Data management and analysis represent a major challenge for microarray studies. In this study, Affymetrix software was used to analyze an HIV-infection data. The microarray analysis shows remarkably different results when using different parameters provided by the software. This highlights the fact that a standardized analysis tool, incorporating biological information about the genes is needed in order to better interpret the microarray study. To address the data management problem, in-house programs, including scripts and a database, were designed. The in-house programs were also used to overcome problems and inconveniences discovered during the data analysis, including management of the gene lists. The database provides rapid connection to many online public databases, as well as the integration of the original microarray data, relevant publications and other useful information. The in-house programs allow investigators to process and analyze the full Affymetrix microarray data in a speedy manner.

>Magister Scientiae - MSc / INTRODUCTION: Breast cancer is a highly heterogeneous disease. The complexity of achieving an accurate diagnosis and an effective treatment regimen lies within this heterogeneity. Subtypes of the disease are not simply molecular, i.e. hormone receptor over-expression or absence, but the tumour itself is heterogeneous in terms of tissue of origin, metastases, and histopathological variability. Accurate tumour classification vastly improves treatment decisions, patient outcomes and 5-year survival rates. Gene expression studies aided by transcriptomic technologies such as microarrays and next-generation sequencing (e.g. RNA-Sequencing) have aided oncology researcher and clinician understanding of the complex molecular portraits of malignant breast tumours. Mechanisms governing cancers, which include tumorigenesis, gene fusions, gene over-expression and suppression, cellular process and pathway involvementinvolvement, have been elucidated through comprehensive analyses of the cancer transcriptome. Over the past 20 years, gene expression signatures, discovered with both microarray and RNA-Seq have reached clinical and commercial application through the development of tests such as Mammaprint®, OncotypeDX®, and FoundationOne® CDx, all which focus on chemotherapy sensitivity, prediction of cancer recurrence, and tumour mutational level. The Gene Expression Barcode (GExB) algorithm was developed to allow for easy interpretation and integration of microarray data through data normalization with frozen RMA (fRMA) preprocessing and conversion of relative gene expression to a sequence of 1's and 0's. Unfortunately, the algorithm has not yet been developed for RNA-Seq data. However, implementation of the GExB with feature-selection would contribute to a machine-learning based robust breast cancer and subtype classifier. METHODOLOGY: For microarray data, we applied the GExB algorithm to generate barcodes for normal breast and breast tumour samples. A two-class classifier for malignancy was developed through feature-selection on barcoded samples by selecting for genes with 85% stable absence or presence within a tissue type, and differentially stable between tissues. A multi-class feature-selection method was employed to identify genes with variable expression in one subtype, but 80% stable absence or presence in all other subtypes, i.e. 80% in n-1 subtypes. For RNA-Seq data, a barcoding method needed to be developed which could mimic the GExB algorithm for microarray data. A z-score-to-barcode method was implemented and differential gene expression analysis with selection of the top 100 genes as informative features for classification purposes. The accuracy and discriminatory capability of both microarray-based gene signatures and the RNA-Seq-based gene signatures was assessed through unsupervised and supervised machine-learning algorithms, i.e., K-means and Hierarchical clustering, as well as binary and multi-class Support Vector Machine (SVM) implementations. RESULTS: The GExB-FS method for microarray data yielded an 85-probe and 346-probe informative set for two-class and multi-class classifiers, respectively. The two-class classifier predicted samples as either normal or malignant with 100% accuracy and the multi-class classifier predicted molecular subtype with 96.5% accuracy with SVM. Combining RNA-Seq DE analysis for feature-selection with the z-score-to-barcode method, resulted in a two-class classifier for malignancy, and a multi-class classifier for normal-from-healthy, normal-adjacent-tumour (from cancer patients), and breast tumour samples with 100% accuracy. Most notably, a normal-adjacent-tumour gene expression signature emerged, which differentiated it from normal breast tissues in healthy individuals. CONCLUSION: A potentially novel method for microarray and RNA-Seq data transformation, feature selection and classifier development was established. The universal application of the microarray signatures and validity of the z-score-to-barcode method was proven with 95% accurate classification of RNA-Seq barcoded samples with a microarray discovered gene expression signature. The results from this comprehensive study into the discovery of robust gene expression signatures holds immense potential for further R&F towards implementation at the clinical endpoint, and translation to simpler and cost-effective laboratory methods such as qtPCR-based tests.

Recent progresses and developments in molecular biology provide a wealth of new but insufficiently characterised data. This fund comprises amongst others biological data of genomic DNA, protein sequences, 3-dimensional protein structures as well as profiles of gene expression. In the present work, this information is used to develop new methods for the characterisation and classification of organisms and whole groups of organisms as well as to enhance the automated gain and transfer of information. The first two presented approaches (chapters 4 und 5) focus on the medically and scientifically important enterobacteria. Its impact in medicine and molecular biology is founded in versatile mechanisms of infection, their fundamental function as a commensal inhabitant of the intestinal tract and their use as model organisms as they are easy to cultivate. Despite many studies on single pathogroups with clinical distinguishable pathologies, the genotypic factors that contribute to their diversity are still partially unknown. The comprehensive genome comparison described in Chapter 4 was conducted with numerous enterobacterial strains, which cover nearly the whole range of clinically relevant diversity. The genome comparison constitutes the basis of a characterisation of the enterobacterial gene pool, of a reconstruction of evolutionary processes and of comprehensive analysis of specific protein families in enterobacterial subgroups. Correspondence analysis, which is applied for the first time in this context, yields qualitative statements to bacterial subgroups and the respective, exclusively present protein families. Specific protein families were identified for the three major subgroups of enterobacteria namely the genera Yersinia and Salmonella as well as to the group of Shigella and E. coli by applying statistical tests. In conclusion, the genome comparison-based methods provide new starting points to infer specific genotypic traits of bacterial groups from the transfer of functional annotation. Due to the high medical importance of enterobacterial isolates their classification according to pathogenicity has been in focus of many studies. The microarray technology offers a fast, reproducible and standardisable means of bacterial typing and has been proved in bacterial diagnostics, risk assessment and surveillance. The design of the diagnostic microarray of enterobacteria described in chapter 5 is based on the availability of numerous enterobacterial genome sequences. A novel probe selection strategy based on the highly efficient algorithm of string search, which considers both coding and non-coding regions of genomic DNA, enhances pathogroup detection. This principle reduces the risk of incorrect typing due to restrictions to virulence-associated capture probes. Additional capture probes extend the spectrum of applications of the microarray to simultaneous diagnostic or surveillance of antimicrobial resistance. Comprehensive test hybridisations largely confirm the reliability of the selected capture probes and its ability to robustly classify enterobacterial strains according to pathogenicity. Moreover, the tests constitute the basis of the training of a regression model for the classification of pathogroups and hybridised amounts of DNA. The regression model features a continuous learning capacity leading to an enhancement of the prediction accuracy in the process of its application. A fraction of the capture probes represents intergenic DNA and hence confirms the relevance of the underlying strategy. Interestingly, a large part of the capture probes represents poorly annotated genes suggesting the existence of yet unconsidered factors with importance to the formation of respective virulence phenotypes. Another major field of microarray applications is gene expression analysis. The size of gene expression databases rapidly increased in recent years. Although they provide a wealth of expression data, it remains challenging to integrate results from different studies. In chapter 6 the methodology of an unsupervised meta-analysis of genome-wide A. thaliana gene expression data sets is presented, which yields novel insights in function and regulation of genes. The application of kernel-based principal component analysis in combination with hierarchical clustering identified three major groups of contrasts each sharing overlapping expression profiles. Genes associated with two groups are known to play important roles in Indol-3 acetic acid (IAA) mediated plant growth and development as well as in pathogen defence. Yet uncharacterised serine-threonine kinases could be assigned to novel functions in pathogen defence by meta-analysis. In general, hidden interrelation between genes regulated under different conditions could be unravelled by the described approach. HMMs are applied to the functional characterisation of proteins or the detection of genes in genome sequences. Although HMMs are technically mature and widely applied in computational biology, I demonstrate the methodical optimisation with respect to the modelling accuracy on biological data with various distributions of sequence lengths. The subunits of these models, the states, are associated with a certain holding time being the link to length distributions of represented sequences. An adaptation of simple HMM topologies to bell-shaped length distributions described in chapter 7 was achieved by serial chain-linking of single states, while residing in the class of conventional HMMs. The impact of an optimisation of HMM topologies was underlined by performance evaluations with differently adjusted HMM topologies. In summary, a general methodology was introduced to improve the modelling behaviour of HMMs by topological optimisation with maximum likelihood and a fast and easily implementable moment estimator. Chapter 8 describes the application of HMMs to the prediction of interaction sites in protein domains. As previously demonstrated, these sites are not trivial to predict because of varying degree in conservation of their location and type within the domain family. The prediction of interaction sites in protein domains is achieved by a newly defined HMM topology, which incorporates both sequence and structure information. Posterior decoding is applied to the prediction of interaction sites providing additional information of the probability of an interaction for all sequence positions. The implementation of interaction profile HMMs (ipHMMs) is based on the well established profile HMMs and inherits its known efficiency and sensitivity. The large-scale prediction of interaction sites by ipHMMs explained protein dysfunctions caused by mutations that are associated to inheritable diseases like different types of cancer or muscular dystrophy. As already demonstrated by profile HMMs, the ipHMMs are suitable for large-scale applications. Overall, the HMM-based method enhances the prediction quality of interaction sites and improves the understanding of the molecular background of inheritable diseases. With respect to current and future requirements I provide large-scale solutions for the characterisation of biological data in this work. All described methods feature a highly portable character, which allows for the transfer to related topics or organisms, respectively. Special emphasis was put on the knowledge transfer facilitated by a steadily increasing wealth of biological information. The applied and developed statistical methods largely provide learning capacities and hence benefit from the gain of knowledge resulting in increased prediction accuracies and reliability. / Die aktuellen Fortschritte und Entwicklungen in der Molekularbiologie stellen eine Fülle neuer, bisher kaum analysierter Daten bereit. Dieser Fundus umfasst unter Anderem biologische Daten zu genomischer DNA, zu Proteinsequenzen, zu dreidimensionalen Proteinstrukturen sowie zu Genexpressionsprofilen. In der vorliegenden Arbeit werden diese Informationen genutzt, um neue Methoden der Charakterisierung und Klassifizierung von Organismen bzw. Organismengruppen zu entwickeln und einen automatisierten Informationsgewinn sowie eine Informationsübertragung zu ermöglichen. Die ersten beiden vorgestellten Ansätze (Kapitel 4 und 5) konzentrieren sich auf die medizinisch und wissenschaftlich bedeutsame Gruppe der Enterobakterien. Deren Bedeutung für Medizin und Mikrobiologie geht auf ihre Funktion als kommensale Bewohner des Darmtraktes, ihre Nutzung als leicht kultivierbare Modellorganismen und auf die vielseitigen Infektionsmechanismen zurück. Obwohl bereits viele Studien über einzelne Pathogruppen mit klinisch unterscheidbaren Symptomen existieren, sind die genotypischen Faktoren, die für diese Unterschiedlichkeit verantwortlich zeichnen, teilweise noch nicht bekannt. Der in Kapitel 4 beschriebene umfassende Genomvergleich wurde anhand einer Vielzahl von Enterobakterien durchgeführt, die nahezu die gesamte Bandbreite klinisch relevanter Diversität darstellen. Dieser Genomvergleich bildet die Basis für eine Charakterisierung des enterobakteriellen Genpools, für eine Rekonstruktion evolutionärer Prozesse und Einflüsse und für eine umfassende Untersuchung spezifischer Proteinfamilien in enterobakteriellen Untergruppen. Die in diesem Kontext vorher noch nicht angewandte Korrespondenzanalyse liefert qualitative Aussagen zu bakteriellen Untergruppen und den ausschließlich in ihnen vorkommenden Proteinfamilien. In drei Hauptuntergruppen der Enterobakterien, die den Gattungen Yersinia und Salmonella sowie der Gruppe aus Shigella und E. coli entsprechen, wurden die jeweils spezifischen Proteinfamilien mit Hilfe statistischer Tests identifiziert. Zusammenfassend bilden die auf Genomvergleichen aufbauenden Methoden neue Ansatzpunkte, um aus der Übertragung der bekannten Funktionalität einzelner Proteine auf spezifische, genotypische Besonderheiten bakterieller Gruppen zu schließen. Aufgrund ihrer hohen medizinischen Relevanz war die Typisierung enterobakterieller Isolate entsprechend ihrer Pathogenität Ziel zahlreicher Studien. Die Microarray-Technologie bietet ein schnelles, reproduzierbares und standardisierbares Hilfsmittel für bakterielle Typisierung und hat sich in der Bakteriendiagnostik, Risikobewertung und Überwachung bewährt. Das in Kapitel 5 beschriebene Design eines diagnostischen Microarray beruht auf einer großen Anzahl verfügbarer Genomsequenzen von Enterobakterien. Ein hocheffizienter String-Matching-Algorithmus ist die Grundlage einer neuartigen Strategie der Sondenauswahl, die sowohl kodierende als auch nicht-kodierende Bereiche genomischer DNA berücksichtigt. Im Vergleich zu Diagnostika, die ausschließlich auf Virulenz-assoziierten Sonden beruhen, verringert dieses Prinzip das Risiko einer inkorrekten Typisierung. Zusätzliche Sonden erweitern das Anwendungsspektrum auf eine simultane Diagnostik der Antibiotikaresistenz bzw. eine Überwachung der Resistenzausbreitung. Umfangreiche Testhybridisierungen belegen eine überwiegende Zuverlässigkeit der Sonden und vor allem eine robuste Klassifizierung enterobakterieller Stämme entsprechend der Pathogruppen. Die Tests bilden zudem die Grundlage für das Training eines Regressionsmodells zur Klassifizierung der Pathogruppe und zur Vorhersage der Menge hybridisierter DNA. Das Regressionsmodell zeichnet sich durch kontinuierliche Lernfähigkeit und damit durch eine Verbesserung der Vorhersagequalität im Prozess der Anwendung aus. Ein Teil der Sonden repräsentiert intergenische DNA und bestätigt infolgedessen die Relevanz der zugrunde liegenden Strategie. Die Tatsache, dass ein großer Teil der von den Sonden repräsentierten Gene noch nicht annotiert ist, legt die Existenz bisher unentdeckter Faktoren mit Bedeutung für die Ausbildung entsprechender Virulenz-Phänotypen nahe. Ein weiteres Haupteinsatzgebiet von Microarrays ist die Genexpressionsanalyse. Die Größe von Genexpressionsdatenbanken ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Obwohl sie eine Fülle von Expressionsdaten bieten, sind Ergebnisse aus unterschiedlichen Studien weiterhin schwer in einen übergreifenden Zusammenhang zu bringen. In Kapitel 6 wird die Methodik einer ausschließlich datenbasierten Meta-Analyse für genomweite A. thaliana Genexpressionsdatensätze dargestellt, die neue Erkenntnisse über Funktion und Regulation von Genen verspricht. Die Anwendung von Kernel-basierter Hauptkomponentenanalyse in Kombination mit hierarchischem Clustering identifizierte drei Hauptgruppen von Kontrastexperimenten mit jeweils überlappenden Expressionsmustern. In zwei Gruppen konnten deregulierte Gene wichtigen Funktionen bei Indol-3-Essigsäure (IAA) vermitteltem Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie pflanzlicher Pathogenabwehr zugeordnet werden. Bisher funktionell nicht näher charakterisierte Serin-Threonin-Kinasen wurden über die Meta-Analyse mit der Pathogenabwehr assoziiert. Grundsätzlich kann dieser Ansatz versteckte Wechselbeziehungen zwischen Genen aufdecken, die unter verschiedenen Bedingungen reguliert werden. Bei der funktionellen Charakterisierung von Proteinen oder der Vorhersage von Genen in Genomsequenzen werden Hidden-Markov-Modelle (HMMs) eingesetzt. HMMs sind technisch ausgereift und in der computergestützten Biologie vielfach eingesetzt worden. Trotzdem birgt die Methodik das Potential zur Optimierung bezüglich der Modellierung biologischer Daten, die hinsichtlich der Längenverteilung ihrer Sequenzen variieren. Untereinheiten dieser Modelle, die Zustände, repräsentieren über ihre individuelle Verweildauer zugrunde liegende Verteilungen von Sequenzlängen. Kapitel 7 stellt eine Methode zur Anpassung einfacher HMM-Topologien an biologische Daten, die glockenkurvenartige Längenverteilungen zeigen, vor. Die Modellierung solcher Verteilungen wird dabei durch eine serielle Verkettung vervielfältigter Zustände gewährleistet, ohne dass die Klasse herkömmlicher HMMs verlassen wird. Auswertungen der Modellierungsleistung bei unterschiedlich stark optimierten HMM-Topologien unterstreichen die Bedeutung der entwickelten Topologieoptimierung. Zusammenfassend wird hier eine generelle Methodik beschrieben, die die Modelleigenschaften von HMMs über Topologieoptimierungen verbessert. Die Parameter dieser Optimierung werden mit Hilfe von Maximum-Likelihood und einem leicht einzubindenden Momentschätzer bestimmt. In Kapitel 8 wird die Anwendung von HMMs zur Vorhersage von Interaktionsstellen in Proteindomänen beschrieben. Wie bereits gezeigt wurde, sind solche Stellen aufgrund einer variablen Konserviertheit ihrer Position und ihres Typs schwer zu bestimmen. Eine Vorhersage von Interaktionstellen in Proteindomänen wird über die Definition einer neuen HMM-Topologie erreicht, die sowohl Sequenz- als auch Strukturdaten einbindet. Interaktionsstellen werden mit einem Posterior-Decoding-Algorithmus vorhergesagt, der zusätzliche Informationen über die Wahrscheinlichkeit einer Interaktion für alle Sequenzpositionen bereitstellt. Die Implementierung der Interaktionsprofil-HMMs (ipHMMs) basiert auf den etablierten Profil-HMMs und erbt deren Effizienz und Sensitivität. Eine groß angelegte Vorhersage von Interaktionsstellen mit ipHMMs konnte mutationsbedingte Fehlfunktionen in Proteinen erklären, die mit vererbbaren Krankheiten wie unterschiedlichen Tumortypen oder Muskeldystrophie assoziiert sind. Wie Profile-HMMs sind auch ipHMMs für groß angelegte Anwendungen geeignet. Insgesamt verbessert die HMM-gestützte Methode sowohl die Vorhersagequalität für Interaktionsstellen als auch das Verständnis molekularer Hintergründe bei vererbbaren Krankheiten. Im Hinblick auf aktuelle und zukünftige Anforderungen stelle ich in dieser Arbeit Lösungsansätze für eine umfassende Charakterisierung großer Mengen biologischer Daten vor. Alle beschriebenen Methoden zeichnen sich durch gute Übertragbarkeit auf verwandte Probleme aus. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Wissenstransfer gelegt, der durch einen stetig wachsenden Fundus biologischer Information ermöglicht wird. Die angewandten und entwickelten statistischen Methoden sind lernfähig und profitieren von diesem Wissenszuwachs, Vorhersagequalität und Zuverlässigkeit der Ergebnisse verbessern sich.

Die endogen in Pflanzen radikalisch gebildeten Phytoprostane regulieren in Arabidopsis thaliana eine Reihe von Genen, die an den Prozessen der Detoxifizierung und Zellproliferation beteiligt sind, während die externe Applikation dieser Oxylipine in vitro eine Akkumulation von sekundären Metaboliten, sogenannten Phytoalexinen, nach sich zieht. Ferner war aus vorherigen Arbeiten des Lehrstuhls für Pharmazeutische Biologie bekannt, dass die Vorbehandlung mit Phytoprostanen in Arabidopsis thaliana eine Schutzwirkung gegen nachfolgenden oxidativen Stress vermittelt. Neben nicht-enzymatisch gebildeten Oxylipinen akkumulieren in höheren Pflanzen als Antwort auf einen oxidativen Stress auch enzymatisch gebildete Oxylipine wie 12-Oxophytodiensäure (OPDA) und Jasmonsäure (JA). Als Ausgangspunkt zur systematischen Analyse der von einzelnen Phytoprostanen vermittelten Wirkspektren diente in der vorliegenden Arbeit eine Transkriptionsanalyse unter Verwendung einer mixotrophen Arabidopsis thaliana Zellkultur nach Phytoprostan-A1 (PPA1)-Behandlung. In weiterführenden Experimenten wurde das durch PPA1-vermittelte Genexpressionsprofil mit dem Profil von weiteren, nicht-enzymatischen sowie dem durch die enzymatisch gebildeten Oxylipine OPDA bzw. JA hervorgerufenen Genexpressionsprofil verglichen. Die Vergleiche zeigten signifikante Übereinstimmungen, aber auch deutliche Unterschiede im Wirkprofil einzelner enzymatischer bzw. nicht-enzymatischer Oxylipine. Das Wirkungsspektrum der radikalisch gebildeten PPA1 überschneidet sich zu 40 Prozent mit dem der enzymatisch gebildeten OPDA, jedoch nur zu sieben Prozent mit dem Wirkspektrum der ebenfalls enzymatisch gebildeten JA. Diese Beobachtung ließ einen über strukturelle Merkmale vermittelten Signalmechanismus vermuten, da die chemischen Strukturen von PPA1 und OPDA, nicht jedoch PPA1 und JA, verwandt sind. Zur Überprüfung der vorstehenden Hypothese wurden die Promotorbereiche der durch PPA1 mehr als dreifach induzierten Gene bioinformatisch auf häufig vorhandene Sequenzmotive untersucht. Es zeigte sich, dass etwa die Hälfte der Promotorbereiche der durch PPA1 induzierten Gene ein Bindungsmotiv für TGA-Transkriptionsfaktoren enthält. Nachfolgende Transkriptomanalysen in der TGA-Dreifach knockout Arabidopsis thaliana Mutante tga2tga5tga6 zeigten, dass 60 Prozent der PPA1- bzw. 30 Prozent der ODPA-vermittelten Genexpression durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6 vermittelt werden. Neben übereinstimmenden Wirkungen von PPA1 und OPDA in der Genexpression sind in der Literatur überschneidende Wirkungen von OPDA und JA bezüglich einer Wurzelwachstumshemmung in Arabidopsis thaliana beschrieben. In Experimenten zur Untersuchung des Wurzelwachstums resultierte die exogene Applikation von JA bzw. OPDA auf Arabidopsis thaliana Samen in einer Hemmung des Wurzelwachstums um 63 bzw. 72 Prozent. Dagegen vermittelte PPA1 nur eine Hemmung um 50 Prozent. Die vorstehend beschriebenen Wirkungen verschiedener Phytoprostane belegen ein umfassendes Wirkspektrum dieser heterogenen Substanzklasse. Neben den in vorliegender Arbeit im Vordergrund stehenden Phytoprostan-vermittelten Stressreaktionen sind eine Reihe physiologischer Prozesse, darunter das Wurzelwachstum, zumindest teilweise durch Phytoprostane reguliert. Ferner konnte in der der vorliegenden Arbeit erstmalig gezeigt werden, dass mindestens zwei der durch Phytoprostane induzierten Gene Proteine kodieren, die effizient die Metabolisierung von Phytoprostanen fordern, um oxidativen Schäden vorzubeugen. Vermittelt werden die Phytoprostan- Wirkungen unter anderem durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6, welche zur Expression von Detoxifizierungs- und Stressgenen führen. / Phytoprostanes that are endogenously and radically formed in higher plants regulate in Arabidopsis thaliana a number of genes that are involved in the processes of detoxification and cell proliferation. In contrast, the external application of these oxylipins results in vitro in the accumulation of secondary metabolites, so-called phytoalexines. Moreover, it was known from previous studies performed by the Chair for Pharmaceutical Biology that the pre-treatment with phytoprostanes in Arabidopsis thaliana leads to the protection against subsequent oxidative stress. In addition to nonenzymatically formed oxylipines, enzymatically formed oxylipines, such as 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) and jasmonic acid (JA) accumulate in higher plants as a consequence of oxidative stress. The present dissertation uses a transcription analysis of an Arabidopsis thaliana mixotroph cell culture after treatment with phytoprostane A1 (PPA1) as basis for the systematic analysis of the gene expression profile mediated by enzymatically and non-enzymatically formed oxylipines. Thus, in further experiments, the gene expression profile resulting from PPA1 was compared with the gene expression profile of other non-enzymatically, i.e., PPB1 and dPPJ1 as well as the one of the enzymatically formed oxylipins, i.e., OPDA and JA, respectively. These comparisons showed significant consistencies but also considerable differences in the gene expression profile of certain enzymatic and non-enzymatic oxylipines. In 40 percent of all cases, the gene expression profile of radically catalyzed PPA1 equals the one of enzymatically formed OPDA, but only in 7 percent of all cases, this gene expression profile is identical to the enzymatically catalyzed JA. This observation leads to the assumption of a signal mechanism resulting from structural characteristics, since the chemical structures of PPA1 and OPDA are related to each other while PPA1 and JA are not. In order to verify the above-mentioned hypothesis, the promoter regions of those genes which were more than three times induced were bioinformatically analysed for an abundance of specific binding sites. As a result, it turned out that approximately half of the promoter regions of the PPA1-induced genes contained a binding site for TGA transcription factors. Subsequent transcription analyses in the TGA-triple knockout Arabidopsis thaliana mutant tga2tga5tga6 showed that 60 percent of the PPA1- induced and 30 percent of the ODPA-induced gene expression was mediated by the TGA-transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6. In addition to the overlapping effect on gene expression described above, the literature describes an equal effect of OPDA and JA concerning the root growth inhibition in Arabidopsis thaliana. In experiments performed to evaluate the overall growth of the seedlings by JA or OPDA resulted in a 63 or 72 percent reduction of the root length in comparison to control plants. Rather to the contrary the use of PPA1 only resulted in a 50 percent reduction in comparison to Arabidopsis thaliana control plants. Thus, the above mentioned effects of phytoprostanes demonstrate an extensive biological spectrum of these heterogenous types of substances. Apart from the phytoprostane-induced analysis of gene ecpression which is the crucial topic of this dissertation, a number of physiological processes, such as the root growth inhibition are at least in parts regulated by phytoprostanes. Furthermore, the present dissertation shows for the first time that at least two of the phytoprostane-induced genes encode a protein that efficiently enhance the metabolisation of phytoprostanes in order to prevent oxidative damages. The effects of phytoprostanes are inter alia mediated by the TGA transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6 which result in the expression of detoxification and stress genes.

Die Gattung Bordetella, die phylogenetisch in die Gruppe der β-Proteobakterien eingeordnet und zur Familie der Alcaligenaceae gezählt wird, umfasst nach heutigem Wissenstand neun Gram-negative Arten. Die klassischen Bordetella-Arten B. pertussis, B. parapertussis und B. bronchiseptica werden im sogenannten B. bronchiseptica-Cluster zusammengefasst. Der strikt humanpathogene Erreger B. pertussis stellt als Verursacher des Keuchhustens das wohl bedeutendste Mitglied der Gattung dar. B. parapertussis ist der Verursacher von respiratorischen Erkrankungen in Menschen und Schafen, während B. bronchiseptica für Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren verantwortlich gemacht wird. Zudem kann B. bronchiseptica für einen längeren Zeitraum in der Umwelt überleben. Die in den letzte Jahren identifizierten „neuen“ Bordetella-Arten, B. avium, B. hinzii, B. holmesii, B. trematum und B. ansorpii, wurden alle human- oder tierassoziiert isoliert und besitzen unterschiedliches pathogenes Potential, das zum Teil noch näher untersucht werden muss. Eine Ausnahme stellt der aus einer anaeroben dechlorinierten Flusssediment-Anreicherungskultur isolierte Keim B. petrii dar. Dieser ist bis zum heutigen Zeitpunkt der einzige Umweltkeim der Gattung Bordetella (von Wintzingerode, Schattke et al. 2001). In evolutionärer Hinsicht ist B. petrii besonders interessant, da er sowohl für orthologe Gene einiger Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert, als auch die typischen Eigenschaften eines Umweltkeims aufweist und somit als Bindeglied zu fungieren scheint. Ein solcher Virulenzfaktor ist das BvgAS-System, das in den pathogenen Bordetellen den Hauptregulator der Virulenzgenexpression darstellt, aber in B. petrii strukturell komplexer aufgebaut ist. Neben dem auf Aminosäureebene hoch konservierten Response Regulator bvgA, finden sich in B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, bvgS1 und bvgS2, sowie eine unabhängige hpt-Domäne. Eine periplasmatische Sensordomäne fehlt in beiden Kinasen, und nur in BvgS1 konnte eine PAS-Domäne identifiziert werden. In den letzten Jahren wurden zunehmend B. petrii-Isolate aus den verschiedensten Habitaten isoliert, wie z.B. das Schwammisolate R521 (Sfanos, Harmody et al. 2005) und das klinisches Isolat aus einem Patienten mit mandibulärer Osteomyelitis (Fry, Duncan et al. 2005). Im Rahmen dieser Arbeit wurde über einen PCR-Ansatz versucht, mit aus der Wildtypsequenz abgeleiteten Oligonukleotiden das BvgAS1,2-System der Isolate zu sequenzieren, aber nur im klinischen Isolat konnte ein orthologes Genfragment zum Response Regulator bvgA identifiziert werden. Ein Nachweis der Histidinkinasen sowie der hpt-Domäne schlug in allen untersuchten Isolaten fehl. Die vergleichenden Genomanalysen mittels DNA-Microarrays konnten aufgrund fehlender Hybridisierungen keine weiteren Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf DNA-Ebene zwischen den Isolaten und B. petrii DSM 12804 aufzeigen. B. petrii ist ein hoch variabler Umweltkeim, der sich an verschiedene Lebensbedingungen anpassen kann. Dies konnte auch durch die Isolation dreier phänotypisch unterscheidbare Varianten während eines Langzeitwachstumsversuches gezeigt werden (Lechner 2008). Durch die Genomsequenzierung von B. petrii DSM 12804 konnten wenigsten sieben genomischen Inseln beschrieben werden (Gross, Guzman et al. 2008), die durch unterschiedliche Exzision für die Entstehung der Varianten und daraus resultierend für die Variabilität in B. petrii verantwortlich sind. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Größe der einzelnen genomischen Inseln im Genom von B. petrii durch vergleichende Genomanalysen mittels DNA-Microarrays, mit Ausnahme von GI1, GI5 und GI6, im Vergleich zu den bioinformatischen Vorhersagen bestätigt werden. Diese Inseln zeigten in den Microarray-Analysen eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung im Vergleich zu den zuvor beschrieben putativen Grenzen. Die große Instabilität des Genoms von B. petrii DSM 12804 konnte in dieser Arbeit auch durch Microarray-Analysen einzelner Klone aufgezeigt werden, die unterschiedliche Variationen im Bereich der genomischen Inseln aufwiesen. In den Analysen von B. petrii 12804 ΔbvgA bzw. ΔbvgAS konnten zusätzlich zu den gezielten Manipulation im BvgAS1,2-Lokus weitere Deletionen im Bereich von bpet0196-0200, bpet4219-4235 und bpet4176 detektiert werden. Die Re-Integration dieser Genbereiche nach Klonierung einer BvgA-Komplementationsmutante deutet auf eine extrachromosomale plasmid-ähnliche Struktur dieser Bereiche hin. Dies konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend bestätigt werden und bleibt weiter zu untersuchen. Im Verlauf der evolutionären Entwicklung der Bordetellen wurde das BvgAS-System, das ursprünglich für die Adaption an Umweltbedingungen mit verschiedenen Sauerstoff-konzentrationen und/oder Temperaturen zuständig war, mit der Regulation der Expression der Virulenzgene verknüpft (von Wintzingerode, Gerlach et al. 2002). In den Transkriptomanalysen zur Untersuchung der Funktionalität des BvgAS1,2-Systems in B. petrii konnte aufgezeigt werden, dass die Temperatur ein wichtiger Signalgeber für die Expression des Flagellen- und Chemotaxisoperons ist. In B. bronchiseptica wird die Motilität, bei Temperaturen unter 25°C, negativ durch das BvgAS-System reguliert. Auch in B. petrii konnte in den Untersuchungen eine negative Regulation der Flagellen- und Chemotaxisgene durch das BvgAS1,2-System unter diesen Bedingungen detektiert werden. Ob aber in B. petrii die gleiche hierarchische Struktur zur Regulation der Motilität besteht wie in B. bronchiseptica, bleibt zu untersuchen. Im Verlauf der Untersuchungen konnte dem BvgAS-Zwei-Komponentensystem in B. petrii auch eine Funktion im Energiestoffwechsel eingeräumt werden, um auf wechselnde Sauerstoffbedingungen reagieren zu können. Die Messung des Sauerstoffgehaltes der Umgebung und damit eine Regulation der aeroben bzw. anaeroben Atmung erfolgt in B. petrii wahrscheinlich ebenfalls über das BvgAS1,2-System. Die in der Histidinkinase BvgS1 vorhergesagte PAS-Domäne scheint laut den Analysen für diesen Vorgang von großer Bedeutung zu sein. Desweiteren scheint das System auch die Zusammensetzung der Cytochromoxidase zur optimalen Anpassung an aerobe, mikroaerophile und anaerobe Bedingungen zu regulieren. / The genus Bordetella phylogenetically grouped within the beta-subclass of Proteobacteria and belonging to the family of the Alcaligenaceae comprises to date nine gram negative species. The classical Bordetella species B. pertussis, B. parapertussis and B. bronchiseptica are integrated in the so called B. bronchiseptica-cluster. The obligate human pathogen B. pertussis, as the agent of whooping cough, is the most important member of the genus. B. parapertussis is the agent of respiratory diseases in humans and sheep, whereas B. bronchiseptica causes respiratory diseases in various mammalian species. In addition, B. bronchiseptica has the ability to survive in the environment for a certain period of time. The in recent years identified “new” Bordetella species, B. avium, B. hinzii, B. holmesii, B. trematum and B. ansorpii, have all been isolated in association with humans and animals and exhibit different pathogenic potential, which partly have to be examined further. An exception is the species B. petrii, which was isolated from an anaerobic dechlorinating bioreactor culture enriched by river sediment. Up to date B. petrii represents the first environmental isolate of the genus Bordetella (von Wintzingerode, Schattke et al. 2001). B. petrii encodes both for several orthologous genes to virulence factors of the pathogenic Bordetellae and also shows the typical features of environmental bacteria, it might represent some sort of evolutionary missing link. A putative virulence factor is the BvgAS-systems, which demonstrates to be the master regulator for virulence gene expression in the pathogenic Bordetellae, but in B. petrii this system built-on in a much more complex way. In B. petrii could be identified a response regulator bvgA, which is conserved on amino acid level, two histidine kinase genes, bvgS1 and bvgS2, and a separate gene for the hpt-domain. A periplasmatic sensing domain is missing in both kinases and a PAS-domain could only identified in BvgS1. In the recent years an increasing number of B. petrii isolates could be isolated from various habitats, for example the sponge isolate R521 (Sfanos, Harmody et al. 2005) and the clinical isolate from a patient with mandibular osteomyelitis (Fry, Duncan et al. 2005). In this work a PCR approach, with oligonucleotides derived from the B. petrii wildtyp sequence, was used to sequence the BvgAS1,2-system of the isolates but only in the clinical isolate an orthologous gene fragment of the Response Regulator bvgA could be identified. A detection of the histidine kinases or the hpt-domain failed in all investigated isolates. The comparative genome analysis with DNA-microarrays showed no further similarities and differences between the isolates and B. petrii DSM 12804 because of missing hybridization. B. petrii is a highly variable environmental bacterium capable of adapting to different living conditions. This could be demonstrated by isolation of three phenotypically distinguishable variants during a long-term growth experiment (Lechner 2008). By genome sequencing of B. petrii DSM 12804, at least seven genomic islands could be described (Gross, Guzman et al. 2008), which are responsible for the development of variants and therefore for the variability of B. petrii by different excision. During this study, the size of each genomic island of B. petrii could be confirmed by comparative genome analysis with DNA-microarrays with the exception of GI1, GI5 und GI6 compared to bioinformatic predictions. These islands showed an extension and reduction in the microarray analysis, respectively. The high instability of the genome of B. petrii DSM 12804 could also be demonstrated by microarray analysis of individual clones in this doctorate, which show variations in the area of the genomic island. The analysis of B. petrii 12804 ΔbvgA and ΔbvgAS, respectively, illustrate the specific manipulations in the BvgAS1,2 locus and additional deletions in the area of bpet0196-0200, bpet4219-4235 and bpet4176. The re-integration of these genes into genome after cloning of a BvgA complement thereupon points to that these areas build a plasmid structure. During this work this could not be confirmed and needs to be investigated exhaustively. In progress of the evolutionary development of the Bordetellae, the BvgAS-system, originally envolved in adaption to environmental conditions with different concentrations of oxygen and/or temperatures, was connected with the regulation of the virulence gene expression (von Wintzingerode, Gerlach et al. 2002). In the transcriptomic analysis to evaluate the functionality of the BvgAS1,2-system of B. petrii it could be proofed that the temperature is an important factor for the expression of the flagella and chemotaxis operon. In B. bronchiseptica, the motility is negatively regulated by the BvgAS-system by temperatures below 25°C. Also, a negative regulation of the flagella and chemotaxis genes was detected in the investigation of B. petrii under these conditions. If there is the same hierarchic structure of the regulation of the motility in B. petrii like in B. bronchiseptica may be investigated. During the investigations the BvgAS two-component-system of B. petrii could admit a function in the respiratory control to respond to changing oxygen conditions. The sensing of the environment´s oxygen content and a regulation of the aerobic and anaerobic respiration, respectively, can be awarded to the BvgAS1,2-system in B. petrii. The predicted PAS-domain in the histidine kinase BvgS1 are obviously important during this process according to the analysis. In addition, the system seems to regulate the composition of the cytochrome oxidase well for optimal adaption to aerobic, microaerophilic and anaerobic environmental conditions.

Das Hauptziel der medizinischen Genetik ist es, die Ursachen für genetisch hervorgerufene Krankheiten zu finden, um eine bessere Behandlung der Patienten zu gewährleisten, sei es um die Medikamente auf den Metabolismus des Individuums anzupassen oder natürlich dazu, um die Krankheit selbst zu behandeln und in Zukunft auch heilen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen werden immer neue Technologien entwickelt, die mit Hilfe von bereits etablierten Methoden auf ihre Eignung hin überprüft werden müssen. Eine der neuesten Entwicklungen stellt die Array-Technologie dar. In dieser Studie wurde versucht zu überprüfen, inwieweit diese neue Methode zur Analyse von einzelnen bis wenigen Patienten mit bestimmten Syndromen geeignet ist. Dafür wurden mehrere Patienten mir sehr unterschiedlichen Phänotypen ausgesucht, die verschiedene Ursachen und Entstehungsmechanismen der genetischen und phänotypischen Veränderung vermuten ließen. Die erste hier dargestellte Publikation beschreibt einen Fall mit einer einseitigen Schalleitungsschwerhörigkeit, der mit einer Translokation der(18)t(18;22) mit der involvierten Deletion 22pter→q11.21, sowie den darin enthaltenden Genen der CES-Region, erklärt wurde. Der in der zweiten Publikation beschriebene Fall mit MR und Verhaltensauffälligkeiten wurde mit einer intragenischen Mikrodeletion im Gen IL1RAPL1 korreliert. Zwei Fälle autoimmunbedingten Leberversagens bei einem Phelan-McDermid Syndrom wurden in der dritten Publikation primär auf eine Deletion des Gens PIM3 zurückgeführt. Ein autistischer Junge mit einer Entwicklungsverzögerung und gewalttätigen Ausbrüchen zeigte in der vierten Publikation ein sehr komplexes Rearrangement mit mehreren Brüchen im Gen CNTNAP2 und Deletionen anderer Gene, die zusammen für den Phänotyp verantwortlich sein können. Keine Mikrodeletion, sondern eine Epimutation in Chromosom 14q32.2 war die Ursache für die Adipositas mit einer Sprachentwicklungsverzögerung bei einem Jungen, der in der fünften Publikation beschrieben ist. Um die o. g. genetischen Veränderungen zu finden, wurden verschiedene Methoden wie die GTG-Bänderung, FISH, MLPA und verschiedene Array-Systeme verwendet. Mit jeder von diesen Methoden konnten neue und einander ergänzende Daten zu den genetischen Veränderungen eines Individuums gewonnen werden. Keine der Methoden konnte für sich allein ein vollständiges Bild liefern. Die GTG-Bänderung zeigt zwar das ganze Genom, hat aber die Limitierung der niedrigen Auflösung. Sie konnte dennoch Anhaltspunkte für höherauflösende Untersuchungsmethoden geben. Dazu gehörte die FISH, die entweder zur feineren Auflösung der Bänderungsdaten oder zur Bestätigung von Array-Befunden verwendet wurde. Die MLPA wurde unterstützend auf der Suche nach sehr kleinen Veränderungen in eingegrenzten Regionen eingesetzt. In einigen der beschriebenen Fälle wurden trotz eines negativen Bänderungsbefundes aufgrund des auffälligen Phänotyps genetische Ursachen vermutet, und daher feiner auflösende Methoden eingesetzt. Die am höchsten auflösenden Array-basierten Methoden wurden eingesetzt, wenn ansonsten keine Ergebnisse zu erzielen waren, oder eine feinere Auflösung der vorhandenen Daten erreicht werden sollte. Anschließend konnten die Erkenntnisse über die Veränderungen mit dem Phänotyp korreliert werden, um ein Kandidatengen oder eine Kandidatengenregion zu ermitteln. Aufgrund der großen Datenmenge aus den Array-Experimenten, waren zur Entscheidung über die Relevanz der Daten bezüglich der Entstehung des Phänotyps umfassende Datenbank- und Literatur-Recherchen notwendig. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Array-Technologie einen großen Fortschritt darstellt, in der Suche nach Ursachen für genetische Erkrankungen. Sie hat aber technische Limitierungen und um das Problem der Phänotyp-Genotyp-Korrelation zu vereinfachen, werden weltweit noch viele Daten gesammelt werden müssen. Das ist eine Frage der Zeit und der Weiterentwicklung geeigneter Technologien. / The major aim of medical genetics is to find the reasons for genetic diseases, to ensure better treatment of patients, for example to better adapt medication to the patient’s metabolism or to treat and in the future also to cure the illness. To reach this goal new technologies are developed, which have to be tested for their applicability by already established methods. One of the newest developments is constituted by the array-technology. In this study it has been tried to find out to which extent this new method is suited for testing individual or few patients with certain syndromes. To do that several patients have been chosen with very different phenotypes, for which different mechanisms underlying the genetic and phenotypic changes were presumed. The first paper presented here describes a case with unilateral conductive hearing loss, which was explained by the translocation der(18)t(18;22) including the deletion of the region 22pter→q11.21 and the genes of the CES region. The case with MR and behavioral abnormalities described in the second paper was associated with an intragenic deletion of IL1RAPL1. Two cases of hepatic failure caused by an autoimmune reaction in patients with the Phelan-McDermid syndrome were explained by the deletion of PIM3 in the third paper. In the fourth paper an autistic boy with a developmental delay and violent outbursts had a very complex rearrangement containing many breaking points in CNTNAP2 and deletion of other genes, which altogether explain the phenotype. Not a microdeletion, but an epimutation in 14q32.2 was the cause for the obesity with a speech delay in a boy described in the fifth paper. Different methods were used to find the above mentioned genetic changes, i.e. GTG-banding, FISH, MLPA and several array-systems. Each of these methods revealed new and complementing data about the genetic changes of an individual. None of the methods alone could provide a complete picture. GTG-banding shows the entire genome, but has the limitation of a low resolution. This banding method provided candidate regions for further investigations with higher resolving methods. FISH was used for this cause or to confirm array data. MLPA was used to search for very small changes in specific regions. In some of the described cases with negative findings in the GTG-banding but a noticeable phenotype, genetic cause was assumed and higher resolving methods were used. The method with the highest resolution were the array-based technologies, which were used as screening method if no information could be obtained by any other method. Finally, the findings on the genetic changes were correlated with the phenotype to determine the candidate gene or a candidate gene region. Due to the large amount of data obtained from the array-experiments, the correlation required a decision about the relevance of the data for the development of the phenotype based on thorough database research. Collectively, it can be said that the array-technology is a useful technique for searching for reasons of genetic diseases. But it has its technical limitations. To facilitate the problem of the phenotype-genotype-correlation, data has to be accumulated worldwide. It is a question of time and further development of adequate technologies.

Die Technologie der Oligonukleotid-Arrays erlaubt es, tausende von Genen parallel auf ihre Expression hin zu untersuchen. Die Firma metaGen, bei der diese Doktorarbeit entstand, setzt die Genexpressionsanalyse zur Identifikation von Targetmolekülen für die Therapie solider Tumoren ein. Im Zuge dieser Arbeit gelang die Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Datenanalyse für Oligonukleotid-Arrays. Gerade für die Untersuchung humaner Proben ist die Robustheit von großem Interesse, da das Gewebematerial oft nur in sehr begrenzten Mengen und mit Qualitätsschwankungen behaftet vorliegt. Anhand eines eingeschränkten Sets an Kontrollversuchen konnte gezeigt werden, dass die vorgeschlagene Methode besser die Erwartungen an das System erfüllt als herkömmliche Verfahren. Ein weiterer Teil der Arbeit bestand im Aufbau einer relationalen Datenbank und in der schrittweisen Automatisierung der Auswertung. Stellvertretend für andere Krebserkrankungen wurde eine detaillierte Analyse zweier publizierter Expressionsdatensätze zum Bronchialkarzinom vorgenommen. Es konnten zwar in beiden Datensätzen zwischen Tumor- und Normalgewebe differenziell exprimierte Gene identifiziert werden, aber die Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigte auch einen deutlichen Einfluss der unterschiedlichen Array-Technologien auf die gemessenen Intensitäten. Der spezielle Aufbau des verwendeten Oligonukleotid-Arrays gestattete die Entdeckung putativer Antisense-Transkripte. Die Koexpression einiger Sense- und Antisense-Sonden ließen sich durch Northern-Blot-Experimente bestätigen. Das unterstreicht das Anwendungspotenzial dieser Technologie für die Genomannotation. In einer Untersuchung der Transkriptome der Bäckerhefe und der Fruchtfliege konnte darüber hinaus ein Zusammenhang zwischen den Längen von Introns und Exons und der mittleren Expression von Genen hergestellt werden. Die Vielfalt der Anwendungen und die Ausbaumöglichkeiten verdeutlichen die Bedeutung und das Potenzial der Array-Technologie für die Genexpressionsanalyse. Eine wichtige Aufgabe bleibt deshalb die weitere Verbesserung der Qualitätskontrolle der Experimente und der Datenanalyse. / Oligonucleotide arrays represent a modern technology for the investigation of the expression of thounsands of genes in parallel. The theses were worked out at the company metaGen that uses gene expression analysis for the identification of target molecules for the therapy of solid tumors. One major achievement was the developement of a robust method for oligonucleotide array data analysis. It turned out that for the investigation of human tissue samples the robustness is crutial because the material is often very limited and of variing quality. Using a restricted set of control experiments the superiority of the method over standard procedures could be demonstrated. A further important part of the work was the construction of a relational database and the automation of the analysis process. To demonstrate the applicability of the methods in cancer research two publicly available lung cancer data sets were analysed. A list of differentially expressed genes was identified. But the comparison also revealed that the expression signals are strongly distorted by technical factors. The special array used at metaGen allowed the discorvery of putative antisense transcripts. Three of the candidates had been validated by Northern-blot analysis. This clearly shows the applicability of the array technology to genome annotations. An analysis of the transcriptoms of the bakers yeast and the fruit fly revealed a relationship between the average gene expression and the lengths of introns and exons. The manifold applications and extentions illustrate the inportance and the potential of the array technology. So that the improvement of the technology and of the data analysis will remain a major concern.

As doenças neuromusculares incluem um grupo muito heterogêneo de patologias que atingem 1 em cada 1.000 indivíduos nascidos vivos. Dentre as doenças neuromusculares destacam-se as paraplegias espásticas hereditárias que acometem, aproximadamente, cerca de 1 em cada 10.000. As paraplegias espásticas hereditárias (PEH) são caracterizadas pela espasticidade e fraqueza muscular dos membros inferiores. São muito heterogêneas tanto em clínica como geneticamente. Diversas formas já foram descritas e a mais comum delas, acometendo por volta de 40% dos casos autossômicos dominantes, causada por mutações no gene SPAST (PEH do tipo 4 ou SPG4). Estudos de correlação genótipo: fenótipo têm mostrado que indivíduos da mesma família carregando a mesma mutação patogênica, podem ter quadro clínico muito distinto. A explicação para esta questão pode estar na procura por genes modificadores, no padrão de expressão, na análise proteômica (seja por ligantes a proteínas ou no dobramento das mesmas), ou em mecanismos epigenéticos. Além disso, em algumas formas observa-se uma diferença na porcentagem de pessoas afetadas de acordo com o sexo. Essa desproporção foi observada numa grande família de com PEH na qual existe um predomínio de afetados do sexo masculino. O objetivo do presente trabalho foi a análise de pacientes discordantes, ou seja, que possuam a mesma mutação, porém com quadro clínico discordante de uma grande família brasileira com SGP4. Para isso foi feito um estudo da abundância de transcritos (mRNA) e de genótipo (polimorfismos de base única) em relação a um fenótipo (sintomático ou assintomático). Os resultados sugerem que o principal sistema envolvido, que poderia explicar as diferenças entre os pacientes discordantes, é o sistema imune, com a principal atuação dos genes C2, HLA-DRB1 e LY6G6C. Esses genes podem ter papel protetor ou tóxico no desenvolvimento do quadro clínico dos pacientes analisados / The hereditary spastic paraplegia (HSP) is characterized by muscle weakness and lower limb spasticity. They are very heterogeneous both clinically and genetically. Several forms have been described and the most common one, affecting around 40% of autosomal dominant cases, is caused by mutations in the SPAST gene (HSP type 4 or SPG4). Genotype: phenotype correlation studies have shown that affected individuals from the same family, who carry the same pathogenic mutation, can have very distinct phenotypes. The underlying explanation behind this clinical heterogeneity may be found in the search for modifier genes, in expression patterns observed proteomic analyses (either by protein binding or folding), or epigenetic mechanisms. As is observed in other motor neurodisease, there is a disproportion between the number of affected males and females, with males being the predominantly affected. The objective of this study was to analyze discordant patients, i.e., those that possess the same mutation, but show discordant phenotypes, from a large Brazilian family with SGP4. For this study, the abundance of transcripts (mRNA) and genotype (single nucleotide polymorphisms) relative to a phenotype (symptomatic or asymptomatic) were analyzed. The results suggest that the main system involved, which could explain the differences between discordant patients, is the immune system, with the main activity of C2, LY6G6C and HLA-DRB1 genes. These genes may have a protective or toxic role in the development of the analyzed patients\' clinical features

The neural crest is a transient population of cells that forms a diverse range of derivatives in vertebrate embryos. Neural crest cells also migrate extensively throughout the embryo. The specification of a number of neural crest derivatives, including pigment cells and neurons and glia of the peripheral nervous system, is dependent on the transcription factor Sox10. In sox10 mutant zebrafish embryos, these neural crest derivatives fail to specify and subsequently the cell differentiation and migration fails leading to apoptosis. Sox10 mutant embryos also display an ear defect although the precise role of Sox10 in the ear is less well defined. Thus Sox10 controls an extensive gene regulatory network that drives the development of an important subset of neural crest derivatives and also functions during ear development. This gene regulatory network is currently poorly defined. The aim of this project was to identify genes that are both direct and indirect targets of Sox10 to further elucidate this gene regulatory network. To achieve this, a microarray approach was adopted. Initially, fluorescence activated cell sorting was employed to enrich for sox10 expressing cells from 24 hours post fertilization sox10:GFP transgenic embryos. The transcriptomes of WT and sox10 mutant cells were compared by microarray analysis to identify differentially regulated genes. A large number of target genes were identified by this method and by an unbiased in situ hybridization screen, 28 genes were validated. Of these, 23 genes were expressed in cells of the neural crest and down-regulated in sox10 mutant embryos. The majority of these genes were expressed in cells of the melanocyte and xanthophore lineages. 5 genes were expressed in the ear (otic vesicle) of which three otic vesicle genes were down-regulated while two otic vesicle genes were up-regulated in sox10 mutant embryos. Unfortunately due to time constraints, a study into the function of one of these target genes could not be completed. The series of validated genes identified during this project has opened new opportunities for research and has identified a number of highly expressed marker genes that will be useful in future studies. In addition, the microarray data presented will be a useful resource to aid the identification of further targets of Sox10.

Phytochromes are the photoreceptors mainly responsible for the detection of red and far-red (FR) light and the following responses. HFR1 is a basic helix-loop-helix type putative transcription factor involved in Phytochrome A signaling pathway. First we look at the early phenotype of mutant seedlings lacking a functional HFR1 gene and we show that auxin is involved in the increased hypocotyl phenotype of these seedlings. Northern blots and RT-PCRs showed that ATHB-2, a gene involved in shade avoidance is regulated by HFR1 under FR light. Microarray experiments were performed to find the genes that are early targets of regulation by HFR1.