Inverse Metabolic Engineering of Synechocystis PCC 6803 for Improved Growth Rate and Poly-3-hydroxybutyrate Production

Synechocystis PCC 6803 is a photosynthetic bacterium that has the potential to make bioproducts from carbon dioxide and light. Biochemical production from photosynthetic organisms is attractive because it replaces the typical bioprocessing steps of crop growth, milling, and fermentation, with a one-step photosynthetic process. However, low yields and slow growth rates limit the economic potential of such endeavors. Rational metabolic engineering methods are hindered by limited cellular knowledge and inadequate models of Synechocystis. Instead, inverse metabolic engineering, a scheme based on combinatorial gene searches which does not require detailed cellular models, but can exploit sequence data and existing molecular biological techniques, was used to find genes that (1) improve the production of the biopolymer poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and (2) increase the growth rate. A fluorescence activated cell sorting assay was developed to screen for high PHB producing clones. Separately, serial sub-culturing was used to select clones that improve growth rate. Novel gene knock-outs were identified that increase PHB production and others that increase the specific growth rate. These improvements make this system more attractive for industrial use and demonstrate the power of inverse metabolic engineering to identify novel phenotype-associated genes in poorly understood systems.

Synergistic inhibition of tumor growth in a murine mammary adenocarcinoma model by combinational gene therapy using IL-12, pro-IL-18, and IL-1β converting enzyme cDNA

We report here that a cancer gene therapy protocol using a combination of IL-12, pro-IL-18, and IL-1β converting enzyme (ICE) cDNA expression vectors simultaneously delivered via gene gun can significantly augment antitumor effects, evidently by generating increased levels of bioactive IL-18 and consequently IFN-γ. First, we compared the levels of IFN-γ secreted by mouse splenocytes stimulated with tumor cells transfected with various test genes, including IL-12 alone; pro-IL-18 alone; pro-IL-18 and ICE; IL-12 and pro-IL-18; and IL-12, pro-IL-18, and ICE. Among these treatments, the combination of IL-12, pro-IL-18, and ICE cDNA resulted in the highest level of IFN-γ production from splenocytes in vitro, and similar results were obtained when these same treatments were delivered to the skin of a mouse by gene gun and IFN-γ levels were measured at the skin transfection site in vivo. Furthermore, the triple gene combinatorial gene therapy protocol was the most effective among all tested groups at suppressing the growth of TS/A (murine mammary adenocarcinoma) tumors previously implanted intradermally at the skin site receiving DNA transfer by gene gun on days 6, 8, 10, and 12 after tumor implantation. Fifty percent of mice treated with the combined three-gene protocol underwent complete tumor regression. In vivo depletion experiments showed that this antitumor effect was CD8+ T cell-mediated and partially IFN-γ-dependent. These results suggest that a combinatorial gene therapy protocol using a mixture of IL-12, pro-IL-18, and ICE cDNAs can confer potent antitumor activities against established TS/A tumors via cytotoxic CD8+ T cells and IFN-γ-dependent pathways.

Gene therapy strategies for the treatment of spinal cord injury

Spinal cord injury is a complex pathology often resulting in functional impairment and paralysis. Gene therapy has emerged as a possible solution to the problems of limited neural tissue regeneration through the administration of factors promoting axonal growth, while also offering long-term local delivery of therapeutic molecules at the injury site. Of note, gene therapy is our response to the requirements of neural and glial cells following spinal cord injury, providing, in a time-dependent manner, growth substances for axonal regeneration and eliminating axonal growth inhibitors. Herein, we explore different gene therapy strategies, including targeting gene expression to modulate the presence of neurotrophic growth or survival factors and increase neural tissue plasticity. Special attention is given to describing advances in viral and non-viral gene delivery systems, as well as the available routes of gene delivery. Finally, we discuss the future of combinatorial gene therapies and give consideration to the implementation of gene therapy in humans. © 2014 Future Science Ltd.

Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

Codon-precise, synthetic, antibody fragment libraries built using automated hexamer codon additions and validated through next generation sequencing

We have previously described ProxiMAX, a technology that enables the fabrication of precise, combinatorial gene libraries via codon-by-codon saturation mutagenesis. ProxiMAX was originally performed using manual, enzymatic transfer of codons via blunt-end ligation. Here we present Colibra™: an automated, proprietary version of ProxiMAX used specifically for antibody library generation, in which double-codon hexamers are transferred during the saturation cycling process. The reduction in process complexity, resulting library quality and an unprecedented saturation of up to 24 contiguous codons are described. Utility of the method is demonstrated via fabrication of complementarity determining regions (CDR) in antibody fragment libraries and next generation sequencing (NGS) analysis of their quality and diversity.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

MicroRNAs targeting the immunomodulatory HLA-G gene: a new survey searching for microRNAs with potential to regulate HLA-G

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Searching for the ideal DNA recognition code of covalent ligands

The combitiatorial approach restriction endonuclease protection selection and amplification REPSA was successfully used to determine ideal DNA interactions sites of covalent ligands. Unlike most other combinatorial methods, REPSA is based on inhibition of enzymatic cleavage by specific ligand-DNA complexes, which enables identification of binding sites of various ligands. However, the inherent nature of this technique posses a problem during selection of binding sites of covalent ligands. By modifying the technique according to the nature of the ligand, we demonstrate the flexibility of REPSA in identifying the preferred binding sites for monocovalent ligands, topoisomerase I and tallimustine, and the bicovalent ligand topoisomerase II. From among the preferred binding sites, we identified the consensus binding sequence of camptothecin induced topoisomerase I cleavage as ‘aGWT/Gc’, and tallimustine consensus sequences as ‘GTTCTA’ and ‘TTTTTTC’. We have shown for the first time that preferential binding of tallimustine occurs at sequences not previously reported. Furthermore, our data indicate that tallimustine is a novel DNA minor groove, guanine-specific alkylating agent. ^ Additionally, we have demonstrated in vivo that sequence-specific covalent DNA-binding small molecules have the ability to regulate transcription by inhibiting RNA polymerase II. Tallimustine, binding to its preferred sequences located in the 5′ untranslated region were an effective impediment for transcribing polymerase II. The ability of covalent binding small molecules to target predetermined DNA sequences located downstream of the promoter suggests a general approach for regulation of gene expression. ^

Gene2EST: a BLAST2 server for searching expressed sequence tag (EST) databases with eukaryotic gene-sized queries

Expressed sequence tags (ESTs) are randomly sequenced cDNA clones. Currently, nearly 3 million human and 2 million mouse ESTs provide valuable resources that enable researchers to investigate the products of gene expression. The EST databases have proven to be useful tools for detecting homologous genes, for exon mapping, revealing differential splicing, etc. With the increasing availability of large amounts of poorly characterised eukaryotic (notably human) genomic sequence, ESTs have now become a vital tool for gene identification, sometimes yielding the only unambiguous evidence for the existence of a gene expression product. However, BLAST-based Web servers available to the general user have not kept pace with these developments and do not provide appropriate tools for querying EST databases with large highly spliced genes, often spanning 50 000–100 000 bases or more. Here we describe Gene2EST (http://woody.embl-heidelberg.de/gene2est/), a server that brings together a set of tools enabling efficient retrieval of ESTs matching large DNA queries and their subsequent analysis. RepeatMasker is used to mask dispersed repetitive sequences (such as Alu elements) in the query, BLAST2 for searching EST databases and Artemis for graphical display of the findings. Gene2EST combines these components into a Web resource targeted at the researcher who wishes to study one or a few genes to a high level of detail.

Combinatorial association and abundance of components of interferon-stimulated gene factor 3 dictate the selectivity of interferon responses.

Genes containing the interferon-stimulated response element (ISRE) enhancer have been characterized as transcriptionally responsive primarily to type I interferons (IFN alpha/beta). Induction is due to activation of a multimeric transcription factor, interferon-stimulated gene factor 3 (ISGF3), which is activated by IFN alpha/beta but not by IFN gamma. We found that ISRE-containing genes were induced by IFN gamma as well as by IFN alpha in Vero cells. The IFN gamma response was dependent on the ISRE and was accentuated by preexposure of cells to IFN alpha, a treatment that increases the abundance of ISGF3 components. Overexpression of ISGF3 polypeptides showed that the IFN gamma response depended on the DNA-binding protein ISGF3 gamma (p48) as well as on the 91-kDa protein STAT91 (Stat1 alpha). The transcriptional response to IFN alpha required the 113-kDa protein STAT113 (Stat2) in addition to STAT91 and p48. Mutant fibrosarcoma cells deficient in each component of ISGF3 were used to confirm that IFN gamma induction of an ISRE reporter required p48 and STAT91, but not STAT113. A complex containing p48 and phosphorylated STAT91 but lacking STAT113 bound the ISRE in vitro. IFN gamma-induced activation of this complex, preferentially formed at high concentrations of p48 and STAT91, may explain some of the overlapping responses to IFN alpha and IFN gamma.

Searching for molecular markers in head and neck squamous cell carcinomas (HNSCC) by statistical and bioinformatic analysis of larynx-derived SAGE libraries

Background: Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is one of the most common malignancies in humans. The average 5-year survival rate is one of the lowest among aggressive cancers, showing no significant improvement in recent years. When detected early, HNSCC has a good prognosis, but most patients present metastatic disease at the time of diagnosis, which significantly reduces survival rate. Despite extensive research, no molecular markers are currently available for diagnostic or prognostic purposes. Methods: Aiming to identify differentially-expressed genes involved in laryngeal squamous cell carcinoma (LSCC) development and progression, we generated individual Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) libraries from a metastatic and non-metastatic larynx carcinoma, as well as from a normal larynx mucosa sample. Approximately 54,000 unique tags were sequenced in three libraries. Results: Statistical data analysis identified a subset of 1,216 differentially expressed tags between tumor and normal libraries, and 894 differentially expressed tags between metastatic and non-metastatic carcinomas. Three genes displaying differential regulation, one down-regulated (KRT31) and two up-regulated (BST2, MFAP2), as well as one with a non-significant differential expression pattern (GNA15) in our SAGE data were selected for real-time polymerase chain reaction (PCR) in a set of HNSCC samples. Consistent with our statistical analysis, quantitative PCR confirmed the upregulation of BST2 and MFAP2 and the downregulation of KRT31 when samples of HNSCC were compared to tumor-free surgical margins. As expected, GNA15 presented a non-significant differential expression pattern when tumor samples were compared to normal tissues. Conclusion: To the best of our knowledge, this is the first study reporting SAGE data in head and neck squamous cell tumors. Statistical analysis was effective in identifying differentially expressed genes reportedly involved in cancer development. The differential expression of a subset of genes was confirmed in additional larynx carcinoma samples and in carcinomas from a distinct head and neck subsite. This result suggests the existence of potential common biomarkers for prognosis and targeted-therapy development in this heterogeneous type of tumor.

Searching for Moniliophthora perniciosa pathogenicity genes

The basidiomycete Moniliophthora perniciosa is the causal agent of witches` broom disease of Theobroma cacao (cacao). Pathogenesis mechanisms of this hemibiotrophic fungus are largely unknown. An approach to identify putative pathogenicity genes is searching for sequences induced in mycelia grown under in vitro conditions. Using this approach, genes from M. perniciosa induced under limiting nitrogen and light were identified from a cDNA library enriched by suppression subtractive hybridization as potential putative pathogenicity genes. From the 159 identified unique sequences, 59 were annotated and classified by gene ontology. Two sequences were categorized as ""Defence genes, Virulence, and Cell response"" presumably coding for allergenic proteins, whose homologues from other fungi are inducers of animal or plant defences. Differential gene expression was evaluated by quantitative amplification of reversed transcripts (RT-qPCR) of the putative identified genes coding for the two allergenic proteins (Aspf13 and 88KD), and for the enzymes Arylsulfatase (AS); Aryl-Alcohol Oxidase; Aldo-Keto Reductase (AK); Cytochrome P450 (P450); Phenylalanine Ammonia-Lyase; and Peroxidase from mycelia grown under contrasting N concentrations. All genes were validated for differential expression, except for the putative Peroxidase. The same eight genes were analysed for expression in susceptible plants inoculated with M. perniciosa, and six were induced during the early asymptomatic stage of the disease. In infected host tissues, transcripts of 88KD and AS were found more abundant at the biotrophic phase, while those from Aspf13, AK, PAL, and P450 accumulated at the necrotrophic phase, enabling to suggest that mycelia transition from biotrophic to necrotrophic might occur earlier than currently considered. These sequences appeared to be virulence life-style genes, which encode factors or enzymes that enable invasion, colonization or intracellular survival, or manipulate host factors to benefit the pathogen`s own survival in the hostile environment. (C) 2010 The British Mycological Society. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Optical encoding of microbeads for gene screening: alternatives to microarrays

Rapid access to genetic information is central to the revolution presently occurring in the pharmaceutical industry, particularly In relation to novel drug target identification and drug development. Genetic variation, gene expression, gene function and gene structure are just some of the important research areas requiring efficient methods of DNA screening. Here, we highlight state-of-the-art techniques and devices for gene screening that promise cheaper and higher-throughput yields than currently achieved with DNA microarrays. We include an overview of existing and proposed bead-based strategies designed to dramatically increase the number of probes that can be interrogated in one assay. We focus, in particular, on the issue of encoding and/or decoding (bar-coding) large bead-based libraries for HTS.