Research papers

Генетика молекулярная биология

• Evidences and Mechanisms of the Electromagnetic field effects on Influenza replication and Immune response

  [:ru]Evidences and Mechanisms of the Electromagnetic field effects on Influenza replication and Immune response 10th International Congress of the European Bioelectromagnetics Association (EBEA) Rome, February 21-24, 2011 Valeriy Zaporozhan, Leonid Godlevsky, Georgiy Skripchenko and Andriy Ponomarenko* Odessa State Medical University, Odessa, Ukraine *corresponding author e-mail: [email protected] Introduction Electromagnetic interaction is one of 4 known forces which drive all processes in Universe, including all chemical and biological phenomena. There are intriguing data suggesting participation of electromagnetic force in biological regulation [1, 2]. Studies demonstrate capability of weak magnetic field (MF) to alter gene expression pattern in living beings [3]. Nevertheless, participation of electromagnetic force in infection process and immune reactions is currently underestimated, underlying mechanisms are not understood. This explains our intends to evaluate possible role of electric charge in viral infection and to reveal possible mechanisms of weak magnetic field’s epigenetic activity. Materials and Methods The electrokinetic potential (EKP) of virions and antibodies (AB) was estimated using free-flow electrophoresis method [4]. 7 reference, 4 vaccine and 13 freshly isolated influenza strains of A (H1N1) and (H3N2) serosubtypes were studied. Sera from blood donors were monthly tested for relative contents of strain-specific influenza AB with positive (AB+) and negative (AB-) electrokinetic potential during two years period. Results EKP of virions in stable reference strains and in most field isolates was close to naught. Repeated passages under standard permissive conditions and long time storage did not influence the EKP of the virions. On the contrary, two to four time passage of a standard strain or field isolate in presence of specific antisera or antiviviral drug Remantadine caused formation of virions that had positive and/or negative EKP. Relative contents of those "charged" virions in virus population experienced limiting reproduction influences and in vaccine strains was varied from 1 to 50 percents. In most cases decrease of the virus infectivity supervened on appearance of the "charged" virions in viral population. Interrelation between the EKP of virions and immunogenicity of studied virus strain have been detected. We’ve shown that average titers of strain-specific AB+ in human sera correlated with intensity of circulation of corresponding virus strain in the target human population. The bigger was average ratio (specific AB+ titer / specific AB- titer) for studied virus the higher was probability that given influenza strain will cause epidemics soon. Obtained results represented additional evidences for the role of electric charge and electric forces in virus replication and in immune reactions. However, experimental and epidemiological data as well as theoretical considerations suggest that predominantly magnetic, not the electric constituent of the electromagnetic field (EMF) is mainly responsible for biological effects of the EMFs [5]. Though, underlying mechanisms of the MF’s gene-regulatory activity are poorly understood up to now. To explain the magnetic field effects on gene expression we’ve proposed that proteins of Cryptochrome family (CRY) are "epigenetic sensors" of the MF fluctuations, i.e. - magnetic field-sensitive part of the epigenetic controlling mechanism (Fig. 1.). It is known that CRY are repressors of circadian transcriptional complex CLOCK/BMAL1 activity. At the same time, functional activity of CRY is highly responsive to weak MF because of radical pairs that periodically arise in the active site of CRY and mediate the radical pair mechanism of magnetoreception [6]. The major circadian complex influences expression of genes related to NF-?B- and glucocorticoids- dependent signaling pathways. Therefore MFs are capable to alter activity of NF-?B- controlled pathways and hormones, regulate stress response and other biological functions. It is known that NF-?B signaling is indispensable for immune response and participates in differential regulation of influenza virus RNA synthesis. Thus, in case of global application (example -solar cycles-dependent geomagnetic field fluctuations) MF -mediated regulation may influence intensity of epidemic process for influenza and other infections. A coincidence between flu pandemics and maxima of solar activity [7] corroborates this theory. Figure 1: Proposed mechanism of the magnetic field influence on gene expression and virus-host interactions. Summary and Conclusions EKP of virions in well adapted, stable influenza virus populations is close to naught. Formation of "charged" virions witnesses the viral population experience deadaptation. Correlation between the EKP of virions and immunogenicity of the virus strain has been shown. Estimation of electromagnetic properties of viruses and specific antibodies, as well as Geomagnetic data analysis could improve epidemiological prognosis, evaluation of virus isolates and vaccine strain selection. Biological reactions in leaving beings, including response to stress and infection, vary depending on the functional activity of Cryptochromes, which in turn may be regulated by magnetic fields, including the Geomagnetic field. Presented data suggest that upcoming increase of Solar activity and severe Magnetic storms will significantly increase various health risks owing to alteration of magnetic bio-regulatory influences. In consequence of correlation between the Solar activity dynamics and the geomagnetic field numerous bio-regulatory effects it is possible to predict that Solar cycles are able both: to regulate, entrain processes of biological microevolution and to tune biological rhythms (bio-clocks) in living beings. References C. D. McCaig, A. M. Rajnicek, B. Song and M. Zhao. Controlling Cell Behavior Electrically: Current Views and Future Potential. Physiol. Rev., 85: 943-978, 2005. A. Muckerheide, R. J. Apple, A. J. Pesce and J. G. Michael. Cationization of protein antigens. I. Alteration of immunogenic properties. The Journal of Immunology, 138(3): 833-837, 1987. M. Lupke, J. Frahm, M. Lantow, C. Maercker, D. Remondini, F. Bersani, M. Simko. Gene expression analysis of ELF-MF exposed human monocytes indicating the involvement of the alternative activation pathway. Biochim. Biophys. Acta, 1763: 402-412, 2006. T. G. Baier, G. Weber, K. Hartmann, U. Heinrich and D. Schцnberg. Preparative separation of human B and T lymphocytes by free flow electrophoresis. Analytical Biochemistry, 171 (1): 91-95, 1988. R. B. Goldberg and W. A. Creasey. A review of cancer induction by extremely low frequency electromagnetic fields. Is there a plausible mechanism? Med. Hypotheses, 35: 265-274, 1991. T. Ritz, S. Adem, K. Schulten. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys. J., 78: 707-718, 2000. R. E. Hope-Simpson. Sunspots and flu: a correlation. Nature, 275: 86, 1978. The material is published in electronic collection of conference which can be found in web-site : http://proceedings.ebea2011.org/modules/request09e3.html?module=oc_program&action=summary.php&id=5208[:]

• Mechanism of Geomagnetic Field Infuence on Gene Expression Using Influenze as a Model system

  [:ru]Zaporozhan V. Mechanism of Geomagnetic Field Infuence on Gene Expression Using Influenze as a Model system / V. Zaporozhan, A. Ponomarenko // Basics of Physical Epidemiologi International Jornal of Environmental Research and Public Health. – 2010. – Vol. 7. – P. 938–965. Последние исследования показывают четкие изменения экспрессии генов в клетках, подвергающихся воздействию слабого магнитного поля (МП). Механизм этого феномена до сих пор непонятен. Мы предполагаем, что протеины Криптохромной системы (CRY) являются "эпигенетическими сенсорами" колебаний МП, то есть, частицами эпигенетического контролирующего механизма, чувствительными к магнитному полю. Было выяснено, что CRY подавляет деятельность основного циркадного транскрипционного комплекса CLOCK/BMAL1. В то же время, очевидно, что функция CRY, в большой мере реагирует на слабое МП, поскольку радикальные пары, которые периодически возникают на функционально-активном участке CRY и служат связующим звеном между собой и механизмом магнитоприема. Известно, что циркадный комплекс воздействует на все органы и ткани, включая модуляцию NF-каппаB- и глюкокортикоид – зависимые сигнальные пути. Таким образом, МП и колебания геомагнитного поля, зависящие от солнечных циклов, могут изменять экспрессию генов, имеющих отношение к функционированию NF-каппаB, гормонов и прочих биологических регуляторов. В особенности, NF-каппаB, наряду со свое значимой ролью в иммунной реакции, также участвует в дифференциальном контроле синтеза вируса гриппа RNA. Представленные данные предполагают, что в случае глобального применения (пример - геомагнитное поле), контроль с помощью МП может иметь эпидемиологические и прочие последствия. Recent studies demonstrate distinct changes in gene expression in cells exposed to a weak magnetic field (MF). Mechanisms of this phenomenon are not understood yet. We propose that proteins of the Cryptochrome family (CRY) are "epigenetic sensors" of the MF fluctuations, i.e., magnetic field-sensitive part of the epigenetic controlling mechanism. It was shown that CRY represses activity of the major circadian transcriptional complex CLOCK/BMAL1. At the same time, function of CRY, is apparently highly responsive to weak MF because of radical pairs that periodically arise in the functionally active site of CRY and mediate the radical pair mechanism of magnetoreception. It is known that the circadian complex influences function of every organ and tissue, including modulation of both NF-kappaB- and glucocorticoids- dependent signaling pathways. Thus, MFs and solar cycles-dependent geomagnetic field fluctuations are capable of altering expression of genes related to function of NF-kappaB, hormones and other biological regulators. Notably, NF-kappaB, along with its significant role in immune response, also participates in differential regulation of influenza virus RNA synthesis. Presented data suggests that in the case of global application (example-geomagnetic field), MF-mediated regulation may have epidemiological and other consequences.[:]

• Аберрантное метилирование генов–антагонистов WNT–сигнального пути при раке молочной железы

  [:ru]Аберрантное метилирование генов–антагонистов WNT–сигнального пути при раке молочной железы / В. Н. Запорожан, В. В. Бубнов, Е. Н. Москалёв [и др.] // Журнал АМН України. – 2010. – Т.16, № 3. – С. 483–491. Мутации генов АРС или CTNNB1 (в-катенин) при раке молочной железы выявляются редко, тем не менее активация передачи сигналов в Wnt-клеточном пути играет важную роль в онкогенезе молочной железы за счет эпигенетической инактивации генов-антагонистов Wnt, в том числе генов семейств SFRP и Dickkopf (DKK), что наблюдается в различных опухолях, в частности при колоректальном раке, раке желудка и др. Недавно было показано метилирование генов SFRP1, Dkk1-4 при раке молочной железы. Однако изменения в экспрессии других генов-антагонистов Wnt не изучены. В данном исследовании было выявлено частое метилирование генов Dkk4, SFRP5, WIF1, причем наиболее выраженная инактивация наблюдалась в гене Dkk4 (65 %). Частичное метилирование Dkk4 наблюдалась и при предраковых заболеваниях молочной железы, в отличие от генов Dkk1 и Dkk2, где метилирования их промоторов выявлено не было. В образцах аденокарциномы молочной железы нами впервые было обнаружено метилирование гена PYGO1, который также является антагонистом Wnt-сигнальног пути. Метилирование CpG-сайтов этого гена в фиброаденомах было практически на уровне контроля. Другой ген этого семейства – PYGO2 – не был метилирован во всех опухолях. Результаты проведенного исследования подтверждают наличие полного или частичного метилирования генов-антагонистов Wnt при раке молочной железы и позволяют предположить, что потеря или снижение их функции способствует альтернативной активации Wnt-пути. Though mutations of APC or CTNNB1 (β-catetin) genes in breast cancer are quite rare, the activation of signal transmission along Wnt-cellular pathway plays an essential role in breast oncogenesis at the expense of epigenetic activation of genes of Wnt antagonists, including the genes of SFRP and Dickkopf (DKK) families (genus), which can be observed in various tumors, including colorectal cancer, stomach cancer, etc. The methylation of SFRP1, Dkk1-4 genes has been shown recently in breast cancer. However, the changes in an expression of other genes of Wnt antagonists have not been studied. The results of present study revealed frequent methylation of Dkk4 gene (65%). Partial methylation of Dkk4 gene was observed in pre-cancer breast diseases in contrast to Dkk1 and Dkk2 genes, where the methylation of their promoters was not observed. The methylation of PYGO1 gene, which is also an antagonist of Wnt-signal pathway, was originally observed by authors in the samples of breast adenocarcinoma. Methylation of CpG-sites of this gene in fibroadenomas was at the control level. Another gene of this family – PYGO2 – was not methylated in all tumors. The results obtained confirmed presence of complete or partial methylation of the genes of Wnt antagonists in breast cancer; they suggested the loss or decrease of their function to facilitate alternative activation of Wnt-parthway.[:]

• Дистанційне навчання в удосконаленні викладання медичної інженерії

  [:ru]Дистанційне навчання в удосконаленні викладання медичної інженерії / В. М. Запорожан, Л. С. Годлевський, Ю. І. Бажора [та ін.] // Медична та біологічна інформатика та кібернетика : перший Всеукр. з’їзд з міжнар. участю, 23–26 червня 2010 р., Київ : зб. праць. – К., 2010. – С. 104.[:]

• Механизмы и свидетельства влияния магнитного поля на экспрессию генома : основы физической эпигенетики и физической эпидемиологии

  [:ru]Запорожан В. Н. Механизмы и свидетельства влияния магнитного поля на экспрессию генома : основы физической эпигенетики и физической эпидемиологии / В. Н. Запорожан, А. И. Пономаренко // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии : ХVIII междунар. конф. и дискуссионный науч. клуб : матеріали. – Ялта ; Гурзуф, 2010. – Т. 2. – С. 58–60.[:]

• Молекулярна епідеміологія

  [:ru]Молекулярна епідеміологія / В. М. Запорожан, Ю. І. Бажора, В. Й. Кресюн [та ін.]. – Одеса : ОДМУ, 2010. – 316 с. В книге изложена история зарождения и развития нового научного направления – молекулярной эпидемиологии. Определена роль геномики и других “омик” в развитии этой науки. В отдельных разделах описано достижение молекулярной эпидемиологии в изучении наиболее важных соматических заболеваний, злокачественных новообразований, инфекционных болезней, а также молекурярно-эпидемиологические вопросы фармакогенетики и фармакогеномики, распространения и роли генов окружающей “среды”. Приведены также результаты молекулярно эпидемиологических исследований репродукции человека, биотические проблемы. Обобщенно достижение молекулярной эпидемиологии, определены перспективы ее развития и возможные пути реализации молекулярно-эпидемиологических исследований в Украине. The history of formation and development of a new scientific field – molecular epidemiology – is presented in the book. The role if genomics and other “omics” in development of this science is determined. Separate parts highlight the achievements of molecular epidemiology in the studies in the studies of the most important somatic diseases, cancers, infectious diseases and molecular-epidemiological issues of pharmacogenetics and pharmacogenomics, prevalence and role of “environmental” genes. There are given results of molecular-epidemiologic researches of human reproduction, bioethical problems. The achievements of molecular-epidemiology are summarized, and the perspectives of its development and further implementation of the molecular-epidemiological researches in Ukraine are defined.[:]

• Сучасний стан і перспективи розвитку молекулярної епідеміології

  [:ru]Сучасний стан і перспективи розвитку молекулярної епідеміології / В. М. Запорожан, В. Й. Кресюн, Ю. І. Бажора [та ін.] // Одеський медичний журнал. – 2010. – № 2(118). – С. 4–8. Представлена оценка современных тенденций и перспектив развития молекулярной эпидемиологии. Проанализированы материалы публикаций, посвященных проблемам молекулярной эпидемиологии, специализированных электронных баз данных. Определены направления, являющиеся наиболее приоритетными для современного этапа развития молекулярной эпидемиологии в Украине и в мире. Предложена программа, направленная на молекулярно-генетический мониторинг наиболее распространенных заболеваний в стране, создание банка соответствующей информации и разработку мероприятий комплексной профилактики. The review was aimed to assess the modern trends and perspectives of the molecular epidemiology development. There were analysed the materials of the publications in the leading professional journals dedicated to the problems of molecular epidemiology, specialized electronic data bases, catalogues of the dissertation and deposited manuscripts. There were determined the trends which are the highest priority for the modern stage of the development of molecular epidemiology in Ukraine and worldwide. It was proposed the program focused on the molecular-genetic monitoring of the most prevalent diseases in the country, the bank of relevant information and elaboration of the complex measures of the prophylaxis.[:]

• Епігенетичні аспекти біології та медицини

  [:ru]Епігенетичні аспекти біології та медицини / В. М. Запорожан, Ю. І.Бажора, М. М. Чеснокова, Н. А. Левицька // Інтегративна антропологія. – 2009. – № 2(14). – С. 4–11. В работе изложены определение эпигенетики как научного направления, а также эпигенетические механизмы регуляции работы генов, такие как гистоновые метки (метилирование, ацетилирование, убиквитирование), импринтинггенов, РНК-интерференция, хромосомный сайленсинг. Подчеркивается, что в реализации наследственной информации, которая запрограммирована в ДНК, важную роль играет пространственная организация хроматина и взаимодействие всех его компонентов. The work expounds the definitions of epigenetics as a scientific direction, as well as epigenetic mechanisms of regulation of gene expression, such as histone marks (methylation, acetylation, ubiquitination), gene imprinting, RNA-interference, chromosomal silencing. The chromatin spatial organization and interaction of its components are pointed out to play an important role in realization of the hereditary information The work expounds the definitions of epigenetics as a scientific direction, as well as epigenetic mechanisms.[:]

• Генетична схильність до ендометріозу : від теоретичних моделей до практичного генетичного моніторингу

  [:ru]Запорожан В. М. Генетична схильність до ендометріозу : від теоретичних моделей до практичного генетичного моніторингу / В. М. Запорожан, О. В. Михайленко // Одеський медичний журнал. – 2009. – № 2(112). – С. 46–48. Анализ публикаций по проблеме генетики эндометриоза показал, что за последние 10-15 лет медицина прошла путь от сугубо теоретических моделей генетического прогнозирования риска эндометриоза к практическому применению технологий генетической медицины. Молекулярно-генетический скрининг позволяет выявлять женщин, склонных к эндометриозу, и прогнозировать тактику его медикаментозной терапии. До последнего времени подобные исследования в Украине не проводились, что усложняет разработку эффективных клинических алгоритмов прогнозирования, диагностики и лечения эндометриоза. Внедрение этих методов является целесообразным для улучшения эффективности прогнозирования, диагностики и лечения этого социально-значимого заболевания. The analysis of the publications on the problem of genetics of endometriosis demonstrated that medicine passed the way from the theoretical models of genetic prognosis of risks for endometriosis to the practical use of the technologies of genetic medicine. Molecular-genetic screening allows to detect women who are succeptible to endometriosis and develop its treatment management. However, there were no such researches in Ukraine, which impedes the development of effective clinical algorithms of prognosis, diagnosis and treatment of endometriosis. There is expediently to implement such methods for optimizing the effectiveness of the management of this socially significant disease.[:]

• Microarray study of gene expression in uterine leiomyoma

  [:ru]Microarray study of gene expression in uterine leiomyoma / K. Litovkin, O. Ivanova, V. Zaporozhan [et al.] // Experimental Oncology. – 2008. – Vol. 30, № 2. – Р. 106–111. Лейомиома матки является одним из наиболее распространенных доброкачественных новообразований женской репродуктивной сферы. В некоторых случаях отмечают злокачественную трансформацию данного новообразования. Цель: идентификация генов, вовлеченных в патогенез лейомиомы. Методы: проведен анализ дифференциальной экспрессии генов в образцах лейомиомы и нормального миометрия одних и тех же пациентов методом ДНЛ-биочип-гибридизации и проведено сравнение полученных результатов с данными, опубликованными ранее. Результаты: выявлены различия в экспрессии генов CLDN1, FGF7 (KGF), HNRPM, ISOC1, MAGEC1 (CT7), MAPK12, RFC, TIE1, TNFRSF21 (DR6) в ткани лейомиомы по сравнению с нормальным миометрием. Ко второй группе можно отнести гены CCND1 (BCL1), CDKN1A (P21), CRABP2, FN1 и SOX4 (EVI16), уже упоминавшиеся в связи с патогенезом лейомиомы в ряде предыдущих исследований. Наибольшим изменением уровня экспрессии (в 2,07-3,64 раз в зависимости от зонда) характеризовался ген фибронектина FN1. Выводы: идентифицированные гены могут рассматриваться в качестве потенциальных диагностических и прогностических маркеров лейомиомы матки. Uterine leiomyoma is a most common benign neoplasm in women of reproductive age. It arises from the myometrial compartment of the uterus and may transfrom in some cases to a malignant phenotype. Aim: To identify the genes involved in pathogenesis of uterine leiomyoma. Methods: We have studied differential gene expression in matched tissue samples of leiomyoma and normal myometrium from the very same people utilizing a cDNA microarray screening method. We also compared our results with previously published microarray data to identify the overlapping gene alterations. Results: Based on this comparison we can divide genes deregulated in fibroids: CLDN1, FGF7 (KGF), HNRPM, ISOC1, MAGEC1 (CT7), MAPK12, RFC, TIE1, TNFRSF21 (DR6). The second group consists of genes identified also in previous studies: CCND1 (BCL1), CDKN1A (P21), CRABP2, FN1 and SOX4 (EVI16). In our study FN1 was the most up-regulated gene, occupying the place between the myometrium and fibroids ranging from 2.07 to 3.64, depending of the probe molecule used for detection. Conclusions: Newly identified genes may be regarded as potential diagnostic or prognostic markers of uterine leiomyoma and thus may be very useful as new therapeutic candidates.[:]