DNA microarray profiling of genes differentially regulated by the histone deacetylase inhibitors vorinostat and LBH589 in colon cancer cell lines

BACKGROUND: Despite the significant progress made in colon cancer chemotherapy, advanced disease remains largely incurable and novel efficacious chemotherapies are urgently needed. Histone deacetylase inhibitors (HDACi) represent a novel class of agents which have demonstrated promising preclinical activity and are undergoing clinical evaluation in colon cancer. The goal of this study was to identify genes in colon cancer cells that are differentially regulated by two clinically advanced hydroxamic acid HDACi, vorinostat and LBH589 to provide rationale for novel drug combination partners and identify a core set of HDACi-regulated genes.

METHODS: HCT116 and HT29 colon cancer cells were treated with LBH589 or vorinostat and growth inhibition, acetylation status and apoptosis were analyzed in response to treatment using MTS, Western blotting and flow cytometric analyses. In addition, gene expression was analyzed using the Illumina Human-6 V2 BeadChip array and Ingenuity Pathway Analysis.

RESULTS: Treatment with either vorinostat or LBH589 rapidly induced histone acetylation, cell cycle arrest and inhibited the growth of both HCT116 and HT29 cells. Bioinformatic analysis of the microarray profiling revealed significant similarity in the genes altered in expression following treatment with the two HDACi tested within each cell line. However, analysis of genes that were altered in expression in the HCT116 and HT29 cells revealed cell-line-specific responses to HDACi treatment. In addition a core cassette of 11 genes modulated by both vorinostat and LBH589 were identified in both colon cancer cell lines analyzed.

CONCLUSION: This study identified HDACi-induced alterations in critical genes involved in nucleotide metabolism, angiogenesis, mitosis and cell survival which may represent potential intervention points for novel therapeutic combinations in colon cancer. This information will assist in the identification of novel pathways and targets that are modulated by HDACi, providing much-needed information on HDACi mechanism of action and providing rationale for novel drug combination partners. We identified a core signature of 11 genes which were modulated by both vorinostat and LBH589 in a similar manner in both cell lines. These core genes will assist in the development and validation of a common gene set which may represent a molecular signature of HDAC inhibition in colon cancer.

Regulation of human dUTPase gene expression and p53-mediated transcriptional repression in response to oxaliplatin-induced DNA damage

Deoxyuridine triphosphate nucleotidohydrolase (dUTPase) catalyzes the hydrolysis of dUTP to dUMP and PPi. Although dUTP is a normal intermediate in DNA synthesis, its accumulation and misincorporation into DNA is lethal. Importantly, uracil misincorporation is a mechanism of cytotoxicity induced by fluoropyrimidine chemotherapeutic agents including 5-fluorouracil (5-FU) and elevated expression of dUTPase is negatively correlated with clinical response to 5-FU-therapy. In this study we performed the first functional characterization of the dUTPase promoter and demonstrate a role for E2F-1 and Sp1 in driving dUTPase expression. We establish a direct role for both mutant and wild-type forms of p53 in modulating dUTPase promoter activity. Treatment of HCT116 p53(+/+) cells with the DNA-damaging agent oxaliplatin induced a p53-dependent transcriptional downregulation of dUTPase not observed in the isogenic null cell line. Oxaliplatin treatment induced enrichment of p53 at the dUTPase promoter with a concomitant reduction in Sp1. The suppression of dUTPase by oxaliplatin promoted increased levels of dUTP that was enhanced by subsequent addition of fluoropyrimidines. The novel observation that oxaliplatin downregulates dUTPase expression may provide a mechanistic basis contributing to the synergy observed between 5-FU and oxaliplatin in the clinic. Furthermore, these studies provide the first evidence of a direct transcriptional link between the essential enzyme dUTPase and the tumor suppressor p53.

Meta-analysis of Positive and Negative Symptoms Reveals Schizophrenia Modifier Genes

BACKGROUND: Evidence suggests that genetic factors may influence both schizophrenia (Scz) and its clinical presentation. In recent years, genome-wide association studies (GWAS) have demonstrated considerable success in identifying risk loci. Detection of "modifier loci" has the potential to further elucidate underlying disease processes.

METHODS: We performed GWAS of empirically derived positive and negative symptom scales in Irish cases from multiply affected pedigrees and a larger, independent case-control sample, subsequently combining these into a large Irish meta-analysis. In addition to single-SNP associations, we considered gene-based and pathway analyses to better capture convergent genetic effects, and to facilitate biological interpretation of these findings. Replication and testing of aggregate genetic effects was conducted using an independent European-American sample.

RESULTS: Though no single marker met the genome-wide significance threshold, genes and ontologies/pathways were significantly associated with negative and positive symptoms; notably, NKAIN2 and NRG1, respectively. We observed limited overlap in ontologies/pathways associated with different symptom profiles, with immune-related categories over-represented for negative symptoms, and addiction-related categories for positive symptoms. Replication analyses suggested that genes associated with clinical presentation are generalizable to non-Irish samples.

CONCLUSIONS: These findings strongly support the hypothesis that modifier loci contribute to the etiology of distinct Scz symptom profiles. The finding that previously implicated "risk loci" actually influence particular symptom dimensions has the potential to better delineate the roles of these genes in Scz etiology. Furthermore, the over-representation of distinct gene ontologies/pathways across symptom profiles suggests that the clinical heterogeneity of Scz is due in part to complex and diverse genetic factors.

Age-Related Macular Degeneration-Associated Genes in Alzheimer Disease

Objectives: Given the clinical and pathological similarities between age-relatedmacular degeneration (AMD) and Alzheimer disease (AD), to assess whether AMDassociatedsingle nucleotide polymorphisms (SNPs), including those from complementrelatedgenes, are associated with AD. 
Design: A case-control association study-typedesign. 
Setting: A UK tertiary care dementia clinic. 
Participants: 322 cognitivelynormal participants and 258 cases with a clinical diagnosis of AD.
Measurements:Polymorphisms in the following genes were studied: CFH, ARMS2, C2/CFB, C3, CFI/PLA2G12a, SERPING1, TLR3, TLR4, CRP, APOE, and TOMM40. Haplotypes were analysedfor CFH, TOMM40, and APOE. Univariate analysis was performed for each geneticchange and case-comparator status, and then correction for multiple testing performed. 
Results: The presence of an ε4 APOE allele was significantly associated with AD. Noassociation was evident between CFH SNPs or haplotypes, or other AMD-associated SNPstested, and AD. The exceptions were TOMM40 SNPs, which were associated with AD evenafter correction for multiple comparisons. The associations disappeared, however, whenentered into a regression model including APOE genotypes. 
Conclusions: The resultsfor most SNPs tested, as well as CFH haplotypes, are novel. The functional effects ofabnormal complement activity in AD’s pathogenesis may be contradictory, butmethodological reasons may underlie the lack of association—for example, geneticchanges other than SNPs being involved.

ISCR and their association with antibiotic resistance genes

A prevalência de bactérias resistentes a antibióticos em ambiente hospitalar tem vindo a tornar-se dramática e preocupante a nível mundial. Contudo, com a utilização inadequada de antibióticos em áreas tão diversas como a veterinária, a aquacultura e a agricultura, esta deixou de estar confinada ao ambiente hospitalar, sendo o ambiente um reservatório natural de microganismos resistentes a estes compostos. O conhecimento detalhado dos determinantes de resistência a antibióticos presentes nestes ambientes, sejam estes genes de resistência ou estruturas envolvidas na sua mobilização, é fundamental, não só do ponto de vista do conhecimento como para a eventual implementação de medidas de contenção da sua disseminação. Neste contexto, são necessários estudos que permitam conhecer o panorama mais realista da distribuição destes determinantes de resistência a antibióticos, quer no meio ambiente quer no ambiente clínico. Assim, constituiu objectivo principal deste trabalho contribuir para o conhecimento do panorama actual da prevalência e distribuição dos elementos ISCR, bem como de outros determinantes de resistência a antibióticos em espécies de Gram-negativo clinicamente relevantes (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii e Citrobacter freundii) recolhidas a partir de amostras de pacientes do Hospital Infante D. Pedro, EPE, Aveiro, Portugal, entre 2006 e 2008. Adicionalmente, foram também recolhidas bactérias de Gram-negativo do meio ambiente, a partir de amostras de águas e de vísceras de peixes, nas quais foram igualmente pesquisados os elementos acima referidos. À excepção dos isolados de E. coli e de Gramnegativo ambientais, todas as estirpes estudadas foram seleccionadas com base no seu perfil de multirresistência a antibióticos. Os resultados mostraram que em todas as espécies recolhidas no ambiente hospitalar foi detectada a presença de elementos ISCR, do tipo ISCR1 ou ISCR2. O elemento ISCR1, foi encontrado em isolados de E. coli, K. pneumoniae e C. freundii e o elemento ISCR2 em isolados de A. baumannii. Não foi detectada a presença de ISCRs nos isolados de Gram-negativo ambientais, o que sugere que a ocorrência dos mesmos é fortemente influenciada pela pressão selectiva exercida pelo ambiente em que os microrganismos se encontram. Genes qnr e integrões de classe 1 foram os determinantes de resistência mais frequentemente encontrados associados aos elementos ISCR1. Os vários determinantes de resistência foram encontrados em diferentes contextos genéticos e localizados em estruturas móveis, nomeadamente em plasmídeos. O elemento ISCR2 presente em isolados de A. baumannii encontra-se associado ao gene sul2 em todos os isolados, dentro de um mesmo contexto genético e com uma localização cromossomal. Contudo, o contexto genético encontrado nestes isolados é novo não tendo sido descrito até à data em outros microrganismos. O presente estudo constitui a primeira descrição de elementos ISCR intrinsecamente ligados a genes de resistência a antibióticos, em Portugal. Uma vez que estes elementos parecem ser responsáveis pela mobilização de um grande número de genes de resistência a antibióticos, a sua elevada incidência entre estirpes resistentes e multirresistentes, bem como a sua associação com genes de resistência é preocupante e requer vigilância.

Sistema computacional para o estudo da estrutura primária e redesenho de genes

Um dos maiores avanços científicos do século XX foi o desenvolvimento de tecnologia que permite a sequenciação de genomas em larga escala. Contudo, a informação produzida pela sequenciação não explica por si só a sua estrutura primária, evolução e seu funcionamento. Para esse fim novas áreas como a biologia molecular, a genética e a bioinformática são usadas para estudar as diversas propriedades e funcionamento dos genomas. Com este trabalho estamos particularmente interessados em perceber detalhadamente a descodificação do genoma efectuada no ribossoma e extrair as regras gerais através da análise da estrutura primária do genoma, nomeadamente o contexto de codões e a distribuição dos codões. Estas regras estão pouco estudadas e entendidas, não se sabendo se poderão ser obtidas através de estatística e ferramentas bioinfomáticas. Os métodos tradicionais para estudar a distribuição dos codões no genoma e seu contexto não providenciam as ferramentas necessárias para estudar estas propriedades à escala genómica. As tabelas de contagens com as distribuições de codões, assim como métricas absolutas, estão actualmente disponíveis em bases de dados. Diversas aplicações para caracterizar as sequências genéticas estão também disponíveis. No entanto, outros tipos de abordagens a nível estatístico e outros métodos de visualização de informação estavam claramente em falta. No presente trabalho foram desenvolvidos métodos matemáticos e computacionais para a análise do contexto de codões e também para identificar zonas onde as repetições de codões ocorrem. Novas formas de visualização de informação foram também desenvolvidas para permitir a interpretação da informação obtida. As ferramentas estatísticas inseridas no modelo, como o clustering, análise residual, índices de adaptação dos codões revelaram-se importantes para caracterizar as sequências codificantes de alguns genomas. O objectivo final é que a informação obtida permita identificar as regras gerais que governam o contexto de codões em qualquer genoma.

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Study of Perkinsus olseni infection mechanisms: identification and regulation of parasite genes differentially expressed in response to host and environmental stress

Tese dout., Biologia, Universidade do Algarve, 2008

Role of insulin and insulin-like peptides in bone formation: identification of bone-specific target genes and regulatory mechanisms, and characterization of the insulin-mimetic effect of vanadium

Tese de Doutoramento em Biologia, Especialidade em Biologia Molecular, Universidade do Algarve, 2008

Análise e caracterização da expressão e papel funcional dos potenciais genes da família 2 GPCRs no protostómio Caenorhabditis elegans

Dissertação de Mestrado, Biotecnologia, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Role of the different actin genes during extrusion of capping protein mutant cells in the Drosophila wing blade epithelium

Dissertação mest., Biotecnologia, Universidade do Algarve, 2008

Identification of reliable reference genes for quantitative gene expression in the Mozambique tilapia, Oreochromis mossambicus

Dissertação de mest., Biologia Marinha (Aquacultura), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Estudo preliminar do efeito supressor de genes do Citrus tristeza virus (CTV) no silenciamento pós-transcripcional em Nicotiana benthamiana

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Identification of genes regulated by mir-363*, a regulator of bone marrow endothelial cell properties

As células estaminais hematopoiéticas residem na medula óssea e possuem capacidade para se auto-renovar e dar origem a todos os tipos de células sanguíneas. O endotélio da medula óssea é constituído por células endoteliais de medula óssea (BMEC) e compreende dois nichos com funções distintas: o nicho osteoblástico e o nicho vascular. O nicho osteoblásctico proporciona condições para a quiescência de células estaminais hematopoiéticas, enquanto no nicho vascular ocorre proliferação e diferenciação das mesmas. Quando ocorre um desequilíbrio na expressão de genes que codificam para proteínas envolvidas na mobilização de células do nicho osteoblástico para o nicho vascular – factores angiócrinos – ocorre uma desestabilização do microambiente medular, que se pode traduzir num processo tumoral. Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de RNAs não codificantes, de cadeia simples, que regula a expressão génica. Os miRNAs são sequências endógenas de RNA que possuem entre 19 e 25 nucleótidos de tamanho. Os miRNAs são reguladores da expressão genica, induzindo o silenciamento a nível da pós-transcrição, através da sua ligação com uma sequência específica para a qual possuem afinidade, na região 3’ não traduzida (3’ UTR) dos seus mRNA alvo, conduzindo à inibição da tradução ou à sua degradação. Os miRNAs estão envolvidos na regulação de genes de diversas vias afectando processos fundamentais como hematopoiese, apoptose, proliferação celular e tumorigénese. Os níveis de expressão dos miRNAs estão alterados no cancro, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Os perfis dos níveis de expressão de vários miRNAs foram estudados, tendo-se verificado que se alteram durante o processo de carcinogénese, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Apesar do miR-363* estar envolvido na regulação da expressão de genes que regulam propriedades das células endoteliais e medula óssea, os genes sobre os quais exerce a sua função ainda não foram identificados.O objectivo do presente estudo é a identificação dos genes directamente regulados pelo miR-363* (genes alvo) e a sua relevância para a disfunção medular e a sua caracterização nos síndromes mielodisplásicos. A estratégia usada baseou-se na redução ou aumento forçados dos níveis de miR-363* em células endoteliais e subsequente análise da expressão génica através de microarrays de cDNA do genoma humano. A redução do miR-363* vai implicar o aumento da expressão dos seus genes alvo, assim como o aumento dos níveis do miR-363* vai induzir a degradação e consequente redução dos seus genes alvos. A intersecção dos dados gerados através do estudo da expressão com bases de dados que possuem algoritmos para previsão de genes alvo directos dos miRNAs (miRBase e MicroCosm Targets) permitiu restringir os genes a analisar a sete genes, nomeadamente BST1, ESAM, FCER1G, IKBKG, SELE, THBS3 e TIMP1. A interacção directa destes candidatos a alvos directos do miR-363* foi posteriormente validada. Para tal, as 3’UTR dos genes foram clonadas num vector que contém o gene da luciferase. Uma vez as clonagens realizadas, efectuaram-se ensaios funcionais em células endoteliais, nomeadamente HUVEC, nas quais se co-transfectaram os vectores gerados, anti-miRs ou pre-miRs (para diminuir ou aumentar o nível de miRNA) e o plasmídeo controlo da Renilla para normalização dos ensaios de luciferase. A variação da luminescência obtida em presença do aumento ou redução do miR-363* deu uma forte indicação da regulação directa do miR-363* nesses alvos. No entanto, a confirmação desta interacção directa foi efectuada através de ensaios de mutagénese, nos quais de induziram mutações na 3’UTR nos locais de ligação do miRNA, seguidos dos ensaios funcionais como acima descritos. Esta estratégia sugere que o TIMP1, inibidor da metaloprotease-9 (MMP-9), é regulado directamente pelo miR-363*. Adicionalmente, os níveis de expressão dos alvos directos do miR-363* foram estudados em 17 amostras de aspirados de medula óssea de doentes com síndromes mielodisplásicos. Os síndromes mielodisplásicos são caracterizados como um grupo heterogéneo de condições, que apresentam citopenias (produção deficiente de eritrócitos, leucócitos e/ou megacariócitos) e medula óssea displástica e hipercelular. A escalonagem dos doentes foi feita de acordo com o sistema de prognóstico IPSS elaborado pela Organização Mundial de Saúde, e que consiste numa tabela de risco de progressão de síndromes mielodisplásicos para leucemia mielóide aguda (LMA) e que agrupa os doentes em baixo risco – que compreende os níveis baixo e intermédio 1 – e em alto risco – que compreende os níveis intermédio 2 e alto. Dos genes regulados pelo miR-363*, o destacam-se o TIMP1, estando aumentando em doentes com mau prognóstico, e o THBS3 que apresenta um aumento nos doentes com prognóstico intermédio. Em suma, os estudos realizados permitiram a identificação de genes regulados pelo miR-363* e contribuiram para o conhecimento de como o miR-363* contribui para a disfunção medular, particularmente em síndromes mielodisplásicos, pela desregulação das propriedades endoteliais.