84
GENETIC SOCIETY OF SLOVENIA in collaboration with THE SLOVENIAN SOCIETY OF HUMAN GENETICS 3 rd COLLOQUIUM OF GENETICS Proceedings PIRAN SEPTEMBER 13 th 2013

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

  • Upload
    others

  • View
    9

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

GENETIC SOCIETY OF

SLOVENIAin collaboration with

THE SLOVENIAN SOCIETY OF HUMAN GENETICS

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS

Proceedings

PIRAN

SEPTEMBER 13th 2013

Page 2: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

    

GENETIC SOCIETY OF SLOVENIA IN COLLABORATION WITH THE 

SLOVENIAN SOCIETY OF HUMAN GENETICS       

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS  

Proceedings      

Marine Biology Station Piran National Institute of Biology 

 Piran 

September 13th 2013 

1  

Page 3: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Organizers 

 Genetic Society Slovenia in collaboration with The Slovenian Society of Human Genetics National Institute of Biology   Marine Biology Station Piran University of Ljubljana   Biotehnical Faculty 

Faculty of Medicine  University of Maribor   Faculty of Medicine 

Faculty of Chemistry and Chemical Technology  

 

Editors Andreja Ramšak  Uroš Potočnik  

 

Reviewers Peter Dovč Branka Javornik Tanja Kunej Vladimir Meglič Alberto Pallavicini Uroš Potočnik Darja Žgur Bertok 

 Design: Emanuela Boštjančič Publisher: Genetic Society Slovenia, Ljubljana, September 2013 Number of issues: 60 USB keys   Contributing authors are responsible for proof‐reading corrections. 

2  

Page 4: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 575(082)(0.034.2) COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia in collaboration with Slovenian Society of Human Genetics ; [editors Andreja Ramšak, Uroš Potočnik]. - Ljubljana : Genetic Society of Slovenia, 2013 ISBN 978-961-90534-9-2 ISBN 978-961-93545-0-6 (pdf) 1. Ramšak, Andreja, 1970- 2. Slovensko genetsko društvo 3. Slovensko društvo za humano genetiko 268724992 

 

3  

Page 5: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Members of boards 

    Scientific board   Peter Dovč  

Damjan Glavač   Simon Horvat  

Branka Javornik  Alberto Pallaviccini 

  Uroš Potočnik   Darja Žgur Bertok     

  Organization board   Andreja Ramšak  

Emanuela Boštjančič   Tanja Kunej   Petra Perin   Uroš Potočnik   Katja Repnik    Larisa Zemljič  

 

 

 

 

 

 

 

4  

Page 6: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

CONTENT  p.

   

MEETING PROGRAMME  8 

   

LECTURES  11 

   

  SPONSOR LECTURE  12 

  Erzsebet Csibi: PERSONALIZED TEACHING AND LEARNING WITH PEARSON  13 

   

  POPULATION GENETICS  15 

  Victoria  Bertucci:  POPULATION  GENETICS  OF  THE  CRAYFISH  Austropotamobius pallipes COMPLEX IN FRIULI VENEZIA GIULIA (ITALY) 

16 

  Barbara  Pipan:  ANALYSIS  OF  GENETIC  STRUCTURE  OF  Brassica  napus  L.  AND  ITS SEXUALLY COMPATIBILE RELATIVES USING POPULATION GENETIC PARAMETERS  

17 

     

  GENOMICS  24 

  Chiara Manfrin:  CRUSTACEAN  TRANSCRIPTOMIC:  NEW  INSIGHTS  DRIVEN  BY  THE NEXT GENERATION SEQUENCING 

25 

  Sabina  Ott:  DEVELOPMENT  OF  A  CENTRAL WEBSITE  FOR  RESEARCH  OF  FRACTAL GEOMETRY IN MEDICINE AND MOLECULAR BIOLOGY 

26 

  Žiga  Strmšek:  ATLAS  OF  miR‐34  GENE  FAMILY  REGULATORY  NETWORK  AND  ITS THERAPEUTICAL POTENTIAL 

27 

     

  BIOTECHNOLOGY   28 

  Jernej Pavšič: COMPARISON OF DNA EXTRACTION METHODS FOR QUANTIFICATION OF HUMAN CYTOMEGALOVIRUS BY qPCR 

29 

  Tine Pokorn:  IDENTIFICATION OF TARGETS FOR VIROID DERIVED SMALL RNAS  (vd‐sRNA) IN HOPS 

30 

   

 

 

 

5  

Page 7: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

  MOLECULAR BASIS OF DISEASES 31

  Marko Flajšman: DEVELOPMENT OF A TRANSFORMATION SYSTEM FOR GENE KNOCK‐OUT IN VERTICILLIUM ALBO‐ATRUM AND TESTING KNOCK‐OUT VIRULENCE ON NICOTIANA BENTHAMIANA 

32 

  Marco  Gerdol:  DE  NOVO  DISCOVERY  OF  ANTIMICROBIAL  PEPTIDES  FROM INVERTEBRATE TRANSCRIPTOMES 

33 

  Danijela Krgović: GENOMIC STRUCTURAL VARIATION IN SLOVENIAN CHILDREN WITH NEURODEVELOPMENTAL DISORDERS

34 

  Petra Perin: GENETICS AND PHARMACOGENOMICS OF CHILDHOOD ASTMA   35 

  Minja Zorc: DEVELOPMENT OF BIOMARKERS FOR FAT DEPOSITION USING INTEGRATION OF GENOMIC DATA AND BIOINFORMATICS ANALYSIS 

44 

  Larisa  Zemljič:  ASSOCIATION  AND GENE  EXPRESSION  ANALYSIS OF ORMDL3 AND TNF IN MULTIPLE SCLEROSIS, ASTHMA AND RHEUMATOID ARTHRITIS 

45 

     

POSTERS  58 

   

  POPULATION GENETICS   59 

  Daša  Perko:  MEFV  GENE  MUTATIONS  IN  CENTRAL  AND  SOUTH‐EASTERN EUROPEAN COUNTRIES 

60 

  Martina Planinc: GENOTYPE BY ENVIRONMENT  INTERACTION FOR GROWTH IN ON‐FARM TESTED GILTS 

61 

     

  GENOMICS  68 

  Jernej  Bravničar:  CATALOG OF GENETIC  VARIABILITY  RELATED  TO microRNA NETWORK IN TWO FISH SPECIES: Danio rerio AND Tetraodon nigroviridis 

69 

  Jana Obšteter: CATALOG OF POLYMORPHISMS ASSOCIATED WITH MICRORNA SILENCING MACHINERY 

76 

  Aleksandra  Šakanović:  ISOLATION  AND  ACTIVITY  OF  GENOTOXIN  Usp  OF BACTERIA Escherichia coli 

77 

     

  GENOM INTERACTION  78 

  Jasmina Beltram: A MOUSE ATLAS OF TST GENE REGULATORY NETWORK  79 

6  

Page 8: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

  BIOTECHNOLOGY  80

  Matevž Rumpret: EFFICIENCY OF DIFFERENT DONOR STRAINS  IN DELIVERING THE ColE7 BASED TOXICITY VIA CONJUGAL TRANSFER 

81 

  Mateja Zupin: CHARACTERIZATION OF THE COMMON BEAN (Phaseolus vulgaris L.) PARENT CULTIVARS FOR FURTHER GENOMIC AND TRANSCRIPTOMIC ANALYSES   

82 

     

AUTHOR INDEX  83 

  

7  

Page 9: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

PROGRAM OF MEETING 

 Registration  8.30 – 9.00 

   

Opening of the 3rd Colloquium of Genetics 

Welcome: Andreja Ramšak and Uroš Potočnik 

9.00 – 9.10 

Sponsor lecture 

Chairman: Darja Žgur Bertok, Tanja Kunej 

Erzsebet Csibi 

PERSONALIZED TEACHING AND LEARNING WITH PEARSON 

9.10 ‐ 9.50 

Population Genetics and Genomics  

Chairmen: Alberto Pallavicini, Branka Javornik 

9.50 ‐ 10.50 

Victoria Bertucci 

POPULATION GENETICS OF THE CRAYFISH Austropotamobius pallipes COMPLEX IN FRIULI VENEZIA GIULIA (ITALY) 

9.50 ‐ 10.05 

Barbara Pipan  

ANALYSIS  OF  GENETIC  STRUCTURE  OF  Brassica  napus  L.  AND  ITS  SEXUALLY COMPATIBILE RELATIVES USING POPULATION GENETIC PARAMETERS  

10.05 – 10:20 

Chiara Manfrin  

CRUSTACEAN  TRANSCRIPTOMIC:  NEW  INSIGHTS  DRIVEN  BY  THE  NEXT GENERATION SEQUENCING 

10.20 – 10.35 

Žiga Strmšek 

ATLAS  OF  miR‐34  GENE  FAMILY  REGULATORY  NETWORK  AND  ITS THERAPEUTICAL POTENTIAL 

10.35 – 10.50 

   

Coffe breake and posters viewing  10.50 – 11.30 

   

   

   

   

8  

Page 10: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Molecular basis of diseases and Biotechnology 

Chairmen: Uroš Potočnik, Peter Dovč 

11:30 ‐ 13:30 

Jernej Pavšič  

COMPARISON  OF  DNA  EXTRACTION  METHODS  FOR  QUANTIFICATION  OF HUMAN CYTOMEGALOVIRUS BY qPCR 

11.30 – 11.45 

Tine Pokorn 

IDENTIFICATION OF  TARGETS  FOR  VIROID DERIVED  SMALL  RNAS  (vd‐sRNA)  IN HOPS 

11.45 – 12.00 

Marko Flajšman 

DEVELOPMENT OF A TRANSFORMATION SYSTEM FOR GENE KNOCK‐OUT IN VERTICILLIUM ALBO‐ATRUM AND TESTING KNOCK‐OUT VIRULENCE ON NICOTIANA BENTHAMIANA 

12.00 – 12.15 

Marco Gerdol  

DE  NOVO  DISCOVERY  OF  ANTIMICROBIAL  PEPTIDES  FROM  INVERTEBRATE TRANSCRIPTOMES 

12.15 – 12.30 

Danijela  Krgović: GENOMIC  STRUCTURAL  VARIATION  IN  SLOVENIAN  CHILDREN WITH NEURODEVELOPMENTAL DISORDERS

12.30 – 12.45 

Petra Perin  

GENETICS AND PHARMACOGENOMICS OF CHILDHOOD ASTMA  

12.45 – 13.00 

Minja Zorc  

DEVELOPMENT OF BIOMARKERS FOR FAT DEPOSITION USING INTEGRATION OF GENOMIC DATA AND BIOINFORMATICS ANALYSIS 

13.00 – 13.15 

Larisa Zemljič 

ASSOCIATION AND GENE EXPRESSION ANALYSIS OF ORMDL3 AND TNF IN MULTIPLE SCLEROSIS, ASTHMA AND RHEUMATOID ARTHRITIS 

13.15 ‐ 13.30 

   

Snack, self‐service bar, poster viewing  13.30 – 15.00 

   

Meeting of  the Genetic  Society  Slovenia  and  announcement of the best lecture and the best poster awards 

15. 00 ‐ 16.00 

   

   

9  

Page 11: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Poster section  10.50 – 11.30 13.30 – 16.00 

Daša Perko  

MEFV GENE MUTATIONS IN CENTRAL AND SOUTH‐EASTERN EUROPEAN COUNTRIES 

 

Martina Planinc  

GENOTYPE BY ENVIRONMENT INTERACTION FOR GROWTH IN ON‐FARM TESTED GILTS 

 

Jernej Bravničar 

CATALOG OF GENETIC VARIABILITY RELATED TO microRNA NETWORK IN TWO FISH SPECIES: Danio rerio AND Tetraodon nigroviridis 

 

Jana Obšteter 

CATALOG OF POLYMORPHISMS ASSOCIATED WITH MICRORNA SILENCING MACHINERY 

 

Aleksandra Šakanović  

ISOLATION AND ACTIVITY OF GENOTOXIN Usp OF BACTERIA  Escherichia coli 

 

Jasmina Beltram  

A MOUSE ATLAS OF TST GENE REGULATORY NETWORK 

 

Matevž Rumpret  

EFFICIENCY  OF  DIFFERENT  DONOR  STRAINS  IN  DELIVERING  THE  ColE7 BASED TOXICITY VIA CONJUGAL TRANSFER 

 

Mateja Zupin 

CHARACTERIZATION OF THE COMMON BEAN (Phaseolus vulgaris L.) PARENT CULTIVARS FOR FURTHER GENOMIC AND TRANSCRIPTOMIC ANALYSES   

 

 

10  

Page 12: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

 

 

 

 

LECTURES  

11  

Page 13: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

 

 

 

SPONSOR LECTURE 

12  

Page 14: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Corresponding author: Erzsebet Csibi, [email protected] 

Sponsor lecture 

PERSONALIZED TEACHING AND LEARNING WITH PEARSON  

Erzsebet Csibi  

Pearson Central Europe, Hungary 

 With  a  range of Higher  Education  learning  solutions,  everything we publish —  from  textbooks  to eLearning programmes — is designed to help students learn and achieve success. We offer products in a variety of formats because we recognise that all learners do not learn in the same way.  Pearson  has  the most widely  trusted  and  respected  programmes  in  educational  and  professional publishing.  Its  imprints,  including  Prentice  Hall,  Financial  Times  Publishing,  Benjamin  Cummings, Addison Wesley,  Allyn&Bacon,  Cisco  Press,  to  name  a  few,  all  stand  for  quality,  consistency  and innovation in education and life‐long learning. Pearson academic textbooks are written by award‐winning (e.g. Nobel Prize) authors, professionals widely recognised around the world. Our  eLearning  and Assessment  solutions, MyLab  and Mastering,  offer  personalised  study  paths, customised teaching resources and powerful results reporting. Our goal is to save educators time and improve students’ learning, understanding and grades. Pearson  Custom  Publishing  allows  you  to  pick  and  choose  content  from  one  or more  texts  and combining it into a bespoke book, unique to your course. To give you an  idea of  the  flexibility and scope of our Custom Textbook Solutions, here are some examples of how  fellow academics across Europe have  successfully utilised our custom  services  in their courses:  

• Selecting  specific  chapters  from  specific  texts  across  all  our  publishing  imprints  and combining them into one bespoke book  

• Combining  a  lecturer's  own  material  with  selected  textbook  chapters,  or  alternatively, published in a separate accompanying booklet  

• Including third party cases and articles that you are keen for your students to read as part of their course  

• Incorporating fully customised websites/media packages to run alongside your custom text  Or any combination of the above! With  the  Pearson  Digital  Bookshelf  we  also  offer  e‐books  for  institutional  purchase  for  your students’ convenience. You school can have everything you need all in one place for one price. If you want your students to have instant and unlimited, anywhere anytime access to e‐books, the Digital Bookshelf is your solution – either with access codes or online purchase. This Digital Bookshelf works effectively on PC, Mac and iPad, too. We can also create your personalized direct‐to‐students website where your students will be able to find the books you require them to read for your school’s program – all in one place. Pearson is proud to cooperate with many universities all around the world. To name a few in Central Europe;  ISM University  of Management  and  Economics  in  Lithuania works  on  our  textbooks  and MyLab programmes.  In Poland Mastering programmes have been  implemented  to Poznan Medical University  and  The  Higher  School  of  Banking  in Wroclaw  supplied  their MBA  students  with  the 

13  

Page 15: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

specific e‐books they need throughout their studies. In Hungary we have already worked on Custom Publishing projects with Corvinus and University of Pannonia. In Slovenia, University of Ljubljana has just completed their new customized book. 

14  

Page 16: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

 

 

 

 

POPULATION 

GENETICS 

15  

Page 17: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Corresponding author: Alberto Pallavicini, [email protected]   

Abstract 

POPULATION GENETICS OF THE CRAYFISH Austropotamobius pallipes COMPLEX IN FRIULI VENEZIA GIULIA (ITALY) 

 Victoria Bertucci, Chiara Manfrin, Paolo Edomi, Piero Giulio Giulianini, Alberto Pallavicini 

 University of Trieste, Department of Life Sciences, Italy 

 The white‐clawed crayfish A. pallipes has suffered in recent decades a strong decrease in the number of individuals throughout its entire distributional range, so much to be included in the red list of the IUCN  (International  Union  for  Conservation  of  Nature)  as  a  species  at  risk  of  extinction.  Several causes led to drastic reduction of the populations of A. pallipes in Friuli Venezia Giulia (FVG) and still represent potential  threats  in  terms of deterioration  and  fragmentation of  the habitat where  the species  lives,  the  spread  of  crayfish  plague  caused  by  the  fungus  Aphanomyces  astaci,  and  the competition with  non‐native  crayfish  species  such  as  the  Louisiana  red  crayfish.  In  the  frame  of RARITY  (http://www.life‐rarity.eu  ) a LIFE+ project  for  the eradication of  the  invasive Louisiana red swamp  and  for  the  preservation  of  the  native white  clawed  crayfish  in  Friuli  Venezia Giulia,  the University of Trieste  is responsible for the genetic characterization of A. pallipes  in the Region FVG with the aim of identify any evolutionarily significant unit (ESU), that is represented by a population which shows a significant differentiation and is characterized by a local ecotype and that is important to treat as a separate management unit and to select the best breeders for the selection of juveniles to be used  in restocking practices  in order to  increase the genetic variability and thus the “genetic health” at the sites of  introduction or reintroduction. The analysis of about 370  individuals from 45 monitored sites showed that the FVG population of crayfish belonging to A. pallipes complex is rather homogeneous, certainly ascribable to the sub‐species A. italicus meridionalis, with the only exception of  the  specimens  from  Val  Rosandra  (TS), which  are  genetically  different  and  are  identified  as  a population of A. italicus carsicus. 

 REFERENCES  1. De Luise G.  I crostacei decapodi d’acqua dolce  in Friuli Venezia Giulia. Recenti acquisizioni sul comportamento e sulla distribuzione nelle acque dolci della Regione. Venti anni di  studi e  ricerche. Ente Tutela Pesca  ‐Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia 2006, 91. 2. Cataudella R, Paolucci M, Delaunay C, Ropiquet A, Hassanin A, Balsamo M et al. Genetic variability of austropotamobius italicus  in  the marches  region:  Implications  for  conservation. Aquatic  Conservation: Marine  and  Freshwater  Ecosystems 2010, 20, 261‐268. 3. Fratini S, Zaccara S, Barbaresi S, Grandjean F, Souty‐Grosset C, Crosa G, e tal. Phylogeography of the threatened crayfish (genus Austropotamobius) in Italy: Implications for its taxonomy and conservation. Heredity 2005, 94, 108‐118. 4.  Stefani  F,  Zaccara  S,  Delmastro GB,  Buscarino M.  The  endangered white‐clawed  crayfish  Austropotamobius  pallipes (Decapoda, Astacidae) east and west of the Maritime Alps: A result of human translocation? Conservation Genetics 2011, 12, 51‐60.       

 

 

 

16  

Page 18: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Barbara Pipan, [email protected] 

Article 

ANALYSIS OF GENETIC STRUCTURE OF Brassica napus L. AND ITS SEXUALLY COMPATIBILE RELATIVES USING POPULATION GENETIC PARAMETERS  

 Barbara Pipan, Jelka Šuštar‐Vozlič, Vladimir Meglič 

 Agricultural institute of Slovenia, Crop Science Department, Slovenia 

 The parameters of population genetics allow the display of the results of genetic analysis of different organisms. The paper describes  the  display  of  important  parameters  of  population  genetics  in  the  analysis  of  the  genetic  structure  of economically important cruciferous species and its sexually compatible relatives according to their biological characteristics through  spontaneous  gene  flow  and uncontrolled  appearance  inside production  area. Analysis of  genetic  structure  and genetic diversity of the Brassica napus L. and its sexually compatible relatives (SKR) was performed on the basis of temporal (four years) and spatial (the entire Slovenian production space) level using microsatellite markers. Reference varieties and forms of B. napus and SKR, which appear in Slovenia, were included in the analysis. Most volunteer and feral populations of B. napus were  collected within  the  regions with  the highest oilseed  rape production.  Feral populations of B. napus are exhibiting characteristics of self‐recruited natural populations. We have also  found that the selected set of microsatellite markers  is suitable  for genetic differentiation of genotypes at  the genus, species, subspecies and variety  level within  the Brassicaceae  family  and  that  the  origin  of microsatellites  or  its  structure  does  not  affect  the  polymorphic  information content. Volunteer and feral populations are genetically more diverse than the reference varieties of B. napus, which are less diverse than gene pool of the reference varieties of SKR. Temporal monitoring of gene flow within volunteer and feral forms of B. napus, B. rapa and S. arvensis shows that the settlement and conservation of gene flow in those self‐recruited genomes, via spontaneous intra‐and inter‐specific hybridizations in nature, is possible. Genotyping of B. napus and its SKR within  the  family  Brassicaceae,  based  on  codominant  input matrix  on  diploid  level  are  appropriate, which  allows  the calculation of estimates of gene flow and the conservation of genes via spontaneous pollination in nature.  

 

INTRODUCTION  

  Brassica napus L. is a widely cultivated plant species which belongs to the diverse cruciferous family  (Brassicaceae).  The  species  is  divided  into  two  subspecies  groups.  The  first  group  includes swedes (B. napus ssp. napobrassica), the second one includes winter and spring B. napus ssp. napus forms which are used for oil production or fodder 1. B. napus originated through spontaneous inter‐specific  hybridisation  (followed  by  polyploidisation)  between  turnip  rape  (B.  rapa  L.;  genome AA, 2n=20)  and  cabbage  (B.  oleracea  L.;  genome  CC,  2n=18),  resulting  in  alotetraploid  genome comprising  the  full  chromosome  complements  of  its  two  progenitors  2. Due  to  the  variable  out‐crossing  rate,  intra‐specific  gene  flow  between  B.  napus  plants  from  different  habitats  in  nature (crop, volunteers inside and feral populations outside the cultivated area) may occur. Pollination of B. napus is also possible with its sexually compatible relatives (SKR) from the other genera and species of the Brassicaceae family (inter‐specific hybridization). The highest pollination affinity to B. napus in Slovenia has especially B. nigra L., B. rapa (B. campestris L.), B. oleracea, Diplotaxis muralis (L.) DC., Diplotaxis tenuifolia (L.) DC., Sinapis alba L., Sinapis arvensis L. (B. kaber (D) LC. Wheeler), Raphanus raphanistrum L., Raphanus sativus L. and Rapistrum rugosum  (L.) All. Their naturally present  forms inside  production  areas  can  enable  gene  flow  through  spontaneous  intra‐  and  inter‐specific hybridization  in  nature  due  to  simultaneous  fulfillment  of  the  factors  that  determine  the  pollen transfer. There is also possibility of introduction of genetically modified (GM) genotypes of B. napus 

17  

Page 19: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

into Slovenian production area, which would result  in new sources of transgenes with a pollinating potential 3. Molecular markers, microsatellite markers or SSR's (Simple Sequence Repeats) could be used to analyse the genetic profiles and changes in the allelic structure of the genotypes on the DNA level  on  the  basis  of  spatial  and  temporal  component.  The  comparable  studies  according  to  its methodology  and  aim were published  by  Elling  et  al.  (2009)  4, Hassan  et  al.  (2006  5,  2008  6)  and Pascher  et  al.  (2006  7,  2010  8).  The  aim  of  this  paper  is  based  on  the  parameters  of  population genetics, which were  calculated with  different  computer  programs;  to  give  a  comparison  of  the genetic structure of different  forms of B. napus and  it’s SKR under Slovenian production area. The calculated  parameters were  used  to  evaluate  genetic  diversity,  the  level  of  gene  flow  rate,  allele diversity,  settlement  of  the  transferred  genes  through  spontaneous  pollination  in  nature,  out‐crossing rate, characteristics of natural populations, the suitability of marker system and processing of  the  results.  This  paper  presents  an  integrated  workflow  of  spatial  identification  of  sampling locations,  field  survey  in  a  four‐year  period  (2007‐2010),  the  acquisition  of  reference material  of included  species,  extraction  of  DNA  from  plant  material,  analysis  of  genetic  structure  using microsatellite markers,  processing  results  on  the  diploid  (2n)  and  tetraploid  (4n)  level,  statistical analysis and presentation of results.   

METHODS    We have predicted occurrence of different B. napus and its SKR forms from different habitats within  the  region, where  oilseed  rape  is widely  cultivated,  at  the  transport  infrastructure  and  on locations with uncontrolled movements, loading and unloading and distribution of rape seed. During the  flowering  time of oilseed  rape, a  field survey within Slovenian production area was performed from 2007 to 2010 and young leaves of B. napus and its SKR were sampled. In addition, we collected in  2008  the  seed  samples  of  harvested  oilseed  rape  from  various  producers.  Information  and reference seeds from B. napus varieties, which were grown in the period of 1984 to 2010 in Slovenia and  reference SKS varieties  that occur  in our  country, were acquired  through various  sources and national gene banks. From acquired seeds of reference material, we raised young plants. Bulks were prepared from plant material and subsequently DNA was isolated. For genetic identification, we used microsatellite markers, with different structures and repeat motifs isolated from related species 9, 10, 11,  12,  13.  To  analyze  the  genetic diversity of  SKS  reference  genotypes using PCR  (polymerase  chain reaction) procedure, 15 loci from the set of 45 were included. PCR amplification was performed in a 11.5 µl total volume after 4 different touchdown PCR protocols with optimal temperature settings for each  pair  of  primers,  which  were  in  the  process  of  synthesis  modified  with  18‐bp  M13  (‐21) sequence. Using bulked post‐PCR products  (three  fluorescent  labels  FAM, HEX  and NED) we have determined the exact allele lengths on the basis of fragment analysis using length standard, ROX‐350 (ABI) and  the ABI3130 genetic analyzer  (ABI). Reading of  the  results on  the diploid and  tetraploid level was performed by GenScan4.0 (ABI). Processing and presentation of the genetic analysis results on diploid and tetraploid level was carried out in various statistical software packages and programs for  the  evaluation  of  genetic  diversity  and  population  structure  (Arlequin  3.5.1.2  (Excoffier  and Lischer, 2010)  14, FreeTree  (Pavlicek et al., 1999)  15,  Fstat 2.9.3.2  (Goudet, 2002)  16, GenAlEx 6.4.1 (Peakall and Smouse, 2006) 17 , GenePop 4.1.0 (Rousset, 2008) 18 , Genetix 4.02 (Belkhir et al., 1999) 19,  Identity 1.0  (Wagner and Sefc, 1999) 20, Microsatellite Toolkit  (Park, 2001) 21, Populations 1.2.28 (Langella, 2002) 22, Structure 2.3.3 (Pitchard e tal., 2009) 23  and TreeView (Page, 1996) 24 ). 

18  

Page 20: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

RESULTS    Field  survey  of  B.  napus  forms  around  Slovenia  in  the  period  2007‐2010  resulted  in  19 cultivars, 66 samples of volunteers, and 195 samples of feral populations, which  includes a total of 280 samples (sites). Acquired reference samples of B. napus included 56 varieties of B. napus subsp. napus in three repetitions, two varieties of the B. napus subsp. napobrassica;  in total 170 reference genotypes of B. napus. During  the  field  survey, we have collected 22  samples of S. arvensis and 4 samples of B. rapa, representing 26 samples of B. napus SKR. Acquired reference samples of B. napus SKR included 10 different species and genera of the Brassicaceae family, which appear in Slovenia as cultivated, weedy  or wild;  a  total  of  22  genotypes.  Since  the  area  of  Slovenia  is  divided  into  12 statistical regions, we have collected samples during field survey within gorenjska, notranjsko‐kraška, obalno‐kraška, osrednjeslovenska, podravska, pomurska,  savinjska,  spodnjeposavska, zasavska, and jugovzhodna  Slovenia  region, while  goriška  and  koroška  region were  excluded  due  to  the  lack  of appropriate samples. The highest number of samples of volunteer and feral populations during the four‐year period was found  inside regions where oilseed rape  is grown  in  its highest extent. On the basis of the collected and acquired samples (reference from the period 1984‐2010 and from the field survey during  the 2007‐2010)  inside  Slovenian production area, we preformed  the analysis of  the genetic  structure  of  498  different  genotypes  in  total.  From  these,  468  were  analyzed  using  45 different markers and 30 using 15 different markers  that were proved  to be  the most  informative and optimal  for  the evaluation of genetic diversity and  relatedness within  the Brassicaceae  in  the preliminary  analysis.  Statistical  analysis  was  performed  using  11  computer  programs,  producing different population genetics parameters which were used to obtain useful results and  informative estimations  reflecting  the  actual pollinating  relations of B. napus  and  its  SKR within Brassicaceae. (Table 1). 

Program/Program package  Parameter/estimation /result  

Microsatellite Toolkit, Identity   Evaluation of parameters of genetic variability. Fstat   Level of genetic diversity. GenAlEx   Population statistics, estimation and settlement of gene flow, principal 

coordinate analysis (PCoA), analysis of genetic and geographic distance and comparison between parameters of the genetic diversity on 2n and 4n level with Mantel test. 

GenePop   Estimation of gene flow frequency. Genetix   Factorial correspondence analysis (FCA). Arlequin   Analysis of molecular variance (AMOVA). Populations, FreeTree  Hierarchic cluster analysis based on genetic distance and bootstrapping.  TreeView  Visualization the phylogenetic trees. Structure  Determination of the genetic structure and real number of genetic clusters 

according to Bayesian approach on 2n and 4n level. 

Table 1: Computer programs and program packages used  in  the analysis of  the genetic structure  through parameters of population genetic. 

The summary of significant points included in population genetics is presented in Table 2 due to the complex  results  of  the  analysis.  Each  parameter  is  described  using  levels  1  to  5,  based  on  the calculated values obtained by each group of B. napus and its SKR genotypes. 

 

 

19  

Page 21: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

Parameter/ appeared form 

Reference varieties of B. napus 

Volunteers of B. napus 

Feral populations of B. napus 

Reference varieties of SKR 

Genotypes of SKR from field survey (B. rapa in S. arvensis) 

Origin and structure of microsatellite marker 

We found that either the origin of microsatellites (from which species is isolated) or its structure (repeat motif), could not affect its informational content. 

Genetic diversity   2  3  4  1  5 Gene flow (frequency Na>5 %)  2  4  3  1  5 Allelic diversity  2  5  4  1  3 Estimation of gene flow settlement (Np) 

3  2  5  1  4 

Estimation level of spontaneous gene flow (F) 

2  3  4  1  5 

Out‐crossing rate  /  3  5  /  4 Natural populations characteristics (HWE) 

1  3  4  1  5 

Analysis based on codominant matrix on 2n level  

4  4  4  4  4 

Analysis based on binary matrix on 4n level 

3  3  3  3  3 

Analysis based on codominant matrix on 4n level 

5  5  5  5  5 

Analysis based on binary matrix on 2n level 

2  2  2  2  2 

Table 2: Evaluation of genetic diversity on different levels of B. napus and its SKR. Classification of each group of genotypes according to the calculated value of results is labelled with levels, where 1‐ is the lowest and 5‐ is the highest value for each parameter. Label / is used in cases where calculated value is not present or relevant. 

 We have found that the selected set of microsatellite markers is suitable for distinguishing genotypes at  the  level of  the same genus, species, subspecies and varieties within Brassicaceae, and  that  the origin of microsatellites or its structure does not affect its informational content. Volunteer and feral populations  are  genetically more  diverse  than  the  reference  varieties  of B.  napus, which  are  less genetically diverse than the reference varieties of SKR. Temporal monitoring of gene flow within the volunteers  and  ferals  of B.  napus  and  its  SKR  species  from  field  survey  (B.  rapa  and  S.  arvensis), shows that the settlement and preservation of the transferred genes in self‐recruited plant genomes through spontaneous intra‐and interspecies pollination in nature, is possible. The Mantel coefficient of genetic and geographic distances between genotypes from the field survey shows that within the same region in Slovenia appear genetically more similar genotypes, implying that they can pollinate each other and are self‐recruited through generations. Settlement of gene flow through spontaneous pollination of B. napus over time explains the parameter Np (number of private alleles). The highest Np value was calculated within feral populations, followed by volunteers while the  lowest Np value was calculated within cultivated B. napus. The highest  level of spontaneous hybridization  in nature occurs  within  feral  populations  that  exposed  intra‐  and  inter‐specific  pollination  for  a  longer temporal  period,  reflected  in  highest  positive  value  of  the  fixation  index  (F).  Lower  F  value was calculated within volunteers, the lowest, while a negative value has been calculated within cultivated B. napus,  suggesting a  limited breeding  selection,  since  these genotypes are  included  in  reference gene pool of varieties grown in Slovenia. Was also calculated that volunteer and feral populations do have not meet Hardy‐Weinberg equilibrium (HWE) conditions (p < 0.05), corresponding to definition 

20  

Page 22: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

of natural populations  for any of  the  loci. Genotyping of B. napus and  its SKR within Brassicaceae, based on codominant input matrices on the 2n level is appropriate, since it allows the calculation of the important and useful parameters of population genetics (estimates of the gene flow, settlement) and potential for out‐crossing (out‐crossing rate) through spontaneous hybridizations in nature.   

DISCUSSION    Analysis of genetic diversity and gene  flow of B. napus and  its SKRs was performed at  the national  level,  where  the  samples  from  the  whole  production  area  of  Slovenia  during  four‐year period, were  included.  Comparable  studies  from  other  countries  covered  only  a  specified  region (Pascher  et  al.,  2006,  2010)  7,8.  From  all  the  SKR's  of  B.  napus  occurring  in  Slovenia  during  the flowering season  (when the plants could be easily  identified and determined), only species B. rapa and S. arvensis were found. It is well known that these two types of weedy species are widely present within the production areas originated also  from the soil seed bank and are  flowering at  the same time as B. napus. Since this study covers the reference as well as naturally present forms of B. napus and  its SKRs during  the  four‐year period,  the  results  reflect  the actual situation and persistence of these  plants within  Slovenian  production  area.  Spatial  and  temporal  component  during  four‐year period and  the  involvement of 80  reference varieties of B. napus and  its SKRs actually  reflects  the genetic diversity at the national level which has not been published yet in any of the studies.    The results of this analysis are also a reflection of the actual situation, where the possibility of spontaneous  pollination  occurring  in  nature  exists. Moreover,  in  other  studies,  the  genetic  and geographic distances between genotypes from filed surveys were evaluated using a small number of microsatellite markers (five and nine), that originated only from B. napus, while markers from SKR's were  not  included  in  the  analysis.  Results  are  presented  only  on  the  basis  of  annual  genetic identification, where  reference  varieties of B. napus,  grown  from  the  selected  region  in  last  four‐years, were included. Their aim was to identify the origin of B. napus feral populations without inter‐specific gene flow possibility (Pascher et al. 2006, 2010) 7,8. Our analysis includes reference varieties of B. napus which were  cultivated  in  Slovenia over  the  last 36  years, except  for  varieties  'Petrol', 'Danica'  and  'Zora'  (seeds  are  not  available  any more)  and  reference  varieties  of  SKR's  that were found  during  this  period  or  occur  as weedy  or  wild  species  in  Slovenia.  None  of  these  studies, however, did not  include  the vegetable  forms of B. napus  (Elling et al. 2009, Hasan et al. 2006) 4,5. The  results  of  two  other  studies  (Pascher  et  al.  2006,  2010)  7,8  were  presented  on  the  basis  of codominant  input matrices on 2n  level. The study published by Elling et al. (2009), was also carried out  in  a  four‐year  period  (2004‐2007)  using  four microsatellite markers  (three  of  these  are  also included  in  our  analysis),  and  isolated  only  from  B.  napus  structured  by GA  repeat motif.  Those results were  presented  on  the  basis  of  binary  input matrix. Our  study  includes  the microsatellite markers which originated  from different  species of  SKRs  and were used  for  genetic  identification through binary and codominant input matrices on 2n and 4n level. Moreover, our analysis also covers the  SKRs occurring  in nature  as weedy or wild  species. Their presence within  the  cultivation  area consequently  enables  the  introduction  of  new  alleles  in  genomes  of  feral  B.  napus  through spontaneous pollination (Pipan et al. 2013) 3, which has been proved by the highest Np and F values within feral B. napus. Higher genetic diversity within feral populations compared to the commercial varieties was found as well by Pascher et al. (2010) 8. Until now, there was no objective comparison of  informativity and  suitability of different data processing ways within Brassicaceae, according  to 

21  

Page 23: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

binary or codominant matrices and different ploidy  levels. Moreover, main part of our results were obtained on  the basis of codominant  input data on 2n  level because  this approach  represents  the optimal and most efficient output between ploidy  level of Brassicaceae species and bioinformatics computer programs support for genetic structure analysis using parameters of population genetics. In addition, we performed the Mantel comparison of the Bayesian cluster analysis using codominant input matrix at 4n level with the binary input matrix at 4n level and with codominant input matrix at 2n  level. Such a comparison gave an objective assessment of  the  two approaches most commonly used  in  the  genetic  diversity  studies  of  B.  napus with  the  parameters  of  population  genetics  for Brassicaceae. There we have observed difference between binary and codominant data processing, where codominant approach allows the calculation of the agronomically and ecologically  important population  genetics  parameters  (estimation  level  of  spontaneous  gene  flow,  out‐crossing  rate, estimation of gene flow settlement), which  is not possible using binary data processing. As a result we  have  obtained  informative  parameters  as  an  outcome  from  appropriate  data  reading  and statistical  processing  (genetic  origin  of  included  species  form  Brassicaceae,  four‐year  period  field survey,  wide  range  of  reference  genotypes  included,  spatial  assessment  on  the  national  level, codominant  input matrix and suitable usage of available bioinformatics computer programs) which enables to assess and analyze the actual situation in the Slovenian production area.  

REFERENCES 1. Snowdon R, Lühs W, Friedt W. Genome Mapping and Molecular Breeding in Plants. In: Oilseeds, Volume 2. Kole C (ed.). The Pennsylvania State University, Springer‐Verlag Berlin Heidelberg 2007, 55‐114.  2.  Friedt W,  Snowdon R. Oil  crops, Handbook of Plant Breeding  4.  In: Oilseed  rape. Vollman  J, Rajcan  I  (eds.). Giessen, Springer Science+Business Media 2009, 91‐126.  3.  Pipan  B,  Šuštar‐Vozlič  J, Meglič  V.  Genetic  differentiation  among  sexually  compatible  relatives  of  Brassica  napus  L. Genetika 2013, 45, in press. 4. Elling B, Neuffer B, Bleeker W. Sources of genetic diversity  in feral oilseed rape (Brassica napus) populations. Basic and Applied Ecology 2009, 10, 544–553. 5. Hasan M, Seyis F, Badani AG, Pons‐Kühnemann  J, Friedt W, Lühs W et al. Analysis of genetic diversity  in  the Brassica napus L. gene pool using SSR markers. Genetic Resources and Crop Evolution 2006, 53, 793–802. 6. Hasan M, Friedt W, Pons‐Kühnemann J, Freitag NM, Link K, Snowdon RJ. Association of gene‐linked SSR markers to seed glucosinolate content in oilseed rape (Brassica napus ssp. napus). Theoretical Applied Genetics 2008, 116, 1035–1049. 7. Pascher K, Narendja F, Rau D. Feral Oilseed Rape‐Investigations on its Potential Hybridisation. Viena, Federal Ministry of Health and Women 2006, 56 pp.  8. Pascher K, Macalka S, Rau D, Gollman G, Reiner H, Glössl J et al. Molecular differentiation of commercial varieties and feral populations of oilseed rape (Brassica napus L.). BMC Evolutinary Biology 2010, 10, 63.  9.  Lowe AJ, Moule C, Trick M,  Edwards KJ. Efficient  large‐scale development of microsatellites  for marker and mapping applications in Brassica crop species. Theoretical Applied Genetics 2004, 108, 1103–1112. 10. Szewc‐McFadden AK, Kresovich S, Bliek SM, Mitchell SE, McFerson JR. Identification of polymorphic, conserved simple sequence repeats (SSRs) in cultivated Brassica species. Teheoretical Applied Genetics 1996, 93, 534–538.  11. Uzanova M I, Ecke W. Abundance, polymorphism and genetic mapping of microsatellites  in oilseed rape (B. napus L.). Plant Breeding 199, 118, 323–236. 12. Suwabe K, Iketani H, Nunome T, Kage T. Isolation and characterization of microsatellites in B. rapa. Theoretical Applied Genetics 2002, 104, 1092–1098. 13. Wang N, Hu J, Ohsawa R, Ohta M, Fujimura T. Identification and characterization of microsatellite markers derived from expressed sequence tags (ESTs) of raTdish (Raphanus satvius L.). Molecular Ecology Notes 2007, 7, 503–506. 14. Excoffier L, Lischer H. Arlequin suite ver 3.5: a new series of programs to perform population genetics analyses under Linux and Windows. Molecular Ecology Resources 2010, 10, 564–567. 15. Pavlicek A, Hrda S, Flegr J. FreeTree ‐ Freeware program for construction of phylogenetic trees on the basis of distance data and bootstrap/jackknife analysis of the tree robustness. Application in the RAPD analysis of the genus Frenkelia. Folia Biologica (Praha) 1999, 45, 97–99. 

22  

Page 24: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

16.  Goudet  J.  FSTAT:  a  program  to  estimate  and  test  gene  diversities  and  fixation  indices.  Version  2.9.3.2.  Lausanne, Institute of Ecology and Evolution, 2 pp. 2002, http://www.unil.ch/izea/softwares/fstat.html (February 2012). 17.  Peakall  R,  Smouse  PE. GenAlEx  6:  genetic  analysis  in  Excel.  Population  genetic  software  for  teaching  and  research. Molecular Ecology Notes 2006, 6, 288–295. 18. Rousset F. Genepop 4.1.0: a complete reimplementation of the Genepop software for Windows and Linux. Molecular Ecology Resources 2008, 8, 103–106. 19. Belkhir K, Borsa P, Goudet J, Bonhomme F. Genetix:  logicel sousWindows pour  la génétique des populations, Version 4.02.  Université  de  Montpellier  II,  Laboratorie  Genome,  Populations,  Interactions,  1  p.  1999,  http://kimura.univ‐montp2.fr/genetix/ (January 2012). 20. Wagner HW, Sefc KM. IDENTITY4.0. Centre for Applied Genetics, University of Agricultural Sciences Vienna, 1999. 21. Park S. Microsatellite Toolkit. Ireland, Genetics Department TCD, 1 pp. 2001, http://oscar.gen.tcd.ie/sdepark/ms‐toolkit (January 2012). 22.  Langella O. Population 1.2.28.  Logiciel de ge´ne´tique des populations. Boston,  Laboratoire Populations, 6 pp. 2002, http://bioinformatics.org/~tryphon/populations/ (January 2012). 23.  Pritchard  JK,  Wen  X,  Falush  D.  STRUCTURE  ver.  2.3  Chicago,  University  of  Chicago,  38  pp.  2009, http://pritch.bsd.uchicago.edu/ (January 2012). 24. Page R D M. TREEVIEW: an application to display phylogenetic trees on personal computers. Computer Applications in the Biosciences 1996, 12, 357–358. 

23  

Page 25: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

  

 

 

 

 

 

GENOMICS  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24  

Page 26: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Corresponding author: Alberto Pallavicini, [email protected] Abstract 

 

CRUSTACEAN TRANSCRIPTOMIC: NEW INSIGHTS DRIVEN BY THE NEXT GENERATION SEQUENCING 

 Chiara Manfrin1, Moshe Tom2, Gianluca De Moro1, Marco Gerdol1, Alberto Pallavicini1, Piero Giulio 

Giulianini1  

1University of Trieste, Department of Life Sciences, Italy 2Israel Oceanographic and Limnological Research Center, Israel 

 The use of emerging techniques, such as the Next Generation Sequencing (NGS), permits the 

detailed  study of  transcriptomes, genomes and  the analysis of gene expression,  thus obtaining an amount of data not comparable with any of the methods applied before and allowing to go deeper in the collection of information of previously unknown processes1.  

An  important  family  of  neurohormones  typical  of  crustaceans,  the  cHH  superfamily (crustacean  Hyperglycemic  Hormone),  that  presides  important  vital  functions  as  osmoregulation, control  of  glucose  level,  molt  and  reproduction,  has  been  studied  in  two  decapod  species, Pontastacus leptodactylus and Procambarus clarkii. The first one is a species native of eastern Europe and western Asia,  important under the commercial point of view, while the second one, originating from  the Louisiana Country,  is nowadays considered as an  invasive species around  the world, very difficult to control through the available trapping techniques. By an administration experiment of the same cHH hormone, in two different isomeric variants the L‐ and D‐ configurations, we evaluated the effects  at  the  transcriptomic  level  in  the  hepatopancreas  of  P.  leptodactylus  by  RNA  seq2.  We observed  a  significant  suppression  of  glycolysis  in  specimens  injected  with  D‐cHH  that  could  be directly  linked to the  increase of glucose  level obtained after the cHH‐injection. In P.clarkii,  instead, we created the first reference database of the eyestalk transcriptome, site of production of several neurohormones,  light  receptors  and many  other  important molecules,  significantly  increasing  the nucleotide  information  for  the  genus  Procambarus  through  Illumina  sequencing.  This  study  was undertaken in order to obtain the full length of some hormones, including the GIH (Gonad Inhibiting Hormone)  that could be used  in experimental  studies  for negatively  influence  the development of further generations, so as to reduce the number of progeny of this species that every year threatens the population of autochthon crayfish.  Work in part supported by the European Community programme Life 10NAT/IT/000239 RARITY. 

 REFERENCES 1. Morozova O, Marra MA.  Applications  of  next‐generation  sequencing  technologies  in  functional  genomics. Genomics 2008, 92, 255‐264. 2. Manfrin C,  Tom M, De Moro G, Gerdol M, Guarnaccia C, Mosco A  et  al. Application  of D‐Crustacean Hyperglycemic Hormone  Induces  Peptidases  Transcription  and  Suppresses Glycolysis‐Related  Transcripts  in  the Hepatopancreas  of  the Crayfish Pontastacus leptodactylus ‐ Results of a Transcriptomic Study. PLoS ONE 2013, 8, e65176.      

 

25  

Page 27: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Sabina Ott, [email protected]

Abstract 

 

DEVELOPMENT OF A CENTRAL WEBSITE FOR RESEARCH OF FRACTAL GEOMETRY IN MEDICINE AND MOLECULAR BIOLOGY 

 Sabina Ott1, Minja Zorc2, Tanja Kunej2 

 1University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Study of Biotechnology, Slovenia 

2University of Ljubljana, Biotechnical faculty, Department of Animal Science, Slovenia 

  

Up  to  now,  Euclidian  geometry, which  is  based  on whole  dimensions,  has  conventionally been used  to  explain  the  structure of  selected  shapes1. However, nature  is based on  fractions of dimensions and shows a different  level of complexity. Therefore a new geometry based on fractals has  been  proposed,  termed  fractal  geometry  2.  Fractals  have  typical  characteristics  such  as  self‐similarity  and  symmetry.  Numerous  researches  have  been  conducted  to  prove  the  statistic  or symmetric self ‐ similarity of every hierarchic level of a human being2. The researches indirectly form a hypothesis  that all hierarchic  levels of  the human being, even hierarchic  levels, greater  than  the human being, are connected into a self‐organizing system through the same mathematical algorithm. However,  the  indirect  hypothesis  has  not  yet  been  proven  as  the  literature  regarding  fractal geometry of biological systems is unorganized and dispersed  

The aim of our study was therefore to develop a central website with relevant information to aid  the  research of  fractal geometry  in medicine and molecular biology. The web page consists of three  types  of  information:  1)  collected  and  systematically  reviewed  literature  regarding  fractal geometry  in medicine  and molecular  biology  and  sorted  to  categories  from molecules  to  organ systems, 2) a list of journals, which published papers related to this topics and 3) a list of software for studying fractals. 

By  providing  a  critical  overview  of  the  literature  regarding  fractal  geometry, we  aimed  to provide a basis  for  the conformation of  the hypothesis. Also, by constructing a central website  for global research of fractal geometry our goal was to provide a unified information center for scientists to further investigate the field. The website will open a new perspective in studying fractal geometry of biological systems and  introduce a new, systems approach of studying the field, a “fractalomics” approach3.  

REFERENCES 1. Lipton B. The biology of Belief: Unleashing the Power of Consciousness, Matter and Miracles, 1 ed. Hay House UK 2008. 2. Mandelbrot BB. Fractal geometry of nature, 1 ed. W.H. Freeman and company 1977. 3. Losa GA. The fractal geometry of life. Rev biol. 2009, 102, 29‐59.      

 

26  

Page 28: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Žiga Strmšek, [email protected] 

Abstract 

 

ATLAS OF miR‐34 GENE FAMILY REGULATORY NETWORK AND ITS THERAPEUTICAL POTENTIAL 

 Žiga Strmšek, Daša Jevšinek Skok, Tanja Kunej 

 University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Animal Science, Slovenia 

  

MicroRNAs  (miRNAs) are estimated  to  regulate approximately  two  thirds of human genes, and are  involved  in  regulation of physiological processes and pathophysiology of  several diseases, including cancer. This gives miRNAs the biomarker potential  in diagnosis, prognosis, and treatment. Aberrant miRNA  gene  expression  signatures  (either  up‐  or  down‐regulated)  are  characteristic  in cancer  cells  and  can also be explained by epigenetic mechanisms which has been  the  topic of an increasing  number  of  publications.  Therefore,  the  aim  of  this  study  was  to  integrate  data  from publications  and  databases  regarding  miRNA  silencing  by  DNA  methylation  and  thus  facilitate biomarker  and  therapeutic  development.  The  study  revealed  that  among  2578  currently  known human mature miRNAs  and 158  known  to be  regulated by DNA methylation, miR‐34  gene  family (miR‐34a, ‐34b, and ‐34c) is silenced by DNA methylation in the highest number of cancer types (24). Consequently we  focused  the  research on miR‐34 gene  family and developed  the Atlas of miR‐34 gene  family  regulatory  network,  consisting  of:  1.)  its  genetic  variability,  and  overlapping QTL,  2.) upstream regulators (transcription factor binding sites (TFBSs)) and CpG islands and 3.) downstream targets.  The  results  indicate  that miR‐34  gene  family  is  a  good  candidate  for  the  experimental internal control  in epigenetic studies, has a potential as a general cancer biomarker and  target  for epigenetic drugs. 

              

27  

Page 29: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

      

BIOTECHNOLOGY  

28  

Page 30: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Jernej Pavšič, [email protected] 

Abstract 

__________________________________________________________________________________ 

COMPARISON OF DNA EXTRACTION METHODS FOR QUANTIFICATION OF HUMAN CYTOMEGALOVIRUS BY qPCR 

 Jernej Pavšič, Mojca Milavec, Ion Gutierrez Aguirre, Jana Žel 

 National Institute of Biology, Ljubljana, Slovenia 

  

Infectious diseases are still one of the mayor health problems, causing 20 % of human deaths globally. Methods  for  rapid and accurate monitoring of microbial kinetics are  important  for public health  protection.  In  hospitals  and  clinics,  the  conventional  microbiological  methods  are  being complemented  by  molecular  approaches,  which  are  fast,  accurate  and  offer  higher  level  of sensitivity. However, measurement support for molecular approaches is still not provided, as quality, comparability and traceability of measurements haven’t been assessed yet. The international project INFECT MET  is  focused  on metrology  for monitoring  infectious  diseases,  harmful  organisms  and antimicrobial  resistance.  NIB  is  strongly  involved  in  providing  the  measurement  support  for quantification of DNA viruses, which is one of the main project’s goals. Attention is put on different DNA  extraction  methods,  as  they  are  supposed  to  significantly  contribute  to  variabilities  of quantification assays. Repeatability and efficiency assessments were done on two open methods and three commercial kits. The extraction methods were evaluated using several concentrations of two different standard materials, each being extracted from two different matrices. The use of different matrices  was  shown  to  influence  the  extraction  of  DNA,  when  some  commercial  kits  are  used. Commercial kits proved to be better than open methods  in terms of efficiency and repeatability, as they extracted at  least 5x more DNA and showed  lower  inter‐ and  intra‐assay variability than open methods. Despite their dominant performance over open methods, their relatively low repeatability must be always taken into account, when quantification with molecular methods is performed. 

29  

Page 31: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Tine Pokorn, [email protected]‐lj.si 

Abstract 

 

IDENTIFICATION OF TARGETS FOR VIROID DERIVED SMALL RNAS (vd‐sRNA) IN HOPS  

Tine Pokorn1, Sebastjan Radišek2, Branka Javornik1, Jernej Jakše1  

1University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department for Agronomy, Slovenia 2Slovenian Institute for Hop Growing and Brewing, Slovenia 

  Major plant pathogens belong to fungi, bacteria, phytoplasmas, viruses and viroids. Most studies are focused on  interactions between plants and  fungi, bacteria or viruses, while  interactions between viroids  and  plants  are  still  poorly  understood.  Recent  studies  have  shown  that  a  viroid‐plant interaction also  involves viroid derived small RNAs  (vd‐sRNA). Four viroids are known to  infect hop plants:  hop  latent  viroid  (HLVd),  hop  stunt  viroid  (HSVd),  citrus  bark  cracking  viroid  (CBCVd)  and apple fruit crinkle viroid (AFCVd). In order to  investigate the role of vd‐sRNA  in the  interaction with hop plants, de novo  reconstruction of hop  transcriptome and a  search  for possible  targets  for vd‐sRNAs was undertaken. Various hop tissues of healthy and infected plants were sampled throughout the growing season  in  the Slovenian  Institute  for Hop Growing and Brewing hop  fields, RNAs were isolated  and  their  quantity  and  quality  determined  by  spectrophotometry,  formaldehyde  gel electrophoresis and Agilent's  run. An RNA bulk  sample was made  from healthy plants and  sent  to Illumina sequencing using a paired–end module. We received a total of 348 M sequences in forward and reverse directions. FastQC analysis confirmed the suitability of the received data. Transcriptome assembly with bubble size 50 and word size 24 was performed using the CLC Genomics Server. The assembled  transcriptome  length was 74 Mb,  represented by 140.443  scaffolds with N50  length of 984 bp. RNA molecules for three different viroids (HLVd, CBCVd and HSVd) were cut to all possible 21 bp, 22 bp and 24 bp sequences, which were searched against the transcriptome using two different tools: UEA Small RNA Workbench and psRNATarget. Both tools revealed 11.241 possible targets for vd‐sRNA of which 898  targets were  in  common. The  targets were annotated using  the BLAST2GO tool. Further work will include reverse transcriptase real time PCR (RT‐qPCR) analysis to confirm the silencing of the target transcription by vd‐sRNAs. 

30  

Page 32: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

 

 

 

 

MOLECULAR BASIS OF DISEASES  

 

31  

Page 33: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Marko Flajšman, [email protected]‐lj.si 

Abstract 

 

DEVELOPMENT OF A TRANSFORMATION SYSTEM FOR GENE KNOCK‐OUT IN VERTICILLIUM ALBO‐ATRUM AND TESTING KNOCK‐OUT VIRULENCE ON NICOTIANA BENTHAMIANA 

 Marko Flajšman, Stanislav Mandelc, Branka Javornik 

 University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Agronomy Department, Jamnikarjeva 101, Ljubljana SI‐1000, Slovenia 

  The  knock‐out  (KO)  technique  is  a  reverse  genetic  tool  for  functional  analysis  of  various phytopathogens.  The  genome  of  Verticillium  albo‐atrum, which  is  a  destructive  soil‐borne  fungal pathogen  that  causes  vascular wilt  diseases,  has  already  been  sequenced.  Translation  of  genome sequence  information  into biological  functions  is  therefore possible. We  successfully established a protocol for generating knock‐outs of V. albo‐atrum, which comprises two methods. The first  is the creation of knock‐out plasmids by the USER Friendly cloning technique. Two knock‐out plasmids for two genes  (EEY18971 V. albo‐atrum predicted protein, found to be highly expressed at the protein level in the xylem of infected hop plants, and the g9697gene, found to be highly expressed in xylem simulating medium), were constructed. The second method is transformation of the fungal pathogen by  Agrobacterium  tumefaciens‐mediated  transformation  (ATMT).  V.  albo‐atrum  knock‐out transformants were verified by PCR  testing, which  confirmed  that deletion of  the  target gene had been  successful.  Three‐week‐old  Nicotiana  benthamiana  plants  were  inoculated  through  root‐dipping  in a conidial suspension of KO trasformants and preliminary results show that knock‐out of gene EEY18971 even  increase virulence of KO  transformants. On  the other hand, knock‐out of  the g9697gene has no effect on the virulence of the KO transformants. A major advantage of gene knock‐out  is  its  capacity  to  target a  specific  genetic  region. Using  targeted gene disruption, many genes implicated  in  the  virulence  and  pathogenicity  of  the  phytopathogen  V.  albo‐atrum  can  be characterized.  REFERENCES 1.  Bhadauria  V,  Banniza  S,  Wei  Y,  Peng  YL.  Reverse  genetics  for  functional  genomics  of phytopathogenic fungi and Ooomycetes. Comparative and Functional Genomics 2009, e380719. 2. Fradin EF, Thomma BPHJ. Physiology and molecular aspects of Verticillium wilt diseases caused by V. dahliae and V. albo‐atrum. Molecular Plant Pathology 2006, 7, 71–86. 3.  Frandsen  RJN,  Andersson  JA,  Kristensen MB,  Giese  H.  Efficient  four  fragment  cloning  for  the construction of vectors for targeted gene replacement  in filamentous fungi. BMC Molecular Biology 2008, 9, 70‐81. 4. Knight CJ, Bailey AM, Foster GD. Agrobacterium‐mediated transformation of the plant pathogenic fungus, Verticillium albo‐atrum. Journal of Plant Pathology 2009, 91, 745–750.    

32  

Page 34: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Corresponding author: Alberto Pallavicini, [email protected] 

Abstract 

 

DE NOVO DISCOVERY OF ANTIMICROBIAL PEPTIDES FROM INVERTEBRATE TRANSCRIPTOMES 

 Marco Gerdol1, Gianluca De Moro1, Gabriele Leoni1, Valentina Torboli1, Chiara Manfrin1, Paola 

Venier2, Alberto Pallavicini1  

1University of Trieste, Department of Life Sciences, Italy 2University of Padova, Department of Biology, Italy 

  The  innate defense systems of aquatic  invertebrates  include antimicrobial peptides  (AMPs), usually small,  positively  charged  molecules  effective  against  a  broad  range  of  pathogens.  Several  AMP families have been widely studied and described  in a many different phyla, while others represent genus‐  or  even  species‐specific  acquisitions.  The  methodological  advances  achieved  in  the  last decade now allow a large scale analysis of entire genomes and transcriptomes of non‐model animals. Bioinformatics  can  be  used  for  the  development  of  in  silico  tools  aimed  at  the mining  of  large sequence databases and  identification of AMPs belonging  to known  families and novel  candidates satisfying  specific  user‐defined  requirements.  Here  we  present  a  bioinformatic  pipeline  for  the whole‐transcriptome  scale mining  of  sequences  encoding  peptides with  a  potential  antimicrobial activity. Based on the known chemical‐physical properties of these bioactive peptides, we developed a  Perl  script  which  permits  to  filter  a  target  sequence  file  based  on  user‐defined  parameters, including  sequence  length,  isoelectric  point,  amino  acid  composition  or  the  presence  of  specific amino acid patterns. All these searches can be performed on windows of variable length to deal with the peptide precursors. We  have  initially  applied  this  software  to  mine  the  Mytilus  galloprovincialis  transcriptome1,  an organism with a well know  reputation  to counteract a numbers of potential pathogens2. We were able to identify the known AMPs3‐4 and to highlight several novel families of peptides with intriguing sequence motifs.  This  ab  initio  approach may  be  successfully  applied  to  de  novo  transcriptome assemblies of non‐model marine and  freshwater  invertebrates.  In  this  respect we are approaching with this pipeline to the wealth of public data available for non‐model invertebrate organisms. Work supported by BIVALIFE (FP7‐KBBE‐2010‐4).  REFERENCES 1.  Venier  P,  De  Pitta  C,  Bernante  F,  Varotto  L,  De  Nardi  B,  Bovo  G  et  al. MytiBase:  a  knowledgebase  of mussel  (M. galloprovincialis) transcribed sequences. BMC Genomics 2009, 10: 72. 2.  Venier  P,  Varotto  L,  Rosani  U,  Millino  C,  Celegato  B,  Bernante  F  et  al.  Insights  into  the  innate  immunity  of  the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis. BMC Genomics 2011 12: 69. 3.  Gerdol M,  De Moro  G, Manfrin  C,  Venier  P,  Pallavicini  A.  Big  defensins  and mytimacins,  new  AMP  families  of  the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis. Developmental & Comparative Immunology 2012, 36: 390‐399. 4.  Pallavicini  A,  del Mar  Costa M,  Gestal  C,  Dreos  R,  Figueras  A,  Venier  P  et  al.  High  sequence  variability  of myticin transcripts  in hemocytes of  immune‐stimulated mussels  suggests  ancient host–pathogen  interactions. Developmental & Comparative Immunology 2008 32: 213‐226.      

33  

Page 35: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Danijela Krgović, danijela.krgovic@ukc‐mb.si 

Abstract 

 

GENOMIC STRUCTURAL VARIATION IN SLOVENIAN CHILDREN WITH NEURODEVELOPMENTAL DISORDERS 

 Danijela Krgović1, Marta Macedoni‐Lukšič2, Anamarija Brezigar3, Nataša Marčun Varda4, Peter Gradišnik4, Jernej Dolinšek4, Andreja Zagorac1, Boris Zagradišnik1, Alenka Erjavec Škerget1, Špela 

Stangler Herodež1, Nadja Kokalj‐Vokač1,5  

1University Medical Clinical Centre Maribor, Laboratory of Medical Genetics, Slovenia 2University Medical Centre Ljubljana, University Children's Hospital, Slovenia 

3Medgen d.o.o., Ljubljana, Slovenia 4University Medical Clinical Centre Maribor, Department of Paediatrics, Slovenia 

5University of Maribor, Faculty of Medicine, Slovenia 

  Genomic structural variations are an important cause of neurodevelopmental disorders. It is believed that  in  15‐25%  of  patients  their  phenotype  can  be  explained  by  copy  number  variations  (CNVs), based on the gene content, size, and origin. Over time several techniques have been developed to study these variations, including array CGH, which has proven to be very effective. We  performed  an  array  CGH  study  on  two‐hundred  and  fifty  children  with  diagnosed  Autism Spectrum Disorders (ASD) and/or  intellectual disabilities/developmental delay (ID/DD). In the group of  145  ASD  patients,  10%  of  pathogenic  submicroscopic  aberration which  could  explain  patients' phenotype was detected.  In 105 examinees diagnosed with  ID/DD, pathogenic  structural variation was  detected  in  18%.  Partial  analysis  of  the  obtained  CNVs  showed,  that  larger  CNVs  are more frequently observed in ID/DD than in ASD group of patients. Also, in the ASD group, pathogenic CNVs usually segregate in known chromosomal regions linked to ASD, while in the ID/DD group of patients, pathogenic  CNVs were  detected  in  both,  already  known  ID/DD  linked  regions  as well  as  in  other chromosomal  regions. Rare  chromosomal  abnormalities were  also  identified  in  the  latter:  already published previously unreported de novo deletion of  region 11q22.3 and a  rare  terminal deletion with inverted duplication of chromosome 5p. In  both  groups  of  patients  structural  variants  with  unknown  clinical  significance  were  detected. Hopefully, further analysis of these variants will lead to characterization of potentially new clinically relevant CNVs. 

34  

Page 36: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Prsenting author: Petra Perin ([email protected]

Article 

 

GENETICS AND PHARMACOGENOMICS OF CHILDHOOD ASTMA 

 Petra Perin1, 2, 3, Uroš Potočnik1, 2 

 1University of Maribor, Faculty of chemistry and chemical technology, Laboratory for Biochemistry, Molecular biology and 

Genomics, Slovenia 2University of Maribor, Faculty of Medicine, Center for human molecular genetics and pharmacogenomics, Slovenia 

3University of Maribor, Faculty of Health science, Department of Bioinformatics, Molecular biology and Genomics, Slovenia  Asthma  is the most common serious chronic respiratory disease  in children with two major sub‐types; atopic and non‐atopic form. Genome wide association studies (GWAs) have  identified more than 250 single nucleotide polymorphisms (SNPs) as genetic  risk  factors  for asthma; however  their  influence on disease behavior and  treatment  response  is still unclear. There is also a lack of studies which would determinate function of non‐coding candidate SNPs. The aim of our study was  the association analysis of  the SNPs  recently  reported by asthma GWA  studies, SNPs previously associated with other immune diseases and asthma candidate SNPs which association results differ among independent studies, in different sub‐types of childhood asthma  in Slovenian population and also analysis of correlation between  these SNPs, clinical parameters, response to different therapies and their influence on gene expression. In our study we included 359 children with asthma and 276 healthy  individuals  for  control group. Genotyping was performed by polymerase  chain reaction  (PCR)  followed by the restriction  fragment  length polymorphism  (RFLP) analysis or by high resolution melting (HRM) analysis using real time (rt)‐PCR. Gene expression was measured using Syber green and rt‐PCR. Out of 40 SNPs we identified association of rs967676, rs3087243, rs37972 and rs2631372 with asthma  in general and association of rs333, rs1295696,  rs2139142,  rs1440095  and  rs1800629 with non‐atopic  form of disease. We  found  correlation between  25 candidate SNPs and asthma behavior and between 10 SNPs and glucocorticoids treatment outcome, but their influence depend on disease sub‐type. We were first to found the higher expression of IL12B in asthma patients compared with the control group (p<0.001), which is reduced after treatment with antileukotriens (p=0.015). We also found that expression of IL12B is regulated by rs6887695. We provide several new data which contribute to understanding of asthma genetics. Our results also represent additional genetic evidence suggesting different role of genes in atopic and non‐atopic asthma phenotypes.  In  addition,  we  identified  new  pharmacogenomics  biomarkers,  which  could  in  future  lead  to  a more appropriate  choice of  therapy, which will be  tailored  to each  individual with  asthma,  and  thus much more  efficient, faster and with fewer side effects.      

  

INTRODUCTION  

Asthma  is  the most  common  serious  chronic  respiratory  disease  of  childhood  and  affects about 10% of children younger  than 18  1.  It  is a complex, polygenetic disease and  its pathogenesis cannot be explained by a single mechanism or gene 2. 

Several  candidate genes  for asthma were  suggested by  candidate gene association  studies focused primarily on genes that encode proteins of immune response or allergic inflammation 3. The most replicated asthma associated genes so  far  include TNFα,  IL4,  IL13, ADAM33, GSTP1 and CD14 gene  4,5.  Association  results  for  replicated  genes  differ  among  different  studies  in  different populations. There are also  strong evidences  that asthma genetics and pathogenesis are different and depend on  its phenotype 6 therefore  it  is  important to analyzing candidate genes separately  in different  sub‐types of asthma,  such as atopic  / non‐atopic and  childhood  / adult  form of disease. Recent genome‐wide association studies (GWAs) have identified several new genetic risk factors and 

35  

Page 37: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

suggested new biological pathways that were previously not associated with asthma 7‐11, but many of the highly significant asthma candidate genes still lack replication in independent populations.  

In  addition  to  risk  factors,  association  studies  also  provide  information  about  correlation between  genes  and  clinical  characteristics  of  patients  including  disease  severity  and  progression. There  are  a  lot  of  differences  in  the  response  to  anti‐asthmatic  therapy  between  individuals  and there  is  evidence  that  genetic  polymorphisms  could  explain  the  great  proportion  of  different response  in  asthma  therapy. Genes  involved  in  asthma pathogenesis often play  important  role  in response to therapy as well as in disease behavior 12. 

Most of identified SNPs associated with asthma, asthma behavior or treatment outcome are located  in non‐coding genomic  regions. They can  influence  the promoter activity, conformation of messenger  RNA  (mRNA)  or  sub‐cell  localization  of mRNA  and  indirectly  cause  the  disease.  Gene expression  level  is  associated with DNA  variants  in  cis‐regulatory  elements  or  variants  in  introns which can change transcript stability and alternative splicing. Fife eQTL studies identified 9000 SNPs distributed  all over  the  genome, which  regulate  gene  expression13‐17, but  function of many highly significant asthma candidate SNPs still need to be explored. 

The aim of our study was to replicate the most important asthma candidate SNPs in different phenotype of asthma in Slovenian children and analyze the correlations between those SNPs, clinical parameters  and  response  to  different  therapies. We were  calculating  risk  and  chances  for  good response  to glucocorticoids  (ICS) and anti‐leukotriene  (AL)  for different combination of genotypes. For selected  loci we performed eQTL analysis, which aim  is  identified genes, which expression they effect on. 

  

METHODS  

Between  January 1, 2007 and  July 5, 2012, 359  children with asthma with median age 11 years were enrolled in this study. All the children had mild or moderate persistent asthma. 50.7% of them  were  treated  in  Pulmonary  and  Allergic  Outpatients,  Department  of  Pediatric  Medicine, General Hospital Murska Sobota. Other 49.3 % were  treated  in University Clinical Center Maribor. Asthma was diagnosed  according  to National Asthma  Education  and Prevention Program  (NAEPP) and  American  Thoracic  Society  (ATS)  criteria  18,  19.  Parents  signed  informed  consent  for  children younger than 15 years, while older children gave informed consent themselves. Genotype data from 276 non‐atopic non‐asthmatic age and sex matched healthy served as a control group. 

Allergic  status  of  asthmatics  was  determined  with  the  skin  prick  tests  to most  common aeroallergens and with the specific immunoglobulin E (IgE) measurement. Eosinophil count and total IgE  were  measured  in  the  blood.  Bronchial  hyper‐reactivity  was  assessed  with  a  methacholine bronchoprovocation  test before  the  institution of  the anti‐asthmatic  treatment  in all patients. We calculated provocative concentration of methacholine (PC20) causing a fall of FEV1 of 20% from the initial value. We measured fraction of exhaled nitric oxide (FENO) and used it as a measure of airway inflammation.  For  the  purpose  of  our  study  the  values  of  forced  vital  capacity  (FVC)  and  forced expiratory  volume  in  the  first  second  of  expiration  (FEV1)  were  recorded.  We  calculated  the FEV1/FVC ratio and used it as a measure of bronchial obstruction. FEV1 and FVC were expressed as a percentage of  the predicted normal value  for  sex, height and age. Patients underwent  spirometry before the treatment and repeated the test 4 weeks later. Change of FEV1 was used as a measure of response to anti‐asthmatic treatment. 226 patients were treated with ICS and 99 with AL. 

36  

Page 38: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

  Whole blood  from patients and  controls was used  for  isolation of  the  total genomic DNA. First we  isolated  lymphocytes using Ficoll‐Paque Plus (GE Healtcare, Uppsala, Sweden) according to the manufacturer’s instruction. With TRI reagent (Sigma, Steinheim, Germany) we isolated DNA and dissolved it in water at final concentration of 25 ng/µl. 

Using web database Huge‐Navigator we performed an overview of previous association and GWA studies. We chose 40 candidate SNPs,  located  in different  loci, which were reported as most important asthma candidate genes, highly significant  in recent GWAs and have not been replicated yet or have been strongly associated with other immune disease and not yet analyzed in asthma.  

Using  bioinformatics  tools we  dimensioned  primers  (internet  application  Primer3  and  IDT Oligo‐analyzer). Restriction enzymes were chosen using program Gene‐Runner. Genotyping of SNPs was  performed  by  polymerase  chain  reaction  (PCR)  followed  by  restriction  fragment  length polymorphism (RFLP). SNPs which have no restriction enzyme, which would be specific for one allele, were analyzed using high  resolution melting analysis. Primers  for measuring gene expression were designed using internet application Ace View, Primer3 and IDT Oligo analyzer. 

The PCR  reaction which was  followed by RFLP, was carried out  in a 10‐µl  reaction volume containing 50 ng of genomic DNA, 250 nM of each oligonucleotide primer, 1.5 mM MgCl2, 0.2 mM dNTP mix, 10 mM Tris‐HCl and 0.5 U Taq polymerase. PCR conditions were as follows: preincubation at 95°C for 10 min  followed by 35 cycles of 30s denaturation at 95°C, 30s annealing at 58 to 64 °C (depend on primers), 30 s extensions at 72°C and extensions at 72°C for 5 min. PCR products were digested using restriction enzymes at 37°C overnight. The PCR products were electrophoresed on 2% agarose gel and visualized using ethidium bromide under UV fluorescence. 

High  resolution melting  analysis was  carried out with quantitative PCR  reaction  (qPCR) on LC480 (Roche). 6‐µl reaction volume contained 50 ng of genomic DNA, HRM Mastermix (Fermentas), 250  nM  of  each  oligonucleotide  primer  and  1.5  mM  MgCl2.  PCR  conditions  were  as  follows: preincubation at 95°C for 10 min followed by 45 cycles of 10 s denaturation at 95°C, 15s annealing at 60 °C, 10 s extensions at 72°C and high resolution melting step with a ramp‐rate 0.02 °C/s. 

For gene expression measurement we at first performed reverse transcription of RNA using High  Capacity  Reverse  Transcription  kit  (Applied  Biosystems).  Complementary  DNA  (cDNA)  was analyzed with  qPCR  reaction  on  LC480  (Roche).  5‐µl  reaction  volume  contained  50  ng  of  cDNA, Sybergreen Master Mix  (Fermentas)  and  250  nM  of  each  oligonucleotide  primer.  PCR  conditions were as follows: preincubation at 95°C for 10 min followed by 40 cycles of 15 s denaturation at 95°C, 30s annealing at 60 °C, 30 s extensions at 72°C high resolution melting step with a ramp‐rate 0.11 °C/s. We measured expression of reference genes ACTB, B2M and GADPH. 

Data analysis was carried out using SPSS statistic 20.0. Genotype and allele frequencies were 

calculated for the patients and control group. The χ2 test and two‐sided Fisher's exact test were used to calculate the significance of the difference in allele and genotype frequencies between asthmatic and controls. We calculated the odds ratio (OR) for asthma with 95% confidence intervals (CI). With the t‐test for two independent samples we analyzed the influence of genotype on clinical parameters which  are  normally  distributed  quantitative  traits:  FEV1,  and  change  of  FEV1  after  inhaled corticosteroid  treatment  (dFEV1). With Mann‐Whitney  test we analyzed  the  influence of genotype on quantitative  traits which are not normally distributed:  FEV1/FVC  ratio, blood eosinophil  count, total serum IgE, PC20 and FENO. Distribution was determinate by Kolmogorov‐Smirnov test for groups larger than 50 individuals or Shapiro‐Wilk test for smaller groups. We calculated expression level with 2‐∆∆Cp  method.  As  calibrator  we  took  average  Cp  value  of  whole  samples.  We  compare  gene expression between phenotype groups and between different genotype using Mann‐Whitney  test. 

37  

Page 39: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

For determinate the influence of different therapies on gene expression changing with Wilcoxon test for 2 paired samples. We considered statistical significant association p value p < 0.05. 

RESULTS  

We  found  that  SNPs  located  in  or  near  genes  CA10,  CTLA4,  SLC22A5  and  TNF‐alfa  are associated with  asthma.  In  addition,  SNPs  in  or  near  genes  CCR5, MAP3K2,  SGK493  and  IL13  are associated with non‐atopic asthma phenotype. The most interesting results are summarized in Table 1.  

SNP  GENE MAF 

controls MAF 

all patients MAF 

atopics MAF 

non‐atopics Model 

P  all patients 

P atopics 

P  non‐atopics 

rs967676   CA10  0.472  0.383  0.408  0.347 Dominant 

AA vs. AG+GG 0.001  0.009  0.007 

rs3087243  CTLA4  0.468  0.435  0.444  0.431 Recessive 

AA vs. AG+GG 0.023  0.041  0.128 

rs37972  GLCCI1  0.380  0.441  0.427  0.516 Recessive 

CC+CT vs. TT 0.011  0.128  0.007 

rs2631372  SLC22A5  0.400  0.308  0.319  0.256 Dominant 

CC vs. CG+GG 0.017  0.034  0.006 

rs333  CCR5  0.094  0.090  0.111  0.049  Dominant del/del +N/del vs. N/N 

1.000  0.310  0.042 

rs1295696  IL13  0.240  0.279  0.258  0.323 Dominant 

AA+AG vs. GG 0.088  0.468  0.011 

rs2139142  MAP3K2  0.164  0.209  0.197  0.247 Dominant 

AA+AG vs. GG 0.080  0.251  0.022 

rs1440095  SGK493  0.318  0.372  0.351  0.417 Dominant 

CC+CT vs. TT 0.110  0.130  0.011 

rs1800629  TNF‐alfa  0.162  0.354  0.409  0.378 Dominant 

AA+AG vs. GG 0.356  1.000  0.003 

Table 1: SNPs locations and p values obtained after comparison of genotypes between patients and controls using different models (dominant, recessive, co‐dominant); the data (p value) for the model with the best p value is included in the table 

 Out of 40 candidate SNPs we found that 17  influence asthma behavior. In addition, 8 genes 

have  influence only  in one of both sub‐type of disease, atopic or non‐atopic form. The associations with highest significance are represented in Table 2. 

  

SNP  GENE  Phenotype  Model  Parameter  p‐value 

rs1800629  TNF‐alfa  Asthma  AA+AG vs. GG  PC20  0.002 

rs967676   CA10  Asthma  AA vs. AG+GG  Eozinophils  0.004 

rs10512734  PTEGR4  Asthma  AA vs. AG+GG  FeNO  0.006 

rs5744477  CD14  Non‐atopic asthma  CC vs. CT+TT  PC20  0.010 

rs6887695  IL12B  Non‐atopic asthma  CC+CG vs. GG  FEV1/FVC  0.013 

rs1295686  IL13  Asthma  AA+AG vs. GG  IgE  0.013 

rs967676   CA10  Asthma  AA vs. AG+GG  FEV1/FVC  0.014 

rs1440095  SGK493  Non‐atopic asthma  CC+CT vs. TT  PC20  0.015 

Table 2: Correlation among chosen SNPs clinical parameters; FEV1 = forced expiratory flow in first second; FVC = forced vital capacity; FEV1/FVC = measure of bronchial obstruction; PC20 = concentration of methacholine which causes 20 %  fall of forced expiratory volume  in  the  first; Total  IgE = concentration of Total  IgE  In blood serum; Eozinofils = concentration of eosinophil in blood. The values in the table = p‐valuse calculated by Student t‐test for FEV1 and with non‐parametric Mann‐Whitney test for all other parameters 

38  

Page 40: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

We found response to ICS depends on SNPs in or near genes CA10, CCL5, CTNNA3, IL13, IL4, ORMDL3, SLC22A4, SLC22A5 and TNF‐alfa, but their  influence  is different among sub‐phenotype of asthma. The results are summarized in Table 3. 

  

dFEV1 after ICS treatment (p‐value)  SNP  GENE  Model 

Genotype associated with good response 

Asthma Atopic asthma 

Non‐atopic asthma 

rs967676   CA10  AA vs. AG+GG  AG,GG  0.293  0.034  0.207 

rs2107538  CCL5  CC+CT vs. TT  TT  0.108  0.019  0.874 

rs1786929  CTNNA3  CC vs CT+TT  CT,TT  0.022  0.027  0.161 

rs3087243  CTLA4  AA+AG vs. GG  AA;AG  0.617  0.039  0.571 

rs20451  IL13  CC vs CT+TT  CC  0.717  0.059  0.026 

rs2070874  IL4  CC vs. CT+TT  CT,TT  0.642  0.630  0.008 

rs2872507  ORMDL3  AA vs. AG+GG  AA  0.017  0.021  0.542 

rs1050152  SLC22A4  CC vs. CT+TT  CT,TT  0.410  0.034  0.754 

rs2631372  SLC22A5  CC+CG vs GG  CC,CG  0.008  0.003  0.683 

rs1800629  TNF‐alfa  AA+AG vs. GG  AA,AG  0.008  0.067  0.133 

Table 3: Correlation among chosen SNPs and response to ICS therapy; dFEV1 = change of forsed expiratory flow in first second after 4 weaks of therapy 

  Genetic profiles show, that patients with good response to ICS therapy are carriers of bigger number  of  alleles  associated with  higher  increase  of  pulmonary  function.  Individuals with  atopic asthma, who have,  in six analyzed SNPs, four or more genotypes associated with higher  increase of pulmonary function, have 59 % chances for over‐average treatment response. Patients with only 2 or less genotype associated with good response to ICS have 67 % chances for below‐average response.  

 Figure 1: Genetic profile of ICS‐response associated SNP in children with atopic asthma 

 

39  

Page 41: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

In  addition,  we  found  SNPs  rs10512734  (PTGER4)  and  rs2244012  (RAD50)  influence  on response  to  S  therapy.  FEV1  in  asthmatics  with  AA  genotype  for  SNP  rs10512734  FEV1  after treatment  even  decrease  (dFEV1  =  ‐3.35  %),  but  in  those  with  AG  or  GG  genotype  pulmonary function  increase  (dFEV1 = 3.57 %, p = 0.027).   The  similar  role  in  response  to  S  therapy we also found for SNP rs2244012; homozygotes for minor allele C had significantly greater  improvement of lung  function  (dFEV1  =  10.33 %)  than  heterozygotes  and  TT  homozygotes  (dFEV1  =  ‐0.05 %,  p  = 0.012). 

Gene expression analysis shows that genes IL12B (p<0.001) are more expressed in asthmatics compared to healthy  individuals but  in asthmatics who were treated with AL expression of  IL12B  is reduced (p=0.035). 

 

    

Figure 2: Expression level of IL12B in control group and asthmatics before and after treatment with AL therapy 

 

In addition, we  found  that non‐coding asthma  candidates  SNPs are associated with  IL12B, and  TNF‐alfa  gene  expression.  Expression  of  IL12B  gene  is  higher  in  carriers  of  G  allele  in  SNP rs6887695 (p=0.015). Allele A in SNP rs1800629 with higher expression of TNF‐alfa (p = 0.015).  

DISCUSSION 

In  this  study we analyzed  the  selected asthma  candidate  single nucleotide polymorphisms (SNPs) and expression of candidate genes  in different phenotypes of childhood asthma and provide analysis  of  correlation  between  those  SNPs,  gene  expression  and  clinical  parameters,  including disease severity and treatment outcome. We report here new correlation between candidate SNPs with  asthma  development,  behavior  and  glucocorticoid  (ICS)  or  anti‐leukotriene  (AL)  treatment response. 

We have identified two novel asthma candidate genes, GLCCI1 and SLC22A5. SLC22A5, which encode the plasma membrane carnitine transporters, named organic cation transporters 2, has been previously reported as risk  factor  for other  immune diseases, such as  inflammatory bowel diseases are  20. GLCCI1 was  identified as pharmacogenomics biomarker  for glucocorticoids  treatment  in  the first  asthma  glucocorticoid  pharmacogenomics  GWA  study  21.  Our  results  also  provide  first independent replication of GWA  identified asthma associated SNPs  in genes CA10 10 and SGK493 7. The  gene  CA10  encodes  a  protein  that  belongs  to  the  carbonic  anhydrase  family  of  zinc metalloenzymes,  which  catalyze  the  reversible  hydration  of  carbon  dioxide  in  various  biological processes 22. Function of the gene SGK493 is unknown. It could be involved in pathological states as protein  kinases mediate most  of  the  signal  transduction  in  eukaryotic  cells  23.  According  to  our 

40  

Page 42: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

results, SNPs in CA10, GLCCI1 and SLC22A5 influence asthma development independently of disease sub‐type but SNP rs1440095 in SGK493 represents risk only for non‐atopic asthma development. 

Asthma  characteristics  that  describe  the  severity  of  disease  phenotype  are  intensity  of inflammation, pulmonary function, intermittent bronchial obstruction, bronchial hyper‐reactivity and allergy 24. In our study we found correlations between asthma candidate SNPs and asthma severity, but influence of many of those SNPs is various in both of basic forms of disease. SNPs rs5744477 in CD14  gene  25  and  rs1440095  in  SGK493  gene  influence on bronchial hyper‐reactivity only  in non‐atopic asthmatics. Our results suggest genetic heterogeneity between atopic and non‐atopic asthma. Previously meta‐analysis showed that gene IL4 represents a risk factor mainly for atopic asthma 26. A mutation  in gene CCR5  is protective  factor only  for non‐atopic asthma  27. Genetic studies  in atopic and non‐atopic asthmatics are in the line with functional studies which reported many differences in molecular pathogenesis between atopic and non‐atopic asthma 28, 29. 

Asthmatics who  do  not  respond  to  glucocorticoid  treatments  represent  up  to  10%  of  all patients  affected with  asthma  30. Many  studies,  confirmed  that mechanisms  of  glucocorticoids  is complex  and  depends  on many  genes  21,  31‐34.  SNPs  in  genes  CRHR,  TBX21  and  FCER2  have  been confirmed to have impact on response to ICS 31, 32. Recent pharmacogenomics GWA study identified several new candidates SNPs 21. We have already reported that genes ORMDL3 and CTLA4 seem to be  important  factors  in  response  to anti‐asthmatic  treatment with  ICS  33,  34.  In  this  study we have identified  four  new  associations  between  SNPs  in  or  near  CTNNA3,  CA10,  SLC22A4  and  SLC22A5 genes and response to ICS treatment. CTNNA3 is a key protein of the adherence junction complex in epithelial cells and plays an important role in cellular adherence 35. Although the putative role of this protein in the lungs or airways is unknown, antibodies to “self‐antigens” including alpha‐catenin have been  identified  in  serum  of  asthmatic  patients  35,  36.  In  addition  to  identified  pharmacogenomics association with CTNNA3, we found that increase of pulmonary function in asthma patients and thus better respond to ICS depend also on SNP rs2631372in SLC22A5. Similar influence we found for SNP rs967676 in CA10 gene and rs1050152 in SLC22A4 gene, but only in the group of patients with atopic sub‐type. Although CA10, according to our result, represents a genetic risk for asthma  independent of disease phenotype, its role in treatment with glucocorticoids seems to be important only in atopic patients. 

Our  results  show,  that  IL12B  gene,  which  encode  sub‐unit  of  IL‐12  cytokine  37,  has  an important  role  in asthma pathogenesis, as  reflected  in significantly  increased expression  in asthma patients  compared  to  control  group. We  are  the  first  to  found,  that  expression  of  IL12B  can  be reduced  by  using  AL  drugs.  AL  act  as  5‐lipooxigenase  enzyme  inhibitors  or  leukotriene  receptor agonist  38,  but  mechanism  of  their  action  is  not  yet  fully  elucidated,  as  their  impact  on  other components of  leukotriene signaling pathway.  Interestingly,  the use of anti‐asthmatic drugs, which reduced the IL12B gene expression, at the same time increase expression of gene encoded cytokine receptor for IL‐23, although that the IL23R gene expression in asthmatic patients does not differ from the IL23R gene expression in the control group. Whereas IL‐12B and IL‐23R are involved in the same signaling pathway 39 it is expected that change in the quantity of one component is also reflected in the  remaining  components  of  the  pathway.  Previous  studies  found  an  impact  of  IL12B  promoter polymorphism CTCTAA>GC on higher expression of this gene 40, 41. But in our study we as first found, that  IL12B expression also depends on SNP rs6887695. According  to our results,  this SNP,  this was identified as important risk factor in development of immune‐mediated diseases in previous studies, influence asthma severity. In addition, we confirmed, that SNP rs1800629 regulate expression of TNF, as it was reported before 42. 

41  

Page 43: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

  In  our  study we  provide  several  new  data which  contribute  to  understanding  of  asthma genetics. Our results also represent additional genetic evidence suggesting different role of genes in atopic  and  non‐atopic  asthma  phenotypes.  In  addition,  we  identified  new  potential pharmacogenomics biomarkers, which could in future lead to a more appropriate choice of therapy, which will be tailored to each individual with asthma, and thus much more efficient, faster and with fewer side effects.  

REFERENCES  1. Busse WW, Lemanske R. Jr. Asthma.  N. Engl. J. Med. 2001, 344, 350‐362. 2. Berce V, Potocnik U. Association of Q551R polymorphism  in the  interleukin 4 receptor gene with nonatopic asthma  in Slovenian children. Wien. Klin. Wochenschr. 2010, 122, 11‐18. 3. Hoffjan S, Ober C. Present status on the genetic studies of asthma. Curr. Opin. Immunol. 2002, 14, 709‐717. 4. Gu ML, Zhao J. Mapping and localization of susceptible genes in asthma. Chin. Med. J. 2011, 124, 132‐143. 5. March ME, Sleiman PM, Hakonarson H. The genetics of asthma and allergic disorders. Discov. Med. 2011, 11, 35‐45. 6. Anderson GP. Endotyping asthma: new  insights  into key pathogenic mechanisms  in a complex, heterogeneous disease. Lancet. 2008, 372, 1107‐1119. 7. Castro‐Giner F, Bustamante M, Ramon GJ, Kogevinas M, Jarvis D, Heinrich J et al. A pooling‐based genome‐wide analysis identifies new potential candidate genes for atopy  in the European Community Respiratory Health Survey  (ECRHS). BMC. Med. Genet. 2009, 10, 128  8.  Hancock  DB,  Romieu  I,  Shi  M,  Sienra‐Monge  JJ, Wu  H,  Chiu  GY  et  al.  Genome‐wide  association  study  implicates chromosome 9q21.31 as a susceptibility locus for asthma in Mexican children. PLoS. Genet. 2009, 5, e1000623. 9. Kim SH, Cho BY, Park CS, Shin ES, Cho EY, Yang EM et al, Alpha‐T‐catenin (CTNNA3) gene was identified as a risk variant for toluene diisocyanate‐induced asthma by genome‐wide association analysis. Clin. Exp. Allergy. 2009, 39, 203‐212. 10. Li X, Howard TD, Zheng SL, Haselkorn T, Peters SP, Meyers DA et al Genome‐wide association study of asthma identifies RAD50‐IL13 and HLA‐DR/DQ regions. J. Allergy. Clin. Immunol. 2010, 125, 328‐335 11. Sleiman PM, Flory J,  Imielinski M, Bradfield JP, Annaiah K, Willis‐Owen SA, et al Variants of DENND1B associated with asthma in children. N. Engl. J. Med. 2010, 362, 36‐44. 12. Tantisira K, Weiss S. The pharmacogenetics of asthma treatment. Curr. Allergy. Asthma. Rep. 2009, 9, 10‐17. 13. Stranger B, Nica AC, Forrest MS, Dimas A, Bird CP, Beazley C  et al. Population genomics of human gene expression. Nat. Genet. 2007, 39, 1217‐1224. 14. Dixon AL, Liang L, Moffat MF, Chen Wei, Heath S, Wong KCC et al. A genome‐wide association  study of global gene expression. Nat. Genet. 2007, 39, 1202‐1207 15. Göring HH, Curran JE, Johnson MP, Dyer TD, Charlesworth J, Cole SA et al. Discovery of expression QTLs using large‐scale transcriptional profiling in human lymphocytes. Nat. Genet. 2007, 39, 1208‐1216  16. Heap GA, Trynka G, Jansen RC, Bruinenberg M, Swertz MA, Dinesen LC et al. Complex nature of SNP genotype effects on gene expression in primary human leucocytes. BMC. Med. Genomics. 2009, 2, 1  17. Dubios PCA, Trynka G,  Franke  L, Hunt KA, Romanos  J, Curtotti A et al. Multiple  common  variants  for  celiac disease influencing immune gene expression.. Nat. Genet. 2010; 42, 295‐302 18. AST  ‐ American Thoraric Society. Standards for the diagnosis and care of patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma. Am. Rev. Respir. Dis. 1987, 136, 225‐244 19. National Heart LaBINAEpEPR. Guidlines for the diagnosis and management of asthma. J. Allergy Clin. Immunol. 1991, 88, 425‐534. 20. Repnik K, Potočnik U. Haplotype  in the  IBD5 region  is associated with refractory Crohn's disease  in Slovenian patients and modulates expression of the SLC22A5 gene, J. Gastroenterol. 2011, 46, p1081. 21. Kelan G, Tantisira MD, Lasky‐Su J, Harada M, Murphy A, Litonjua AA et al Genomewide Association between GLCCI1 and Response to Glucocorticoid Therapy in Asthma, N. Eng. J. Med. 2011, 1173‐1183 22. Mori S, Kou I, Sato H, Emi M, Ito H, Hosoi T, et al. Nucleotide variations in genes encoding carbonic anhydrase 8 and 10 associated with femoral bone mineral density in Japanese female with osteoporosis. J. Bone. Miner. Metab. 2009, 27, 213‐216 23. Cohen P. Protein kinases‐‐the major drug targets of the twenty‐first century? Nat. Rev. Drug. Discov. 2002, 1, 309–315 24. Madore AM, Laprise C. Immunological and genetic aspects of asthma and allergy. J. Asthma Allergy. 2010, 3, 107‐121. 

42  

Page 44: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

25.  Perin  P,  Berce  V,  Potocnik  U.  CD14  gene  polymorphism  is  not  associated  with  asthma  but  rather  with  bronchial obstruction and hyperreactivity in Slovenian children with non‐atopic asthma. Respir. Med. 2011. 105, S54‐S59. 

26. Liu S, Li T, Liu  J.  Interleukin‐4  rs2243250 polymorphism  is associated with asthma among Caucasians and  related  to 

atopic asthma. Cytokine, 2012 59, 364‐9. 

27. Berce V, Repnik K, Potocnik U. Association of CCR5‐delta32 mutation with reduced risk of nonatopic asthma in Slovenian children. J. Asthma. 2008, 45, 780‐784. 28. Walker C, Bauer W, Braun RK, Menz G, Braun P, Schwarz F, et al. Activated T cells and cytokines  in brnochoalveolar lavages  from patients with various  lung diseases associated with eosinophilia. Am.  J. Respir. Crit. Care. Med. 1994, 150, 1038‐48 29. Bottini N, Ronchetti F, Gloria‐Bottini F, Stefanini  L, Bottini E,  Lucarini N. Atopic and nonatopic asthma  in  children,  J. Asthma. 2006, 42, 25‐8 30.  Ito K, Chung KF, Adcock  IM. Update on glucocorticoid action and resistance. J. Allergy. Clin.  Immunol. 2006, 117, 522‐543 31.  Tantisira  KG,  Hwang  ES,  Raby  BA,  Silverman  ES,  Lake  SL,  Richter  BG  et  al.  TBX21:  a  functional  variant  predicts improvement in asthma with the use of inhaled corticosteroids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004, 101, 18099‐18104 32. Poon AH, Tantisira KG,  Litonjua AA,  Lazarus R, Xu  J,  Lasky‐Su  J et al. Association of  corticotropin‐releasing hormone receptor‐2 genetic variants with acute bronchodilator response in asthma. Pharmacogenet. Genomics. 2008, 18, 373‐382  33.  Berce  V,  Potocnik  U.  Functional  polymorphism  in  CTLA4  gene  influences  the  response  to  therapy  with  inhaled corticosteroids in Slovenian children with atopic asthma. Biomarkers. 2010, 15, 158‐166. 34. Berce V, Kozmus CE, Potocnik U. Association among ORMDL3 gene expression, 17q21 polymorphism and response to treatment with inhaled corticosteroids in children with asthma. Pharmacogen. J. 2012, doi. 10.1038/tpj.2012.36. 35. Liu M, Subramanian V, Christie C, Castro M, Mohanakumar T.  Immune responses to self‐antigens  in asthma patients: Clinical and immunopathological implications. Hum. Immunol. 2012, 73, 511–516. 

36. Bernstein DI, Kashon  L,  Lummus  ZL,  Johnson VJ,  Fluharty K, Gautrin D, et  al. CTNNA3  (α‐catenin)  gene  variants  are associated with diisocyanate asthma: a replication study in a Caucasian worker population. Toxicol. Sci. 2013, 131, 242‐6 37. Randolph AG, Lange C, Silverman EK, Lazarus R, Silverman ES, Raby B. The IL12B gene is associated with asthma. Am. J. Hum. Genet. 2004, 75, 709‐715 38. Lima JJ, Blake KV, Tantisira KG, Weiss ST. Pharmacogenetics of asthma. Curr. Opin. Pulm. Med. 2009, 15, 57‐62 39. Gazouli M, Pachoula  I, Panayotou  I, Mantzaris G, Chrousos G, Anagnou NP et al. NOD2/CARD15, ATG16L1 and  IL23R gene polymorphisms and childhood onset of Crohn disease. World. J. gastroenterol. 2010, 16, 1753‐1758 40. Morahan G, Huang D, Wu M, Holt BJ, White GP, Kendall GE et al. Association of  IL12B promoter polymorphism with severity of atopic and non‐atopic asthma in children. Lancet. 2002, 360, 455‐459 41. Hirota T, Suzuki Y, Hasegawa K, Obara K, Matsuda A. Akahoshi M. Functional hyplotypes of IL‐12B are associated with childhood atopic asthma. J. Allergy. Clin. Immunol. 2005, 116, 789‐795 42. Jones BL, Graham BK, Riffel AK, Dai H. Rosenwasser LJ, Vyhidal CA. Genetic Variation in the TNFA Promoter Region and TNFA Gene Expression in Subjects with Asthma. J Asthma. 2013, 50, 541‐7. 

43  

Page 45: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Presenting author: Minja Zorc, [email protected]

Abstract 

 

DEVELOPMENT OF BIOMARKERS FOR FAT DEPOSITION USING INTEGRATION OF GENOMIC DATA AND BIOINFORMATICS ANALYSIS 

 Minja Zorc, Daša Jevšinek Skok, Tanja Kunej 

 University of Ljubljana, Biotechnical faculty, Department of Animal Science, Slovenia 

  Obesity is polygenic disease which presents a major health issue. It affects people of all ages as well as  domestic  animals.  The  unraveling  of  genetic  bases  of  fat  deposition  might  help  to  develop therapeutics and understand  the process of  fat deposition. The amount of available genomic data and the need for genomic data analysis methods grow. Systemic approaches are becoming important in  complex  phenotypes  research. We  created  the  genomic  atlas, which  presents  the  central web resource of genetic causes  for  fat deposition. The comparative and  integrative approach  to collect the loci associated with fat deposition in human, mouse, rat and cattle was used. By visualization of the  integrated  data  the  insight  into  known  fat  deposition  loci was  enabled. We  created  genomic views  of  loci,  identified  candidate  biological  pathways  and  determined  genetic  networks  for  fat deposition, which were basis for candidate genes prioritization. Two bioinformatics tools for analysis of noncoding candidate genes were developed (miRNA SNiPer and miRNA Viewer). From the set of candidate loci we selected potential biomarkers (Akt1, Ubc, Grb2, Mir599) and tested their effect on fat  deposition  traits  in mice  using  analysis  of  association  between  genotype  and  phenotype. We developed a  strategy  for  research of genetic causes  for  fat deposition. The  same approach can be used for analysis of other complex phenotypes. 

     

44  

Page 46: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

45  

Corresponding author: Uroš Potočnik, [email protected] 

Article 

 

ASSOCIATION AND GENE EXPRESSION ANALYSIS OF ORMDL3 AND TNF IN MULTIPLE SCLEROSIS, ASTHMA AND RHEUMATOID ARTHRITIS 

 Larisa Zemljič1, Uroš Potočnik1,2 

 1University of Maribor, Faculty of Medicine, Center for Human Molecular Genetics and Pharmacogenomics, Slovenia 

2University of Maribor, Faculty of Chemistry and Chemical technology, Laboratory for Biochemistry Molecular Biology and Genomics, Slovenia 

 The  results  of  several  clinical  and  epidemiological  studies  have  shown  that  different  chronic  immune  diseases  can simultaneously occur either in the same individual or in closely related family members. To help discover shared genes and  biological  pathways  among  close  related  chronic  immune  diseases,  asthma  (AST),  multiple  sclerosis  (MS)  and rheumatoid arthritis  (RA), we genotyped  two  single nucleotide polymorphisms  (SNPs),  rs2872507 and  rs1800629, and correlated genotypes to gene expression of the neighboring genes, ORMDL3 and TNF.  Genotyping was performed by two different  approaches  by  restriction  fragment  length  polymorphism  and  high  resolution melting method.  To  evaluate gene expression levels, quantitative real‐time PCR was performed. Expression QTL analysis (eQTL) was performed using statistical calculations of data obtained by genotyping and expression analysis. The aim of our study was to evaluate the importance of  the  two  studied  genes  and  to  rank  the  importance  according  to  the disease. Our  results  suggest  that ORMDL3  is most  important  in RA  group, because we  found association with  rs2872507  genotype and with eQTL. RA patients  had  higher  A  allele  (P=  0.045)  and  AA  genotype  frequency  (P=0.012)  compared  to  controls.  eQTL  analysis showed higher ORMDL3 expression in patients carrying G allele (P=0.0081). In the study we confirmed the association of ORMDL3 gene expression and eQTL analysis with AST group. Expression of ORMDL3 in asthmatics was higher compared to  controls  (P=0.0005)  and  G  allele  carriers  had  higher  expression  compared  to  A  allele  carriers  (P=0.0023).  In MS ORMDL3 gene plays a minor role, since only association with expression was found. MS patients had higher expression levels  compared  to controls  (P<0.0001). Our  results  suggest TNF plays marginal  role  in RA and MS groups but has no enrolment  in  AST  group.  RA  patients  had  higher  AA  genotype  frequency  compared  to  controls  (P=0.033)  and  both groups, RA and MS, displayed higher expression levels compared to controls (P=0.0057 and P=0.0005 respectively). 

  

INTRODUCTION  

The results of several clinical and epidemiological studies have shown that different chronic immune diseases can simultaneously occur either  in the same  individual or  in closely related family members. Simultaneously occurring of multiple diseases appears more  frequently  than expected  if disease  processes were  independent. Given  that  each  of  the  immune‐mediated  and  autoimmune disease has  strong genetic effect on disease  risk1‐3,  the observed  concurrent occurring of multiple diseases could arise because of overlapping in the causal genes and pathways.4,5 Recent GWA studies in  immune‐mediated  and  autoimmune  diseases  have  identified  genome  regions with  statistically significant  evidence  for  existence of disease  susceptibility  loci. A  subgroup of  these  loci has been shown  to modulate risk of multiple diseases  6,7. There  is evidence,  indicating  that  the human MHC (HLA  complex)  is  associated  with  human  autoimmune  diseases,  suggesting  a  common  immune pathway 8,9. Nevertheless  it  is  less definite, what  is the role of non‐HLA genetic variants, associated with individual diseases, in common mechanisms for autoimmunity. 

Page 47: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

SNP  rs1800629  is  located  at position  −308  from  Tumor  necrosis  factor  (TNF)  gene.  Tumor necrosis  factor  (TNF) gene encodes a multifunctional proinflammatory cytokine that belongs to the tumor  necrosis  factor  (TNF)  superfamily.  This  cytokine  is  involved  in  the  regulation  of  a  wide spectrum of biological processes  including cell proliferation, differentiation and apoptosis 10. Excess TNF,  however,  causes  various  autoimmune  diseases,  such  as  RA,  Crohn's  disease,  and  ulcerative colitis 11‐13. SNP rs1800629 has already been associated with the development of different diseases, including  asthma  (AST)14‐16, multiple  sclerosis  (MS)17,18  and  rheumatoid  arthritis  (RA)19‐21,  but  the results  of  association  studies  are  inconsistent  22‐28.  In  order  to  bring  light  to  the  problem  of contradictory  results  of  association  analyses  of  rs1800629, we  decided  to  perform  an  association study of rs1800629 in Slovene population of AST, MS and RA patients. 

SNP rs2872507 is located in the noncoding part near the ORM1‐like protein 3 (ORMDL3) gene at  locus  17q21. ORMDL3  gene  is  ubiquitously  expressed  and  encodes  a  protein  integrated  in  the endoplasmic reticulum membrane, acting as  important downregulator of the sphingolipid synthesis 29,30. SNP rs2872507, which  influences ORMDL3 gene expression31, has been significantly associated with AST32,33, RA2 and with other chronic immune diseases like Crohn’s disease, ankylosing spondylitis or type  I diabetes34‐36. Since there are yet no association studies of rs2872507  in MS published, we decided  to  investigate  whether  there  could  be  a  significant  association  of  the  distribution  of rs2872507 genotype  in MS group, compared to control group. At the same time we decided to test for  an  association  of  rs2872507  in  RA,  since  results  in  recent  genome‐wide  association  study indicated rs2872507 as highly suggestive, but did not reach the genome‐wide significance2. 

In  order  to  gain  a  deeper  insight  in  the  association  between  selected  SNPs  genotypes, previously already associated with chronic  immune diseases, and expression of neighboring genes, we carried out an eQTL analysis  in three chronic  immune diseases, AST, MS and RA. Our study will confirm whether the results of eQTL study in three different immune diseases are consistent. Because chronic  immune diseases share common susceptibility genome  loci, our study will support the search of casual genes and biological pathways, common to studied chronic immune diseases.   

METHODS  Participants and study design We analyzed a case–control cohort composed of 92 patients with asthma, 92 patients with multiple sclerosis, 92 patients with rheumatoid arthritis and 276 healthy unrelated but age‐ and sex‐matched controls. Patients and  controls with DNA  samples not passing high‐quality  control  standards were excluded  from  genotyping.  Patients  were  diagnosed  with  the  disease  either  in  General  Hospital Murska  Sobota  (Murska  Sobota,  Slovenia)  or  in  the University Medical  Centre Maribor  (Maribor, Slovenia). All patients and controls were Caucasians of Slovenian origin. Patients with other chronic inflammatory diseases except asthma, multiple sclerosis or rheumatoid arthritis were excluded from the study. All patients signed  informed consent. The study was carried out  in accordance with  the Helsinki declaration of the World Medical Association (1975) and approved by the Slovenian National Medical Ethics Committee.  DNA and RNA extraction Total  blood  leukocytes  were  isolated  using  Ficoll‐Paque  Plus  (GE  Healthcare,  Sweden)  gradient centrifugation,  according  to  the manufacturer’s  instructions.  Total  RNA  and  genomic  DNA  were 

46  

Page 48: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

isolated  using  QIAzol  Lysis  Reagent  (QIAgen,  USA).  DNA  was  dissolved  in  the  water  at  a  final concentration of 50 ng µl‐1. RNA concentrations ranged from 0.1 to 1.17 µg µl‐1 as determined by an ND1000  spectrophotometer  and  NanoDrop  3.0.1  software  (NanoDrop  Technologies,  Germany); 260/280 ratios ranged from 1.7 to 2.0. The integrity of RNA samples was analyzed by electrophoresis on a 2% agarose gel. All samples were immediately frozen and stored at 80°C.  Genotyping of DNA polymorphisms rs2872507 and rs1800629 Genotyping was performed by two different approaches. Genotyping of SNP rs2872507 was achieved by PCR  followed by  restriction  fragment  length polymorphism. Primers used  for PCR amplification were:  forward  5’‐GGGATACTCAAACTGTATCTTTCC‐3’  and  reverse  5’‐GTAGCATCAACATGTCATTAGAAG‐3’.  PCR  reaction  was  carried  out  in  a  10  µl  reaction  volume containing 50 ng of genomic DNA, 250 nM of each of oligonucleotide primer, 1.5mM MgCl2, 0.2mM dNTP  mix,  10mM  TRIS‐HCl  and  0.25 U  of  Taq  polymerase  (Fermentas,  Vilnius,  Lithuania).  PCR conditions  were  as  follows:  preincubation  at  95°C  for  10  min  followed  by  35  cycles  of  1  min denaturation at 95°C, 30 s annealing at 55°C, 30 s extension at 72°C and final extension at 72°C for 5 min.  PCR  product was  200‐bp  long.  PCR  products were  digested  using  1  unit  of  NcoI  restriction enzyme  (Fermentas) at 37°C overnight. PCR products were electrophoresed on 2% agarose gel and visualized using ethidium bromide under ultraviolet fluorescence. Samples  showing a 200‐bp  fragment were assigned genotype GG,  samples with 105‐bp and 95‐bp fragments  (visible  as  1  band  on  2%  agarose  gel) were  typed  as  AA, whereas  samples  showing  3 fragments (visible as 2 bands on 2% agarose gel) of 200, 105 and 95 bp were typed as AG (Figure 1). Genotyping  of  SNP  rs1800629  was  performed  by  High  Resolution Melting  (HRM)  curve  analysis following  touchdown  PCR  amplification.  Primers  used  for  touchdown  PCR  amplification  were designed  using  Primer3  (http://simgene.com/Primer3),  manufactured  by  Sigma  (Steinheim, Germany)  and  the  sequence  was:  forward  5´‐ACCTGGTCCCCAAAAGAAAT‐3’  and  reverse  5´‐ TTTGTGTGTAGGACCCTGGAG‐3’.  The  touchdown  PCR  amplification  was  performed  using  a  96 multiwell white‐plate (Cat.#04729692001, Roche Applied Science, Mannheim, Germany) on a Roche LightCycler®  480  detection  system  (Roche  Applied  Science, Mannheim,  Germany).  Samples were amplified in reactions containing 2 µL of genomic DNA (2.5 ng/µL), 3 µL of 2x LightCycler® 480 High Resolution Melting Master mix  (Roche  Applied  Science, Mannheim,  Germany),  0.061  µL  of  each primer (200 nM final concentration), 0.60 µL of MgCl2 (3.5 mM final concentration), and RNase‐free water  in a  final reaction volume of 6 µL. The  touchdown PCR program was  initiated at 95°C  for 10 min, followed by 45 thermal cycles of 10 sec at 95°C, 15 sec at 63°C (secondary target temperature 53°C, with  0.5°C  steps)  and  10  seconds  at  72°C.  The  HRM  curve  analysis was  performed with  a temperature  range  used  for  the  melting  curve  generation  from  65°C  to  95°C  with  25  signal acquisitions per °C. DNA  samples  not  passing  high‐quality  control  standards  were  excluded  from  genotyping  which, resulted  in  the  exclusion  of  8  DNA  samples  from  asthmatic  patients,  7  DNA  samples  from MS patients, 9 DNA samples from RA patients and 25 DNA samples from control subjects.  

47  

Page 49: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 Figure 1: Representative image of genotyping results of DNA polymorphism rs2872507 by restriction fragment length 

polymorphism (RFLP) method; AG = fragments of 200, 105 and 95 bp (fragments 105 and 95 bp visible on a gel as s single band); GG =  single band of 200 bp; AA = fragments of 105 and 95 bp visible on a gel as a single band. 

 Gene expression of ORMDL3 and TNF First‐strand complementary DNA  (cDNA) was generated by  reverse  transcription of 1 µg  total RNA per  sample with  random primers and MultiScribe Reverse Transcriptase  (50 U per  reaction) using High‐Capacity cDNA Reverse Transcription kit (Cat. no. 4368813, Applied Biosystems, USA)  in a final reaction volume of 20 µl. The first step of reverse transcription reaction was performed at 25°C for 10 min followed by a 2‐h  incubation period at 37°C and finalized with 5 min of  incubation at 85°C, according to the manufacturer’s  instructions. The cDNA was diluted 1:20 with RNasefree water and stored at 80°C. The  intron  spanning primers used  for ORMDL3,  TNF  and  reference  genes ACTB, B2M  and GAPDH amplification  were  designed  using  the  Universal  ProbeLibrary  Assay  Design  Center  from  Roche Applied Science (https://www.roche‐applied‐science.com/sis/rtpcr/upl) and manufactured by Sigma (Germany).  The  expression  study  was  performed  using  a  96‐multiwell  white  plate  (Cat.  no. 04729692001, Roche Applied Science, Germany) on a Roche LightCycler 480 detection system (Roche Applied Science) with Maxima SYBR Green qPCR Master Mix (Fermentas). Samples were amplified in reactions  containing  2  µl  of  cDNA,  5  µl  of  2  x  SYBR  Green master mix,  primers  (concentration according to optimized standard curve of each target gene) and RNase‐free water in a final reaction volume of 10 µl. The PCR program was initiated at 95°C for 10 min to activate Taq DNA polymerase, followed by 40 thermal cycles of 15 s at 95°C, 30 s at 60°C and 30 s at 72°C. The specificity analysis of the PCR products (melting curve analysis) was performed after the real‐time PCR. The temperature range  used  for  the  melting  curve  generation  was  from  65  to  95°C.  Samples  were  analyzed  in duplicate  wells  and  each  PCR  run  included  a  no‐template  control  using  water  instead  of  cDNA. ORDML3 and TNF Cq values were normalized using the geometrical mean of reference genes ACTB, B2M and GAPDH Cq values37. Relative expression was calculated using  the equation 2‐ΔΔCq, where  ‐ΔΔCq = ‐ (Cqtarget ‐ Cqgeometrical mean reference) sample ‐ average (Cqtarget ‐ Cqgeometrical mean reference) control.  Statistical analysis Data analysis was carried out using SPSS version 19.0 (SPSS, Chicago,  IL, USA). The χ2 test and two‐sided Fisher’s exact test were used to calculate the significance of differences in allele and genotype frequencies  between  patients  and  controls.  We  calculated  odds  ratio  for  disease  with  95% confidence  interval. The χ2 test was also used for assessment of Hardy–Weinberg equilibrium. Data are presented as mean±s.d. when parametric  tests and descriptive  statistics were used. Genotype influence  on ORMDL3  or  TNF  gene  expression was  assessed with  Kruskal–Wallis  test  followed  by 

48  

Page 50: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

Dunn’s multiple comparison post hoc test. Data are presented as median±interquartile range when nonparametric tests were used. Values of P<0.05 were considered significant.    

RESULTS  Participants and descriptive data  In  the whole group of asthmatics,  there were 54.3%  (n=50) males and 45.7%  (n=42)  females. The mean age was 11.0±3.5 years. In group of multiple sclerosis patients, 24.2% (n=22) were males and 75.8%  (n=70) were  females.  The mean  age was 43.8±11.3  years.  In  group of  rheumatoid  arthritis patients,  25.0%  (n=23) were males  and  75.0%  (n=69) were  females.  The mean  age was  59.2±9.9 years.   Genotype and allelic frequencies of SNP rs2872507 Genotype  frequencies  in  the  patients  groups  and  in  the  control  group were  in  Hardy–Weinberg equilibrium. According to the dominant model of genetic association, the frequency of AA genotype in  RA  patients  was  33.0%,  which  was  significantly  higher  than  18.0%  in  controls  (P=0.012).  RA patients  also  had  higher  A  allele  frequency  compared  with  controls  (P=  0.045).  We  found  no differences in the allele and genotype frequencies between AST and MS patients compared with the control group (Table 1).   Genotype and allelic frequencies of SNP rs1800629 Genotype  frequencies  in  the  patients  groups  and  in  the  control  group were  in  Hardy–Weinberg equilibrium. According to the dominant model of genetic association, the frequency of AA genotype in RA patients was 7.0%, which was significantly higher than 3.0% in controls (P=0.033). There were no differences  in  the allele  frequencies between RA patients and  the  control group. We  found no differences in the allele and genotype frequencies between AST and MS patients compared with the control group (Table 1).  ORMDL3 gene expression and rs287250 eQTL analysis ORMDL3 median  relative expression has been  statistically different  in AST and MS disease groups when  compared  to  controls. ORMDL3 median  relative  expression  in  asthmatics was  1.963±0.948 (median±interquartile  range)  and  in  controls  1.503±2.026  (P=0.0005)  (Graph  1). ORMDL3 median relative expression  in MS patients was 6.981±4.551 and  in controls 1.503±2.026  (P<0.0001)  (Graph 1). Statistically significant difference in ORMDL3 median relative expression according to SNP rs2872507 genotype has been observed  in RA, AST and control group. ORMDL3 median relative expression  in AST patients according to rs2872507 three genotypes was statistically significant (P=0.044), median relative expression  in patients with AA genotype was 0.765±0.385,  in  those with AG genotype was 1.072±0.368  and  in  group  with  GG  genotype  was  1.157±0.492,  compared  with  average median relative expression of AST group. The statistical significance was confirmed with both genetic models, in  dominant model  for G  allele median  relative  expression was  0.765±0.385  for  patients with AA genotype  and 1.102±0.437  for patients with AG or GG  genotype,  compared with  average median relative  expression  of  AST  group  (P=0.0019).  In  dominant  model  for  A  allele  median  relative expression was 1.157±0.492 for patients with GG genotype and 1.015±0.430 for patients with AG or 

49  

Page 51: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

50  

AA  genotype,  compared  with  average  median  relative  expression  of  AST  group  (P=0.043).  The significance was  confirmed  also with  alleles, where median  relative  expression  in patients with A allele was 0.935±0.432  and median  relative expression  in patients with G  allele was 1.115±0.438, compared with average median relative expression of AST group (P=0.0023) (Graph 2). ORMDL3 median  relative  expression  in  RA  patients  according  to  rs2872507  three  genotypes was statistically  significant  (P=0.039),  median  relative  expression  in  patients  with  AA  genotype  was 0.812±0.593,  in  those  with  AG  genotype  was  1.049±0.934  and  in  group  with  GG  genotype  was 1.167±1.965,  compared  with  average  median  relative  expression  of  RA  group.  The  statistical significance was confirmed with both genetic models, in dominant model for G allele median relative expression was 0.812±0.593 for patients with AA genotype and 1.049±0.969 for patients with AG or GG genotype, compared with average median relative expression of RA group (P=0.027). In dominant model  for A allele median  relative expression was 1.167±1.965  for patients with GG genotype and 0.885±0.748  for  patients  with  AG  or  AA  genotype,  compared  with  average  median  relative expression of RA group  (P=0.049). The  significance was confirmed also with alleles, where median relative  expression  in  patients  with  A  allele  was  0.875±0.579  and median  relative  expression  in patients with G  allele was 1.049±1.043,  compared with  average median  relative expression of RA group (P=0.0081) (Graph 3).  TNF gene expression and rs1800629 eQTL analysis We found statistically significant difference in TNF median relative expression in two disease groups compared  to  controls.  TNF  median  relative  expression  in  MS  patients  was  1.400±2.320  and  in controls 0.805±1.358 (P=0.0005) (Graph 4). TNF median relative expression was different also  in RA patients, where it was 1.220±1.175 and in controls 0.810±1.268 (P=0.0057) (Graph 4). TNF median  relative  expression  according  to  SNP  rs2872507  genotype  has  not  been  significantly different in any of the studied groups.   

   

Page 52: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

3rd COLLOQUIUM OF GENETICS 

 

  patients  controls         

  AST  MS  RA      AST vs. controls  MS vs. controls  RA vs. controls 

Genotype or allele frequency  (n = 82)  (n = 92)  (n = 80)  (n = 251)    

               

P‐value  (OR, 95% CI)  P‐value  (OR, 95% CI)  P‐value  (OR, 95% CI) 

rs2872507 

AA  26%  16%  33%  18%  AA vs. AG+GG 

0.157  (0.652; 0.361 ‐ 1.176) 

0.751  (1.182; 0.624 ‐ 2.237) 

0.0122  (0.466; 0.264 ‐ 0.822) 

AG  51%  49%  43%  52%         

                 

             

               

GG  23%  35%  24%  30%  GG vs. AG+AA  0.322  (1.386; 0.776 ‐ 2.477) 

0.360  (0.773; 0.467 ‐ 1.278) 

0.479  (1.254; 0.706 ‐ 2.227) 

A  51%  40%  54%  44%  A vs. G 0.149  (0.761; 0.535 ‐ 1.084) 

0.388  (1.178; 0.830 ‐ 1.656) 

0.045  (0.688; 0.481 ‐ 0.983) 

G  49%  60%  46%  56%

rs1800629 

AA  4%  5%  7%  3%  AA vs.. AG+GG 0.707  (0.721; 0.182 ‐ 2.855) 

0.191  (0.465; 0.144 ‐ 1.503) 

0.033  (0.359; 0.138 ‐ 0.929) 

AG  33%  18%  25%  27%         

                 

             

GG  63%  77%  68%  70%  GG vs. AG+AA  0.283  (1.358; 0.812 ‐ 2.270) 

0.286  (0.729; 0.423 ‐ 1.259) 

0.674  (1.111; 0.736 ‐ 1.677) 

A  20%  15%  20%  16%  A vs. G 0.245  (0.771; 0.496 ‐ 1.197) 

0.131  (0.763; 0.538 ‐ 1.081) 

0.239  (0.799; 0.563 ‐ 1.135) 

G  80%  85%  80%  84%

Table  1:  Genotype  and  allele  frequencies  of  SNP  rs2872507  and  SNP  rs1800629  in  AST,  MS,  RA  and  control  group;  CI  =  confidence  interval;  OR  =  odds  ratio;  SNP  =  single‐nucleotidepolymorphism. 

51  

Page 53: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 

  Figure 1: ORMDL3 gene expression levels according to group. Boxes represent interquartile range with medians; whiskers 

illustrate the 5‐95 percentiles of samples (control, n = 220; AST, n = 84; MS, n = 78). 

 

 Figure 2: ORMDL3 gene expression levels according to rs2872507 genotype in asthmatics. Boxes represent interquartile 

range with medians; whiskers illustrate the 5–95 percentiles of samples. 

52  

Page 54: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

  Figure 3: ORMDL3 gene expression levels according to rs2872507 alleles in RA patients. Boxes represent interquartile range 

with medians; whiskers illustrate the 5–95 percentiles of samples. 

 

  

Figure 4: TNF gene expression levels according to group. Boxes represent interquartile range with medians; whiskers illustrate the 5‐95 percentiles of samples (control, n = 216; MS, n = 80; RA, n = 77). 

  

DISCUSSION  

In our study we performed association, expression and eQTL analysis of  two SNPs and  two nearby genes in three chronic immune diseases; AST, MS and RA.  

The aim of our study was  to evaluate  the  importance of  the  two studied genes  in selected diseases and rank the importance according to the disease. Our results suggest that ORMDL3 is most 

53  

Page 55: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

important in RA group, due to association with rs2872507 genotype and with eQTL. RA patients had higher A allele and AA genotype  frequency compared  to controls, suggesting A allele acts as a  risk factor  for  the  development  of  the  disease.  Higher  A  allele  frequency  was  already  confirmed  in previous  studies,  a multiethnic  study  and  a meta‐analysis, where  they  identified A  allele  as  a  risk factor for RA 2,38. In our study we observed significant difference in rs2872507 allele frequencies, but not at level of genome‐wide significance, therefore the results of our study are consistent with GWA study meta‐analysis conducted  in RA patients by Stahl and colleagues2, where  rs2872507  failed  to reach genome‐wide significance, but was observed as highly suggestive2 eQTL analysis in RA patients showed higher ORMDL3 expression  in carriers of G allele. To the best of our knowledge, this  is the first study on ORMDL3 expression in RA group. 

The  results of our  study  confirmed  the  association of ORMDL3  gene  expression  and  eQTL analysis with AST group. Expression of ORMDL3 in asthmatics was higher compared to controls and G allele  carriers  had  higher  expression  compared  to  A  allele  carriers.  The  latter  has  already  been confirmed  in our previous study, where also corticosteroid treatment response has been associated with  rs2872507  genotype39.  The  eQTL  association  of  rs2872507  and  ORMDL3  expression  in asthmatics  has  also  been  confirmed  in  allele‐specific  chromatin  remodeling  study,  conducted  on immortalized lymphoblastoid cell lines31. 

In  MS  group  however  ORMDL3  gene  plays  a  minor  role,  since  only  association  with expression was found. MS patients had higher expression levels compared to controls. To the best of our knowledge, there are yet no other studies of the MS ORMDL3 expression. ORMDL3  gene  is  ubiquitously  expressed  and  encodes  a  protein  integrated  in  the  endoplasmic reticulum membrane, acting as  important downregulator of  the sphingolipid synthesis  29,30. Recent study  on  influence  of ORMDL3  overexpression  showed  strong  association  of  gene  overexpression with  increased transcriptional activation of  immediate‐early genes and other genes directly related with the onset of inflammation 40. The latter is in concordance with the results of our study since all of  the  studied  diseases  had  either  changed  gene  expression  levels  according  to  control  group  or positive eQTL association. 

The  results of TNF  gene  suggest  it plays  a marginal  role  in RA  and MS  groups but has no enrolment  in  AST  group.  RA  patients  had  higher  AA  genotype  frequency  compared  to  controls (P=0.033),  suggesting A  allele  is  a  risk  factor  for  the  development  of  the  disease.  The  latter was already confirmed in an Egyptian study, where AA genotype was more prevalent among patients 19. Both groups, RA and MS, displayed higher expression levels compared to controls.  TNF is a potent cytokine that exerts diverse effects by stimulating a variety of cells. It is an autocrine stimulator as well as a potent paracrine  inducer of other  inflammatory cytokines41. Excess TNF was shown to cause various autoimmune diseases, including RA, Crohn's disease, and ulcerative colitis 11‐13. Increased TNF levels can be found in serum of RA patients and anti‐TNF therapy is well established method  for management of  inflammation of arthrtitic  joints  41. High TNF  levels were also  found  in cerebrospinal  fluid of MS patients and  levels of TNF correlate with severity and progression of  the disease42.  

There is limitation of our study that has to be taken into account when interpreting our data. The study was conducted on a somewhat smaller sample size, and therefore a replication study to confirm our findings would be helpful.  

The aim of our study was to evaluate the  importance of the two studied genes and to rank the  importance according to the disease. Our results suggest that ORMDL3  is most  important  in RA group, because we  found association with  rs2872507 genotype and with eQTL. Similar  importance 

54  

Page 56: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

was shown also  for AST group, since an association of ORMDL3 gene expression and eQTL analysis with AST group was found. In MS however ORMDL3 gene plays a minor role, as only association with expression was found. The study of TNF revealed it plays marginal role in RA and MS groups but has no enrolment  in AST group.  In RA group association with  rs1800629 genotype was  found.  In both groups, RA and MS, association with TNF expression levels was found.    

REFERENCES  

1. De Jager PL et al. Meta‐analysis of genome scans and replication  identify CD6,  IRF8 and TNFRSF1A as new multiple sclerosis susceptibility loci. Nature Genetics 2009, 41, 776‐782. 2. Stahl EA et al. Genome‐wide association study meta‐analysis  identifies seven new rheumatoid arthritis risk loci. Nature Genetics 2010, 42, 508‐556. 3.  Ramasamy  A  et  al.  Genome‐Wide  Association  Studies  of  Asthma  in  Population‐Based  Cohorts  Confirm Known and Suggested Loci and Identify an Additional Association near HLA. Plos One 2012, 7, e44008. 4. Criswell  LA  et  al. Analysis of  families  in  the multiple  autoimmune disease  genetics  consortium  (MADGC) collection:  the  PTPN22  620W  allele  associates with multiple  autoimmune  phenotypes.  American  Journal  of Human Genetics 2005, 76, 561‐571. 5. Wandstrat A et al. The genetics of  complex  autoimmune diseases: non‐MHC  susceptibility  genes. Nature Immunology 2001, 2, 802‐809. 6. Maier  LM et al.  IL2RA Genetic Heterogeneity  in Multiple Sclerosis and Type 1 Diabetes Susceptibility and Soluble Interleukin‐2 Receptor Production. Plos Genetics 2009, 5, e1000322. 7.  Remmers  EF  et  al.  STAT4  and  the  risk  of  rheumatoid  arthritis  and  systemic  lupus  erythematosus.  New England Journal of Medicine 2007, 357, 977‐986. 8. Horton R et al. Gene map of the extended human MHC. Nature Reviews Genetics 2004, 5, 889‐899. 9. Fernando MMA et al. Defining  the  role of  the MHC  in autoimmunity: A  review and pooled analysis. Plos Genetics 2008, 4, e1000024. 10. Mukai Y et al. Structure‐Function Relationship of Tumor Necrosis Factor (TNF) and Its Receptor Interaction Based on 3D Structural Analysis of a Fully Active TNFR1‐Selective TNF Mutant.  Journal of Molecular Biology 2009, 385, 1221‐1229,. 11.  Feldmann M et  al. TNF defined  as  a  therapeutic  target  for  rheumatoid  arthritis  and other  autoimmune diseases. Nature Medicine 2003, 9, 1245‐1250. 12. Kooloos WM et al. Potential role of pharmacogenetics  in anti‐TNF  treatment of rheumatoid arthritis and Crohn's disease. Drug Discovery Today 2007, 12, 125‐131. 13. Rutgeerts P et al. Optimizing anti‐TNF  treatment  in  inflammatory bowel disease. Gastroenterology 2004, 126, 1593‐1610. 14. Daneshmandi S et al. Cytokine gene polymorphism and asthma susceptibility, progress and control  level. Molecular Biology Reports 2012, 39, 1845‐1853. 15. Ricciardolo FLM et al. TNF‐alpha, IL‐4R alpha and IL‐4 polymorphisms in mild to severe asthma from italian caucasians. International Journal of Immunopathology and Pharmacology 2013, 26, 75‐84. 16. Gao  J et al. Association between polymorphism of  tumour necrosis  factor alpha‐308 gene promoter and asthma: a meta‐analysis. Thorax 2006, 61, 466‐471. 17.  Izad M  et  al.  Cytokines  Genes  Polymorphisms  and  Risk  of Multiple  Sclerosis.  American  Journal  of  the Medical Sciences 2010, 339, 327‐331. 18.  Yang  Y  et  al.  ‐308 G  > A  of  TNF‐alpha  gene  promoter  decreases  the  risk  of multiple  sclerosis:  a meta‐analysis. Multiple Sclerosis Journal 2011, 17, 658‐665. 19.  Hussein  YM  et  al.  Association  of  tumor  necrosis  factor  alpha  and  its  receptor  polymorphisms  with rheumatoid arthritis in female patients. Cellular Immunology 2011, 271, 192‐196. 

55  

Page 57: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

20.  You CG  et al. Association  analysis of  single nucleotide polymorphisms of proinflammatory  cytokine  and their receptors genes with rheumatoid arthritis in northwest Chinese Han population. Cytokine 2013, 61, 133‐138. 21. Mosaad  YM  et  al.  Association  of  tumour  necrosis  factor‐alpha‐308  G/A  promoter  polymorphism  with susceptibility and disease profile of  rheumatoid arthritis.  International  Journal of  Immunogenetics 2011, 38, 427‐433. 22. Buckova D et al. Lack of association between atopic asthma and the tumor necrosis factor alpha‐308 gene polymorphism in a Czech population. Journal of Investigational Allergology and Clinical Immunology 2002, 12, 192‐197. 23.  Louis  R  et  al.  Lack  of  association  between  adult  asthma  and  the  tumour  necrosis  factor  alpha‐308 polymorphism gene. European Respiratory Journal 2000, 16, 604‐608. 24. Xu  LD et al. The polymorphisms of  the TNF‐alpha gene  in multiple  sclerosis?‐a meta‐analysis. Molecular Biology Reports 2011, 38, 4137‐4144. 25. Nikolopoulos GK et al. Cytokine gene polymorphisms  in multiple  sclerosis: a meta‐analysis of 45  studies including 7379 cases and 8131 controls. European Journal of Neurology 2011, 18, 944‐975. 26. Mirowska‐Guzel D et al. Association of  IL1A,  IL1B,  ILRN,  IL6,  IL10 and TNF‐alpha polymorphisms with risk and clinical course of multiple sclerosis in a Polish population. Journal of Neuroimmunology 2011, 236, 87‐92). 27. Boechat AL et al. The influence of a TNF gene polymorphism on the severity of rheumatoid arthritis in the Brazilian Amazon. Cytokine 2013, 61, 406‐412. 28.  Lee  YH  et  al.  Tumor  necrosis  factor‐alpha  promoter‐308  A/G  polymorphism  and  rheumatoid  arthritis susceptibility: A metaanalysis. Journal of Rheumatology 2007, 34, 43‐49. 29.  Hjelmqvist  L  et  al.  ORMDL  proteins  are  a  conserved  new  family  of  endoplasmic  reticulum membrane proteins. Genome Biology 2002, 3, RESEARCH0027. 30. Breslow DK et al. Orm family proteins mediate sphingolipid homeostasis. Nature 2010, 463, 1048‐1065. 31. Verlaan DJ  et  al. Allele‐Specific Chromatin Remodeling  in  the  ZPBP2/GSDMB/ORMDL3  Locus Associated with the Risk of Asthma and Autoimmune Disease. American Journal of Human Genetics 2009, 85, 377‐393. 32. Li XN et al. Genome‐wide association studies of asthma  indicate opposite  immunopathogenesis direction from autoimmune diseases. Journal of Allergy and Clinical Immunology 2012, 130, 861‐?. 33. Moffatt MF  et  al.  Genetic  variants  regulating  ORMDL3  expression  contribute  to  the  risk  of  childhood asthma. Nature 2007, 448, 470‐475. 34. Laukens D et al. Evidence for Significant Overlap between Common Risk Variants for Crohn's Disease and Ankylosing Spondylitis. Plos One 2010, 5, e13795.  35. Barrett JC et al. Genome‐wide association study and meta‐analysis find that over 40 loci affect risk of type 1 diabetes. Nature Genetics 2009, 41, 703‐707). 36.  Barrett  JC  et  al.  Genome‐wide  association  defines more  than  30  distinct  susceptibility  loci  for  Crohn's disease. Nature Genetics 2008, 40, 955‐962. 37. Vandesompele J et al. Accurate normalization of real‐time quantitative RT‐PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biology 2002, 3. 38. Kurreeman FAS et al. Use of a Multiethnic Approach  to  Identify Rheumatoid‐Arthritis‐Susceptibility  Loci, 1p36 and 17q12. American Journal of Human Genetics 2012, 90, 524‐532. 39.  Berce  V  et  al.  Association  among  ORMDL3  gene  expression,  17q21  polymorphism  and  response  to treatment with  inhaled  corticosteroids  in  children with asthma. The pharmacogenomics  journal, 2012, Epub ahead of print. 40. Cantero‐Recasens G et al. The asthma‐associated ORMDL3 gene product regulates endoplasmic reticulum‐mediated calcium signaling and cellular stress. Human Molecular Genetics 2010, 19, 111‐121. 41. Choy EHS et al. Mechanisms of disease: Cytokine pathways and joint inflammation in rheumatoid arthritis. New England Journal of Medicine 2001, 344, 907‐916. 42. Sharief MK et al. Association between tumor‐necrosis‐factor‐alpha and disease progression in patients with multiple‐sclerosis. New England Journal of Medicine 1991, 325, 467‐472. 

56  

Page 58: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

43. Zhang YG et al. The‐308 G/A polymorphism in TNF‐alpha gene is associated with asthma risk: an update by meta‐analysis. Journal of Clinical Immunology 2011, 31, 174‐185.    

 

57  

Page 59: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 

 

 

 

POSTERS 

58  

Page 60: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

  

 

 

 

POPULATION  

GENETICS 

 

59  

Page 61: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

Presenting author: Daša Perko, [email protected] 

Abstract 

 

MEFV GENE MUTATIONS IN CENTRAL AND SOUTH‐EASTERN EUROPEAN COUNTRIES  Daša Perko1, Maruša Debeljak2, Nataša Toplak1, Anna Šedivá3, Tomáš Dallos4, Miroslav Harjaček5, Marija Jelušič6, Goran Ristić7, Beata Derfavli8, Kristina Mironska9, Skirmante Rusoniene10, Dafina 

Kuzmanovska11, Natalja Kurjane12, Mihaela Bataneant13, Tadej Avčin1 

 1University Medical Center Ljubljana, University Children's Hospital, Department of Allergology, Rheumatology and Clinical 

immunology, Slovenia 2University Medical Center Ljubljana, University Children's Hospital, Center for Medical Genetics, Slovenia 

3Universit lty, Department of Immunology, Czech Republic y Hospital Motol and 2nd Medical facu4Comenius University in Bratislava, 2nd Department of Paediatrics, Slovakia 

5Children's Hospital Srebrnjak, Rheumatology clinic, Croatia 6University Hospital Centre Zagreb, Department of Pediatrics, Division of Pediatric Rheumatology and Immunology, Croatia 

7Institute for Health Protection of Mother and Child 'Dr Vukan Cupic', Serbia 8Sammelweis University, 2ndDepartment of Paediatrics, Hungary 

9University clinic for children diseases, Department of Pediatrics Immunology, Division for Primary Immunodeficiences, Republic of Macedonia 

10Children‘s Hospital, Affiliate of Vilnius University Hospital, Santariskiu Klinikos, Lithuania 11Ss. Cyriland Methodius University, Medical Faculty, University Pediatric Clinic, Republic of Macedonia 

12Stradina Clinical University Hospital, Centre of Clinical Immunology, Latvia 13University of Medicine and Pharmacy 'Victor Babes', 3rd Pediatric Clinic, Romania 

 Familial Mediterranean fever (FMF)  is rarely reported  in patients from CCSEE countries. The 

reason for this might be that the prevalence of FMF in CSEE is exceedingly low or that the disease is under‐recognized  among  local  physicians.  The  aim  was  to  assess  the  frequency  of  MEFV  gene mutations in periodic fever (PF) patients from CSEE countries. 

We  analyzed  all  the  data  of  PF  patients who were  followed  at  the  University  Children's Hospital Ljubljana  from 2006  to 2013.  In addition,  free genetic  testing was provided  for suspected FMF patients  from  the CSEE region.  In  total, 156 PF patients  (53%  female, 47% male) were  tested; 118/Slovenia,  14/Czech  Republic,  6/Slovakia,  4/Croatia,  4/Romania,  3/Macedonia,  2/Serbia, 2/Hungary, 2/Latvia and 1/Lithuania. 73% of population were children (mean age 6.6 years) and 27% were adult (mean age 46.4 years).  

31 patients (20%) were found to have at least one mutation. 22 patients have had one only; Slovenia 9/15, Czech Republic 7/8, Slovakia 1/3, Macedonia 2/2, Latvia 1/1, Hungary 1/1 and Croatia 1/1. 8 patients have had two mutations; Slovenia 6/15, Slovakia 1/3, Czech Republic 1/8. 1 patient has  had  3 mutations  (Slovakia). One  homozygous mutation was  found  (Czech  Republic)  and  one novel mutation was  identified  (S730F, Slovenia). 12 different mutations were  found: M694V(27%), K695R(22%),  P369S(12%), R408Q(12%),  I591T(7%),  E148Q(5%),  E167D(2%), A289V(2%),  F479L(2%), V726A(2%), S730F(2%) and A744S(2%).  

We  suspect  that  clinical  manifestations  of  FMF  could  be  influenced  by  the  regional environment.  We  are  planning  to  evaluate  genotype‐phenotype  correlation  in  MEFV  mutation positive patients in CSEE countries in the future. 

60  

Page 62: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

Presenting author: Martina Planinc, [email protected]‐lj.si Article 

GENOTYPE BY ENVIRONMENT INTERACTION FOR GROWTH IN ON‐FARM TESTED GILTS  

Martina Planinc, Špela Malovrh, Milena Kovač  

University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Animal Science Department, Chair for Pig Production, Slovenia 

 Differences  in environment sensitivity between  individuals results  in genotype by environment  interaction (GEI).  If GEI occurs,  the  trait  is  partly  influenced by  different  genes  in different  environment.  The  objective  of  this  study was  to evaluate genotype by environment interaction for growth traits in gilts of maternal genotypes in Slovenia. Animals were classified into two environments. The variable used to characterize the environment was average daily gain in herd and year.  The  analysis  included  10479  gilts with  known  pedigree. Gilts were  tested  on  44  family  farms  since  year  2000. Animals belonged to four maternal genotypes: Slovenian Landrace – line 11 (11), Slovenian Large White (22) and Hybrids 11x22 and 22x11. To study GEI, animal model methodology was used to estimate genetic correlations between the traits. Genetic correlation for backfat thickness was 0.85 and for days in test 0.49. If estimated genetic correlation is bellow 0.8 the GEI is present.  

  

INTRODUCTION    Living organisms respond to changes in their environment. This is called phenotypic plasticity or  environment  sensitivity  1.  Genotypes  that  show  highly  variable  phenotypes  across  different environments  are  ‘plastic’.  Differences  in  environment  sensitivity  among  individuals  result  in genotype by environment interaction (GEI). If GEI occurs, the trait is partly influenced by expression different of genes  in different environment. GEI may  lead to re‐ranking of animals among different environments. This  interaction could be  studied by estimating  the genetic correlation of  the  same trait  in  two  separated  environments  2.  The  existence  of  GEI  may  render  accurate  quantitative estimates of the effects of matting system, breed choice and also selection schemes.    In pig breeding, GEI may give problems if breeding values for growth are predicted based on specially  test  environment,  but  production  animals  are  raised  in  total  different  environment. Therefore it makes sense, to test animal on family farms in production conditions. Genetic evaluation requires consistency of  sire  ranking across environments. The existence of GEI might  lead  to a  re‐ranking  of  boars.  To  quantify  GEI,  Falconer  and  Mckay  3  proposed  the  estimation  of  genetic correlation between traits in different environments. Robertson 4 suggested value 0.8 for correlation coefficient if GEI is present.    At present, no information is available on the existence of a GEI in Slovenian pig populations. The aim of this study was to evaluate genotype by environment interaction for growth traits in gilts of maternal genotypes in Slovenia using multiple trait animal model approach.   

METHODS    Growth  records  and  pedigree  information  from  10479  are  routinely  collected  for  gilts  of maternal genotype  in Slovenia. Data were obtained  from central data base of SloHibrid, Slovenian breeding program. Animals are  four genotypes: Slovenian  Landrace  ‐  line 11  (11), Slovenian  Large 

61  

Page 63: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

White (22) and Hybrides 11x22 (12) and 22x11 (21). Gilts in study were raised on 44 family farms. The variables used to describe the environment for each animal was average daily gain in common herd‐year environment. The observations were dived  into  three environments.  In analyses only  low and high  environment  were  included,  while  records  of  animal  from  intermediate  environment  were excluded.  For  the  low  environment  the  limit  for  daily  gain  was  530 g/day  or  lower.  In  high environment the gilts gained 580 g/day at least.   There were 6074 measured animals  in the  low environment and 4405 measured animals  in the high environment. Average daily gain in the low environment was 501 g/day and it was 106 g/day smaller  than  in  the  high  environment  (Table  1).  Traits measurement  in  the  lowin  and  the  high production environments were treated as different traits in analysis.   Days on test were precorrected at 110 kg. Average for days on test was 223 days for gilts  in the  low environment (Table 1), while animals  in the high environment were 40 days younger at the end of  the  test.  In  the high environment,  the youngest animal was 131 days on  test. Days on  test were  limited up  to 300 days. Backfat  thickness  in animals  in  the high environment was  for 0.6 mm thinner than animals in the low environment, where it was 10.7 mm on average. The thickest backfat (22.7 mm) was measured in the low environment.   

Trait  Environment  Mean  SD  Min.  Max. 

Daily gain (g/day)  Low  500.6  60.0  367.0  730.0 Daily gain (g/day)  High  607.5  64.7  376.0  839.0 

Days on test (days)  Low  223.0  27.0  150.7  299.8 

Days on test (days)  High  183.2  20.2  131.1  293.5 

Backfat thickness (mm)  Low  10.7  2.3  4.3  22.7 Backfat thickness  (mm)  High  10.1  2.0  5.0  20.7 

Table 1: Descriptive statistics for traits.    SAS  software  5 was used  for data preparation. The genetic correlation between pairs of  traits was used  to  study  the  presence  of GEI. Data  structure  and  available  pedigree  allowed  animal model. Pedigree of animal with measurements was traced back for four generations. Dispersion parameters were estimated using residual maximum  likelihood methodology as applied  in the VCE‐6 package 6. Breeding values were predicted using PEST software 7, 8. The following statistical models were used:  

( )[ ] tijklmntntmtltijklmnttktjtittijklmn eahgxxbRSGy ++++−++++= μ              (1) 

 

where   is trait where t depicts trait and environment (t = 1, 2, 3, 4). Odd numbers depict days 

on  test  and  even  numbers  depict  backfat  thickness.  Traits  1  and  2  were  measured  in  low 

environment, while traits 3 and 4 are measured in high environment. The 

tijklmny

tμ is overall mean for trait 

in environment. Fixed part of model included breed ( , i=1, 2, 3, 4), season ( , j=1, 2, … 157) and 

herd  ( , k=1, 2, … 44). Animal body weight  ( ) was  included as covariate only  in model  for 

backfat thickness where  is  linear regression coefficient. Random part of model  included common 

litter environment ( ), common herd‐year environment ( ) and direct additive genetic effect ( ). 

tiG tjS

tkR tijklmnx

tb

tll tsh tnaRandom residual is written as  . In matrix notation, model (Equation 1) can be written as: tijklmne

ehZlZaZXy ++++= hlaβ   (2) 

62  

Page 64: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 

where   is data vecy tor,  β  is vector of unknown parameters for fixed effects,   ,  ,   are vectors 

of  unknown  parameters  for  random  effects  of  direct  additive  genetic  effect,  common  litter 

environment  and  common  herd‐year  environment,  respectively.  ,  ,    and    are 

corresponding  incidence  matrices.  Direct  additive  genetic  effect  was  assumed  to  be  normally distributed with zero mean and covariances structure: 

a l

lZ

h

X aZ hZ

 

( ) A

aaaa

a ⊗

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

2

2

2

2

4

3

2

1

4342414

3433213

2423212

1413121

varvar

aaaa

aaaa

aaaa

aaaa

t

σσσσσσσσσσσσσσσσ

            (3) 

 

where  are direct additive genetic variance for traits, 2aσ aσ are covariances among traits in different 

environment  and  is  the  numerater  relationship  matrix.  Covariances  among  traits  among environments were  assumed  to be  zero, because each  animal was measured  in one environment only. For trivial random,  like  litter and herd‐year effects  it was assumed to be normally distributed with zero mean, and covariance structure below: 

A

 

( ) l

ll

ll

ll

ll

t I

llll

l ⊗

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

2

2

2

2

4

3

2

1

434

343

212

121

0000

0000

varvar

σσσσ

σσσσ

            (4) 

 

( ) h

hh

hh

hh

hh

t I

hhhh

h ⊗

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

2

2

2

2

4

3

2

1

434

343

212

121

0000

0000

varvar

σσσσ

σσσσ

                    (5) 

 

In  Equations  4  and  5,      is  common  litter  environment,    is  variance  for  common herd‐year 

environment. The   and   are corresponding identity matrices. The residuals were assumed to be 

normally independent and identically distributed within environment with zero mean and covariance structure in equation 6. 

2lσ

I

2hσ

lI h

 

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

000000000000

2

2

212

121

ee

ee

LRσσσσ

,  ,        (6) 

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

2

2

434

343

0000

00000000

ee

eeHR

σσσσ sR

eeee

⊕=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

4

3

2

1

var

  

63  

Page 65: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

RESULTS    In  the  low  environment,  heritability  for  days  on  test was  estimated  to  0.21  and  in  high environment  to 0.18  (Table 2). Heritability  for backfat  thickness was estimated  to 0.23 and 0.28  in the low and in the high environment, respectively. Genetic correlation within environment between days on  test and backfat  thickness was 0.49 and 0.85,  respectively. Genetic correlation  for days  in test was estimated bellow 0.8 and  this value  indicated  the presence of GEI. Therefore, we present breeding values just for days on test.   Common litter environment accounted between 15 and 18% of the variation associated with days on test in both environments. For backfat thickness, common litter environment accounted for about 10% of  the  variation. Approximately 20% of  the  total  variation  in days on  test  and backfat thickness  in  low environment was explained by the herd‐year effects. Slightly  less variation (15 and 11%)  herd‐year  effect  represented  for  traits  in  high  environment.  Ratio  of  unexplained  variance accounted about 50% of the variation for all traits.  

  Days on test L  Backfat thickness L  Days on test H  Backfat thickness H 

Direct additive genetic effect 

Days on test L  0.21 ± 0.03  0.22 ± 0.07  0.49 ± 0.17  ‐0.12 ± 0.15 Backfat thickness L    0.23 ± 0.03  0.44 ± 0.12  0.85 ± 0.08 Days on test H      0.18 ± 0.02  0.42 ± 0.10 Backfat thickness H        0.28 ± 0.04 

Common litter environment 

Days on test L  0.18 ± 0.01  ‐0.09 ± 0.05  /  / Backfat thickness  L    0.08 ± 0.01  /  / Days on test H      0.15 ± 0.01  ‐0.24 ± 0.08 Backfat thickness  H        0.11 ± 0.02 

Herd‐year effect 

Days on test L  0.20 ± 0.02  0.18 ± 0.05  /  / Backfat thickness  L    0.24 ± 0.02  /  / Days on test H      0.14 ± 0.02  ‐0.22 ± 0.09 Backfat thickness  H        0.11 ± 0.02 

Residual 

Days on test L  0.42 ± 0,02  ‐0.18 ± 0.03  /  / Backfat thickness  L    0.55 ± 0.02  /  / Days on test H      0.53 ± 0.02  ‐0.18 ± 0.03 Backfat thickness  H        0.49 ± 0.04 

Table 2:   Correlations (above diagonal) and rations (on diagonal) with standard errors for random effects and residual for days on test and backfat thickness in low and high environment. 

   Breeding values for days on test predicted by multiple trait animal model for measured gilts in  both  environments  are  graphically  presented  in  Figure  1.  Regression  line  (red)  deviates  from diagonal (black) which represents unity of breeding values. Around 60 sires had at least 10 daughters with observations in each environment. Re‐ranking of this boars based on breeding value prediction in the two environments are presented in Figure 2.    

64  

Page 66: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 Figure 1: Prediction of breeding value of gilts for days on test in low and high environment 

  

 Figure 2: Differences in ranking of boars’ breeding values for days on test, based on offspring performance in low and high 

environment 

  

DISCUSSION    The estimated correlation between  low and high environment breeding values  for days on test was below unity. If genetic correlation is close to one, it is expected that prediction of breeding values  as well  as  ranking  of  animals  is  the  same  in  both  environments.  In  the  low  environment 

65  

Page 67: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

breeding values are more dispersed  than  in  the high. Magnitude of genetic  correlation  coefficient indicates  that GEI exists  for days on  test between environments. Merks  9 and Wallenbeck et al.  10 reported  the existence of GEI  for  carcass  leanness and  growth  rate,  respectively. Werner et  al.  11 reported the GEI for both traits, grow rate and carcass leanness in different breeds. GEI is more often assessed for milk yield traits  in cattle due to more variable rearing environments. GEI for milk yield traits  was  confirmed  for  Nordic  dairy  cattle  by  Kolmodin  et  al.  12.  For  Holstein  caws  GEI  was confirmed by Kearney  et  al.  13  and  Shariati  et  al.  14. On  contrary, GEI has not been  confirmed by Boettcher et al. 15 in dairy cattle in Canada, Fikse et al. 16 for Guernesy cattle populations worldwide and Logar et al. 17 for Holstein, Simmental and Brown cattle in Slovenia.    Based on genetic correlations of 0.49 we expect re‐ranking of sires between environments. Re‐ranking  of  some  sires  for  days  on  test  actually  occurred  (Figure  2).  Some  sires  have  higher breeding value  in  the  low environment  than  in  the high environment while some of  the sires  rank higher  in  the  high  environment  and  lower  in  the  low  environment.  Re‐ranking  of  sires  could  be important when we select boars for family farms, especially if rearing environments have wide range.  If  there  is weak GEI,  it  is possible  to use  common breeding program.  Strong GEI  is more  evident between  organic  and  conventional  traits  16.  Wallenbeck  et  al.  10  suggested  that  in  such  cases, separate breeding programs should be used.   Existence of GEI for gilts in Slovenia was studied using animal model. Our results indicate GEI for days on test but not for backfat thickness. However, the method used  in this study  is simplified approach to estimate GEI. In the future, reaction norms methodology as more sophisticated method will be applied.  

REFERENCES 

1. de Jong G, Bijma P. Selection and phenotypic plasticity in evolutionary biology and animal breeding. Livest Prod Sci 2002, 78, 195‐214. 2. Falconer DS. The problem of environment and selection. Am Nat 1952, 86, 293‐289. 3. Falconer DS, Mackay TF. Introduction to quantitative genetics. London, Longmann & Co, 1996, p. 464.  4. Robertson A. The sampling variance of the genetic correlation coefficient. Biometrics 1959, 15, 469‐485. 5. SAS Inst. Inc. The SAS System for Linux. Release 9.2, Cary, NC, 2008.  6. Groeneveld  E,  Kovač M, Mielenz N.  VSE6 User’s Guide  and  Reference Manual. Mariensee,  Institute  of  Farm  Animal Genetics, FLI 2010, p. 125.  7. Groeneveld  E,  Kovač M, Wang  T.  PEST,  a  general  purpose BLUP  package  for multivariate  prediction  and  estimation. Proceedings of the 4th World congress on genetics applied to livestock production.  Edinburgh 1990, 488‐491. 8. Groeneveld E, Kovač M, Wang T, Fernando RL. Computing algorithms in a general purpose BLUP package for multivariate prediction and estimation. Arch Tierz 1992, 35, 399‐412. 9.  Merks  JWM.  Genotype  x  Environment  Interaction  in  Pig  Breeding  Programmes.  VI.  Genetic  relations  between performances in central test, on‐farm test and commercial fattening. Livest Prod Sci 1989, 22, 325‐339. 10. Wallenbeck A, Rydhmer L, Lundeheim N. GxE interaction for growth and carcass leanness: Re‐ranking of boars in organic and conventional production. Livest. Sci. 2009, 123, 154‐160.  11. Werner D, Brade W, Weismann F, Brandt H. Performance and carcass quality of genetically pigs under conventional and organic  conditions.  In:  van  der  Honing  Y.  (Ed.),  Annual Meeting  of  the  European  Association  for  Animal  Production. Wageningen Academic Publisher, Dublin, Ireland 2007, p. 277.  12. Kolmodin R, Strandberg E, Madsen P,  Jensen  J,  Jorjani H. Genotype by environment  interaction  in Nordic dairy cattle studied using reaction norms. Acta Agric. Scand. Sect. A Anim. Sci. 2002, 52, 11‐24. 13.  Kearney  JF,  Schutz  MM,  Boettcher  PJ,  Weigel  KA.  Genotype  x  Environment  Interaction  for  in  Grazing  versus Confinement. I. Production Traits. J. Dairy Sci. 2004, 87, 501‐509. 14. Shariati MM, Su G, Madsen P, Sorensen D. Analysis of Milk Production in Early Lactation Using Reaction Norm Model with Unknown Covariates. J. Dairy Sci. 2007, 90, 5759‐5766. 

66  

Page 68: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

15. Boettcher PJ, Fatehi J, Schutz MM. Genotype x Environment Interaction for in Conventional versus Pasture‐Based Dairies in Canada. J. Dairy Sci. 2003, 86, 383‐389. 16. Fikse WF, Rekaya R, Weigel A. Genotype x Environment Interaction for Milk Production in Guernsey Cattle. J. Dairy Sci. 2003, 86, 1821‐1827. 17. Logar B, Malovrh Š, Kovač M. Multiple trait analysis of genotype by environment interaction for milk yield traits in Slovenian cattle. In: Recent advances and future prioritetes of animal product quality in EU: papers of 15th International Symposium Animal Science Days. Jurković D. (Ed.). Agriculture 2007, 13, 1, 83‐88. 18. Boelling D, Groen AF, Sorensen P, Madsen P, Jensen J. Genetic improvement of livestock for organic farming system. Livest. Prod. Sci. 2003, 80, 79‐88.  

 

 

 

 

67  

Page 69: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 

 

 

 

 

GENOMICS 

68  

Page 70: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

Presenting author: Jernej Bravničar, [email protected] 

Article 

CATALOG OF GENETIC VARIABILITY RELATED TO microRNA NETWORK IN TWO FISH SPECIES: Danio rerio AND Tetraodon nigroviridis 

 Jernej Bravničar, Daša Jevšinek Skok, Tanja Kunej 

 Department of Animal Science, Biotechnical Faculty, University of Ljubljana, Groblje 3, 1230 Domžale, Slovenia 

 Genetic variability of microRNA (miRNA) network can have effects on phenotypes, diseases or cell function. Most of the miRNA research has been performed  in human and mouse, however  little  is known about genetic variability of miRNA genes in fish species. Due to food‐wise importance this field will probably raise quite considerably in next few years as more genomic data on commercial fishes becomes available. As of now most of the genomic resources are available on two non‐commercial fish species Danio rerio and Tetraodon nigroviridis. The aim of this study was to perform a genome wide in silico screening (GWISS) of genomic sources and determine the genetic variability of miRNA network in these two species.  Online  tool miRNA  SNiPer  3.0 was  used  to  search  for miRNA  polymorphisms.  Genetic  variability  of  genes encoding  for  miRNA  processing  machinery  was  extracted  from  Ensemble  e71  database.  Validated  miRNA‐target interactions were obtained from mirTarBase. Out of 344 and 144 known miRNA genes in D. rerio and T. nigroviridis we found 8 and 5 miRNA genes respectively with SNPs  in their pre‐mature miRNA sequences. Out of 31 genes  involved  in miRNA processing machinery  in D.rerio 16 genes had 32 non‐synonymous SNPs and 24 genes had 33 non‐synonymous SNPs  in  T.  nigroviridis.  Currently  there  are  30 miRNAs with  validated  targets  in  D.  rerio.  The  developed  catalogue provides an  important  source of  information  for development of potential biomarkers.  In  the  coming  years as other genomes will become available miRNA SNiPer  tool will enable prioritization of biomarkers associated with  improving aquacultural yield. As miRNA genes and targets are conserved a catalog of miRNA gene SNPs could further facilitate the research on closely related species like Cyprinus carpio, which is an important food source in aquaculture.   

INTRODUCTION  

MicroRNAs exist across viruses, plants and animals and play important roles in almost every biological  process  through  the  posttranscriptional  regulation  of  genes  by  targeting  mRNAs  for cleavage  or  translational  repression.  Approximately  22  (nt)  nucleotides  in  length  these  RNAs comprise one of the more abundant classes of gene regulatory molecules in multicellular organisms and likely influence the output of many protein coding genes1. MicroRNAs regulate gene expression through  translational  repression  and/or  messenger  RNA  (mRNA)  deadenylation  and  decay.  In addition, more recent observations report that miRNA also upregulate translation and target other genic  regions  thus have  a  far more  complex  role  at  regulating  expression  as was  first  thought of [reviewed in 2] 2. 

Biogenesis of miRNA begins  in  the nucleus with  the primary  transcript  (pri‐miRNA)  several hundred  nt  in  length  being  transcribed.  Pri‐miRNA  transcript  is  cleaved  by  RNase  III  Drosha endonuclease  and  later  in  cytoplasm  by  RNase  III  endonuclease  Dicer.  This  cleaved  product  is  a duplex  of  mature  miRNA  and  its  complementary  sequence  miRNA.  Duplex  is  loaded  into  a ribonucleoprotein complex called RISC  (RNA‐induced  silencing complex). These proteins are only a few  in  complex miRNA  processing machinery3. Mature miRNA  serves  as  key  binding  location  for translational  suppression.  Key  binding  location  called  seed  region  resides  within  mature miRNA 

69  

Page 71: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

sequence.  It  has  been  shown  that  nearly  perfect  complementarity  between  first  nine  miRNA nucleotides is needed in order for the protein coding genes to be repressed4. 

MicroRNAs bind to their target genes based on sequence complementarity. More than 80% of miRNAs  lower mRNA  levels,  demonstrating  that mRNA  destabilization  is  the  primary mode  of action of miRNAs5. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) have been reported to impair or enhance miRNA regulation as well as  to alter miRNA biogenesis. Single nucleotide polymorphisms are often associated with diseases or traits6. Polymorphisms in miRNA targets and machinery genes have also substantial role in miRNA regulated gene expression profiles7. Many studies have reported the effect of SNPs in the 3’untranslated regions (3’UTRs) of the target genes. For example, in Texel sheep, a SNP in  the  3’UTR  of myostatin  gene  (MSTN;  previous  GDF8)  created  a  binding  site  targeted  by  two miRNAs, miR‐1 and miR‐206,  resulting  in MSTN  inhibition and  increased muscular hypertrophy8.  It has been demonstrated that SNPs may modulate regulatory mechanisms in a tissue specific manner9. As of SNPs within a miRNA gene, especially  in the seed region can alter  its secondary structure and affect miRNA processing.  Some of  these  are potentially  interesting  in  aquaculture. Namely,  it has been shown that miRNA SNPs alter fat deposition in mouse10 and meat quality in farm animals11, 12.  

Because of the recently recognized significance of SNPs in miRNA biogenesis and regulation, many reports have concentrated on collecting miRNA‐related SNPs and  investigating their  influence on miRNA  function8,  13.  However,  all  these  studies  have  focused mainly  on mouse  and  human, because  there  is a substantial amount of  information on miRNAs and SNPs available  for  these  two species.  Discovery  and  role  of miRNA  SNPs will  probably  be  as  important  in  all  commercial  fish species  as  their  genomes  get  fully  sequenced.  The  miRNA  SNiPer  3.0  tool  enables  analysis  of polymorphic miRNA genes and prioritization of potential regulatory polymorphisms14, and therefore can  importantly contribute to the development of miRNA‐based biomarkers for production traits  in fish species as more commercial fish genomes become available. As non‐synonymous SNPs in miRNA biogenesis  pathway  have  also  been  proven  to  modify  expression  profiles3,  this  type  of  genetic variability also represents potential biomarkers.  

Therefore,  the  aim  of  this  study was  to  compile  genetic  variability  residing within miRNA network: 1.) miRNA genes, 2.) miRNA processing machinery, and 3.) miRNA targets. The developed catalog will be updated with upcoming discoveries and will serve the researchers for development of novel biomarkers in fish species.   

METHODS  

Online  tool  miRNA  SNiPer  3.014,  15  (http://  http://www.integratomics‐time.com/miRNA‐SNiPer/index.php) was used to search for miRNA polymorphisms in two fish species Danio rerio and Tetraodon  nigroviridis.  The  source  databases  for  the  tool  are  Ensembl Variation  database  release e71,  to  retrieve  data  for  polymorphisms  (http://www.ensembl.org/index.html)  and  miRBase database  release  19  (http://www.mirbase.org/)16  to  retrieve  the  location  of miRNA  genes.  Seed region  was  defined  according  to  the  7mer  used  in  TargetScan  (release  6.2; http://www.targetscan.org/)17,  the  area  of  2‐8  nucleotides  from  the  5’  end  in  the mature miRNA region. The  tool  searches  for miRNA polymorphisms by  retrieving data  from matching  releases of genomic  databases.  Using  the miRNA  SNiPer  tool we  performed  a  genome wide  in  silico  search (GWISS)  of  genomic  resources  and  generated  a  catalog  of miRNA  polymorphisms. A  list  of  genes encoding  for  miRNA  processing  machinery  was  obtained  from  Patrocles  database 

70  

Page 72: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

71  

(http://www.patrocles.org/Patrocles_machinery.htm)18.  Orthologous  genes  in  D.  rerio  and  T. nigroviridis were searched using Ensemble genome browser and later screened for non‐synonymous polymorphisms.  List  of  experimentally  validated  targets was  constructed  from  data  deposited  in mirTarBase database (http://mirtarbase.mbc.nctu.edu.tw/).  

RESULTS  

In  this  study we performed  a  genome‐wide  in  silico  screening  (GWISS)  for polymorphisms residing within all three categories of miRNA‐related genetic variability: 1.) miRNA genes, 2.) genes present in miRNA biogenesis pathway and 3.) miRNA‐ target gene interactions.  1. MicroRNA genes 

To  generate  a  catalog  of  miRNA  polymorphisms  we  used  miRNA  SNiPer  3.0  tool  which accepts a  list of miRNA genes and  returns a  table of variations  located within different  regions of miRNA genes: pre‐miRNA, mature, and seed region  (Figure 1). All relevant accompanying data that was available was added to the table (Table 1): genomic location, homologue in other species, miRNA host gene and location within a host gene. 

From 344 known miRNA genes in D. rerio there were seven genes (dre‐let‐7a‐5, dre‐mir‐15a‐2,  ‐26a‐3,  ‐27d,  ‐138,  ‐729,  ‐2192) with one SNP and one gene with two SNPs  (dre‐mir‐740)  in pre‐mature miRNA gene (Table 1). From 144 known sequences  in T. nigroviridis there were five miRNA genes  comprising  SNPs:  tni‐mir‐7,  ‐10d,  ‐21,  ‐142a,  ‐218a‐1. All  SNPs were  located within  in  pre‐miRNA  and none  in mature or  seed  region. Out of  all  SNPs  in both  species 10  are  located  in  the upstream region of the pre‐miRNA and four in downstream region (example shown on the Figure 1). Most of the polymorphic miRNA genes are intergenic (9 out of 14); they do not reside in any of the known host genes. Dre‐mir‐26a‐3 transcript overlaps with exon 1 and introns 3 and 4 of ctdspla gene (carboxy‐terminal domain of RNA polymerase II polypeptide A). Dre‐mir2192 resides within intron 2 of gene Pvalb3 (pravalbumin 3). MicroRNA genes dre‐mir‐740 and tni‐mir‐218a‐1 are residing within genes predicted based on homology, therefore the function of those genes was not yet researched.  

 Figure 1: Print screen of the output of the miRNA sniper tool for miRNA dre‐mir‐26a‐3. 

 

Page 73: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013  

 

miRNA  SNP  Genomic location  Location of homologe in other species  miRNA host gene  Genic location 

D. rerio 

dre‐let‐7a‐5  rs179685575;G > C  23:5478470‐5478593[‐]  tni‐let‐7a3, 11:8659681‐8663764 [‐]  Intergenic  / 

dre‐mir‐15a‐2  rs179633115;T > C  9:30685819‐30685920[‐]  No homologue  Intergenic  / 

dre‐mir‐26a‐3  rs179598720,T > C  24:21079406‐21079542[‐]  /, 15: 2348336‐2348429 [+]  CTD  s/ exon 1, introns 3, 4 

dre‐mir‐27d  rs180130201;G > T  10:15983301‐15983389[+]  No homologue  Intergenic  / 

dre‐mir‐138  rs41022377,C > T  18:17239327‐17239413[+]  tni‐mir‐138, 13: 1437200‐1437278 [+]  Intergenic  / 

dre‐mir‐729  rs180035489;A > T  4:12649007‐12649105[+]  No homologue  Intergenic  / 

dre‐mir‐740 rs180009160;T > C, rs180009204;C > T 

1:29153407‐29153519[+]  No homologue  homologue vps8 (S. cervisiae)  s/ introns 4, 8, 22, 23 

dre‐mir‐2192  rs41021655;C > G  12:18774341‐18774450[‐]  No homologue  Pvalb3  s/ intron 2 

T. nigroviridis 

tni‐mir‐7  rs82048876;T > C  8:1820450‐1820514[+]  dre‐mir‐7a‐2, 7: 15327893‐15327989 [‐]  Intergenic  / 

tni‐mir‐10d  rs82339962;A > G  17:9715774‐9715893[+]  dre‐mir‐10d‐1, 6: 10777971‐10778088 [+]  Intergenic  / 

tni‐mir‐21  rs81794510;T > A  7:1044906‐1045027[‐]  dre‐mir‐21, 10: 28880675‐28880822 [‐]  Intergenic  / 

tni‐mir‐142a  rs81777942;G > T  7:2557207‐2557296[+]  dre‐mir‐142a‐5, 5: 3156809‐3156899 [+]  Intergenic  / 

tni‐mir‐218a‐1  rs82289137;C > T  1:5655172‐5655254[‐]  dre‐mir‐218‐a‐1, 14: 25562465‐25562547 [‐]  homologue SLIT 3  (Drosophila)  s/ intron 2 

Table 1: MicroRNA genes with polymorphisms in two fish species D. rerio and T. nigroviridis; CTD = carboxy‐terminal domain, RNA polymerase II, polypeptide A; Pvalb3 = parvalbumin 3; s = sense orientation with host gene; / = not applicable. 

72  

Page 74: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

2. MicroRNA processing machinery We  constructed  a  catalogue  of  non‐synonymus  SNPs  present  within  genes  encoding  for 

miRNA biogenesis pathway in D. rerio and T. nigroviridis genes. The list of genes encoding for miRNA processing machinery was obtained  from  the Patrocles database and orthologues  to human genes were searched  in  two researched  fish species. Based on  the current database version  there are 32 non‐synonymous SNPs present within 16 genes in D. rerio and 33 non‐synonymous SNPs in 24 genes in T. nigroviridis. Example  for  four polymorphic genes encoding  for miRNA processing machinery  is shown in Table 2.  

  

  Non‐synonymous SNPs 

Gene  D. rerio  T. nigroviridis 

ddx20  rs41016410, rs179590840, rs179590793, rs179590800  rs82368904, rs82368895 

dicer1  rs180092734  rs82241567 

fmr1  rs41169478  / 

gemin4  rs41152190, rs41120134, rs41217202, rs40756889  rs81906928, rs81906899 

Table 2: Non‐synonymous SNPs within genes associated with miRNA processing machinery in D. rerio and T. nigroviridis. Table shows a shortened example list; / = no SNP present in the gene.  3. MicroRNA targets   Based on the current mirTarBase database (http://mirtarbase.mbc.nctu.edu.tw/) information there are 32 miRNAs that have validated targets in D. rerio (Table 3). Currently there are no reported miRNA‐target interactions in T. nigroviridis.   

miRNA  Validated miRNA target gene 

dre‐let‐7a  hspd1, trim71, ascl1a, lin28a, pax6b, klf4b, myca, mycb, pou5f1 

dre‐let‐7f  hspd1, lin28a, ascl1a, pax6b, klf4b, myca, mycb, pou5f1 

dre‐miR‐1 rab13, smarca5, idh1, arpc4l, copz1, spryd7b, cnn3a, actb1, ddx18, atp6v1ba, cnn2, arcn1b, 

atp6v0d1, pdlim1, slc9a3r1, alg9, smarcb1b, ap2m1b, hand2, atp6v1e1b, tpm3, dpm1, smarcd1 

Table 3: Examples of validated miRNA‐target interactions in D. rerio. 

 Currently there are no databases available that would integrate the data related to genetic variability miRNA target interaction sites in the researched fish species.   

DISCUSION  

Despite  the  fact  that  there was  little  research performed  related  to miRNA  in  fish,  it was possible  to  develop  a  catalog  of miRNA‐related  polymorphisms  in  two  fish  species.  The  catalog consists  of  data  belonging  to  three  categories: miRNA  genes, miRNA  processing machinery  and miRNA targets. 

73  

Page 75: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

  Using miRNA SNiPer 3.0 tool we were able to construct a catalogue of polymorphisms within miRNA  genes.  This  catalogue provides  researchers  a novel  resource  to develop biomarkers  for D. rerio  and  T.  nigroviridis  in miRNA  genes. Our  analysis  returned  14  SNPs  residing within  7 miRNA genes  in  D.  rerio  and  5  genes  in  T.  nigrovirids.  High  number  of miRNA  gene  annotations  in  T. nigrovoridis was actually proposed based on homologies with D. rerio miRNA genes. T. nigrovidis has the smallest known vertebrate genome; roughly 340 million bps19 and has  thus been an  important model  organism.  However,  it  has  approximately  the  same  number  of  coding  genes  as  human genome.  All  found miRNA  gene mutations  reside  within  pre‐mature  region.  It  has  been  shown previously  that  these  SNPs  can  alter  the  processing  of  mature  miRNA  thus  altering  its  binding capabilities20,  21. Validation of  the  SNP  rs179685575  residing within dre‐let‐7a‐5  could  represent  a potential biomarker for developmental studies22, 23. MicroRNA gene dre‐let‐7a‐5 which belongs to the most  extensively  studied miRNA  family  let‐7  is  the only miRNA  gene with  SNP  that has  validated target  genes. However  it’s  SNP  should  first be  validated  to exclude  the possibility of  SNP being  a sequencing  error.  MicroRNA  gene  dre‐mir‐2192  overlaps  with  intron  2  of  its  host  gene  Pvalb3 (pravalbumin 3), based on the assumption that miRNA silences the gene it is transcribed with, SNP in dre‐mir‐2192 could influence cells ability to store calcium ions. 

There  were  several  non‐synonymous  variations  found  within  genes  encoding  for  miRNA machinery  in  two  researched  fish  species.  It  has  been  shown  previously  that  SNPs  in  GEMIN4 contribute  to different expression profile  in human  cancer24. Therefore  SNPs  in miRNA processing machinery compiled  in this study could have a possible phenotypic effect and present a foundation for  further  biomarker  discovery.  The  third  researched  category  in  this  study  was  analysis  of polymorphisms within miRNA  targets.  Currently,  there  are  no  tools  that would  enable  search  for genetic variability within miRNA‐target binding region in fish species. However, we constructed a list of currently known miRNA‐targets in there two fish species, which will be supplemented with genetic variability  in  the  future  research. Development  of  tool  for  fish  such  as  the  Patrocles  tool, would greatly contribute to discovery of potentially interesting biomarkers. 

Despite little research performed on miRNA in fish species at the moment, the available data enabled us  to build  a  catalog of  genetic  variations  related  to miRNA network  in  two  fish  species. These variations can have a potential effect on phenotype and can represent potential biomarkers. As the data will be freely available online the collected data can be used by the research community to prioritize SNPs for biomarker development.  

The number of assembled miRNA polymorphisms is not final and will change with time as all miRNAs have not yet been  systematically  sequenced and  screened  for polymorphisms. With more genomes  becoming  available  miRNA  SNiPer  tool  used  will  ease  the  effort  of  prioritizing  which biomarkers researchers should focus on to improve aquacultural yield. 

  

REFERENCES 1. Bartel D . MicroRNAs: Genomics, Biogenesis, Mechanism, and Function. Cell 2004, 116, 281‐229. 2. Kunej T, Godnic I, Horvat S, Zorc M, Calin GA. Cross talk between microRNA and coding cancer genes. Cancer J 2012, 18, 223‐231. 3. Horikawa Y, Wood C, Yang H, Zhao H, Ye Y, Gu J et al. Single nucleotide polymorphisms of microRNA machinery genes modify the risk of renal cell carcinoma. Clin Cancer Res 2008, 14, 7956‐7962. 4. Kiriakidou M, Nelson PT, Kouranov A, Fitziev P, Bouyioukos C, Mourelatos et al. A combined computational‐experimental approach predicts human microRNA targets. Genes Dev. 2004, 18, 1165‐1187. 

74  

Page 76: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

5. Guo H,  Ingolia NT, Weissman JS, Bartel DP. Mammalian microRNAs predominantly act to decrease target mRNA  levels. Nature 2010, 466, 835‐840. 6. Zhu Y, Xue W, Wang JT, Wan YM, Wang SL, Xu P et al. Identification of common carp (Cyprinus carpio) microRNAs and microRNA‐related SNPs. BMC genomics 2012, 13, 413. 7. Georges M. Polymorphic miRNA‐mediated gene  regulation:  contribution  to phenotypic variation and disease. Current opinion in genetics & Development Curr Opin Genet Dev 2007, 17, 1‐11. 8. Clop A, Marcq F, Takeda H, Pirottin D, Tordoir X, Bibe B et al. A mutation creating a potential illegitimatemicroRNA target site in the myostatin gene affects muscularity in sheep. Nat. Genet. 2006, 38, 813–818. 9. Dimas AS, Deutsch S, Stranger BE, Montgomery SB, Borel C, Attar‐Cohen H et al. Common regulatory variation  impacts gene expression in a cell type‐dependent manner. Science 2009, 325, 1246‐1250. 10. Kunej T, Skok D, Horvat S, Dovc P & Jiang Z. The Glypican 3‐Hosted Murine Mir717 Gene: Sequence Conservation, Seed Region Polymorphisms and Putative Targets. International Journal of Biological Sciences 2010, 6, 769‐772. 11. Li H, Sun GR, Lv SJ, Wei Y, Han RL, Tian YD et al. Association study of polymorphisms  inside the miR‐1657 seed region with chickedn growth and meat traits. British Poultry Science 2012, 53:6, 770‐776. 12.  Lee  JS,  Kim  JM,  Lim  KS, Hong  JS, Hong  KC &  Lee  YS.  Effects  of  polymorphisms  in  the  porcine microRNA MIR206  / Mir133B cluster on muscle fiber and meat quality traits. Anim. Genet., 2013, 44, 101‐106. 13. Sethupathy P, Collins FS. MicroRNA target site polymorphisms and human disease. Trends Genet., 2008, 24, 489–497. 14. Jevsinek Skok D, Godnic I, Zorc M, Horvat S, Dovc P, Kovac M et al. Genome‐wide in silico search (GWISS) for microRNA genetic variability in livestock species. Plos One 2013, in Press.  15. Zorc M, Skok DJ, Godnic  I, Calin GA, Horvat S, Jiang Z et al. Catalog of microRNA seed polymorphisms  in vertebrates. PLoS ONE 2012, 7, e30737.  16. Kozomara A & Griffiths‐Jones S. miRBase:  intergrating microRNA annotation and deep sequencing data. Nucleic Acids Research 2011, 39, D152‐D157. 17. Lewis BP, Burge CB, Bartel DP. Conserved seed pairing, often flanked by adenosines, indicates that thousands of human genes are microRNA targets. Cell 2005, 120, 15‐20. 18. Hiard S, Charlier C, Coppieters W, Georges M, Baurain D. Patrocles: a database of polymorphic miRNA‐mediated gene regulation in vertebrates. Nucleic Acids Research 2010, 38 (Database issue), D640‐651. 19.  Jaillon O,  Aury  JM,  Brunet  F,  Petit  JL,  Stange‐Thomann  N  et  al.  Genome  duplication  in  the  teleost  fish  Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto‐karyotype. Nature 2004, 431, 946‐957. 20. Sun G, Yan J, Noltner K, Feng J, Li H, Sarkis DA et al. SNPs in human miRNA genes affect biogenesis and function. RNA 2009, 15, 1640–1651. 21. Duan R, Pak C,  Jin P. Single nucleotide polymorphism associated with mature miR‐125a alters  the processing of pri‐miRNA. Hum. Mol. Genet. 2007, 16, 1124–1131. 22.  Reinhart  BJ,  Slack  F,  Basson M,  Pasquinelli  A,  Bettinger  J,  Rougvie  A  et  al.  The  21‐nucleotide  let‐7  RNA  regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature 2000, 403, 901‐906. 23. Chen PY, Manninga H,  Slanchev K, Chien M, Russo  JJ,  Ju  J  et  al.  The developmental miRNA profiles of  zebrafish  as determined by small RNA cloning. Genes Dev. 2005, 19, 1288‐1293. 24. Brid R, Robles A, Harris C. Genetic variation in mciroRNA networks: the implications for cancer research. Nature Reviews ‐ Cancer 2010, 10, 389‐402. 

75  

Page 77: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

Presenting author: Jana Obšteter, [email protected] 

Abstract 

CATALOG OF POLYMORPHISMS ASSOCIATED WITH MICRORNA SILENCING MACHINERY 

 Jana Obšteter1, Peter Dovč2 Tanja Kunej2 

 1University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Academic Study in Biotechnology 2University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Animal Science 

 ABSTRACT MicroRNAs  (miRNAs) are  short non‐coding  single‐stranded RNA molecules, ~22 nucleotides  (nt)  in length, which  act  as  post‐transcriptional  repressors1.  During  their  biogenesis  they  undergo many protein interactions, including two catalytic steps performed by two ribonuclease III family enzymes, Drosha  and Dicer. Drosha  and  its  cofactor DGCR8  form  a  complex  called Microprocessor2, which cleaves pri‐miRNA into ~70 nt long pre‐miRNA. In the next catalytic step Dicer cleaves pre‐miRNA to create mature miRNA4. It has been shown before that polymorphisms within miRNA genes and target mRNAs  can  influence  phenotype5.  On  the  other  hand,  genetic  variability  associated with miRNA silencing machinery has not been  systematically analyzed. Therefore,  the aim of  this  study was  to create a catalog of genetic variability associated with miRNA silencing machinery  (miR‐SM‐SNPs)  in human consisting of: genetic variability  residing within Drosha and Dicer cleavage  sites and within genes encoding the components of the silencing machinery. The catalog was created using miRBase, Patrocles, Ensembl, SIFT (Sorting Intolerant From Tolerant), and miRNA SNiPer databases and tools. Based on  the  latest database versions there are 53 polymorphisms  located within Drosha cleavage sites and 56 polymorphisms located within Dicer cleavage sites. Additionally, there are 43, 21, and 73 missense  variants with  predicted  deleterious  effect  on  protein  function  residing within  DROSHA, DGCR8, and DICER1 genes, respectively. The developed catalog will be useful for further functional studies and development of biomarkers associated with diseases and phenotype traits.  

 REFERENCES 1. Bartel, D. P., MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 2004, 116 , 2, 281‐297. 2. Gregory, R.  I.; Yan, K. P.; Amuthan, G.; Chendrimada, T.; Doratotaj, B.; Cooch, N.; Shiekhattar, R., The Microprocessor complex mediates the genesis of microRNAs. Nature 2004, 432, 7014, 235‐240. 3. Murchison, E. P.; Hannon, G.  J., miRNAs on  the move: miRNA biogenesis and  the RNAi machinery. Curr Opin Cell Biol 2004, 16, 3, 223‐229. 4. Bao, L.; Zhou, M.; Wu, L.; Lu, L.; Goldowitz, D.; Williams, R. W.; Cui, Y., PolymiRTS Database:  linking polymorphisms  in microRNA target sites with complex traits. Nucleic Acids Res 2007, 35, D51‐4. 

76  

Page 78: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

Corresponding author: Darja Žgur Bertok, [email protected]‐lj.si  

Abstract 

ISOLATION AND ACTIVITY OF GENOTOXIN Usp OF BACTERIA Escherichia coli  

Aleksandra Šakanović, Miha Črnigoj, Damjan Nipič, Zdravko Podlesek, Darja Žgur Bertok  

University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Biology, Slovenia 

  The  bacterium  Escherichia  coli  is  a  commensal  of  gastrointestinal  tract  but  pathogenic  strains produce virulence factors that cause intestinal and extraintestinal infections. As reported previously, strains  isolated  from  patients with  pylonephritis,  prostatitis,  urosepsis  and  ulcerative  colitis  often encode  the usp gene  (uropathogenic‐specific protein). Gene  for Usp protein and  three other small genes  imu1‐3 are encoded on a  small pathogenicity  island  (of 4kb). Because of  the  similarity of C terminal domain of  the Usp  to some colicins,  it was assumed  that Usp acts as a bacteriocin which provides a competitive advantage to the producer strain.  

Our research group revealed that the targets of the Usp are eukaryotic cells, that Usp acts as genotoxin, which degradates the genome and that the isolated protein is unstable. 

In  the  present  study,  we  optimized  the  isolation  of  protein  Usp,  analysed  in  detail  the catalytic domain of the toxin and examined its activity in a broad range of human cell lines. 

In  recent years genotoxins have been extensively  studied because  the agents  that damage DNA cause genome instability and increase the risk of tumorigenesis. 

 

      

 

 

 

77  

Page 79: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

 

 

 

 

 

GENOMIC INTERACTIONS 

78  

Page 80: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

Presenting author: Jasmina Beltram, [email protected]‐lj.si 

Abstract 

A MOUSE ATLAS OF TST GENE REGULATORY NETWORK  

Jasmina Beltram1, Simon Horvat1, 2, Tanja Kunej1  

1Biotechnical faculty, Department of Animal Science, Slovenia 2National institute of Chemistry, Slovenia 

  

Despite  rapid  spreading  of  obesity  due  to  the  modern  »obesogenic«  environment,  a relatively large proportion of the human population still remains lean, suggesting genetic resistance to  obesity  development.  Our  positional  cloning  study  aimed  at  identifying  a  causal  gene  for  the Fob3b2  QTL  that  confers  anti‐obesity  effects  in  a  polygenic  mouse  model.  Fine  mapping,  gene 

expression  and  functional  analysis  of  the  ∼  20  lean  gene  candidates  within  the  genetic  interval Fob3b2,  identified  the  thiosulfate  sulfurtransferase  (Tst)  as  the  only  upregulated  adipose‐specific gene.  The  nuclear‐encoded  mitochondrial  protein  has  so  far  been  linked  to  iron‐sulfur  cluster formation,  cyanide  detoxification,  5S  ribosomal  RNA  import  into  mitochondria  but  not  yet  to obesity/leanness  control.  Our  studies  in  mice  selected  for  high  or  low  fat  content,  as  well  as transgenic models  support  the  view  that  Tst  is  a  novel  gain‐of‐function  gene  in  adipocytes  that promotes healthy leanness. Since Tst roles in other biological processes such as obesity and diabetes are  still  not  well  understood,  a  mouse  Atlas  of  Tst  gene  regulatory  network  was  generated, integrating  data  derived  from  various  databases  and  experiments  as  well  as  bioinformatics predictions.  This  Tst  gene  atlas  combines  and  evaluates  functional  polymorphisms,  association studies,  transcription  factors,  miRNA  binding  sites  and  the  enzyme  involvements  in  different metabolic pathways to gain a more comprehensive knowledge about  its function and to  identify  its direct or indirect target genes. The completed Tst gene atlas therefore represents a valuable tool for planning  efficient  further  experimental  validations  and  analyses  and  for  applied  research  of  this important causal  leanness gene for potential therapeutic developments for obesity and diabetes  in human. 

 

79  

Page 81: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

 

 

 

 

 

BIOTECHNOLOGY 

 

 

 

 

  

80  

Page 82: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

Presenting author: Matevž Rumpret, [email protected] 

Abstract 

EFFICIENCY OF DIFFERENT DONOR STRAINS IN DELIVERING THE ColE7 BASED TOXICITY VIA CONJUGAL TRANSFER 

 Matevž Rumpret1, Darja Žgur‐Bertok1, Jos P. M. van Putten2, Marjanca Starčič Erjavec1 

 1University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Biology, Slovenia 

2Utrecht University, Department of Infectious Diseases & Immunology, the Netherlands 

  

Multi‐drug  resistance  among  Gram‐negative  bacteria  has  become  a  great  risk  to  public health;  therefore,  alternative  strategies  for  treating/preventing  infections  with  such  strains  are urgently  needed.  In  an  attempt  to  create  a  probiotic  Escherichia  coli  strain  with  increased antimicrobial activity, we genetically modified a selection of laboratory and commensal E. coli strains by  placing  the  colicin  E7‐coding  gene  on  a  conjugative  plasmid,  while  the  gene  encoding  the immunity protein to the same colicin was either  integrated  into the strain’s chromosome or placed on  a  separate  non‐conjugative  plasmid1.  These  newly  created  donor  strains  take  advantage  of  a unique horizontal gene transfer‐mediated mechanism for the delivery of the E7 colicin gene into the target strain cells, where the colicin  is expressed and  its  lethal activity occurs. The objective of our research  was  to  assess  and  compare  the  efficiency  of  different  donor  strains  in  acting  against selected  laboratory  and pathogenic  strains of  E.  coli.  The  efficiency of  the  created  strains  against different  recipient  strains  was  assessed  by  observing  the  frequencies  of  conjugation  of  the conjugative plasmid and the numbers of the surviving recipient strain transconjugants. The highest frequency of conjugation was observed when using  laboratory strains as both donor and  recipient strains. No significant differences  in the frequencies of conjugation were observed among different commensal donor  strains. Although  the  frequency of  conjugation  into pathogenic  recipient  strains was much  lower, the  lethal activity of the colicin E7‐coding plasmid once  inside the recipient strain was very high.  REFERENCES 1. Petkovšek Ž. Attempt of preparation and utilisation of genetically modified colicinogenic probiotic strain Escherichia coli for  prevention  from  pathogenic  strains  of  the  same  bacterial  species.  Dissertation  thesis,  University  of  Ljubljana, Biotechnical Faculty, 2012. 

81  

Page 83: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

Presenting author: Mateja Zupin, [email protected] 

Abstract 

CHARACTERIZATION OF THE COMMON BEAN (Phaseolus vulgaris L.) PARENT CULTIVARS FOR FURTHER GENOMIC AND TRANSCRIPTOMIC ANALYSES 

 Mateja Zupin1, Marko Maras1, Jelka Šuštar Vozlič1, Marjetka Kidrič2, Dominik Vodnik3, Jaka Razinger4, 

Vladimir Meglič1  

1Agricultural Institute of Slovenia, Crop Science Department, Slovenia 2Jožef Stefan Institute, Department of Biochemistry and Molecular Biology, Slovenia 

3University of Ljubljana, Biotechnical faculty, Department of Agronomy, Slovenia 4Agricultural Institute of Slovenia, Plant Protection Department, Slovenia 

  

Common  bean  is  nutritionally  very  important  legume  plant  that  exhibits  sensitivity  to drought which affects  its growth and  yield. Plants developed mechanisms  in adapting  to drought, which are expressed by changes of gene expression1 and functional protein content2, together with responses at physiological and morphological  levels.  Identifying changes  in responses to drought  in different  species  will  provide markers  essential  to  characterize  candidate  genotypes  for marker assisted selection in breeding for greater drought tolerance3.  

To  establish  differences  between  plants  subjected  to  water  withdrawal  and  normally watered  plants  of  common  bean,  the  parental  cultivars,  drought  tolerant  Tiber  and  drought susceptible  variety  Starozagorski  čern,  were  grown  in  a  growth  chamber  under  controlled environment conditions4. Plants were watered daily to the same pot weight. After three weeks the half of plants were stressed by withholding irrigation. The measurements were taken at the different stage of drought  at  the  third  trifoliate  leaves.  The hydration  state of  leaves was defined by  their relative  water  content  (RWC),  water  potential  (Ψw)  and  different  photosynthetic  parameters. Detached leaf samples are kept at ‐80°C for further analyses.   

In  water  stressed  plants  RWC  dropped  to  50%  compared  to  control  plants.  Due  to  the reduction of water potential, the duration of the leaf stomata closure was increased as confirmed by the results of photosynthetic and other physiological parameters. In addition differences in response to drought between the cultivars were confirmed, which form the basis for a further study of genetic variation with molecular markers and mapping of loci linked to quantitative traits.  REFERENCES 1. Seki M, Narusaka M, Kamiya A. Functional annotation of a full‐length Arabidopsis cDNA collection. Science 2002, 296, 141‐145. 2. Hashiguchi A, Nagib A, Komatsu S. Proteomics application of crops in the context of climatic change. Food res. Intern. 2010, 43, 1803‐1813. 3. Beaver JS, Osorno JM. Achievements and limitations of contemporary common bean breeding using conventional and molecular approaches. Euphytica 2009, 168, 145‐175. 4. Hieng b, Ugrinović K, Šuštar‐Vozlič J, Kidrič M. Different classes of proteases are involved in the response to drought of Phaseolus vulgaris L. cultivars differing in sensitivity. J. Plant Physiol. 2004, 161, 519‐530.  

82  

Page 84: 3rd COLLOQUIUM OF GENETICS...COLLOQUIUM of Genetics (3 ; 2013 ; Piran) Proceedings / 3th Colloquium of Genetics, Piran 13th September 2013 ; [organizers] Genetic Society of Slovenia

Colloquium of Genetics 2013   

83  

AUTHOR INDEX  Aguirre IG  36  Marčun Varda N  41 Avčin T  67  Meglič V  17, 82 Bataneant M  67  Milavec M  36 Berucci V  16  Mironska K  67 Betram J  79  Nipič D  77 Bravničar J  69  Obšteter J  76 Brezigar A  41  Ott S  33 Črnigoj M  77  Pallavicini A  16, 32, 40 Csibi E  13  Pavšič J  36 Dallos T  67  Perin P  42 De Moro  32, 40  Perko D  67 Debeljak M  67  Pipan B  17 Derfavli B  67  Planinc M  18 Dolinšek J  41  Podlesek Z  77 Dovč P  76  Pokorn T  37 Edomi P  16  Potočnik U  42, 52 Erjavec Škerget A  41  Radišek S  37 Flajšman B  39  Razinger J  82 Gerdol M  32, 40  Ristić G  67 Giulianini PG  16, 32  Rumpret M  81 Gradišnik P  41  Rusoniene S  67 Harjaček M  67  Šakanovič A  77 Horvat S  79  Šedivá A  67 Jakše J  37  Stangler Herodež Š  41 Javornik B  37, 39  Starčič Erjavec M  81 Jelušič M  67  Strmšek Ž  34 Jevšinek‐Skok D  34, 51, 69  Šuštar‐Vozlič  17, 82 Kidrič M  82  Tom M  32 Kokalj‐Vokač  41  Toplak N  67 Kovač M  18  Torboli V  40 Krgović D  41  Van Putten JPM  81 Kunej T  33, 34, 51, 69, 76, 79  Venier P  40 Kurjane N  67  Vodnik D  82 Kuzmanovska D  67  Zagorac A  41 Leoni G  40  Zagradišnik B  41 Macedoni‐Lukšič M  41  Žel J  36 Malovrh Š  18  Zemljič L  52 Mandelc S  39  Žgur‐Bertok D  77, 81 Manfrin C  16, 32, 40  Zorc M  33, 51 Maras M  82  Zupin M  82