Anti-parasitic and anti-viral immune responses in insects

Insects encounter many microorganisms in nature and to survive they have developed counter measures against the invading pathogens. In Drosophila melanogaster research on insect immunity has mainly been focused on infections by bacteria and fungi. We have explored the immune response against natural infections of the parasite Octosporea muscaedomesticae and the Drosophila C virus as compared to natural infections of bacteria and fungi. By using Affymetrix Drosophila GeneChips, we were able to obtain 48 genes uniquely induced after parasitic infection. It was also clearly shown that natural infections led to different results than when injecting the pathogens. In order to search for the ultimate role of the lepidopteran protein hemolin, we used RNA interference (RNAi). We could show that injection of double stranded RNA (dsRNA) of Hemolin in pupae of Hyalophora cecropia led to embryonic malformation and lethality and that there was a sex specific difference. We continued the RNAi investigation of hemolin in another lepidopteran species, Antheraea pernyi, and discovered that hemolin was induced by dsRNA per se. A similar induction of hemolin was seen after infection with baculovirus and we therefore performed in vivo experiments on baculovirus infected pupae. We could show that a low dose of dsHemolin prolonged the period before the A. pernyi pupae showed any symptoms of infection, while a high dose led to a more rapid onset of symptoms. By performing in silico analysis of the hemolin sequence from A. pernyi in comparison with other Hemolin sequences, it was possible to select a number of sites that either by being strongly conserved or variable could be important targets for future studies of hemolin function.

Inibizione selettiva del gene MYCN mediante PNA (acidi peptido nucleici) anti-gene nel rabdomiosarcoma umano

MYCN oncogene amplification/expression is a feature of many childhood tumors, and some adult tumors, and it is associated with poor prognosis. While MYC expression is ubiquitary, MYCN has a restricted expression after birth and it is an ideal target for an effective therapy. PNAs belong to the latest class of nucleic acid-based therapeutics, and they can bind chromosomal DNA and block gene transcription (anti-gene activity). We have developed an anti-gene PNA that targets specifically the MYCN gene to block its transcription. We report for the first time MYCN targeted inhibition in Rhabdomyosarcoma (RMS) by the anti-MYCN-PNA in RMS cell lines (four ARMS and four ERMS) and in a xenograft RMS mouse model. Rhabdomyosarcoma is the most common pediatric soft-tissue sarcoma, comprising two main subgroups [Alveolar (ARMS) and Embryonal (ERMS)]. ARMS is associated with a poorer prognosis. MYCN amplification is a feature of both the ERMS and ARMS, but the MYCN amplification and expression levels shows a significant correlation and are greater in ARMS, in which they are associated with adverse outcome. We found that MYCN mRNA and protein levels were higher in the four ARMS (RH30, RH4, RH28 and RMZ-RC2) than in the four ERMS (RH36, SMS-CTR, CCA and RD) cell lines. The potent inhibition of MYCN transcription was highly specific, it did not affect the MYC expression, it was followed by cell-growth inhibition in the RMS cell lines which correlated with the MYCN expression rate, and it led to complete cell-growth inhibition in ARMS cells. We used a mutated- PNA as control. MYCN silencing induced apoptosis. Global gene expression analysis (Affymetrix microarrays) in ARMS cells treated with the anti-MYCN-PNA revealed genes specifically induced or repressed, with both genes previously described as targets of N-myc or Myc, and new genes undescribed as targets of N-myc or Myc (mainly involved in cell cycle, apoptosis, cell motility, metastasis, angiogenesis and muscle development). The changes in the expression of the most relevant genes were confirmed by Real-Time PCR and western blot, and their expression after the MYCN silencing was evaluated in the other RMS cell lines. The in vivo study, using an ARMS xenograft murine model evaluated by micro-PET, showed a complete elimination of the metabolic tumor signal in most of the cases (70%) after anti-MYCN-PNA treatment (without toxicity), whereas treatment with the mutated-PNA had no effect. Our results strongly support the development of MYCN anti-gene therapy for the treatment of RMS, particularly for poor prognosis ARMS, and of other MYCN-expressing tumors.

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.

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.

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.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

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

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

Evaluation von Effektivität und Sicherheit der niederfrequenten, transkraniellen Ultraschalltherapie beim Schlaganfall

In den westlichen Ländern nimmt die Zahl der Schlaganfall-Patienten stetig zu und zählt mittlerweilernzu einer der häufigsten Todesursachen. Derzeit ist die Rekanalisationstherapie mit demrnFibrinolytikum rt-PA die einzig zugelassene Therapie. Die Rekanalisationsrate ist oftmals inkomplettrnund aufgrund von möglichen Blutungskomplikationen die Therapie nicht bei allen Patientenrnmöglich. Daher ist es wichtig, Alternativtherapieansätze (z.B. Ultraschallthrombolyse) zurnentwickeln. Blutgerinnsel können mit Hilfe von Ultraschall in Schwingung gebracht und sornlysiert oder die Wirkung von rt-PA verstärkt werden. Die vorliegende Arbeit hatte die Evaluationrnvon Bioeffekten von 60 kHz Ultraschall an gesundem und ischämischem Hirngewebe zum Ziel.rnNeben tierexperimentellen Methoden kamen auch molekular-biologische Techniken zur Anwendung.rnDie erste Studie beschäftigte sich mit der Wirkung von 60 kHz (Intensität: 0,2 W/cm2 undrnDuty Cycle 50%) auf ischämisches Hirngewebe (permanent ischämisch und nach Reperfusion).rnLediglich nach Reperfusion und Ultraschallbehandlung war das Läsionsvolumen signifikantrnerhöht, so dass von einer besonderen Vulnerabilität des Hirngewebes nach Reperfusionrnauszugehen ist (Penumbraschädigung). In der neurologischen Beurteilung der Tiere zeigte sichrnbei allen Tieren mit permanenter Okklusion und etwa einem Drittel der Tiere nach Reperfusionrnund Ultraschallbehandlung eine Hörminderung. In der anschließenden Studie wurde diernUltraschallintensität erniedrigt und der Duty Cycle variiert. In einer publizierten in vitro Studiernkonnte die zunehmende Lyserate mit steigendem Duty Cycle nachgewiesen werden. DiernAuswertung ergab eine Abhängigkeit des Läsionsvolumens von der Länge des Duty Cycles. Derrndritte Teil der Arbeit befasst sich mit der Wirkung von Ultraschall auf die Genexpression. Hierzurnwurden gesunde Ratten mit Ultraschall verschiedener Frequenzen (60 kHz, 488 kHz und 3 MHz)rntranskraniell behandelt und 4 h bzw. 24 h nach der Behandlung getötet. Proben von ischämischenrnTieren dienten als positive Kontrollen. Aufgrund von Literaturrecherchen wurden mehrerernKandidatengene ermittelt. Die Messung der Ischämieproben ergab eine weitgehende Übereinstimmungrnmit der Literatur. Die Messungen an den mit 60 kHz behandelten Proben ergabenrnkaum Anzeichen für eine differenzielle Genregulation. Die Frequenz von 488 kHz zeigte diernmeisten Regulationen, gefolgt von der Behandlung mit 3 MHz. Dieses Ergebnis lässt vermuten,rndass es sich bei den detektierten Veränderungen um protektive Mechanismen handelt, da diesernFrequenzen bislang im Tierversuch als nebenwirkungsarm beschrieben wurden. Die Auswertungrnvon 60 kHz-Proben mit Affymetrix Arrays ergab lediglich einige wenige differentiell regulierternGene. Die Array-Experimente konnten nicht durch qPCR-Messungen bestätigt werden.

The search for Multiple Myeloma Stem cells: molecular characterization and self-renewal mechanisms involved in the disease persistence

The existence of Multiple Myeloma Stem cells (MMSCs)is supposed to be one of the major causes of MM drug-resistance. However, very little is known about the molecular characteristics of MMSCs, even if some studies suggested that these cells resembles the memory B cells. In order to molecularly characterize MMSCs, we isolated the 138+138- population. For each cell fraction we performed a VDJ rearrangement analysis. The complete set of aberrations were performed by SNP Array 6.0 and HG-U133 Plus 2.0 microarray analyses (Affymetrix). The VDJ rearrangement analyses confirmed the clonal relationship between the 138+ clone and the immature clone. Both BM and PBL 138+ clones showed exactly the same genomic macroalterations. In the BM and PBL 138-19+27+ cell fractions several micro-alterations (range: 1-350 Kb) unique of the memory B cells clone were highlighted. Any micro-alterations detected were located out of any genomic variants region and are presumably associated to the MM pathogenesis, as confirmed by the presence of KRAS, WWOX and XIAP genes among the amplified regions. To get insight into the biology of the clonotypic B cell population, we compared the gene expression profile of 8 MM B cells samples 5 donor B cells vs, thus showing a differential expression of 11480 probes (p-value: <0,05). Among the self-renewal mechanisms, we observed the down-regulation of Hedgehog pathway and the iperactivation of Notch and Wnt signaling. Moreover, these immature cells showed a particular phenotype correlated to resistance to proteasome inhibitors (IRE1α-XBP1: -18.0; -19.96. P<0,05). Data suggested that the MM 138+ clone might resume the end of the complex process of myelomagenesis, whereas the memory B cells have some intriguing micro-alterations and a specific transcriptional program, supporting the idea that these post germinal center cells might be involved in the transforming event that originate and sustain the neoplastic clone.

Examination of FGFRL1 as a candidate gene for diaphragmatic defects at chromosome 4p16.3 shows that Fgfrl1 null mice have reduced expression of Tpm3, sarcomere genes and Lrtm1 in the diaphragm

Fgfrl1 (also known as Fgfr5; OMIM 605830) homozygous null mice have thin, amuscular diaphragms and die at birth because of diaphragm hypoplasia. FGFRL1 is located at 4p16.3, and this chromosome region can be deleted in patients with congenital diaphragmatic hernia (CDH). We examined FGFRL1 as a candidate gene for the diaphragmatic defects associated with 4p16.3 deletions and re-sequenced this gene in 54 patients with CDH. We confirmed six known coding single nucleotide polymorphisms (SNPs): c.209G > A (p.Pro20Pro), c.977G > A (p.Pro276Pro), c.1040T > C (p.Asp297Asp), c.1234C > A (p.Pro362Gln), c.1420G > T (p.Arg424Leu), and c.1540C > T (p.Pro464Leu), but we did not identify any gene mutations. We genotyped additional CDH patients for four of these six SNPs, including the three non-synonymous SNPs, to make a total of 200 chromosomes, and found that the allele frequency for the four SNPs, did not differ significantly between patients and normal controls (p > or = 0.05). We then used Affymetrix Genechip Mouse Gene 1.0 ST arrays and found eight genes with significantly reduced expression levels in the diaphragms of Fgfrl1 homozygous null mice when compared with wildtype mice-Tpm3, Fgfrl1 (p = 0.004), Myl2, Lrtm1, Myh4, Myl3, Myh7 and Hephl1. Lrtm1 is closely related to Slit3, a protein associated with herniation of the central tendon of the diaphragm in mice. The Slit proteins are known to regulate axon branching and cell migration, and inhibition of Slit3 reduces cell motility and decreases the expression of Rac and Cdc42, two genes that are essential for myoblast fusion. Further studies to determine if Lrtm1 has a similar function to Slit3 and if reduced Fgfrl1 expression can cause diaphragm hypoplasia through a mechanism involving decreased myoblast motility and/or myoblast fusion, seem indicated.

Genome-wide DNA profiling of marginal zone lymphomas identifies subtype-specific lesions with an impact on the clinical outcome

Marginal zone B-cell lymphomas (MZLs) have been divided into 3 distinct subtypes (extranodal MZLs of mucosa-associated lymphoid tissue [MALT] type, nodal MZLs, and splenic MZLs). Nevertheless, the relationship between the subtypes is still unclear. We performed a comprehensive analysis of genomic DNA copy number changes in a very large series of MZL cases with the aim of addressing this question. Samples from 218 MZL patients (25 nodal, 57 MALT, 134 splenic, and 2 not better specified MZLs) were analyzed with the Affymetrix Human Mapping 250K SNP arrays, and the data combined with matched gene expression in 33 of 218 cases. MALT lymphoma presented significantly more frequently gains at 3p, 6p, 18p, and del(6q23) (TNFAIP3/A20), whereas splenic MZLs was associated with del(7q31), del(8p). Nodal MZLs did not show statistically significant differences compared with MALT lymphoma while lacking the splenic MZLs-related 7q losses. Gains of 3q and 18q were common to all 3 subtypes. del(8p) was often present together with del(17p) (TP53). Although del(17p) did not determine a worse outcome and del(8p) was only of borderline significance, the presence of both deletions had a highly significant negative impact on the outcome of splenic MZLs.

Life stage differences in mammary gland gene expression profile in non-human primates

Breast cancer (BC) is the most common malignancy of women in the developed world. To better understand its pathogenesis, knowledge of normal breast development is crucial, as BC is the result of disregulation of physiologic processes. The aim of this study was to investigate the impact of reproductive life stages on the transcriptional profile of the mammary gland in a primate model. Comparative transcriptomic analyses were carried out using breast tissues from 28 female cynomolgus macaques (Macaca fascicularis) at the following life stages: prepubertal (n = 5), adolescent (n = 4), adult luteal (n = 5), pregnant (n = 6), lactating (n = 3), and postmenopausal (n = 5). Mammary gland RNA was hybridized to Affymetrix GeneChip(®) Rhesus Macaque Genome Arrays. Differential gene expression was analyzed using ANOVA and cluster analysis. Hierarchical cluster analysis revealed distinct separation of life stage groups. More than 2,225 differentially expressed mRNAs were identified. Gene families or pathways that changed across life stages included those related to estrogen and androgen (ESR1, PGR, TFF1, GREB1, AR, 17HSDB2, 17HSDB7, STS, HSD11B1, AKR1C4), prolactin (PRLR, ELF5, STAT5, CSN1S1), insulin-like growth factor signaling (IGF1, IGFBP1, IGFBP5), extracellular matrix (POSTN, TGFB1, COL5A2, COL12A1, FOXC1, LAMC1, PDGFRA, TGFB2), and differentiation (CD24, CD29, CD44, CD61, ALDH1, BRCA1, FOXA1, POSTN, DICER1, LIG4, KLF4, NOTCH2, RIF1, BMPR1A, TGFB2). Pregnancy and lactation displayed distinct patterns of gene expression. ESR1 and IGF1 were significantly higher in the adolescent compared to the adult animals, whereas differentiation pathways were overrepresented in adult animals and pregnancy-associated life stages. Few individual genes were distinctly different in postmenopausal animals. Our data demonstrate characteristic patterns of gene expression during breast development. Several of the pathways activated during pubertal development have been implicated in cancer development and metastasis, supporting the idea that other developmental markers may have application as biomarkers for BC.

Gene expression in cortex and hippocampus during acute pneumococcal meningitis

BACKGROUND: Pneumococcal meningitis is associated with high mortality (approximately 30%) and morbidity. Up to 50% of survivors are affected by neurological sequelae due to a wide spectrum of brain injury mainly affecting the cortex and hippocampus. Despite this significant disease burden, the genetic program that regulates the host response leading to brain damage as a consequence of bacterial meningitis is largely unknown.We used an infant rat model of pneumococcal meningitis to assess gene expression profiles in cortex and hippocampus at 22 and 44 hours after infection and in controls at 22 h after mock-infection with saline. To analyze the biological significance of the data generated by Affymetrix DNA microarrays, a bioinformatics pipeline was used combining (i) a literature-profiling algorithm to cluster genes based on the vocabulary of abstracts indexed in MEDLINE (NCBI) and (ii) the self-organizing map (SOM), a clustering technique based on covariance in gene expression kinetics. RESULTS: Among 598 genes differentially regulated (change factor > or = 1.5; p < or = 0.05), 77% were automatically assigned to one of 11 functional groups with 94% accuracy. SOM disclosed six patterns of expression kinetics. Genes associated with growth control/neuroplasticity, signal transduction, cell death/survival, cytoskeleton, and immunity were generally upregulated. In contrast, genes related to neurotransmission and lipid metabolism were transiently downregulated on the whole. The majority of the genes associated with ionic homeostasis, neurotransmission, signal transduction and lipid metabolism were differentially regulated specifically in the hippocampus. Of the cell death/survival genes found to be continuously upregulated only in hippocampus, the majority are pro-apoptotic, while those continuously upregulated only in cortex are anti-apoptotic. CONCLUSION: Temporal and spatial analysis of gene expression in experimental pneumococcal meningitis identified potential targets for therapy.

Differential regulation of metzincins in experimental chronic renal allograft rejection: potential markers and novel therapeutic targets

Chronic renal allograft rejection is characterized by alterations in the extracellular matrix compartment and in the proliferation of various cell types. These features are controlled, in part by the metzincin superfamily of metallo-endopeptidases, including matrix metalloproteinases (MMPs), a disintegrin and metalloproteinase (ADAM) and meprin. Therefore, we investigated the regulation of metzincins in the established Fisher to Lewis rat kidney transplant model. Studies were performed using frozen homogenates and paraffin sections of rat kidneys at day 0 (healthy controls) and during periods of chronic rejection at day +60 and day +100 following transplantation. The messenger RNA (mRNA) expression was examined by Affymetrix Rat Expression Array 230A GeneChip and by real-time Taqman polymerase chain reaction analyses. Protein expression was studied by zymography, Western blot analyses, and immunohistology. mRNA levels of MMPs (MMP-2/-11/-12/-14), of their inhibitors (tissue inhibitors of metalloproteinase (TIMP)-1/-2), ADAM-17 and transforming growth factor (TGF)-beta1 significantly increased during chronic renal allograft rejection. MMP-2 activity and immunohistological staining were augmented accordingly. The most important mRNA elevation was observed in the case of MMP-12. As expected, Western blot analyses also demonstrated increased production of MMP-12, MMP-14, and TIMP-2 (in the latter two cases as individual proteins and as complexes). In contrast, mRNA levels of MMP-9/-24 and meprin alpha/beta had decreased. Accordingly, MMP-9 protein levels and meprin alpha/beta synthesis and activity were downregulated significantly. Members of metzincin families (MMP, ADAM, and meprin) and of TIMPs are differentially regulated in chronic renal allograft rejection. Thus, an altered pattern of metzincins may represent novel diagnostic markers and possibly may provide novel targets for future therapeutic interventions.

Stochastic Models Based on Molecular Hybridization Theory for Short Oligonucleotide Microarrays

High density oligonucleotide expression arrays are a widely used tool for the measurement of gene expression on a large scale. Affymetrix GeneChip arrays appear to dominate this market. These arrays use short oligonucleotides to probe for genes in an RNA sample. Due to optical noise, non-specific hybridization, probe-specific effects, and measurement error, ad-hoc measures of expression, that summarize probe intensities, can lead to imprecise and inaccurate results. Various researchers have demonstrated that expression measures based on simple statistical models can provide great improvements over the ad-hoc procedure offered by Affymetrix. Recently, physical models based on molecular hybridization theory, have been proposed as useful tools for prediction of, for example, non-specific hybridization. These physical models show great potential in terms of improving existing expression measures. In this paper we demonstrate that the system producing the measured intensities is too complex to be fully described with these relatively simple physical models and we propose empirically motivated stochastic models that compliment the above mentioned molecular hybridization theory to provide a comprehensive description of the data. We discuss how the proposed model can be used to obtain improved measures of expression useful for the data analysts.