Detecting separate time scales in genetic expression data.

BACKGROUND: Biological processes occur on a vast range of time scales, and many of them occur concurrently. As a result, system-wide measurements of gene expression have the potential to capture many of these processes simultaneously. The challenge however, is to separate these processes and time scales in the data. In many cases the number of processes and their time scales is unknown. This issue is particularly relevant to developmental biologists, who are interested in processes such as growth, segmentation and differentiation, which can all take place simultaneously, but on different time scales. RESULTS: We introduce a flexible and statistically rigorous method for detecting different time scales in time-series gene expression data, by identifying expression patterns that are temporally shifted between replicate datasets. We apply our approach to a Saccharomyces cerevisiae cell-cycle dataset and an Arabidopsis thaliana root developmental dataset. In both datasets our method successfully detects processes operating on several different time scales. Furthermore we show that many of these time scales can be associated with particular biological functions. CONCLUSIONS: The spatiotemporal modules identified by our method suggest the presence of multiple biological processes, acting at distinct time scales in both the Arabidopsis root and yeast. Using similar large-scale expression datasets, the identification of biological processes acting at multiple time scales in many organisms is now possible.

Clinical Outcomes and Genetic Expression Profile in Human Liver Graft Dysfunction During Ischemia/Reperfusion Injury

Introduction. This study aims to compare the molecular gene expression during ischemia reperfusion injury. Several surgical times were considered: in the beginning of the harvesting (T0), at the end of the cold ischemia period (T1), and after reperfusion (T2) and compared with graft dysfunction after liver transplant (OLT). Methods. We studied 54 patients undergoing OLT. Clinical, laboratory data, and histologic data (Suzuki classification) as well as the Survival Outcomes Following Liver Transplantation (SOFT) score were used and compared with the molecular gene expression of the following genes: Interleukin (IL)-1b, IL-6, tumor necrosis factor-a, perforin, E-selectin (SELE), Fas-ligand, granzyme B, heme oxygenase-1, and nitric oxide synthetase. Results. Fifteen patients presented with graft dysfunction according to SOFT criteria. No relevant data were obtained by comparing the variables graft dysfunction and histologic variables. We observed a statistically significant relation between SELE at T0 (P ¼ .013) and IL-1b at T0 (P ¼ .028) and early graft dysfunction. Conclusions. We conclude that several genetically determined proinflammatory expressions may play a critical role in the development of graft dysfunction after OLT.

Genetic expression of an amyloid peptide fragment and analysis of formylated products

The model amyloid peptide AAKLVFF was expressed as a His-tagged fusion protein with the immunoglobulin-binding domain B1 of streptococcal protein G (GB1), a small (56 residues), stable, single-domain protein. It is shown that expression of this model amyloid peptide is possible and is not hindered by aggregation. Formylation side reactions during the CNBr cleavage are investigated via synthesis of selectively formylated peptides.

Variation of genetic expression during development, revealed by esterase patterns in Aedes aegypti (Diptera, Culicidae)

Polyacrylamide gel electrophoresis was used to analyze esterase patterns during development of Aedes aegypti from the cities of Marília and São José do Rio Preto (SJRP), Brazil. The zymograms showed a total of 23 esterase bands, 22 of which were in the specimens from Marília and 19 in those from SJRP. These esterase bands were considered to be the product of 23 alleles distributed tentatively in eight genetic loci. Most of the alleles were developmentally regulated. The larval stage expressed the greatest number of them (19 alleles, from the eight loci, in Marília; and 17 alleles, from seven loci, in SJRP). The pupal stage expressed 10 alleles from seven loci, in both populations, and the adult stage expressed 8 alleles from five and six loci in SJRP and Marília, respectively. Some alleles that were active in every stage were developmentally controlled at the level of expression (amount of product). A single allele was constitutively and highly expressed, in larvae, pupae, and adults, in both populations. Differences in esterase synthesis among stages are probably due to regulatory mechanisms acting in agreement with the requirements of a variable number of processes in which esterases are involved. The larval stage is the most active in developmental processes and shows very intense intake of food and very high mobility. These features may demand increased esterase production at that stage. Comparison of the two populations examined showed (besides the existence of alleles that they do not share) that they exhibit differences in the control of expression of other alleles. Such findings may reflect genetic differences between founders in each population, but the possibility of involvement of the intensive use of insecticides in SJRP is also discussed.

Genetic Sharing with Cardiovascular Disease Risk Factors and Diabetes Reveals Novel Bone Mineral Density Loci

Bone Mineral Density (BMD) is a highly heritable trait, but genome-wide association studies have identified few genetic risk factors. Epidemiological studies suggest associations between BMD and several traits and diseases, but the nature of the suggestive comorbidity is still unknown. We used a novel genetic pleiotropy-informed conditional False Discovery Rate (FDR) method to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with BMD by leveraging cardiovascular disease (CVD) associated disorders and metabolic traits. By conditioning on SNPs associated with the CVD-related phenotypes, type 1 diabetes, type 2 diabetes, systolic blood pressure, diastolic blood pressure, high density lipoprotein, low density lipoprotein, triglycerides and waist hip ratio, we identified 65 novel independent BMD loci (26 with femoral neck BMD and 47 with lumbar spine BMD) at conditional FDR < 0.01. Many of the loci were confirmed in genetic expression studies. Genes validated at the mRNA levels were characteristic for the osteoblast/osteocyte lineage, Wnt signaling pathway and bone metabolism. The results provide new insight into genetic mechanisms of variability in BMD, and a better understanding of the genetic underpinnings of clinical comorbidity.

Juvenile hormone promotes changes in the expression of hypopharyngeal gland proteins of worker Apis mellifera (Hymenoptera: Apidae)

The present investigation compares the protein electrophoreses profiles of the hypopharyngeal glands of 12 and 25 day old Apis mellifera workers, some of which were experimentally treated with an analogue of juvenile hormone in the moment of the emergence while others were not treated. According to the evaluation of the presented variations by four main bands, it is concluded that the analogue juvenile hormone changes the glandular genetic expression pattern, promoting the disappearance of two from the four main bands in 25 day old workers. The effect of this hormone is discussed as an hypopharyngeal maturation inductor, in synergetic action with the bee age acting early in the glandular cycle.

Expression of high amounts of the CD117 molecule in a case of B-cell non-Hodgkin's lymphoma carrying the t(14:18) translocation.

The c-kit proto-oncogen (CD117) has been described to be present in normal and neoplastic hemopoietic cells including both myeloid and lymphoid lineages. Among the normal lymphoid cells CD117 expression would be restricted to a small subset of NK-cells, and to early T-cell precursors and it is not expressed by normal B-cells. Regarding chronic lymphoproliferative disorders the only data provided up to now suggests that CD117 expression is restricted to cases of Hodgkin's disease and anaplastic large-cell lymphoma. In the present paper we describe a case of a B-cell chronic lymphoproliferative disorder carrying the t(14:18) translocation as demonstrated by molecular studies, in which the flow cytometric immunophenotypic analysis of both peripheral blood and bone marrow samples revealed the expression of high amounts of the CD117 antigen in the surface of the clonal B-cell population. Further studies are necessary to explore both the functional role of c-kit expression in the neoplastic B-cells from this patient and its potential utility for the diagnosis and follow-up of patients with B-cell non-Hodgkin's lymphoma.

Neuropsychiatric disease (NPD) clustering in families with Autism Spectrum Disorder (ASD): genetic, epigenetic and environmental issues

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder characterized by deficits in social communication/interaction and by unusual repetitive and restricted behaviors and interests. ASD often co-occurs in the same families with other neuropsychiatric diseases (NPD), such as intellectual disability, schizophrenia, epilepsy, depression and attention deficit hyperactivity disorder. Genetic factors have an important role in ASD etiology. Multiple copy number variants (CNVs) and single nucleotide variants (SNVs) in candidate genes have been associated with an increased risk to develop ASD. Nevertheless, recent heritability estimates and the high genotypic and phenotypic heterogeneity characteristic of ASD indicate a role of environmental and epigenetic factors, such as long noncoding RNA (lncRNA) and microRNA (miRNA), as modulators of genetic expression and further clinical presentation. Both miRNA and lncRNA are functional RNA molecules that are transcribed from DNA but not translated into proteins, instead they act as powerful regulators of gene expression. While miRNA are small noncoding RNAs with 22-25 nucleotides in length that act at the post-transcriptional level of gene expression, the lncRNA are bigger molecules (>200 nucleotides in length) that are capped, spliced, and polyadenylated, similar to messenger RNA. Although few lncRNA were well characterized until date, there is a great evidence that they are implicated in several levels of gene expression (transcription/post-transcription/post-translation, organization of protein complexes, cell– cell signaling as well as recombination) as shown in figure 1.

A model to explain specific cellular communications and cellular harmony: - a hypothesis of coupled cells and interactive coupling molecules

Background The various cell types and their relative numbers in multicellular organisms are controlled by growth factors and related extracellular molecules which affect genetic expression pathways. However, these substances may have both/either inhibitory and/or stimulatory effects on cell division and cell differentiation depending on the cellular environment. It is not known how cells respond to these substances in such an ambiguous way. Many cellular effects have been investigated and reported using cell culture from cancer cell lines in an effort to define normal cellular behaviour using these abnormal cells. A model is offered to explain the harmony of cellular life in multicellular organisms involving interacting extracellular substances. Methods A basic model was proposed based on asymmetric cell division and evidence to support the hypothetical model was accumulated from the literature. In particular, relevant evidence was selected for the Insulin-Like Growth Factor system from the published data, especially from certain cell lines, to support the model. The evidence has been selective in an attempt to provide a picture of normal cellular responses, derived from the cell lines. Results The formation of a pair of coupled cells by asymmetric cell division is an integral part of the model as is the interaction of couplet molecules derived from these cells. Each couplet cell will have a receptor to measure the amount of the couplet molecule produced by the other cell; each cell will be receptor-positive or receptor-negative for the respective receptors. The couplet molecules will form a binary complex whose level is also measured by the cell. The hypothesis is heavily supported by selective collection of circumstantial evidence and by some direct evidence. The basic model can be expanded to other cellular interactions. Conclusions These couplet cells and interacting couplet molecules can be viewed as a mechanism that provides a controlled and balanced division-of-labour between the two progeny cells, and, in turn, their progeny. The presence or absence of a particular receptor for a couplet molecule will define a cell type and the presence or absence of many such receptors will define the cell types of the progeny within cell lineages.

利用02428h中隐性高杆基因消除不育系包颈现象的可行性研究

梗稻广亲和种质02428h中倒一节间伸长的性状由一对隐性基因(h基因)所控制，本实验证明了将h基因导入保持系与雄性不育系中均能得到遗传表达，促进倒一节的伸长。h基因与可育胞质及野败不育胞质作用后分别使穗伸出度达15cm,1.2cm，而相应珍汕97B及珍汕97A穗伸出度仅分别为1.7cm，-9.8cm。即h基因使穗伸出度分别提高8.8倍及1.2倍。因此，利用h基因有可能充分消除雄性不育系的包颈现象。The character of greatly elongated uppermost internode of wide compatible japonica rice 02428h iscontrolled by a recessive gene(b gene). The study shows that h gene could get genetic expression in maintaince andmale-sterile line(MS-line) and make the uppermost internode elonged. H gene interacts with the fertile and wild abortive male sterile cytoplasm make panicie neck exsert to 15cm and 1.2cm, while panicle neck exsertions of parents zhenshan 97B and A were 1.7cm and -9.8cm. So, h gene makes panicle necks exsert 8.8 and 1.2 times repectively. Its is possible to introduce h gene into male-sterile line so as to eliminate panicle endosure.

Mécanismes traductionnels impliqués dans la potentialisation à long-terme de la transmission synaptique des cellules pyramidales de l’hippocampe chez le rongeur.

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes dont on ne comprend pas encore bien l’origine au niveau cellulaire et moléculaire. Cependant, il est largement admis que des changements plus simples au niveau synaptique, tels que la potentialisation à long-terme (long-term potentiation ou LTP) pourraient constituer la base cellulaire de la formation des nouveaux souvenirs. Ces mécanismes sont couramment étudiés au niveau de l’hippocampe, une région du lobe temporal reconnue comme étant nécessaire à la formation de la mémoire explicite chez les mammifères. La LTP est classiquement définie comme un renforcement durable de l’efficacité de connexions synaptiques ayant été stimulées de façon répétée et soutenue. De plus, on peut distinguer deux formes de LTP: une LTP précoce, qui repose sur la modification de protéines déjà formées, et une LTP tardive, qui requiert, elle, la synthèse de nouvelles protéines. Cependant, bien que de nombreuses études se soient intéressées au rôle de la traduction pour la maintenance de la LTP, les mécanismes couplant l’activité synaptique à la machinerie de synthèse protéique, de même que l’identité des protéines requises sont encore peu connus. Dans cette optique, cette thèse de doctorat s’est intéressée aux interactions entre l’activité synaptique et la régulation de la traduction. Il est par ailleurs reconnu que la régulation de la traduction des ARNm eukaryotiques se fait principalement au niveau de l’initiation. Nous avons donc étudié la modulation de deux voies majeures pour la régulation de la traduction au cours de la LTP : la voie GCN2/eIF2α et la voie mTOR. Ainsi, nos travaux ont tout d’abord démontré que la régulation de la voie GCN2/eIF2α et de la formation du complexe ternaire sont nécessaires à la maintenance de la plasticité synaptique et de la mémoire à long-terme. En effet, l’activité synaptique régule la phosphorylation de GCN2 et d’eIF2α, ce qui permet de moduler les niveaux du facteur de transcription ATF4. Celui-ci régule à son tour la transcription CREB-dépendante et permet ainsi de contrôler les niveaux d’expression génique et la synthèse de protéines nécessaires pour la stabilisation à long-terme des modifications synaptiques. De plus, la régulation de la voie mTOR et de la traduction spécifique des ARNm 5’TOP semble également jouer un rôle important pour la plasticité synaptique à long-terme. La modulation de cette cascade par l’activité synaptique augmente en effet spécifiquement la capacité de traduction des synapses activées, ce qui leur permet de traduire et d’incorporer les protéines nécessaires au renforcement durable des synapses. De telles recherches permettront sans doute de mieux comprendre la régulation des mécanismes traductionnels par l’activité synaptique, ainsi que leur importance pour la maintenance de la potentialisation à long-terme et de la mémoire à long-terme.

Structure d'une tagatose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : étude d'une apparente perte de stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Les voies de signalisation utérines à l'émergence de la diapause embryonnaire chez le vison américain

La diapause embryonnaire se manifeste par un arrêt réversible du développement embryonnaire durant la période de préimplantation et induit un retard de l’implantation. Chez le vison américain, une diapause embryonnaire obligatoire caractérise chaque gestation. Si les mécanismes de contrôle de la diapause embryonnaire obligatoire chez cette espèce sont bien connus, le rôle utérin impliqué dans la réactivation de l’embryon demeure, quant à lui, encore inconnu. Le sujet de ce doctorat a consisté dans un premier temps à explorer l’environnement utérin à la sortie de la diapause embryonnaire afin de caractériser, dans un deuxième temps, les principaux acteurs utérins qui provoquent la réactivation de l’embryon. Nous avons effectué une analyse du transcriptome utérin à l’émergence de la diapause embryonnaire ce qui a permis de construire une librairie de 123 séquences d’ADNc utérines différentiellement exprimées à la réactivation de l’embryon et homologues à des séquences de gènes connues chez d’autres espèces. Ces gènes sont impliqués dans la régulation du métabolisme (25 %), de l’expression génique (21 %), de la transduction de signal (15 %), du cycle cellulaire (15 %), du transport (10 %) et de la structure cellulaire (9 %), reflétant ainsi d’importantes modifications utérines à la réactivation embryonnaire. Nous avons validé l’expression différentielle de dix gènes ainsi identifiés : GDF3 (growth and differentiation 3), ALCAM (activated leukocyte cell adhesion molecule), ADIPOR1 (adiponectin receptor 1), HMGN1 (high mobility group N1), TXNL1 (thioredoxin like 1), TGM2 (tissue transglutaminase 2), SPARC (secreted protein acidic rich in cystein), et trois gènes codant pour AZIN1 (antizyme inhibitor 1), ODC1 (ornithine decarboxylase 1) et SAT1 (spermidine/spermine N1-acetyltransferase), des enzymes impliquées dans la biosynthèse des polyamines. Le patron de l’expression spatio-temporel de SPARC et d’HMGN1 illustrent spécifiquement un remodelage tissulaire et de la chromatine au niveau utérin à la sortie de la diapause embryonnaire. Ayant mesuré une augmentation des concentrations utérines en polyamines à la reprise du développement embryonnaire, nous avons émis l’hypothèse que les polyamines seraient impliquées dans les événements menant à la sortie de la diapause. L’inhibition de la biosynthèse des polyamines par un traitement à l’ α-difluoromethylornithine (DFMO) a provoqué une diminution significative de la proliferation cellulaire dans les embryons à la réactivation, un retard du moment de l’implantation, mais n’a pas affecté le succès de la reproduction. De manière similaire, nous avons induit un état de dormance dans les cellules de trophoblaste de vison en présence DFMO dans le milieu de culture, et constaté que cet état était réversible. En conclusion, cette étude a non seulement ouvert de nouveaux horizons quant à la compréhension du rôle utérin dans les événements menant à la sortie de la diapause embryonnaire, mais a démontré pour la première fois, l’existence de facteurs utérins indispensables à la réactivation de l’embryon: les polyamines.

Impacts des réarrangements génomiques chloroplastiques sur l'apparition des phénotypes de variégation chez Arabidopsis thaliana

Contrairement à la plupart des eucaryotes non-photosynthétiques, les végétaux doivent assurer la stabilité d’un génome additionnel contenu dans le plastide, un organite d’origine endosymbiotique. Malgré la taille modeste de ce génome et le faible nombre de gènes qu’il encode, celui-ci est absolument essentiel au processus de photosynthèse. Pourtant, même si ce génome est d’une importance cruciale pour le développement de la plante, les principales menaces à son intégrité, ainsi que les conséquences d’une déstabilisation généralisée de sa séquence d’ADN, demeurent largement inconnues. Dans l’objectif d’élucider les conséquences de l’instabilité génomique chloroplastique, nous avons utilisé le mutant why1why3polIb d’Arabidopsis thaliana, qui présente d’importants niveaux de réarrangements génomiques chloroplastiques, ainsi que la ciprofloxacine, un composé induisant des brisures double-brins dans l’ADN des organites. Ceci nous a permis d’établir qu’une quantité importante de réarrangements génomiques provoque une déstabilisation de la chaîne de transport des électrons photosynthétique et un grave stress oxydatif associé au processus de photosynthèse. Étonnamment, chez why1why3polIb, ces hautes concentrations d’espèces oxygénées réactives ne mènent ni à la perte de fonction des chloroplastes affectés, ni à la mort cellulaire des tissus. Bien au contraire, ce déséquilibre rédox semble être à l’origine d’une reprogrammation génique nucléaire permettant de faire face à ce stress photosynthétique et conférant une tolérance aux stress oxydatifs subséquents. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des données de séquençage de nouvelle génération, nous montrons également qu’un type particulier d’instabilité génomique, demeuré peu caractérisé jusqu’à maintenant, constitue une des principales menaces au maintien de l’intégrité génomique des organites, et ce, tant chez Arabidopsis que chez l’humain. Ce type d’instabilité génomique est dénommé réarrangement de type U-turn et est vraisemblablement associé au processus de réplication. Par une approche génétique, nous démontrons que les protéines chloroplastiques WHY1, WHY3 et RECA1 empêchent la formation de ce type d’instabilité génomique, probablement en favorisant la stabilisation et le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Une forte accumulation de réarrangements de type U-turn semble d’ailleurs être à l’origine d’un sévère trouble développemental chez le mutant why1why3reca1. Ceci soulève de nombreuses questions quant à l’implication de ce type d’instabilité génomique dans de nombreux troubles et pathologies possédant une composante mitochondriale.

The transcriptome of Populus in elevated CO2

The consequences of increasing atmospheric carbon dioxide for long-term adaptation of forest ecosystems remain uncertain, with virtually no studies undertaken at the genetic level. A global analysis using cDNA microarrays was conducted following 6 yr exposure of Populus × euramericana (clone I-214) to elevated [CO2] in a FACE (free-air CO2 enrichment) experiment.• Gene expression was sensitive to elevated [CO2] but the response depended on the developmental age of the leaves, and < 50 transcripts differed significantly between different CO2 environments. For young leaves most differentially expressed genes were upregulated in elevated [CO2], while in semimature leaves most were downregulated in elevated [CO2].• For transcripts related only to the small subunit of Rubisco, upregulation in LPI 3 and downregulation in LPI 6 leaves in elevated CO2 was confirmed by anova. Similar patterns of gene expression for young leaves were also confirmed independently across year 3 and year 6 microarray data, and using real-time RT–PCR.• This study provides the first clues to the long-term genetic expression changes that may occur during long-term plant response to elevated CO2.