstreetmap

Il lavoro svolto in questo lavoro di tesi magistrale ha avuto come obiettivo proporre un modello per la stima del tempo di percorrenza sugli archi ciclabili, in relazione alle caratteristiche geometriche dei percorsi e sfruttando il database open source OpenStreetMap. E' stato svolto un lavoro di rilievo e aggiornamento della schematizzazione della rete ciclabile; inoltre è sta condotta una campagna di rilevazioni GPS sulle piste ciclabili della città di Bologna al fine di poter svolgere la calibrazione dei parametri dei modelli proposti.

Regulation von "Silent mating type information regulation 2 homolog Type" 1 (SIRT1) durch die nach DNA-Schaden induzierte Kinase "Homeodomain-interaction kinase" (HIPK2)

"Silent mating type information regulation 2 Type" 1 (SIRT1), das humane Homolog der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus Hefe, besitzt Schlüsselfunktionen in der Regulation des Metabolismus, der Zellalterung und Apoptose. Letztere wird vor allem durch die Deacetylierung von p53 an Lys382 und der dadurch verringerten Transkription proapoptotischer Zielgene vermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die SIRT1 Regulation im Zusammenhang mit der DNA-Schadensantwort untersucht.rnIn der Apoptoseregulation übernimmt die Serin/Threonin-Kinase "Homeodomain interacting protein kinase" 2 (HIPK2) eine zentrale Rolle und daher wurde die SIRT1 Modifikation und Regulation durch HIPK2 betrachtet. Durch Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins p53 an Ser46 aktiviert HIPK2 das Zielprotein und induziert die Transkription proapoptotischer Zielgene von p53. Es wurde beschrieben, dass HIPK2 nach DNA-Schädigung über einen bisher unbekannten Mechnismus die Acetylierung von p53 potenzieren kann.rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass SIRT1 von HIPK2 in vitro und in Zellen an Serin 27 und 682 phosphoryliert wird. Weiterhin ist die Interaktion von SIRT1 mit HIPK2 sowie die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 durch DNA-schädigende Adriamycinbehandlung erhöht. Es gibt Hinweise, dass HIPK2 die Expression von SIRT1 reguliert, da HIPK2 RNA-Interferenz zur Erniedrigung der SIRT1 Protein- und mRNA-Mengen führt.rnEin weiterer interessanter Aspekt liegt in der Beobachtung, dass Ko-Expression von PML-IV, welches SIRT1 sowie HIPK2 in PML-Kernkörper rekrutiert, die SIRT1 Phosphorylierung an Serin 682 verstärkt. Phosphorylierung von SIRT1 an Serin 682 interferiert wiederum mit der SUMO-1 Modifikation, welche für die Lokalisation in PML-Kernkörpen wichtig ist.rnBemerkenswerterweise reduziert die DNA-schadendsinduzierte SIRT1 Phosphorylierung die Bindung des SIRT1 Ko-Aktivators AROS, beeinflusst aber nicht diejenige des Inhibitors DBC1. Dies führt zur Reduktion der enzymatischen Aktivität von SIRT1 und der darausfolgenden weniger effizienten Deacetylierung des Zielproteins p53.rnDurch die von mir in der vorliegenden Promotionsarbeit erzielten Ergebnisse konnte ein neuer molekularer Mechanismus entschlüsselt werden, welcher die durch HIPK2 modulierte Acetylierung von p53 und die daran anschließende Induktion der Apoptose beschreibt.rnHIPK2-vermittelte SIRT1 Phosphorylierung resultiert in einer verminderten Deacetylasefunktion von SIRT1 und führt so zu einer verstärkten acetylierungsinduzierten Expression proapoptotischer p53 Zielgene.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Gene expression profile of osseointegration of a hydrophilic compared with a hydrophobic microrough implant surface

OBJECTIVES: To compare the gene expression profile of osseointegration associated with a moderately rough and a chemically modified hydrophilic moderately rough surface in a human model. MATERIAL AND METHODS: Eighteen solid screw-type cylindrical titanium implants, 4 mm long and 2.8 mm wide, with either a moderately rough (SLA) or a chemically modified moderately rough (SLActive) surface were surgically inserted in the retromolar area of nine human volunteers. The devices were removed using a trephine following 4, 7 and 14 days of healing. The tissue surrounding the implant was harvested, total RNA was extracted and microarray analysis was carried out to identify the differences in the transcriptome between the SLA and SLActive surfaces at days 4, 7 and 14. RESULTS: There were no functionally relevant gene ontology categories that were over-represented in the list of genes that were differentially expressed at day 4. However, by day 7, osteogenesis- and angiogenesis-associated gene expression were up-regulated on the SLActive surface. Osteogenesis and angiogenesis appeared to be regulated by BMP and VEGF signalling, respectively. By day 14, VEGF signalling remains up-regulated on the SLActive surface, while BMP signalling was up-regulated on the SLA surface in what appeared to be a delayed compensatory response. Furthermore, neurogenesis was a prominent biological process within the list of differentially expressed genes, and it was influenced by both surfaces. CONCLUSIONS: Compared with SLA, SLActive exerts a pro-osteogenic and pro-angiogenic influence on gene expression at day 7 following implant insertion, which may be responsible for the superior osseointegrative properties of this surface.

Multilocus analysis of genetic divergence between outcrossing Arabidopsis species: evidence of genome-wide admixture

P>Outcrossing Arabidopsis species that diverged from their inbreeding relative Arabidopsis thaliana 5 million yr ago and display a biogeographical pattern of interspecific sympatry vs intraspecific allopatry provides an ideal model for studying impacts of gene introgression and polyploidization on species diversification. Flow cytometry analyses detected ploidy polymorphisms of 2x and 4x in Arabidopsis lyrata ssp. kamchatica of Taiwan. Genomic divergence between species/subspecies was estimated based on 98 randomly chosen nuclear genes. Multilocus analyses revealed a mosaic genome in diploid A. l. kamchatica composed of Arabidopsis halleri-like and A. lyrata-like alleles. Coalescent analyses suggest that the segregation of ancestral polymorphisms alone cannot explain the high inconsistency between gene trees across loci, and that gene introgression via diploid A. l. kamchatica likely distorts the molecular phylogenies of Arabidopsis species. However, not all genes migrated across species freely. Gene ontology analyses suggested that some nonmigrating genes were constrained by natural selection. High levels of estimated ancestral polymorphisms between A. halleri and A. lyrata suggest that gene flow between these species has not completely ceased since their initial isolation. Polymorphism data of extant populations also imply recent gene flow between the species. Our study reveals that interspecific gene flow affects the genome evolution in Arabidopsis.