Transcriptomic approaches to study the effects of xenobiotics in ruminants

This thesis is concerned with the study and characterization of the xenobiotics-induced transcriptomic signature in some ruminants. Based on the different studies presented in this thesis, the microarray-based transcriptomics approach was able to provide a holistic view on the global gene expression in diverse types of tissues – namely, skeletal muscle, liver, whole blood, primary hepatocytes- and kidney-derived cell lines. The pre-designed commercial bovine microarray enabled the discovery of many biomarkers with which the differentiation between illicitly-treated and untreated veal calves was possible. It also demonstrated the transcriptomic signature dissimilarity between 2 tissues (i.e. skeletal muscle and liver) exposed to the same treatment (i.e. anabolic steroids). Also, the same approach revealed the presence of some transcriptomic landscape convergence between the hepatocytes primary cultures and the Madin-Darby bovine kidney (MDBK) cell line, which in turn spots the light on the MDBK cells as a possible surrogate in vitro tool for some liver-based functional studies. Finally, a custom-designed whole-transcriptome sheep (Ovis aries) microarray revealed the immune-system-induction and the transcriptional-modulation capacity of organic selenium in sheep. Collectively, the transcriptomics approach overcame the shortcoming of focusing on changes in expression of a priori list of selected genes – instead, it looks at the bigger picture within the protein-coding part of the genome. It is important to mention that using an alternative functional analysis tools [i.e. Gene set enrichment analysis (GSEA)] was useful to cross-validate the output of the conventional overrepresentation tools like the Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery (DAVID). The collective body of work represented here shows the adequacy of using microarray, commercial and custom-designed, to depict a holistic picture about the global gene expression profile of a given tissue. Still, there are some challenges in data analysis, interpretation and integration with the output of other alternative omic techniques – those challenges are highlighted and discussed across the different chapters of this thesis.

Nella presente tesi sono state caratterizzate le eventuali modulazioni del trascrittoma di alcuni ruminanti conseguentemente all’esposizione a xenobiotici. L'approccio trascrittomico tramite tecnica microarray è stato in grado di fornire una visione olistica sull'espressione genica globale in diversi tipi di tessuti: muscolo scheletrico, fegato, sangue intero, epatociti primari e linee cellulari stabilizzate renali di bovino. Per quanto concerne l’uso di trattamenti illeciti nella filiera del bovino da carne, la tecnica summenzionata ha consentito di individuare un set di biomarcatori potenzialmente in grado di discriminare vitelli trattati illecitamente da quelli di controllo (I) . Inoltre, è stata dimostrata la presenza di pattern di espressione dissimili tra il fegato ed il muscolo scheletrico di animali trattati con steroidi anabolizzanti (II). Questa stessa metodologia omica ha evidenziato una certa similitudine tra il trascrittoma di colture primarie di epatociti e la linea cellulare stabilizzata Madin-Darby bovine kidney (MDBK), che avvalorerebbe la scelta di questa linea cellulare come possibile modello surrogato per studi funzionali sul metabolismo degli xenobiotici nel bovino (III). Infine, è stata designata ‘in-house’ una piattaforma microarray per la caratterizzazione dell’intero trascrittoma dell’ovino (Ovis aries). Grazie a tale piattaforma è stato possibile valutare gli effetti trascrizionali di una dieta addizionata di selenio organico. In particolare, l’addizione di selenio organico è stata in grado di modulare il sistema immunitario dell’ovino (IV). Collettivamente, l'approccio trascrittomico utilizzato ha superato il concetto dell’approccio allo studio di geni candidati selezionati sulla base della letteratura, prediligendo una visuale più ampia dei cambiamenti che avvengono all'interno della parte codificante del genoma. È importante menzionare che l'utilizzo di software di analisi funzionale alternativi quali il Gene Set Enrichment Analysis, GSEA) ha permesso di convalidare l'output ottenuto da software convenzionali come il database per l'annotazione, la visualizzazione e discovery integrato (DAVID). Nel suo insieme, il lavoro qui rappresentato dimostra l'adeguatezza della tecnica microarray, tanto di derivazione commerciale quanto custom-designed, per definire il profilo di espressione genica globale di un individuo, di un particolare tessuto, di un tipo cellulare. Inoltre, nei capitoli di questa tesi vengono discusse alcune sfide riguardanti l’analisi dei dati, la loro interpretazione e loro integrazione con altre tecniche alternative omiche.