Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, 2011 / Bibliografia: f. [65]-70 / Pesquisas envolvendo o Projeto Genoma Humano têm avançado bastante em relação ao mapeamento genético. Por conta disso, a quantidade de informações armazenadas em bases de dados gênicas tem aumentado muito rapidamente e análises manuais feitas por cientist / Researches involving the Human Genome Project have significantly advances in genetic mapping. For this reason, the amount of information stored in genetics datasets has increased very rapidly and scientists manual analyses take years to be completed. Anal

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, 2006 / Inclui bibliografia / O crescimento exponencial dos dados de expressão gênica provenientes da tecnologia de microarranjo de DNA é acompanhado pelo aumento da necessidade de ferramentas computacionais eficientes que auxiliem o processo de análise e interpretação desses dados. T

Made available in DSpace on 2015-07-22T20:50:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-03-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / United Nations University (UNU-BIOLAC) / Formas tripomastigotas de T. cruzi expressam glicoproteínas de superfície da superfamília das trans-sialidases (TS), implicadas nos processos de invasão da célula hospedeira. As TSs constituem uma grande família gênica codificando grande número de proteínas de superfície. Populações de T. cruzi podem expressar diferentes formas antigênicas de TS. A identificação de genes TS localizados próximos aos telômeros sugeriu que as terminações cromossômicas poderiam atuar como local de geração de novas variantes TS. O objetivo deste trabalho é caracterizar as regiões teloméricas e subteloméricas do T. cruzi e investigar seu papel na recombinação e geração de variantes TS. Idfentificamos 49 “contigs” obtidos durante o projeto genoma que contém a repetição telomérica (TTAGGG). Destes “contigs”, em 45 a repetição telomérica está localizada em uma extremidade, e em quatro “contigs” está localizada internamente. A presença de repetições teloméricas internas poderia ser explicada por erros no alinhamento in silico das sequências ou por eventos de fusão de telômeros, formando cromossomos com repetições teloméricas intersticiais. Todos os contigs apresentam uma sequência conservada de 189 pb adjacente à repetição telomérica, denominada junção telomérica, que representa uma assinatura de extremidades cromossômicas de T. cruzi. Durante o trabalho, localizamos 40 dos 49 “contigs” teloméricos nos “contigs” cromossômicos de T. cruzi e relacionamos algumas extremidades cromossômicas às bandas cromossômicas separadas por eletroforese em gel de campo pulsado (PFGE). A estrutura das sequências subteloméricas de T. cruzi varia muito, principalmente como resultado de diferenças na quantidade e na organização de genes de proteínas de superfície (TS e DGF-1), genes “retrotransposon hot spot” (RHS), retroelementos e genes de RNA helicase e N–acetiltransferase entre as extremidades cromossômicas. As regiões subteloméricas possuem um grande número de pseudogenes, porém, também contêm genes completos, possivelmente expressos. Isto indica que estas regiões não representam apenas DNA não-funcional adjacente aos telômeros, mas formam parte do genoma expresso. O tamanho das regiões subteloméricas varia de 5 kb a 182 kb, sendo que as pequenas extremidades podem ter surgido de eventos recentes de quebra cromossômica e reparo dos telômeros. A falta de sintenia nas regiões subteloméricas sugere que genes localizados nestas regiões estão sujeitos a recombinação, o que aumenta sua variabilidade, inclusive em cromossomos homólogos. A presença de genes típicos subteloméricos pode facilitar a ocorrência de mecanismos de recombinação homóloga ou de recombinação mediada por micro-homologia, que podem usar estas regiões para o emparelhamento e recombinação de extremidades livres. Para verificar se eventos de recombinação envolvendo as extremidades cromossômicas estão ocorrendo no parasita construímos um cromossomo artificial de T. cruzi (TAC), uma construção linear que pode ser eficientemente introduzida em epimastigotas mantendo-se estável como um cromossomo do parasita. Estas construções (pTAC-gp85) não se integram ao genoma do parasita, e contém sequências subteloméricas, incluindo um pseudogene gp85, marcadores de seleção em ambos os braços e o gene repórter GFP. Após a eletroporação de epimastigotas com as construções, estas se mantiveram lineares epissomais e estáveis, por diversas gerações, mesmo na ausência de pressão seletiva com antibióticos. Ao longo do ciclo de vida do parasita, o cromossomo artificial se manteve estável, segregando-se junto aos outros cromossomos do parasita. Não foram detectados eventos de recombinação envolvedo deslocamento de genes do cromossomo articial para outro sítio genômico. Eventos de recombinação envolvendo genes TS subteloméricos podem estar ocorrendo em T. cruzi, mas possivelmente com menos frequência do que o esperado pela diversidade genética observada entre as linhagens e o grande número de variantes de antígenos de superfície no parasita. Eventos de recombinação em alguns parasitas da população dificilmente seriam detectados pela estratégia utilizada em nossos experimentos. O T. cruzi apresenta alta resistência aos efeitos da radiação ionizante, apresentando grande capacidade de reparo do DNA. A radiação gama causa a paralização do ciclo celular e fragmentação cromossômica, associada a quebras na dupla fita de DNA (DSBs – “double strand breaks”). No entanto, 48h após a irradiação, bandas cromossômicas de tamanho normal foram detectadas por PFGE. Embora tenha sido proposto que a recombinação mediada por Rad51 tenha papel importante no reparo de lesões do DNA, muitas dúvidas permanecem sobre a resposta do T. cruzi à radiação. Portanto, efetuamos experimentos para compreender o reparo dos cromossomos após a exposição de epimastigotas à radiação gama. Epimastigotas em crescimento exponencial (clone CL Brener e cepas G e CL) foram expostos a doses de 500 a 2000 Gy de radiação gama. Após a irradiação verificamos em intervalos regulares a sobrevivência das células, o crescimento celular, o dano e o reparo do DNA. A inibiçao do crescimento celular ocorreu imediatamente após a irradiação, e permaneceu por 96 h nos parasitas irradiados com 500 Gy e por até 12 dias nos parasitas irradiados com 1000 Gy. Parasitas irradiados com doses maiores (1500 e 2000 Gy) não sobreviveram. Utilizando ensaios que detectam DSBs (TUNEL) e fragmentação cromossômica (PFGE), avaliamos o efeito genotóxico da radiação em epimastigotas. Seis dias após a irradiação, a porcentagem de células irradiadas com 500 Gy marcadas positivamente com TUNEL é similar à de células não irradiadas e 3 vezes menor que nas células irradiadas com 1500 e 2000 Gy. Acreditamos que a fragmentação cromossômica e o número de células marcadas com o ensaio de TUNEL crescem conjuntamente. Comparamos o nível de sintenia entre parasitas irradiados e não irradiados pela análise de segmentos cromossômicos homólogos. Células irradiadas exibem uma impressionante conservação na organização dos genes em relação aos parasitas não irradiados. Nossos resultados confirmam a grande capacidade de reparo de DNA e de resistência à radiação apresentada pelo T. cruzi. / TEDE / BV UNIFESP: Teses e dissertações

Submitted by Tatiana Silva (tsilva@icict.fiocruz.br) on 2012-12-26T18:25:25Z No. of bitstreams: 1 joao_r_o_farias_ioc_bcm_0004_2009.pdf: 3748757 bytes, checksum: 6590fd1d1afea051ff70fc2fba034b09 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-12-26T18:25:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joao_r_o_farias_ioc_bcm_0004_2009.pdf: 3748757 bytes, checksum: 6590fd1d1afea051ff70fc2fba034b09 (MD5) Previous issue date: 2009 / Fundação Oswaldo Cruz.Instituto Oswaldo Cruz. Rio de janeiro, RJ, Brasil / As leishmanioses são doenças causadas por protozoários do gênero Leishmania transmitidos pela picada de flebotomíneos infectados. Os atuais métodos de combate a estas moléstias têm se mostrado ineficazes e maiores conhecimentos sobre a interação Leishmania-flebotomíneos são necessários para o desenvolvimento de novas formas de controle. Com o emprego da técnica de amostragem diferencial por RT-PCR (DDRT-PCR), foi encontrado anteriormente em nosso laboratório um cDNA codificante para uma quitinase intestino-específica de Lutzomyia longipalpis, nomeada LlChit1A. Foi visto que este produto do gene LlChit1 possui altos níveis de transcrição em fêmeas adultas 3 dias após a alimentação sangüínea, indicando um possível papel na degradação da matriz peritrófica (MP). Neste trabalho, um fragmento do LlChit1A foi usado para sondar uma biblioteca genômica de L. longipalpis, possibilitando o isolamento de um clone contendo o gene codificador desta enzima, que recebeu o nome LlChit1G. A amplificação por PCR e seqüenciamento deste gene revelaram a presença de 4 introns que interrompem a seqüência codificante para a LlChit1A. Foi visto por RT-PCR que o gene LlChit1 também está ativo em larvas, transcrevendo mais duas novas formas de splicing, nomeadas LlChit1B e LlChit1C. Estes dois novos transcritos possuem códons de parada, introduzidos a partir do quarto íntron, que interrompem a tradução do domínio de ligação à quitina codificado pelo último éxon. As possíveis novas enzimas codificadas devem atuar na digestão de alimentos ricos em quitina de maneira similar ao proposto para outras quitinases de inseto sem este domínio funcional. A região flanqueadora 5’ (RF5’) do clone genômico também foi amplificada por PCR e seqüenciada, evidenciando um possível promotor mínimo. Curiosamente, um gene ortólogo de Phlebotomus papatasi contém o começo da seqüência UTR 5` idêntica ao começo do RNAm da quitinase de L. longipalpis. Isso pode ser um indício de um possível sistema promotor conservado em flebotomíneos e com possível atuação na regulação da espessura da MP. Através da técnica de PCR invertido foi amplificada e seqüenciada uma região a montante do gene, não presente no LlChit1G. Análises de bioinformática indicaram a presença de um possível envolvimento de ecdisona no controle deste promotor. Através da anotação de ESTs codificantes para a seqüência completa ou parcial de proteínas similares a quitinases de L. longipalpis e P. papatasi foi possível identificar possíveis ortólogos de glicosideohidrolases da família 18. As seqüências primárias correspondentes ao domínio catalítilico encontrado nesta família foram comparadas por filogenia a seqüências já publicadas. / Leishmaniasis is a disease caused by Leishmania protozoa transmitted by the bite of infected sand flies. Current methods used to combat this illness have been shown to be inefficient, and better knowledge of aspects related to Leishmania-sand fly interaction are necessary for the development of new controlling methods. A cDNA codifying for a midgut-specific chitinase of Lutzomyia longipalpis, nominated LlChit1A, was previously identified in our laboratory using differential display RT-PCR (DDRT-PCR). It was found that the LlChit1 gene had high transcription levels 3 days after blood meal, which indicated a putative role on peritrophic matrix (PM) degradation. A LlChit1A fragment, was used for screening a L. longipalpis genomic library, which led to the isolation of a clone called LlChit1G, containing the chitinase gene. The PCR amplification and sequencing of this gene revealed 4 introns which interrupt the LlChit1A cDNA sequence. RT-PCR showed that the LlChit1 gene is also expressed in larvae where it transcribed two new forms of splicing, called LlChit1B and LlChit1C. These two transcripts possess early stop codons in the last intron, interrupting the translation of the chitin binding domain (CBD) codified by the last exon. These putative enzymes possibly act in the digestion of chitin rich food, as previously observed for others insect chitinases without this functional domain. The flanking region 5’ (FR5’) present in the genomic clone was also sequenced, evidencing a possible minimum promoter. Curiously, the initial part of this 5’ UTR sequence was identical to the initial part of a Phlebotomus papatasi orthologous gene. This may be an indication of a promoter system conserved among sandflies, with possible performance in the control of PM thickness, which seems to occur exactly at the moment and place of Leishmania attachment to the epithelium of the midgut. The use of inverted PCR allowed the sequencing of a region upstream the chitinase gene, which is not present in the genomic clone. Bioinformatics analyzes suggested the participation of ecdysone on the expression control of this gene. The annotation for ESTs codifying complete and partial chitinase like proteins from L. longipalpis and P. papatasi provided the identification of 4 new genes from the first specie and 5 new genes from the later. These genes codify for protein conserved domains with high similarity to the catalytic domain of family 18 glycosylhydrolases. Phylogenetic trees were also constructed.

A introdução dos antipsicóticos na clínica psiquiátrica promoveu intensas mudanças no tratamento dos transtornos mentais. Apesar do sucesso terapêutico, a administração dos primeiros antipsicóticos, conhecidos como agentes típicos, foi associada a sérios efeitos adversos, principalmente sintomas extrapiramidais (SEP), comprometendo a adesão ao tratamento. Os SEP incluem distonias, acatisia, pseudoparkinsonismo e discinesia tardia. Após o surgimento da clozapina, uma nova geração de compostos, conhecida como agentes atípicos, de alto valor terapêutico e reduzida incidência de SEP foi desenvolvida. Investigações conduziram a hipótese dopaminérgica da esquizofrenia e demonstraram que o efeito terapêutico destes agentes está associado ao bloqueio de receptores de dopamina da subfamília D2. Acredita-se que os agentes atípicos ocupem somente cerca de 65-80% dos receptores na região nigroestriatal e por isso atinjam o efeito terapêutico sem desencadear o surgimento de SEP, enquanto que agentes típicos ocupam níveis acima de 80%. Para explicar as diferenças entre agentes típicos e atípicos, foi proposto que, enquanto os primeiros se ligam com alta afinidade e bloqueiam os receptores por um longo período, os atípicos se ligam com baixa afinidade e se dissociam do receptor rapidamente, restabelecendo da sinalização dopaminérgica. Estudos recentes também demonstram o bloqueio de receptores D3 como importante alvo terapêutico para o tratamento da esquizofrenia e da dependência química, entre outros transtornos. Neste trabalho foi utilizada a estrutura tridimensional do receptor humano de dopamina D3 co-cristalizado com a eticloprida para investigar o perfil de ligação dos antipsicóticos eticloprida, haloperidol e risperidona neste receptor, através de métodos computacionais classicos e quânticos. A eticloprida é um potente agente com alta seletividade para receptores D2/D3 e de grande utilidade na pesquisa farmacológica. Este agente consiste no único antipsicótico co-cristalizado com um receptor de dopamina existente no momento. Nossos resultados destacam o papel central do resíduo Asp110 no ancoramento da eticloprida, além dos resíduos Val82, Val107, Cys114, Ser182, Ile183, Val189, Trp342, Phe345, Phe346 e Tyr373. Dentre estes, Val107, Ser182, Phe188, Val82 e Asn185 foram pela primeira vez relacionados diretamente com o mecanismo de ligação da eticloprida no receptor D3. O haloperidol é um agente típico com alta afinidade por receptores da subfamília D2. Apesar de estar associado ao surgimento de SEP, o haloperidol é muito utilizado na clínica por suas propriedades terapêuticas e baixo custo. A compreensão do bloqueio de receptores de dopamina pelo haloperidol é de fundamental importância para o desenvolvimento de derivados/novos compostos com reduzido índice de SEP. Nossos resultados descrevem a orientação do haloperidol durante a interação com o receptor D3 e demonstraram a relevância dos resíduos Asp110, Cys114, Ile183, Phe345, Phe346, Tyr365 e Tyr373. A risperidona é um importante antipsicótico atípico utilizado no tratamento de esquizofrenia e sintomas de irritabilidade associado com autismo em crianças. Em nosso estudo, observamos que a risperidona pode ligar-se no receptor D3 em duas orientações distintas, RO1 e RO2. A análise da contribuição individual de cada resíduo juntamente com simulações de dinâmica molecular indicam que RO2 é mais propensa a desligar-se do receptor do que RO1, sugerindo um perfil de ligação misto, com rápida dissociação de uma fração dos antipsicóticos ligados. Os resultados apresentados neste estudo auxiliam na elucidação do mecanismo de ligação da eticloprida, haloperidol e risperidona no receptor de dopamina D3 e consolidam o uso de ferramentas clássicas e quânticas para a obtenção de estruturas tridimensionais e a análise do perfil de contribuição energética individual dos resíduos de aminoácido que compõem o sítio de ligação do receptor de dopamina D3. / The introduction of antipsychotics in the clinic significantly improved the treatment of mental diseases. Nevertheless, besides the therapeutic success of the first antipsychotics (known as typical agents), their administration was associated with serious side-effects known as extrapiramidal symptoms (EPS), that compromised the treatment. The EPS include dystonic reactions, akathisia, pseudoparkinsonism and tardive dyskinesia. Following the synthesis of clozapine, a new generation of antipsychotics (known as atypical agents) with reduced EPS incidence began to appear. A set of evidences lead to the dopaminergic hypothesis of schizophrenia and many studies associated the mechanism of action of antipsychotics with the blockade of D2-like receptors. It was demonstrated that while atypical antipsychotics elicit clinical effects through 65-80% of dopamine receptor occupancy, typical agents show occupancy levels above 80%, triggering EPS. To explain the differences between typical and atypical agents, it was proposed that the former have higher affinity for the receptors, blocking them for a longer period, while atypical agents show lower affinity and are easily dissociated from the receptor, allowing the restablishment of the dopamine signaling in the nigrostriatal pathway. Recently, the blockade of D3 receptors has been discovered as an important strategy for the treatment of schizophrenia and other neurological diseases. In this study, we took advantage from the published crystallographic data of D3R complexed with eticlopride, to investigate the binding profile of the antipsychotics eticlopride, haloperidol and risperidone, through classical and quantum computational methods. Eticlopride is a potent and selective D2/D3 antagonist agent and is widely used in pharmacological research. Moreover, up to date, it is the only antipsychotic co-crystallized with a dopamine receptor. Our results highlight the central role of the residue Asp110, followed by Val82, Val107, Cys114, Ser182, Ile183, Val189, Trp342, Phe345, Phe346 and Tyr373, among others, and demonstrated for the first time the participation of Val107, Ser182, Phe188, Val82 e Asn185 in this binding. Haloperidol is a typical agent with high affinity for D2-like receptors. Although associated with the onset of EPS, haloperidol is still widely used in clinic due to its clinical properties and lower cost. In this way, the understanding of the mechanism involving dopamine receptor blockade by haloperidol is of great importance for the development of derivatives/novel agents with reduced EPS incidence. Our results unveil the conformation of haloperidol during its interaction with the D3 receptor and highlight the role of residues Asp110, Cys114, Ile183, Phe345, Phe346, Tyr365 and Tyr373. Risperidone is an atypical antipsychotics used in the treatment of schizophrenia and symptoms of irritability associated with autism spectrum disorder (ASD) in children. Our results show that risperidone binds to D3 receptor in two possible orientations, RO1 and RO2. The analyses of the individual amino acid contribution and the molecular dynamics simulations indicated that RO2 exhibits a trend to dissociate faster from the receptor than RO1, suggesting the existence of a mixing binding profile, with a fast-off behavior observed in only a fraction of ligands corresponding to orientation RO2. Our results give support to the understanding of the binding mechanisms of the important antipsychotics eticlopride, haloperidol and risperidone in the human dopamine receptor D3. Also, our results highlight the relevance of the use of classical and quantum approaches in the modeling and analysis of the individual energy contribution of every amino acid residue in the binding site of the D3 dopamine receptor.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:05:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1904.pdf: 8596621 bytes, checksum: bb1a64e6ce17817f414ced4cd74b8404 (MD5) Previous issue date: 2006-08-17 / With the progress of the sequencing techniques and the inevitable increasing number of sequenced genomes, it becomes interesting studying computational techniques to analyze these data. One of the possible analyses refers to the extraction of functional and evolutionary characteristics of the studied organisms. Thus, in this line of research, this study is motivated in identifying common regions, in terms of the genes that they contain, in multiple proteomes that keep the order and the gene content. The problem is modeled with a colored graph, and the common regions between proteomes are like clicks in the graph. Using peculiarities of the constructed graph, an algorithm for search space reduction was developed, making it possible to get complete results in a short time. Therefore, the contribution of this work constitutes an approach to find common regions in multiple proteomes, added of an implementation from which the Multiple Proteome Comparison (MPC) tool originated. / Com o avanço das técnicas de seqüenciamento e o inevitável crescimento do número de genomas seqüenciados, torna-se necessário o uso de técnicas computacionais para analisar e gerenciar essa grande massa de dados. Uma das análises possíveis diz respeito à extração de características funcionais e evolutivas dos organismos estudados. Assim, nesta linha de pesquisa, este estudo preocupa-se em identificar regiões comuns, em termos dos genes que elas contêm, em múltiplos proteomas, que conservam a ordem e o conteúdo gênico. O problema é modelado com o auxílio de um grafo colorido, sendo que regiões comuns entre proteomas são como cliques no grafo. Aproveitando-se de peculiaridades do grafo construído, um algoritmo para redução do espaço de busca foi desenvolvido, possibilitando obter resultados completos em um pequeno espaço de tempo. Portanto, a contribuição deste trabalho constitui numa abordagem para encontrar regiões comuns em múltiplos proteomas, acrescida de uma implementação, que originou a ferramenta Multiple Proteome Comparison (MPC).

O autismo pode ser definido como um transtorno associado ao desenvolvimento e caracterizado por prejuízo na interação social, na comunicação e no comportamento. Sua etiologia ainda é pouco conhecida, existindo alterações no desenvolvimento encefálico durante a embriogênese e na vida pós-natal. Sugere-se uma complexa interface entre fatores genéticos e ambientais. Existem provas que mostram uma desregulação do controle da homeostase e redes neuronais por parte de células astrogliais, ativação da microglia e respostas neuroinflamatórias no encéfalo de pacientes autistas até a idade adulta, representando uma alteração celular comum dentro do espectro autista (ASD). A grande variabilidade dos sintomas encontrados nos pacientes torna extremamente difícil a identificação de cascatas de sinalização comuns associadas com a patologia tipicamente autista, críticas para a procura de marcadores periféricos de diagnóstico e para identificar novos alvos terapêuticos. Neste trabalho, (i) caracterizamos a natureza multifatorial do autismo, funções moleculares, componentes celulares e processos biológicos associados, (ii) mostramos que RAC1, em particular, e a família das RHO GTPases, em geral, poderiam ter um papel crítico nos eventos neuropatológicos associados ao autismo, sendo o cálcio (Ca2+) a molécula mais central na complexa interface entre fatores genéticos e ambientais e (iii) sugerimos um modelo baseado na ativação da enzima α-secretase, mediada por receptores de glutamato (NMDARs), influxo de Ca2+, ativação de Erk e adaptação da mitocôndria a apoptose, como cascata de sinalização bioquímica que poderia explicar o aumento do volume encefálico e a falha da conectividade cerebral observada em crianças autistas e que, potencialmente, poderia ser tratada com derivados de magnésio e rapamicina. / Autism is a neurodevelopmental disorder characterized by specific activity patterns and aberrant social interaction and communication. Even though its etiology is not well understood, a number of neuropathological events during central nervous system development, in childhood and adolescence, have already been described. A complex interface between genetic and environmental factors is also suggested to account for the disorder. Evidence shows a deregulation of the homeostatic control of neuronal networks by astroglia, microglial activation, and neuroinflammation; changes that persist even until adulthood and may represent a common cellular disturbance in autism spectrum disorders (ASD). The great variability of symptoms found in the patients makes a difficult challenge the identification of disrupted signaling pathways associated to ASD, which is critical to identify potentially novel biomarkers for diagnoses as well as novel therapeutic targets. In the present study, (i) we characterized the multifactorial nature of autism, molecular functions, cellular components, and biological processes associated to the disorder, (ii) we showed RAC1, in particular, and the RHO family of GTPases, in general, could play a critical role in the neuropathological events associated with autism, with calcium (Ca2+) as the most central component in interface between genetic and environmental factors, and (iii) we proposed a model of glutamate receptors (NMDARs)-mediated Erk activation of α-secretase activity and mitochondrial adaptation to apoptosis that may explain the early brain overgrowth and disruption of synaptic plasticity and connectome in autistic children, which could potentially be targeted by magnesium-based drugs and rapamycin.

A introdução dos antipsicóticos na clínica psiquiátrica promoveu intensas mudanças no tratamento dos transtornos mentais. Apesar do sucesso terapêutico, a administração dos primeiros antipsicóticos, conhecidos como agentes típicos, foi associada a sérios efeitos adversos, principalmente sintomas extrapiramidais (SEP), comprometendo a adesão ao tratamento. Os SEP incluem distonias, acatisia, pseudoparkinsonismo e discinesia tardia. Após o surgimento da clozapina, uma nova geração de compostos, conhecida como agentes atípicos, de alto valor terapêutico e reduzida incidência de SEP foi desenvolvida. Investigações conduziram a hipótese dopaminérgica da esquizofrenia e demonstraram que o efeito terapêutico destes agentes está associado ao bloqueio de receptores de dopamina da subfamília D2. Acredita-se que os agentes atípicos ocupem somente cerca de 65-80% dos receptores na região nigroestriatal e por isso atinjam o efeito terapêutico sem desencadear o surgimento de SEP, enquanto que agentes típicos ocupam níveis acima de 80%. Para explicar as diferenças entre agentes típicos e atípicos, foi proposto que, enquanto os primeiros se ligam com alta afinidade e bloqueiam os receptores por um longo período, os atípicos se ligam com baixa afinidade e se dissociam do receptor rapidamente, restabelecendo da sinalização dopaminérgica. Estudos recentes também demonstram o bloqueio de receptores D3 como importante alvo terapêutico para o tratamento da esquizofrenia e da dependência química, entre outros transtornos. Neste trabalho foi utilizada a estrutura tridimensional do receptor humano de dopamina D3 co-cristalizado com a eticloprida para investigar o perfil de ligação dos antipsicóticos eticloprida, haloperidol e risperidona neste receptor, através de métodos computacionais classicos e quânticos. A eticloprida é um potente agente com alta seletividade para receptores D2/D3 e de grande utilidade na pesquisa farmacológica. Este agente consiste no único antipsicótico co-cristalizado com um receptor de dopamina existente no momento. Nossos resultados destacam o papel central do resíduo Asp110 no ancoramento da eticloprida, além dos resíduos Val82, Val107, Cys114, Ser182, Ile183, Val189, Trp342, Phe345, Phe346 e Tyr373. Dentre estes, Val107, Ser182, Phe188, Val82 e Asn185 foram pela primeira vez relacionados diretamente com o mecanismo de ligação da eticloprida no receptor D3. O haloperidol é um agente típico com alta afinidade por receptores da subfamília D2. Apesar de estar associado ao surgimento de SEP, o haloperidol é muito utilizado na clínica por suas propriedades terapêuticas e baixo custo. A compreensão do bloqueio de receptores de dopamina pelo haloperidol é de fundamental importância para o desenvolvimento de derivados/novos compostos com reduzido índice de SEP. Nossos resultados descrevem a orientação do haloperidol durante a interação com o receptor D3 e demonstraram a relevância dos resíduos Asp110, Cys114, Ile183, Phe345, Phe346, Tyr365 e Tyr373. A risperidona é um importante antipsicótico atípico utilizado no tratamento de esquizofrenia e sintomas de irritabilidade associado com autismo em crianças. Em nosso estudo, observamos que a risperidona pode ligar-se no receptor D3 em duas orientações distintas, RO1 e RO2. A análise da contribuição individual de cada resíduo juntamente com simulações de dinâmica molecular indicam que RO2 é mais propensa a desligar-se do receptor do que RO1, sugerindo um perfil de ligação misto, com rápida dissociação de uma fração dos antipsicóticos ligados. Os resultados apresentados neste estudo auxiliam na elucidação do mecanismo de ligação da eticloprida, haloperidol e risperidona no receptor de dopamina D3 e consolidam o uso de ferramentas clássicas e quânticas para a obtenção de estruturas tridimensionais e a análise do perfil de contribuição energética individual dos resíduos de aminoácido que compõem o sítio de ligação do receptor de dopamina D3. / The introduction of antipsychotics in the clinic significantly improved the treatment of mental diseases. Nevertheless, besides the therapeutic success of the first antipsychotics (known as typical agents), their administration was associated with serious side-effects known as extrapiramidal symptoms (EPS), that compromised the treatment. The EPS include dystonic reactions, akathisia, pseudoparkinsonism and tardive dyskinesia. Following the synthesis of clozapine, a new generation of antipsychotics (known as atypical agents) with reduced EPS incidence began to appear. A set of evidences lead to the dopaminergic hypothesis of schizophrenia and many studies associated the mechanism of action of antipsychotics with the blockade of D2-like receptors. It was demonstrated that while atypical antipsychotics elicit clinical effects through 65-80% of dopamine receptor occupancy, typical agents show occupancy levels above 80%, triggering EPS. To explain the differences between typical and atypical agents, it was proposed that the former have higher affinity for the receptors, blocking them for a longer period, while atypical agents show lower affinity and are easily dissociated from the receptor, allowing the restablishment of the dopamine signaling in the nigrostriatal pathway. Recently, the blockade of D3 receptors has been discovered as an important strategy for the treatment of schizophrenia and other neurological diseases. In this study, we took advantage from the published crystallographic data of D3R complexed with eticlopride, to investigate the binding profile of the antipsychotics eticlopride, haloperidol and risperidone, through classical and quantum computational methods. Eticlopride is a potent and selective D2/D3 antagonist agent and is widely used in pharmacological research. Moreover, up to date, it is the only antipsychotic co-crystallized with a dopamine receptor. Our results highlight the central role of the residue Asp110, followed by Val82, Val107, Cys114, Ser182, Ile183, Val189, Trp342, Phe345, Phe346 and Tyr373, among others, and demonstrated for the first time the participation of Val107, Ser182, Phe188, Val82 e Asn185 in this binding. Haloperidol is a typical agent with high affinity for D2-like receptors. Although associated with the onset of EPS, haloperidol is still widely used in clinic due to its clinical properties and lower cost. In this way, the understanding of the mechanism involving dopamine receptor blockade by haloperidol is of great importance for the development of derivatives/novel agents with reduced EPS incidence. Our results unveil the conformation of haloperidol during its interaction with the D3 receptor and highlight the role of residues Asp110, Cys114, Ile183, Phe345, Phe346, Tyr365 and Tyr373. Risperidone is an atypical antipsychotics used in the treatment of schizophrenia and symptoms of irritability associated with autism spectrum disorder (ASD) in children. Our results show that risperidone binds to D3 receptor in two possible orientations, RO1 and RO2. The analyses of the individual amino acid contribution and the molecular dynamics simulations indicated that RO2 exhibits a trend to dissociate faster from the receptor than RO1, suggesting the existence of a mixing binding profile, with a fast-off behavior observed in only a fraction of ligands corresponding to orientation RO2. Our results give support to the understanding of the binding mechanisms of the important antipsychotics eticlopride, haloperidol and risperidone in the human dopamine receptor D3. Also, our results highlight the relevance of the use of classical and quantum approaches in the modeling and analysis of the individual energy contribution of every amino acid residue in the binding site of the D3 dopamine receptor.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2012. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2013-04-11T12:42:16Z No. of bitstreams: 1 2012_DanielSundfeldLima.pdf: 2274332 bytes, checksum: 03f64cd52764929edc5ad78619656562 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-05-20T14:40:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_DanielSundfeldLima.pdf: 2274332 bytes, checksum: 03f64cd52764929edc5ad78619656562 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-05-20T14:40:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_DanielSundfeldLima.pdf: 2274332 bytes, checksum: 03f64cd52764929edc5ad78619656562 (MD5) / O alinhamento múltiplo de sequências biológicas é um problema muito importante em Biologia Molecular, pois permite que sejam detectadas similaridades e diferenças entre um conjunto de sequências. Esse problema foi provado NP-Difícil e, por essa razão, geralmente algoritmos heurísticos são usados para resolvê-lo. No entanto, a obtenção da solucão ótima é bastante desejada e, por essa razão, existem alguns algoritmos exatos que solucionam esse problema para um número reduzido de sequências. Dentre esses algoritmos, destaca-se o método exato Carrillo-Lipman, que permite reduzir o espaço de busca utilizando um limite inferior e superior. Mesmo com essa redução, o algoritmo com Carrillo-Lipman executa-se em tempo exponencial. Com o objetivo de acelerar a obtenção de resultados, plataformas computacionais de alto desempenho podem ser utilizadas para resolver o problema do alinhamento múltiplo. Dentre essas plataformas, destacam-se as Unidades de Processamento Gráfico (GPU) devido ao seu potencial para paralelismo massivo e baixo custo. O objetivo dessa dissertação de mestrado é propor e avaliar uma estratégia paralela para execução do algoritmo Carrillo-Lipman em GPU. A nossa estratégia permite a exploração do paralelismo em granularidade na, onde o espaço de busca é percorrido por várias threads em um cubo tridimensional, divido em janelas de processamento que são diagonais projetadas em duas dimensões. Os resultados obtidos com a comparação de conjuntos de 3 sequências reais e sintéticas de diversos tamanhos mostram que speedups de até 8,60x podem ser atingidos com a nossa estratégia. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Multiple Sequence Alignment is a very important problem in Molecular Biology since it is able to detect similarities and di erences in a set of sequences. This problem has been proven NP-Hard and, for this reason, heuristic algorithms are usually used to solve it. Nevertheless, obtaining the optimal solution is highly desirable and there are indeed some exact algorithms that solve this problemfor a reduced number of sequences. Carrillo-Lipman is a well-known exact algorithmfor the Multiple Sequence Alignment problemthat is able to reduce the search space by using inferior and superior bounds. Even with this reduction, the Carrillo-Lipman algorithm executes in exponential time. High Performance Computing (HPC) Platforms can be used in order to produce results faster. Among the existing HPC platforms, GPUs (Graphics Processing Units) are receiving a lot of attention due to their massive parallelism and low cost. The goal of this MsC dissertation is to propose and evaluate a parallel strategy to execute the Carrillo-Lipman algorithm in GPU. Our strategy explores parallelism at ne granularity, where the search space is a tridimensional cube, divided on processing windows with bidimensional diagonals, explored by multiple threads. The results obtained when comparing several sets of 3 real and synthetic sequences show that speedups of 8.60x can be obtained with our strategy.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2009. / Submitted by Jaqueline Ferreira de Souza (jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-06-06T14:24:38Z No. of bitstreams: 1 2009_JuanFernandoEusseGiraldo.pdf: 4745967 bytes, checksum: 76224827c593ebb7c15bc3993fa53665 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Ferreira de Souza(jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-06-06T14:25:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_JuanFernandoEusseGiraldo.pdf: 4745967 bytes, checksum: 76224827c593ebb7c15bc3993fa53665 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-06-06T14:25:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_JuanFernandoEusseGiraldo.pdf: 4745967 bytes, checksum: 76224827c593ebb7c15bc3993fa53665 (MD5) / Os Modelos Ocultos de Markov (HMM - Hidden Markov Models) constituem uma poderosa ferramenta para mapeamento e organização de proteínas, uma vez que permitem reconhecer estruturas altamente representativas e unidades funcionais dentro das cadeias de aminoácidos que as conformam. O Viterbi é um dos principais algoritmos para comparação e identificação de proteínas (sequências de aminoácidos) baseados em HMM, e é implementado dentro do software livre HMMER [1][2], muito utilizado na comunidade científica. Nos últimos anos, devido ao crescimento exponencial das bases de dados que armazenam proteínas, surge a necessidade de acelerar a execução do software para reduzir os tempos de processamento dos algoritmos de comparação. Neste trabalho de mestrado, é realizada a aceleração do software HMMER para alinhamento de sequências biológicas através da implementação de um acelerador em hardware. O acelerador proposto utiliza um novo algoritmo chamado de Algoritmo das Divergências, o qual permite ao sistema completo (Hardware+Software) economizar uma grande quantidade de cálculos para gerar os alinhamentos de proteínas. O Hardware produz a medida de similaridade da proteína com o modelo HMM e os índices inicial e final da porção de interesse da sequência de aminoácidos como uma primeira etapa de filtragem. Isto, quando gerado pelo acelerador, significa uma economia de processamento adicional para o software, o qual tem que reprocessar dita região para gerar o alinhamento da sequência com o profileHMM, e contribui com a aceleração da execução do algoritmo. O Acelerador atinge ganhos de até 182x quando comparado com o software não acelerado. Além disso, o trabalho propõe uma nova medida para a comparação do desempenho e realiza medições exatas acerca da aceleração atingida ao integrar o acelerador ao fluxo de execução do software. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Hidden Markov Models are a powerful tool for protein organization and identification because they allow identifying and classifying highly representative structures and functional units inside the amino acid chains that form them. The Viterbi algorithm is one of the most used algorithms in protein comparison and identification using Hidden Markov Models, and is implemented inside the open source software HMMER [1][2], which is widely used among the scientific community. Due to the exponential growth in the size of protein databases in the past years, the necessity to accelerate software execution to reduce comparison and search times rose. In this master thesis, a hardware accelerator is implemented in VHDL in order to reduce those processing times in the protein comparison and search processes. The implemented accelerator uses a new algorithm which enables the system (Hardware+Software) to economize processing time by reducing the number of calculations needed to perform a comparison. The accelerator not only produces the similarity score for a sequence when compared against a profileHMM but also produces the parameters to limit the region of the Dynamic Programming Matrices that must be reprocessed to generate the alignment. The implemented accelerator produces a maximum gain of up to 182 times when compared to unaccelerated software. A new performance measurement strategy is introduced in this work, which not only takes into account the acceleration achieved by the hardware, but also the post-processing stages that follows hardware made comparisons.