Heterosis in maize (Zea mays, L.): characterization of heterotic quantitative trait loci (QTL) for agronomic traits in near isogenic lines (NILs) and their testcrosses

In a previous study on maize (Zea mays, L.) several quantitative trait loci (QTL) showing high dominance-additive ratio for agronomic traits were identified in a population of recombinant inbred lines derived from B73 × H99. For four of these mapped QTL, namely 3.05, 4.10, 7.03 and 10.03 according to their chromosome and bin position, families of near-isogenic lines (NILs) were developed, i.e., couples of homozygous lines nearly identical except for the QTL region that is homozygote either for the allele provided by B73 or by H99. For two of these QTL (3.05 and 4.10) the NILs families were produced in two different genetic backgrounds. The present research was conducted in order to: (i) characterize these QTL by estimating additive and dominance effects; (ii) investigate if these effects can be affected by genetic background, inbreeding level and environmental growing conditions (low vs. high plant density). The six NILs’ families were tested across three years and in three Experiments at different inbreeding levels as NILs per se and their reciprocal crosses (Experiment 1), NILs crossed to related inbreds B73 and H99 (Experiment 2) and NILs crossed to four unrelated inbreds (Experiment 3). Experiment 2 was conducted at two plant densities (4.5 and 9.0 plants m-2). Results of Experiments 1 and 2 confirmed previous findings as to QTL effects, with dominance-additive ratio superior to 1 for several traits, especially for grain yield per plant and its component traits; as a tendency, dominance effects were more pronounced in Experiment 1. The QTL effects were also confirmed in Experiment 3. The interactions involving QTL effects, families and plant density were generally negligible, suggesting a certain stability of the QTL. Results emphasize the importance of dominance effects for these QTL, suggesting that they might deserve further studies, using NILs’ families and their crosses as base materials.

"Crop elicitation": approccio innovativo per la valorizzazione delle proprietà funzionali in leguminose da granella

Crop elicitation: innovative approach for the valorization of grain legume functional properties. In Italy grain legume cultivation has encountered a drastic decrease due to several causes (productive, economic, social). In this regard, studies aimed at the setting up of agronomic techniques able to guarantee high and constant in planta yields of health-promoting compounds may concur at re-launching legume production. In this context, 22 accessions of grain legumes (17 Phaseolus vulgaris, 3 Phaseolus coccineus, 1 Vigna unguiculata and 1 Glycine max genotypes) were screened with the aim of identifying genotypes rich in health beneficial phytochemicals (α-amylase inhibitors, α -glucosidase inhibitors, polyphenols) and with low anti-nutritional compounds (lectins). A wide variability was observed among investigated accessions. Four genotypes (Verdone, Kidney Cina, Roviotto and DG) showed a α -amylase inhibitory activity significantly higher (approximately 30% more) than all other tested accessions. The α -amylase inhibitory activity was not correlated neither with the protein nor with the polyphenol contents. Conversely, the α -glucosidase inhibitory activity was positively correlated with grain color and polyphenol content: dark-colored seeds had a mean inhibitory activity of 83.64 ± 22.07%, whereas light-colored seeds had mean values of 21.11 ± 9.36%. As regards the anti-nutritional compounds, out of all common bean accessions, only DG showed no erythro-agglutination activity (lectins). Preliminary experiments, performed in controlled environment, permitted to highlight that different germination conditions markedly affect the synthesis and accumulation of functional compounds in legume seedlings. Those findings were confirmed with field trials performed in two different locations (Bologna and Pisa), on two bean genotypes (Verdone and Zolfino), during the 2004-2005 cropping season. Results showed that the application of abiotic stresses (no fertilization and /or no irrigation) lead to a significant increase of flavonoids in grains, but a decrease (up to 50%) in legume yields was also observed. Crop elicitation, even if valuable for boosting health-promoting compound synthesis in crops, must necessary cope with economically acceptable crop yields.

Studio degli aplogruppi mitocondriali nei pazienti con narcocataplessia

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

Mappaggio fine di un QTL principale per la resa in granella sul cromosoma 3B di frumento duro

In durum wheat, two major QTL for grain yield (Qyld.idw-2B and Qyld.idw-3B) and related traits were identified in a recombinant population derived from Kofa and Svevo (Maccaferri et al. 2008). To further investigate the genetic and physiological basis of allelic variation for this important trait, the fine mapping of Qyld.idw-2B e Qyld.idw-3B was done during the PhD. In this regard, new molecular markers were added to increase the map resolution in the target interval. For Qyld.idw-2B region COS markers derived from the synteny between wheat and rice/ sorghum /brachypodiu genomes were screened. While for Qyld.idw-3B region SSR, ISBP and COS markers obtained from BAC end-sequences and BAC sequences generated during the construction of the 3B physical map (Paux et al., 2008) were screened. In the RIL population a final map resolution of 2,8 markers/cM for Qyld.idw-2B and 0,6 markers/cM for Qyld.idw-3B were obtained. Eighteen pairs of near-isogenic lines (NILs) for Qyld.idw-3B were obtained from F4:5 heterogeneous inbred families. In order to confirm the phenotypic effect of the QTL all pairs were evaluated in field trials (2010 and 2011) for all traits. Three pairs of NILs, with contrasted haplotypes at the target region, were crossed to produce a large F2 population (ca. 7,500 plants in total) that was screened for the identification of recombinants. A total of 233 homozygous F4:5 segmental isolines were obtained and the phenotypic and genotypic characterization of these materials were done. A fine mapping for Qyld.idw-3B was obtained and the QTL peak was identified in a interval of 0,4 cM. All markers were anchored to the Chinese Spring physical map of chr. 3B, which allowed us to identify the BAC Contigs spanning the QTL region and to assign the QTL peak to Contig 954. Sequencing of this contig has revealed the presence of 42 genes.

Virus a RNA e a DNA: importanza dell’ampliamento dello spettro d’ospite nell’evoluzione virale

L’ampliamento dello spettro d’ospite è strettamente connesso al processo evolutivo a cui i virus sono assoggettati e rappresenta una notevole sfida alla loro capacità di adattarsi. L’attitudine a superare le barriere di specie è conseguente alla costante e relativamente rapida evoluzione che caratterizza i virus; allo stesso tempo, la forza selettiva esercitata dal nuovo ospite rappresenterà un ulteriore stimolo per le capacità adattative del virus. Ad oggi, i meccanismi genetici ed evolutivi responsabili del salto di specie virale, cioè la trasmissione di un virus da un ospite tradizionale ad uno precedentemente resistente all’infezione, sono parzialmente sconosciuti. Nel seguente lavoro verranno presentati gli studi effettuati sulle dinamiche evolutive caratterizzanti virus a RNA e a DNA in cui si sono osservate variazioni dello spettro d’ospite. Gli studi hanno riguardato i coronavirus, con particolare riferimento al ruolo svolto dai pipistrelli nell’evoluzione dei coronavirus SARS-correlati, e l’importanza del gatto nell’evoluzione dei parvovirus dei carnivori. Nella prima sezione saranno mostrate le correlazioni genetiche dei coronavirus identificati in Italia nei pipistrelli appartenenti alla specie Rhinolophus ferrumequinum con i ceppi europei e del resto del mondo, allo scopo di chiarire l’origine evolutiva dei coronavirus dei pipistrelli correlati al virus della SARS (Bat-SARS-like CoV) europei, gli eventi migratori che hanno caratterizzato la loro diffusione nel continente e le potenziali ripercussioni sulla salute pubblica. Nella seconda sezione saranno evidenziate le caratteristiche molecolari dei ceppi di parvovirus circolanti nella popolazione felina, valutandone la diversità di sequenza e la complessità genetica, allo scopo di ottenere importanti informazioni in merito all’evoluzione del virus e alle interazioni tra il parvovirus e l’ospite.

Analisi di dati citofluorimetrici con tecniche di Data Mining

Il citofluorimetro è uno strumento impiegato in biologia genetica per analizzare dei campioni cellulari: esso, analizza individualmente le cellule contenute in un campione ed estrae, per ciascuna cellula, una serie di proprietà fisiche, feature, che la descrivono. L’obiettivo di questo lavoro è mettere a punto una metodologia integrata che utilizzi tali informazioni modellando, automatizzando ed estendendo alcune procedure che vengono eseguite oggi manualmente dagli esperti del dominio nell’analisi di alcuni parametri dell’eiaculato. Questo richiede lo sviluppo di tecniche biochimiche per la marcatura delle cellule e tecniche informatiche per analizzare il dato. Il primo passo prevede la realizzazione di un classificatore che, sulla base delle feature delle cellule, classifichi e quindi consenta di isolare le cellule di interesse per un particolare esame. Il secondo prevede l'analisi delle cellule di interesse, estraendo delle feature aggregate che possono essere indicatrici di certe patologie. Il requisito è la generazione di un report esplicativo che illustri, nella maniera più opportuna, le conclusioni raggiunte e che possa fungere da sistema di supporto alle decisioni del medico/biologo.

Farmacogenomica della Clofarabina nel trattamento delle Leucemie Acute pediatriche: identificazione di nuovi bersagli molecolari e del profilo genomico associato all’efficacia terapeutica del farmaco antitumorale

In quest’ultimi decenni si è assistito ad un notevole miglioramento nella terapia delle Leucemie Acute (LA) pediatriche, nonostante tutto si assiste oggi ad una fase di plateau della curva di sopravvivenza e le leucemie continuano a costituire la principale causa di morte pediatrica per malattia. Ulteriori progressi nel trattamento delle LA potrebbero essere ottenuti mediante studi di farmacogenomica che, identificando le componenti genetiche associate alla risposta individuale ai trattamenti farmacologici, consentono il disegno di terapie personalizzate e tumore-specifiche, ad alta efficacia e bassa tossicità per ciascun paziente. Il lavoro svolto è stato, dunque, finalizzato allo studio della farmacogenomica del farmaco antitumorale Clofarabina (CLO) nel trattamento delle LA pediatriche al fine di identificare marcatori genetici predittivi di risposta delle cellule leucemiche al farmaco, delucidare i meccanismi di resistenza cellulare ed individuare nuovi bersagli verso cui indirizzare terapie più mirate ed efficaci. L’analisi in vitro della sensibilità alla CLO di blasti provenienti da pazienti pediatrici affetti da Leucemia Acuta Linfoblastica (LAL) e Mieloide (LAM) ha consentito l’identificazione di due sottopopolazioni di cellule LAL ad immunofenotipo T a diversa sensibilità alla CLO. Mediante DNA-microarrays, si è identificata la “signature” genetica specificamente associata alla diversa risposta delle cellule LAL-T al farmaco. Successivamente, la caratterizzazione funzionale dei geni differenziali e l’analisi dei pathways hanno consentito l’identificazione specifica di potenziali biomarcatori di risposta terapeutica aprendo nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi di resistenza cellulare alla CLO e suggerendo un nuovo bersaglio terapeutico per le forme LAL-T a bassa sensibilità al farmaco. In conclusione, nel lavoro svolto si sono identificati set di geni e pathways di rilievo biologico per la risposta delle cellule LAL-T alla CLO suggerendo marcatori genetici in grado di identificare i soggetti eleggibili per il trattamento o verso cui disegnare terapie innovative. Il lavoro è paradigma per l’applicazione della farmacogenomica in altre neoplasie.

L’allevamento della sogliola comune (Solea solea L.): riproduzione controllata e nuovi sviluppi di nutrizione e alimentazione in fase larvale e giovanile

In questa tesi sono illustrate alcune sperimentazioni finalizzate alla standardizzazione del ciclo produttivo della sogliola comune (Solea solea) in cattività. E’ stato creato un parco di riproduttori selvatici ed è stata standardizzata la riproduzione ad un livello compatibile con la realtà produttiva del settore. Indagini genetiche di assegnazione parentale hanno evidenziato come alcuni esemplari siano stati predominanti negli accoppiamenti e nel conseguente contributo alla generazione della prole. Ciò ha determinato una diminuzione della variabilità genetica dei discendenti. La composizione quali-quantitativa degli acidi grassi delle uova è stata correlata con la sopravvivenza larvale nel corso di un’intera stagione riproduttiva. Tale composizione non ha subito importanti variazioni su scala temporale e sembra essere stata influenzata dall’alimentazione somministrata ai riproduttori nel periodo precedente alla riproduzione. Le analisi di interazione tra momento riproduttivo e qualità delle uova hanno confermato che è stato possibile ottenere uova di buona qualità in termini di sopravvivenza larvale nel corso di tutta la stagione riproduttiva. Larve di sogliola sono state svezzate precocemente 13 giorni dopo la schiusa riducendo l’impiego di cibo vivo a favore di micro diete commerciali. Tale svezzamento ha ridotto le performance di accrescimento, ma non la sopravvivenza e lo sviluppo della metamorfosi quando comparati ad un trattamento standard. La riduzione del cibo vivo ha ottimizzato i costi di produzione e migliorato l’igiene in vasca. L’ontogenesi di precursori di enzimi digestivi è stata determinata tramite PCR quantitativa. I risultati di espressione di tripsinogeno, chimotripsinogeno e amilasi hanno mostrato come tali enzimi rivestano un ruolo chiave nei processi digestivi delle prime fasi larvali. Esemplari giovanili hanno ottenuto un significativo maggiore indice di accrescimento e migliore indice di conversione quando alimentati con diete sperimentali contenenti un elevato tenore proteico. Un aumento dell’incidenza di vacuoli lipidici a livello epatico è stato osservato all’aumentare del tenore proteico della dieta.

Genetic engineering and preclinical evaluation of oncolytic herpes simplex viruses retargeted to cancer-specific receptors

Oncolytic virotherapy exploits the ability of viruses to infect and kill cells. It is suitable as treatment for tumors that are not accessible by surgery and/or respond poorly to the current therapeutic approach. HSV is a promising oncolytic agent. It has a large genome size able to accommodate large transgenes and some attenuated oncolytic HSVs (oHSV) are already in clinical trials phase I and II. The aim of this thesis was the generation of HSV-1 retargeted to tumor-specific receptors and detargeted from HSV natural receptors, HVEM and Nectin-1. The retargeting was achieved by inserting a specific single chain antibody (scFv) for the tumor receptor selected inside the HSV glycoprotein gD. In this research three tumor receptors were considered: epidermal growth factor receptor 2 (HER2) overexpressed in 25-30% of breast and ovarian cancers and gliomas, prostate specific membrane antigen (PSMA) expressed in prostate carcinomas and in neovascolature of solid tumors; and epidermal growth factor receptor variant III (EGFRvIII). In vivo studies on HER2 retargeted viruses R-LM113 and R-LM249 have demonstrated their high safety profile. For R-LM249 the antitumor efficacy has been highlighted by target-specific inhibition of the growth of human tumors in models of HER2-positive breast and ovarian cancer in nude mice. In a murine model of HER2-positive glioma in nude mice, R-LM113 was able to significantly increase the survival time of treated mice compared to control. Up to now, PSMA and EGFRvIII viruses (R-LM593 and R-LM613) are only characterized in vitro, confirming the specific retargeting to selected targets. This strategy has proved to be generally applicable to a broad spectrum of receptors for which a single chain antibody is available.

The role of MYCN-mediated transcriptional repression in neuronal physiopathology

MYC is a transcription factor that can activate transcription of several targets by direct binding to their promoters at specific DNA sequences (E-box). Recent findings have also shown that it can exert its biological role by repressing transcription of other set of genes. C-MYC can mediate repression on its target genes through interaction with factors bound to promoter regions but not through direct recognition of typical E-Boxes. In this thesis, we investigated whether MYCN can also repress gene transcription and how this is mechanistically achieved. Moreover, expression of TRKA, P75NTR and ABCC3 is attenuated in aggressive MYCN-amplified tumors, suggesting a causal link between elevated MYCN activity and transcriptional repression of these three genes. We found that MYCN is physically associated with gene promoters in vivo in proximity of the transcriptional start sites and this association requires interactions with SP1 and/or MIZ-1. Furthermore, we show that this interaction could interfere with SP1 and MIZ-1 activation functions by recruiting co-repressors such as DNMT3a or HDACs. Studies in vitro suggest that MYCN interacts through distinct domains with SP1, MIZ-1 and HDAC1 supporting the idea that MYCN may form different complexes by interacting with different proteins. Re-expression of endogenous TRKA and P75NTR with exposure to the TSA sensitizes neuroblastoma to NGF-mediated apoptosis, whereas ectopic expression of ABCC3 decreases cell motility without interfering with growth. Finally, using shRNA whole genome library, we dissected the P75NTR repression trying to identify novel factors inside and/or outside MYCN complex for future therapeutic approaches. Overall, our results support a model in which MYCN can repress gene transcription by direct interaction with SP1 and/or MIZ-1, and provide further lines of evidence on the importance of transcriptional repression induced by Myc in tumor biology.

Analisi di “Copy Number Variants” ed identificazione di nuovi geni candidati per l’Autismo e Ritardo Mentale

I disturbi dello spettro autistico (DSA) ed il ritardo mentale (RM) sono caratterizzati da un’eziologia genetica complessa ed eterogenea. Grazie ai recenti sviluppi nella ricerca genomica, è stato possibile dimostrare il ruolo di numerose copy number variants (CNVs) nella patogenesi di questi disturbi, anche se nella maggior parte dei casi l’eziologia rimane ancora sconosciuta. Questo lavoro riguarda l’identificazione e la caratterizzazione dei CNVs in famiglie con DSA e RM. E’ stata studiata una microdelezione in 7q31 che coinvolge i geni IMMP2L e DOCK4, trasmessa dalla madre con dislessia a due figli con autismo ed una figlia con dislessia. Nella stessa famiglia segrega una seconda microdelezione in 2q14 che inattiva il gene CNTNAP5 ed è trasmessa dal padre (con tratti autistici) ai due figli con autismo. Abbiamo quindi ipotizzato che i geni DOCK4 e CNTNAP5 potessero essere implicati, rispettivamente, nella suscettibilità a dislessia e DSA. Lo screening di numerosi individui affetti ha supportato la nostra ipotesi, con l’identificazione di una nuova microdelezione di DOCK4 che segrega con la dislessia, e 3 nuove varianti missenso in CNTNAP5 in individui con autismo. Dall’analisi genomica comparativa su array (aCGH) di individui con RM, è stata identificata una delezione nella regione 7q31.32, che coinvolge il gene CADPS2, in due fratelli con RM e tratti autistici, probabilmente ereditata dalla madre. Lo screening di mutazione di questo gene in individui con autismo o RM, ha portato all’identificazione di 3 varianti non sinonime, assenti nei controlli, ed ereditate per via materna. Poiché CADPS2 risiede in una regione genomica che contiene loci soggetti ad imprinting, abbiamo ipotizzato che il gene CADPS2 possa essere anch’esso caratterizzato da imprinting, con espressione monoallelica materna. Lo studio di espressione di CADPS2 in cellule del sangue ha avvalorato questa ipotesi, implicando perciò CADPS2 come un nuovo gene di suscettibilità per il RM e DSA.