O genoma humano tem um tamano aproximado de 3,2 Gb e aproximadamente 74% das suas sequências são transcritas em RNAs. Destes transcritos, cerca de 33 mil não são traduzidos em proteínas, desempenhando seu papel funcional na célula na forma de RNAs. Dentre os trancritos que não codificam proteínas estão os lncRNAs, os pseudogenes e os circRNAs. Inicialmente considerados como ruídos transcricionais, esses RNAs têm chamado cada vez mais a atenção da comunidade científica e têm sido atribuídos a um série de funções celulares. Apesar do crescente número de trabalhos enfocando estes RNAs, pouco se sabe sobre essas moléculas em células-tronco embrionárias (CTEs) humanas, tanto no que se refere ao conjunto de moléculas expressas quanto sobre a função por elas desempenhada. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo identificar os lncRNAs, pseudogenes e circRNAs expressos em células-tronco embrionárias humanas a partir de dados de RNA-seq depositados no banco de dados GEO e inferir, através de ferramentas de bioinformática, as possíveis funções desempenhadas por estas moléculas no estado tronco. As análises revelaram, ao todo 1182 ncRNAs pertencentes as três classes em estudo (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; e circRNA, n=280) no conjunto de dados principal. Quando este foi comparado a outros conjuntos de dados, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes e 10 circRNAs foram detectados como transcritos comuns. Dentre os lncRNAs e os pseudogenes, 15 foram selecionados para inferência de função pela abordagem de guilty by association. Foi possível associar RNA selecionados a processos como splicing, organização de cromatina, mitose, ciclo celular, biogênese de ribossomos, reparo de DNA e resposta ao dano, apoptose, organização do citoesqueleto, desenvolvimento embrionário e regulação da diferenciação celular. Além disso, alguns dos RNAs em estudo mostraram-se fortes candidatos a atuarem como competidores endógenos de mRNAs expressos em CTEs. Análises de correlação, de força de ligação ao miRNA e do tipo de seed do sítio de ligação apontaram os pares de mRNAs e ncRNAs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, juntamente com o RNA circular circ-HIPK3, como os RNAs com maior potencial para competirem pelos miRNAs expressos em CTEs. Estes resultados voltam a atenção da pesquisa básica para uma parte pouco conhecida da biologia das CTEs e direcionam futuros experimentos visando a elucidação da função de ncRNAs nesse contexto celular. Ensaios de modulação da expressão dos ncRNAs e a observação concomitante da respostas dos RNAs e proteínas a eles relacionados são o próximo passo para desvendar os mecanismos moleculares através dos quais estes RNAs desempenham seus papeis em CTEs. / The human genome has an average size of 3.2 Gb and approximately 74% of its sequences are transcribed into RNAs. From this transcripts, around 33 thousand are not translated into proteins, performing their cellular roles as RNAs molecules. Among the non-protein coding transcripts are the lncRNAs, the pseudogenes and the circRNAs. Inicially thought to be transcription noise, these molecules have been drawing attention of the scientific comunity and several cellular functions have been attributed to them. Although the rising number of studies focusing on these RNAs, little is known about them in human embryonic stem cells (ESCs), includind the set of expressed non-coding RNAs (ncRNA) and their functions. In this sense, this study aimed to identify lncRNAs, pseudogenes and circRNAs expressed in human ESCs from RNA-seq data deposited in GEO public database and infer, through bioinformatic tools, the possible functions played by these molecules in the stem state. The analyzis revealed 1182 ncRNAs belonging to the three classes (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; and circRNA, n=280) studied in the main dataset. When compared to other datasets, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes and 10 circRNAs were detected as common to all datasets. Among the lncRNAs and the pseudogenes, 15 were selected for function inference through the guilty by association method. It was possible to associate the selected RNAs to cellular processes as RNA splicing, chromatin organization, mitosis, cell cycle, ribosome biogenesis, DNA repair and DNA damage response, apoptosis, cytoskeletton organization, embryonic development and regulation of cell differentiation. Moreover, some of the RNAs showed to be strong candidates to act as endogenous competitors of the ESCs-expressed mRNAs. Pearson correlation analysis and investigation of the miRNA seed type and binding strenght indicate the following ncRNA-mRNA pairs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, together with the circular RNA circ-HIPK3, as the RNAs with major potential to act as competing endogenous RNAs in ESCs. These results shift the attentions to a poorly known part of ESCs biology and give directions to future experiments aiming to elucidate the ncRNAs function in this cellular context. ncRNAs expression modulation assays and the concomitant observation of the positively correlated mRNAs response to these alterations are the next step in the unraveling of the specific molecular mechanisms through which ncRNAs exert their roles in ESCs.

O genoma humano tem um tamano aproximado de 3,2 Gb e aproximadamente 74% das suas sequências são transcritas em RNAs. Destes transcritos, cerca de 33 mil não são traduzidos em proteínas, desempenhando seu papel funcional na célula na forma de RNAs. Dentre os trancritos que não codificam proteínas estão os lncRNAs, os pseudogenes e os circRNAs. Inicialmente considerados como ruídos transcricionais, esses RNAs têm chamado cada vez mais a atenção da comunidade científica e têm sido atribuídos a um série de funções celulares. Apesar do crescente número de trabalhos enfocando estes RNAs, pouco se sabe sobre essas moléculas em células-tronco embrionárias (CTEs) humanas, tanto no que se refere ao conjunto de moléculas expressas quanto sobre a função por elas desempenhada. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo identificar os lncRNAs, pseudogenes e circRNAs expressos em células-tronco embrionárias humanas a partir de dados de RNA-seq depositados no banco de dados GEO e inferir, através de ferramentas de bioinformática, as possíveis funções desempenhadas por estas moléculas no estado tronco. As análises revelaram, ao todo 1182 ncRNAs pertencentes as três classes em estudo (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; e circRNA, n=280) no conjunto de dados principal. Quando este foi comparado a outros conjuntos de dados, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes e 10 circRNAs foram detectados como transcritos comuns. Dentre os lncRNAs e os pseudogenes, 15 foram selecionados para inferência de função pela abordagem de guilty by association. Foi possível associar RNA selecionados a processos como splicing, organização de cromatina, mitose, ciclo celular, biogênese de ribossomos, reparo de DNA e resposta ao dano, apoptose, organização do citoesqueleto, desenvolvimento embrionário e regulação da diferenciação celular. Além disso, alguns dos RNAs em estudo mostraram-se fortes candidatos a atuarem como competidores endógenos de mRNAs expressos em CTEs. Análises de correlação, de força de ligação ao miRNA e do tipo de seed do sítio de ligação apontaram os pares de mRNAs e ncRNAs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, juntamente com o RNA circular circ-HIPK3, como os RNAs com maior potencial para competirem pelos miRNAs expressos em CTEs. Estes resultados voltam a atenção da pesquisa básica para uma parte pouco conhecida da biologia das CTEs e direcionam futuros experimentos visando a elucidação da função de ncRNAs nesse contexto celular. Ensaios de modulação da expressão dos ncRNAs e a observação concomitante da respostas dos RNAs e proteínas a eles relacionados são o próximo passo para desvendar os mecanismos moleculares através dos quais estes RNAs desempenham seus papeis em CTEs. / The human genome has an average size of 3.2 Gb and approximately 74% of its sequences are transcribed into RNAs. From this transcripts, around 33 thousand are not translated into proteins, performing their cellular roles as RNAs molecules. Among the non-protein coding transcripts are the lncRNAs, the pseudogenes and the circRNAs. Inicially thought to be transcription noise, these molecules have been drawing attention of the scientific comunity and several cellular functions have been attributed to them. Although the rising number of studies focusing on these RNAs, little is known about them in human embryonic stem cells (ESCs), includind the set of expressed non-coding RNAs (ncRNA) and their functions. In this sense, this study aimed to identify lncRNAs, pseudogenes and circRNAs expressed in human ESCs from RNA-seq data deposited in GEO public database and infer, through bioinformatic tools, the possible functions played by these molecules in the stem state. The analyzis revealed 1182 ncRNAs belonging to the three classes (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; and circRNA, n=280) studied in the main dataset. When compared to other datasets, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes and 10 circRNAs were detected as common to all datasets. Among the lncRNAs and the pseudogenes, 15 were selected for function inference through the guilty by association method. It was possible to associate the selected RNAs to cellular processes as RNA splicing, chromatin organization, mitosis, cell cycle, ribosome biogenesis, DNA repair and DNA damage response, apoptosis, cytoskeletton organization, embryonic development and regulation of cell differentiation. Moreover, some of the RNAs showed to be strong candidates to act as endogenous competitors of the ESCs-expressed mRNAs. Pearson correlation analysis and investigation of the miRNA seed type and binding strenght indicate the following ncRNA-mRNA pairs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, together with the circular RNA circ-HIPK3, as the RNAs with major potential to act as competing endogenous RNAs in ESCs. These results shift the attentions to a poorly known part of ESCs biology and give directions to future experiments aiming to elucidate the ncRNAs function in this cellular context. ncRNAs expression modulation assays and the concomitant observation of the positively correlated mRNAs response to these alterations are the next step in the unraveling of the specific molecular mechanisms through which ncRNAs exert their roles in ESCs.

O genoma humano tem um tamano aproximado de 3,2 Gb e aproximadamente 74% das suas sequências são transcritas em RNAs. Destes transcritos, cerca de 33 mil não são traduzidos em proteínas, desempenhando seu papel funcional na célula na forma de RNAs. Dentre os trancritos que não codificam proteínas estão os lncRNAs, os pseudogenes e os circRNAs. Inicialmente considerados como ruídos transcricionais, esses RNAs têm chamado cada vez mais a atenção da comunidade científica e têm sido atribuídos a um série de funções celulares. Apesar do crescente número de trabalhos enfocando estes RNAs, pouco se sabe sobre essas moléculas em células-tronco embrionárias (CTEs) humanas, tanto no que se refere ao conjunto de moléculas expressas quanto sobre a função por elas desempenhada. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo identificar os lncRNAs, pseudogenes e circRNAs expressos em células-tronco embrionárias humanas a partir de dados de RNA-seq depositados no banco de dados GEO e inferir, através de ferramentas de bioinformática, as possíveis funções desempenhadas por estas moléculas no estado tronco. As análises revelaram, ao todo 1182 ncRNAs pertencentes as três classes em estudo (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; e circRNA, n=280) no conjunto de dados principal. Quando este foi comparado a outros conjuntos de dados, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes e 10 circRNAs foram detectados como transcritos comuns. Dentre os lncRNAs e os pseudogenes, 15 foram selecionados para inferência de função pela abordagem de guilty by association. Foi possível associar RNA selecionados a processos como splicing, organização de cromatina, mitose, ciclo celular, biogênese de ribossomos, reparo de DNA e resposta ao dano, apoptose, organização do citoesqueleto, desenvolvimento embrionário e regulação da diferenciação celular. Além disso, alguns dos RNAs em estudo mostraram-se fortes candidatos a atuarem como competidores endógenos de mRNAs expressos em CTEs. Análises de correlação, de força de ligação ao miRNA e do tipo de seed do sítio de ligação apontaram os pares de mRNAs e ncRNAs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, juntamente com o RNA circular circ-HIPK3, como os RNAs com maior potencial para competirem pelos miRNAs expressos em CTEs. Estes resultados voltam a atenção da pesquisa básica para uma parte pouco conhecida da biologia das CTEs e direcionam futuros experimentos visando a elucidação da função de ncRNAs nesse contexto celular. Ensaios de modulação da expressão dos ncRNAs e a observação concomitante da respostas dos RNAs e proteínas a eles relacionados são o próximo passo para desvendar os mecanismos moleculares através dos quais estes RNAs desempenham seus papeis em CTEs. / The human genome has an average size of 3.2 Gb and approximately 74% of its sequences are transcribed into RNAs. From this transcripts, around 33 thousand are not translated into proteins, performing their cellular roles as RNAs molecules. Among the non-protein coding transcripts are the lncRNAs, the pseudogenes and the circRNAs. Inicially thought to be transcription noise, these molecules have been drawing attention of the scientific comunity and several cellular functions have been attributed to them. Although the rising number of studies focusing on these RNAs, little is known about them in human embryonic stem cells (ESCs), includind the set of expressed non-coding RNAs (ncRNA) and their functions. In this sense, this study aimed to identify lncRNAs, pseudogenes and circRNAs expressed in human ESCs from RNA-seq data deposited in GEO public database and infer, through bioinformatic tools, the possible functions played by these molecules in the stem state. The analyzis revealed 1182 ncRNAs belonging to the three classes (lncRNA, n=317; pseudogene, n=585; and circRNA, n=280) studied in the main dataset. When compared to other datasets, 87 lncRNAs, 51 pseudogenes and 10 circRNAs were detected as common to all datasets. Among the lncRNAs and the pseudogenes, 15 were selected for function inference through the guilty by association method. It was possible to associate the selected RNAs to cellular processes as RNA splicing, chromatin organization, mitosis, cell cycle, ribosome biogenesis, DNA repair and DNA damage response, apoptosis, cytoskeletton organization, embryonic development and regulation of cell differentiation. Moreover, some of the RNAs showed to be strong candidates to act as endogenous competitors of the ESCs-expressed mRNAs. Pearson correlation analysis and investigation of the miRNA seed type and binding strenght indicate the following ncRNA-mRNA pairs AHCY-RP11-253E3.3, F2RL1-EEF1A1P6, HSPD1-SNHG5, INO80-RP11-20D14.6, PARP1-RP11-20D14.6 e PRIM2-GAS5, together with the circular RNA circ-HIPK3, as the RNAs with major potential to act as competing endogenous RNAs in ESCs. These results shift the attentions to a poorly known part of ESCs biology and give directions to future experiments aiming to elucidate the ncRNAs function in this cellular context. ncRNAs expression modulation assays and the concomitant observation of the positively correlated mRNAs response to these alterations are the next step in the unraveling of the specific molecular mechanisms through which ncRNAs exert their roles in ESCs.

O Diabetes mellitus tipo 1 (DM1), na maioria dos casos, é causado pela destruição de células β pancreáticas, levando à hiperglicemia. Atualmente a única fonte de novas células β e os únicos tratamentos capazes de restaurar o padrão fisiológico de secreção de insulina nesses pacientes são o transplante de pâncreas e de ilhotas pancreáticas. O transplante de ilhotas apresenta problemas relacionados a enxertia, devido principalmente a baixa vascularização, o que leva à morte de células β nos primeiros dias pós-transplante. Células-tronco mesenquimais apresentam características interessantes para o tratamento do DM1. A primeira aplicação explorada nesse trabalho foi a capacidade de diferenciação de MSCs humanas e murinas em células produtoras de insulina (CPIs). A identidade das células isoladas foi confirmada pela caracterização imunofenotípica e pela capacidade de diferenciação adipogênica e osteogênica in vitro. Quatro protocolos de diferenciação em CPIs foram testados em MSCs derivadas de ilhotas pancreáticas e um em MSCs derivadas de rim murino. A análise da expressão gênica de insulina em células diferenciadas em todos os protocolos testados mostrou níveis insignificantes ou nulos de expressão desse hormônio. A segunda aplicação explorou o co-transplante de ilhotas pancreáticas com MSCs derivadas de rim em camundongos diabéticos. Os resultados mostraram aumento da taxa de cura e melhora na glicemia pós-transplante, bem como uma tendência ao aumento do conteúdo total de insulina em animais co-transplantados em comparação com animais que receberam apenas ilhotas. Não houve diferenças no peso e teste de tolerância à glicose entre os grupos. Foi observado aumento na vascularização do enxerto nos animais que receberam MSCs. Paralelamente, foi estudada a associação de variantes alélicas dos genes PTPN22, KIR, HLA classe I e II e a susceptibilidade ao desenvolvimento de DM1 em uma população do Rio Grande do Sul. Foi observada associação entre o alelo 1858T e o risco aumentado de DM1. A genotipagem do KIR e HLA-C mostrou uma frequência maior de alelos do grupo 2 do HLA-C em controles não diabéticos, bem como o genótipo 2DL1/C2+, sugerindo um papel protetor desse genótipo. Além disso, indivíduos com haplótipo KIR2DL2/DR3+ e KIR2DL2/DR3/DR4+ tem risco aumentado de desenvolvimento de DM1. MSCs parecem possuir baixa capacidade de diferenciação em células β in vitro, entretanto, possuem efeitos benéficos importantes quando cotransplantadas com ilhotas pancreáticas. Essa aplicação tem grande potencial e deveria ser testada em estudos clínicos com o objetivo de melhorar a enxertia e diminuir o número de ilhotas necessárias para cada paciente. / Type 1 Diabetes (DM1), in almost all the cases, is caused by the destruction of beta-cells by cells of the immune system, leading to hyperglycemia. The only source for new beta-cells available is through the pancreas and islet transplantation, two treatments able to restore insulin secretion pattern in this patients. Islet transplantation presents issues related to grafting, caused mainly by poor vascularisation post-transplant, leading to betacell death in the first days after transplantation. Mesenchymal stem cells have interesting characteristics to the treatment of DM1. The first application explored in this work was testing the capacity of differentiation of human and mouse MSCs into insulin-producing cells (CPIs). Identity of isolated cells was confirmed by immunophenotyping and potential of adipogenic and osteogenic differentiation in vitro. Four protocols were tested in human islet-derived MSCs and one in mouse kidney-derived MSCs to generate CPIs. Analysis of insulin expression in differentiated cells from all protocols showed no or very little expression levels of this hormone. The second application was to evaluate the role of MSCs in the co-transplantation with pancreatic islets in diabetes mice. Our results showed an increased number of cured mice and a decrease in glycemic levels post transplant in islet+MSCs group, as well as a tendency to an increase in total insulin content in islet+MSCs compared with islet-only group. No differences could be found in weight and intraperitoneal glucose tolerance test between groups. An increase in graft vascularisation was observed in MSCs-receiving animals. At the same time, we studied the association of allelic variants in PTPN22, KIR, HLA class I and II genes and its association with the developing of DM1. We reported and association of the 1858T allele and an increased risk of DM1. Genotyping shows an increased frequency of group 2 alleles (C2) of HLA-C in controls as well as the 2DL1/C2+ genotype, suggesting a protective role of this genotype. Moreover, individuals with KIR2DL2/DR3+ and KIR2DL2/DR3/DR4+ haplotypes have increased risk of developing DM1. MSCs seem to have low capacity of in vitro differentiation in a beta-cell phenotype, however, they exert important benefic effects when co-transplanted with pancreatic islets in diabetic mice. This application has great potential and should be tested in clinical trials aiming the improvement of islet grafting and decrease in the number of islets needed for transplantation.

Células tronco são células que possuem a capacidade de originar diferentes tipos celulares maduros. Podem ser classificadas como células tronco embrionárias (células ES), quando isoladas de embriões em estágios iniciais do desenvolvimento; ou como células tronco adultas, quando isoladas de diferentes tecidos de indivíduos adultos. Por outro lado, as células tronco podem ser classificadas conforme o seu potencial de diferenciação celular. Assim, podem ser denominadas como totipotentes, isoladas do embrião, quando este possui até oito células. Células tronco totipotentes possuem a capacidade de gerar todos os tipos celulares oriundos dos três folhetos embrionários, e também podem dar origem aos tecidos formadores dos anexos embrionários. Somente as células totipotentes possuem esta capacidade, e por isso, somente estas, podem gerar um novo indivíduo completo. As células tronco pluripotentes, isoladas de blastocistos ou de carcinomas embrionários, possuem a capacidade de se diferenciar em todos os cerca de 200 tipos de tecidos especializados, que compõem o indivíduo adulto. Contudo, vale ressaltar que as células tronco pluripotentes jamais poderão originar um novo indivíduo. Por fim, existe ainda a classificação de células tronco multipotentes, que possuem a característica de gerar alguns tipos celulares e apresentam uma menor capacidade de multiplicação in vitro, quando comparadas com os outros tipos de células tronco. Estas células podem ser encontradas em diferentes órgãos de indivíduos adultos, como por exemplo, medula óssea, sangue de cordão umbilical, cérebro, fígado e outros. No presente trabalho, visamos o estabelecimento da rotina de manutenção de células tronco embrionárias de camundongo in vitro. Sob a forma indiferenciada e no sistema de indução de diferenciação celular. Para tanto, utilizamos a linhagem de células tronco embrionárias de camundongos, denominada R1. Seguindo protocolos específicos, direcionamos o processo de diferenciação celular para a geração majoritária de células cardíacas e nervosas. Os resultados da diferenciação celular das células tronco embrionárias de camundongos foram analisados a partir da morfologia celular e através da utilização de técnicas de biologia molecular. A obtenção de culturas de células tronco embrionárias enriquecidas em células cardíacas e nervosas comprovou, através do presente trabalho, que os objetivos propostos foram atingidos. Tendo sido estabelecidas, como rotina, em nossa Universidade, as técnicas de cultivo de células ES em estado indiferenciado, e através do método de indução de diferenciação celular in vitro para células cardíacas e nervosas. Os resultados obtidos confirmam os dados descritos na literatura, o que indica que a técnica foi implantada de forma adequada. Assim, adquirimos o domínio das técnicas necessárias para a utilização das ES in vitro como uma nova ferramenta de trabalho podendo ser utilizada em diferentes projetos de pesquisa. / Stem cells are able to originate different cell types. Stem cells can be classified as embryonic stem cells (ES cells) wich can be isolated from pre-implantation embryos; or as adult stem cells wich can be obtained from different adult tissues. On the other hand, stem cells can be classified considering their ability to differentiate into different cell types. Firstly, stem cells can be named as totipotent when isolated from 8 cell stage embryos. Totipotent stem cells are capable to differentiate into all cell types from the three germ layers. Additionally, the totipotent cells can generate the embryonic acessories. This characteristic promotes this cell type as the only cell group able to generate an entire individual. Pluripotent stem cells, isolated from the blastocyst or from embryonic carcinoma (EC), presents the capacity to generate all the 200 cell types that compound the adult individual. It is important to note that the pluripotent stem cells cannot generate a new complete individual. Finally, there is the multipotent stem cells, which can generate some cell types and presents a reduced ability to replicate in vitro when compared with another stem cell types. Multipotent stem cells can be isolated from different adults tissues and organs, for example, bone marrow, umbilical blood cord, brain, liver and others. In the present experiment, we established the routine of in vitro mice embryonic cell culture techniques. On the undifferentiated and into differentiation system. For that we worked with R1 mice stem cell line. Based on described protocols for induction of differentiation system direct to cardiogenesis and neurogenesis. The obtained results from the induction of differentiation were detected by morphological and molecular analyses. The goals of the present study can be verified by the establishment of the ES cell culture system and with the obtained ES culture cells enriched with cardiac and neuronal cells. In this way, we can notice the establishment of the ES cells described techniques by our research group in our University. Our results confirm the described literature data ensuring the well establishment of the ES cell culture system. With this work we acquire the ability to perform in vitro experiments with mice embryonic stem cells, so our group can use these cells as a new research toll which can be applied in different science projects.

O Diabetes mellitus tipo 1 (DM1), na maioria dos casos, é causado pela destruição de células β pancreáticas, levando à hiperglicemia. Atualmente a única fonte de novas células β e os únicos tratamentos capazes de restaurar o padrão fisiológico de secreção de insulina nesses pacientes são o transplante de pâncreas e de ilhotas pancreáticas. O transplante de ilhotas apresenta problemas relacionados a enxertia, devido principalmente a baixa vascularização, o que leva à morte de células β nos primeiros dias pós-transplante. Células-tronco mesenquimais apresentam características interessantes para o tratamento do DM1. A primeira aplicação explorada nesse trabalho foi a capacidade de diferenciação de MSCs humanas e murinas em células produtoras de insulina (CPIs). A identidade das células isoladas foi confirmada pela caracterização imunofenotípica e pela capacidade de diferenciação adipogênica e osteogênica in vitro. Quatro protocolos de diferenciação em CPIs foram testados em MSCs derivadas de ilhotas pancreáticas e um em MSCs derivadas de rim murino. A análise da expressão gênica de insulina em células diferenciadas em todos os protocolos testados mostrou níveis insignificantes ou nulos de expressão desse hormônio. A segunda aplicação explorou o co-transplante de ilhotas pancreáticas com MSCs derivadas de rim em camundongos diabéticos. Os resultados mostraram aumento da taxa de cura e melhora na glicemia pós-transplante, bem como uma tendência ao aumento do conteúdo total de insulina em animais co-transplantados em comparação com animais que receberam apenas ilhotas. Não houve diferenças no peso e teste de tolerância à glicose entre os grupos. Foi observado aumento na vascularização do enxerto nos animais que receberam MSCs. Paralelamente, foi estudada a associação de variantes alélicas dos genes PTPN22, KIR, HLA classe I e II e a susceptibilidade ao desenvolvimento de DM1 em uma população do Rio Grande do Sul. Foi observada associação entre o alelo 1858T e o risco aumentado de DM1. A genotipagem do KIR e HLA-C mostrou uma frequência maior de alelos do grupo 2 do HLA-C em controles não diabéticos, bem como o genótipo 2DL1/C2+, sugerindo um papel protetor desse genótipo. Além disso, indivíduos com haplótipo KIR2DL2/DR3+ e KIR2DL2/DR3/DR4+ tem risco aumentado de desenvolvimento de DM1. MSCs parecem possuir baixa capacidade de diferenciação em células β in vitro, entretanto, possuem efeitos benéficos importantes quando cotransplantadas com ilhotas pancreáticas. Essa aplicação tem grande potencial e deveria ser testada em estudos clínicos com o objetivo de melhorar a enxertia e diminuir o número de ilhotas necessárias para cada paciente. / Type 1 Diabetes (DM1), in almost all the cases, is caused by the destruction of beta-cells by cells of the immune system, leading to hyperglycemia. The only source for new beta-cells available is through the pancreas and islet transplantation, two treatments able to restore insulin secretion pattern in this patients. Islet transplantation presents issues related to grafting, caused mainly by poor vascularisation post-transplant, leading to betacell death in the first days after transplantation. Mesenchymal stem cells have interesting characteristics to the treatment of DM1. The first application explored in this work was testing the capacity of differentiation of human and mouse MSCs into insulin-producing cells (CPIs). Identity of isolated cells was confirmed by immunophenotyping and potential of adipogenic and osteogenic differentiation in vitro. Four protocols were tested in human islet-derived MSCs and one in mouse kidney-derived MSCs to generate CPIs. Analysis of insulin expression in differentiated cells from all protocols showed no or very little expression levels of this hormone. The second application was to evaluate the role of MSCs in the co-transplantation with pancreatic islets in diabetes mice. Our results showed an increased number of cured mice and a decrease in glycemic levels post transplant in islet+MSCs group, as well as a tendency to an increase in total insulin content in islet+MSCs compared with islet-only group. No differences could be found in weight and intraperitoneal glucose tolerance test between groups. An increase in graft vascularisation was observed in MSCs-receiving animals. At the same time, we studied the association of allelic variants in PTPN22, KIR, HLA class I and II genes and its association with the developing of DM1. We reported and association of the 1858T allele and an increased risk of DM1. Genotyping shows an increased frequency of group 2 alleles (C2) of HLA-C in controls as well as the 2DL1/C2+ genotype, suggesting a protective role of this genotype. Moreover, individuals with KIR2DL2/DR3+ and KIR2DL2/DR3/DR4+ haplotypes have increased risk of developing DM1. MSCs seem to have low capacity of in vitro differentiation in a beta-cell phenotype, however, they exert important benefic effects when co-transplanted with pancreatic islets in diabetic mice. This application has great potential and should be tested in clinical trials aiming the improvement of islet grafting and decrease in the number of islets needed for transplantation.

Células tronco são células que possuem a capacidade de originar diferentes tipos celulares maduros. Podem ser classificadas como células tronco embrionárias (células ES), quando isoladas de embriões em estágios iniciais do desenvolvimento; ou como células tronco adultas, quando isoladas de diferentes tecidos de indivíduos adultos. Por outro lado, as células tronco podem ser classificadas conforme o seu potencial de diferenciação celular. Assim, podem ser denominadas como totipotentes, isoladas do embrião, quando este possui até oito células. Células tronco totipotentes possuem a capacidade de gerar todos os tipos celulares oriundos dos três folhetos embrionários, e também podem dar origem aos tecidos formadores dos anexos embrionários. Somente as células totipotentes possuem esta capacidade, e por isso, somente estas, podem gerar um novo indivíduo completo. As células tronco pluripotentes, isoladas de blastocistos ou de carcinomas embrionários, possuem a capacidade de se diferenciar em todos os cerca de 200 tipos de tecidos especializados, que compõem o indivíduo adulto. Contudo, vale ressaltar que as células tronco pluripotentes jamais poderão originar um novo indivíduo. Por fim, existe ainda a classificação de células tronco multipotentes, que possuem a característica de gerar alguns tipos celulares e apresentam uma menor capacidade de multiplicação in vitro, quando comparadas com os outros tipos de células tronco. Estas células podem ser encontradas em diferentes órgãos de indivíduos adultos, como por exemplo, medula óssea, sangue de cordão umbilical, cérebro, fígado e outros. No presente trabalho, visamos o estabelecimento da rotina de manutenção de células tronco embrionárias de camundongo in vitro. Sob a forma indiferenciada e no sistema de indução de diferenciação celular. Para tanto, utilizamos a linhagem de células tronco embrionárias de camundongos, denominada R1. Seguindo protocolos específicos, direcionamos o processo de diferenciação celular para a geração majoritária de células cardíacas e nervosas. Os resultados da diferenciação celular das células tronco embrionárias de camundongos foram analisados a partir da morfologia celular e através da utilização de técnicas de biologia molecular. A obtenção de culturas de células tronco embrionárias enriquecidas em células cardíacas e nervosas comprovou, através do presente trabalho, que os objetivos propostos foram atingidos. Tendo sido estabelecidas, como rotina, em nossa Universidade, as técnicas de cultivo de células ES em estado indiferenciado, e através do método de indução de diferenciação celular in vitro para células cardíacas e nervosas. Os resultados obtidos confirmam os dados descritos na literatura, o que indica que a técnica foi implantada de forma adequada. Assim, adquirimos o domínio das técnicas necessárias para a utilização das ES in vitro como uma nova ferramenta de trabalho podendo ser utilizada em diferentes projetos de pesquisa. / Stem cells are able to originate different cell types. Stem cells can be classified as embryonic stem cells (ES cells) wich can be isolated from pre-implantation embryos; or as adult stem cells wich can be obtained from different adult tissues. On the other hand, stem cells can be classified considering their ability to differentiate into different cell types. Firstly, stem cells can be named as totipotent when isolated from 8 cell stage embryos. Totipotent stem cells are capable to differentiate into all cell types from the three germ layers. Additionally, the totipotent cells can generate the embryonic acessories. This characteristic promotes this cell type as the only cell group able to generate an entire individual. Pluripotent stem cells, isolated from the blastocyst or from embryonic carcinoma (EC), presents the capacity to generate all the 200 cell types that compound the adult individual. It is important to note that the pluripotent stem cells cannot generate a new complete individual. Finally, there is the multipotent stem cells, which can generate some cell types and presents a reduced ability to replicate in vitro when compared with another stem cell types. Multipotent stem cells can be isolated from different adults tissues and organs, for example, bone marrow, umbilical blood cord, brain, liver and others. In the present experiment, we established the routine of in vitro mice embryonic cell culture techniques. On the undifferentiated and into differentiation system. For that we worked with R1 mice stem cell line. Based on described protocols for induction of differentiation system direct to cardiogenesis and neurogenesis. The obtained results from the induction of differentiation were detected by morphological and molecular analyses. The goals of the present study can be verified by the establishment of the ES cell culture system and with the obtained ES culture cells enriched with cardiac and neuronal cells. In this way, we can notice the establishment of the ES cells described techniques by our research group in our University. Our results confirm the described literature data ensuring the well establishment of the ES cell culture system. With this work we acquire the ability to perform in vitro experiments with mice embryonic stem cells, so our group can use these cells as a new research toll which can be applied in different science projects.

O Diabetes mellitus tipo 1 (DM1), na maioria dos casos, é causado pela destruição de células β pancreáticas, levando à hiperglicemia. Atualmente a única fonte de novas células β e os únicos tratamentos capazes de restaurar o padrão fisiológico de secreção de insulina nesses pacientes são o transplante de pâncreas e de ilhotas pancreáticas. O transplante de ilhotas apresenta problemas relacionados a enxertia, devido principalmente a baixa vascularização, o que leva à morte de células β nos primeiros dias pós-transplante. Células-tronco mesenquimais apresentam características interessantes para o tratamento do DM1. A primeira aplicação explorada nesse trabalho foi a capacidade de diferenciação de MSCs humanas e murinas em células produtoras de insulina (CPIs). A identidade das células isoladas foi confirmada pela caracterização imunofenotípica e pela capacidade de diferenciação adipogênica e osteogênica in vitro. Quatro protocolos de diferenciação em CPIs foram testados em MSCs derivadas de ilhotas pancreáticas e um em MSCs derivadas de rim murino. A análise da expressão gênica de insulina em células diferenciadas em todos os protocolos testados mostrou níveis insignificantes ou nulos de expressão desse hormônio. A segunda aplicação explorou o co-transplante de ilhotas pancreáticas com MSCs derivadas de rim em camundongos diabéticos. Os resultados mostraram aumento da taxa de cura e melhora na glicemia pós-transplante, bem como uma tendência ao aumento do conteúdo total de insulina em animais co-transplantados em comparação com animais que receberam apenas ilhotas. Não houve diferenças no peso e teste de tolerância à glicose entre os grupos. Foi observado aumento na vascularização do enxerto nos animais que receberam MSCs. Paralelamente, foi estudada a associação de variantes alélicas dos genes PTPN22, KIR, HLA classe I e II e a susceptibilidade ao desenvolvimento de DM1 em uma população do Rio Grande do Sul. Foi observada associação entre o alelo 1858T e o risco aumentado de DM1. A genotipagem do KIR e HLA-C mostrou uma frequência maior de alelos do grupo 2 do HLA-C em controles não diabéticos, bem como o genótipo 2DL1/C2+, sugerindo um papel protetor desse genótipo. Além disso, indivíduos com haplótipo KIR2DL2/DR3+ e KIR2DL2/DR3/DR4+ tem risco aumentado de desenvolvimento de DM1. MSCs parecem possuir baixa capacidade de diferenciação em células β in vitro, entretanto, possuem efeitos benéficos importantes quando cotransplantadas com ilhotas pancreáticas. Essa aplicação tem grande potencial e deveria ser testada em estudos clínicos com o objetivo de melhorar a enxertia e diminuir o número de ilhotas necessárias para cada paciente. / Type 1 Diabetes (DM1), in almost all the cases, is caused by the destruction of beta-cells by cells of the immune system, leading to hyperglycemia. The only source for new beta-cells available is through the pancreas and islet transplantation, two treatments able to restore insulin secretion pattern in this patients. Islet transplantation presents issues related to grafting, caused mainly by poor vascularisation post-transplant, leading to betacell death in the first days after transplantation. Mesenchymal stem cells have interesting characteristics to the treatment of DM1. The first application explored in this work was testing the capacity of differentiation of human and mouse MSCs into insulin-producing cells (CPIs). Identity of isolated cells was confirmed by immunophenotyping and potential of adipogenic and osteogenic differentiation in vitro. Four protocols were tested in human islet-derived MSCs and one in mouse kidney-derived MSCs to generate CPIs. Analysis of insulin expression in differentiated cells from all protocols showed no or very little expression levels of this hormone. The second application was to evaluate the role of MSCs in the co-transplantation with pancreatic islets in diabetes mice. Our results showed an increased number of cured mice and a decrease in glycemic levels post transplant in islet+MSCs group, as well as a tendency to an increase in total insulin content in islet+MSCs compared with islet-only group. No differences could be found in weight and intraperitoneal glucose tolerance test between groups. An increase in graft vascularisation was observed in MSCs-receiving animals. At the same time, we studied the association of allelic variants in PTPN22, KIR, HLA class I and II genes and its association with the developing of DM1. We reported and association of the 1858T allele and an increased risk of DM1. Genotyping shows an increased frequency of group 2 alleles (C2) of HLA-C in controls as well as the 2DL1/C2+ genotype, suggesting a protective role of this genotype. Moreover, individuals with KIR2DL2/DR3+ and KIR2DL2/DR3/DR4+ haplotypes have increased risk of developing DM1. MSCs seem to have low capacity of in vitro differentiation in a beta-cell phenotype, however, they exert important benefic effects when co-transplanted with pancreatic islets in diabetic mice. This application has great potential and should be tested in clinical trials aiming the improvement of islet grafting and decrease in the number of islets needed for transplantation.

Células tronco são células que possuem a capacidade de originar diferentes tipos celulares maduros. Podem ser classificadas como células tronco embrionárias (células ES), quando isoladas de embriões em estágios iniciais do desenvolvimento; ou como células tronco adultas, quando isoladas de diferentes tecidos de indivíduos adultos. Por outro lado, as células tronco podem ser classificadas conforme o seu potencial de diferenciação celular. Assim, podem ser denominadas como totipotentes, isoladas do embrião, quando este possui até oito células. Células tronco totipotentes possuem a capacidade de gerar todos os tipos celulares oriundos dos três folhetos embrionários, e também podem dar origem aos tecidos formadores dos anexos embrionários. Somente as células totipotentes possuem esta capacidade, e por isso, somente estas, podem gerar um novo indivíduo completo. As células tronco pluripotentes, isoladas de blastocistos ou de carcinomas embrionários, possuem a capacidade de se diferenciar em todos os cerca de 200 tipos de tecidos especializados, que compõem o indivíduo adulto. Contudo, vale ressaltar que as células tronco pluripotentes jamais poderão originar um novo indivíduo. Por fim, existe ainda a classificação de células tronco multipotentes, que possuem a característica de gerar alguns tipos celulares e apresentam uma menor capacidade de multiplicação in vitro, quando comparadas com os outros tipos de células tronco. Estas células podem ser encontradas em diferentes órgãos de indivíduos adultos, como por exemplo, medula óssea, sangue de cordão umbilical, cérebro, fígado e outros. No presente trabalho, visamos o estabelecimento da rotina de manutenção de células tronco embrionárias de camundongo in vitro. Sob a forma indiferenciada e no sistema de indução de diferenciação celular. Para tanto, utilizamos a linhagem de células tronco embrionárias de camundongos, denominada R1. Seguindo protocolos específicos, direcionamos o processo de diferenciação celular para a geração majoritária de células cardíacas e nervosas. Os resultados da diferenciação celular das células tronco embrionárias de camundongos foram analisados a partir da morfologia celular e através da utilização de técnicas de biologia molecular. A obtenção de culturas de células tronco embrionárias enriquecidas em células cardíacas e nervosas comprovou, através do presente trabalho, que os objetivos propostos foram atingidos. Tendo sido estabelecidas, como rotina, em nossa Universidade, as técnicas de cultivo de células ES em estado indiferenciado, e através do método de indução de diferenciação celular in vitro para células cardíacas e nervosas. Os resultados obtidos confirmam os dados descritos na literatura, o que indica que a técnica foi implantada de forma adequada. Assim, adquirimos o domínio das técnicas necessárias para a utilização das ES in vitro como uma nova ferramenta de trabalho podendo ser utilizada em diferentes projetos de pesquisa. / Stem cells are able to originate different cell types. Stem cells can be classified as embryonic stem cells (ES cells) wich can be isolated from pre-implantation embryos; or as adult stem cells wich can be obtained from different adult tissues. On the other hand, stem cells can be classified considering their ability to differentiate into different cell types. Firstly, stem cells can be named as totipotent when isolated from 8 cell stage embryos. Totipotent stem cells are capable to differentiate into all cell types from the three germ layers. Additionally, the totipotent cells can generate the embryonic acessories. This characteristic promotes this cell type as the only cell group able to generate an entire individual. Pluripotent stem cells, isolated from the blastocyst or from embryonic carcinoma (EC), presents the capacity to generate all the 200 cell types that compound the adult individual. It is important to note that the pluripotent stem cells cannot generate a new complete individual. Finally, there is the multipotent stem cells, which can generate some cell types and presents a reduced ability to replicate in vitro when compared with another stem cell types. Multipotent stem cells can be isolated from different adults tissues and organs, for example, bone marrow, umbilical blood cord, brain, liver and others. In the present experiment, we established the routine of in vitro mice embryonic cell culture techniques. On the undifferentiated and into differentiation system. For that we worked with R1 mice stem cell line. Based on described protocols for induction of differentiation system direct to cardiogenesis and neurogenesis. The obtained results from the induction of differentiation were detected by morphological and molecular analyses. The goals of the present study can be verified by the establishment of the ES cell culture system and with the obtained ES culture cells enriched with cardiac and neuronal cells. In this way, we can notice the establishment of the ES cells described techniques by our research group in our University. Our results confirm the described literature data ensuring the well establishment of the ES cell culture system. With this work we acquire the ability to perform in vitro experiments with mice embryonic stem cells, so our group can use these cells as a new research toll which can be applied in different science projects.

Orientador: Marcelo Fábio Nogueira / Banca: Fernanda da Cruz Landim e Alvarenga / Banca: Marcos Roberto Chiaratti / Banca: Flávio Vieira Meirelles / Banca: Lawrence Charles Smith / Resumo: Na literatura, não há descrição de que células trofectodérmicas sejam adequadas para a agregação (sem utilizar a fusão ou a microinjeção) e forma cão de embrião quimérico. O presente trabalho buscou validar um modelo para gerar blastocistos quiméricos, pela agrega ção de tecido trofectodérmico, primeiramente validando-o em camundongos e posteriormente testando a sua eficácia na espécie bovina. Nesta, duas técnicas para a reconstrução de blastocistos foram investigadas, mediante a agregação de um fragmento de trofectoderme (TE) com a massa celular interna (MCI) ou com células tronco induzidas a pluripotência (iPS). Os embriões foram bissectados com lâmina, assistida por micromanipulador, exceto no Experimento 1 e 2 (embriões bovinos) em que a bissecação utilizou microlâmina, por em controlada manualmente. De acordo com o delineamento de cada experimento, os embriões, os fragmentos embrionários e/ou as células iPS, foram depositados em micropoços preenchidos com meio KSOMaa (camundongo) ou SOF (gado bovino). Após 24 horas, a taxa de agregação (TA) das estruturas nos micropoços foi avaliada morfologicamente, mediante a detecção de uma única e coesa massa celular ou pela re-expansão e reorganização do blastocisto. Na validação em camundongos, foram utilizados dois hemiblastocistos ou MCI e TE derivados de embriões produzidos in vivo das linhagens Swiss Webster e C57BL/6/EGFP. Três experimentos foram conduzidos para caracterizar: 1) a eficácia da agregação de embriões em estágios pós-compactação; 2) o efeito do aumento de fragmentos embrionários e a utilização de um agente aglutinante biológico (fitohemaglutinina) na agregação; e 3) a exequibilidade da reconstrução do blastocisto pela aproximação entre MCI e fragmento de TE. Na segunda parte do trabalho, foram utilizados embriões bovinos produzidos in vitro em 5 experimentos: 1) utilização de fitohemaglutinina ... / Abstract: There is no report in the literature that trophectoderm cells can be used for aggregation (except in combination with fusion or microinjection techniques) and develop aggregates into a chimeric embryo. We aimed to validate a model to generate chimeric blatocysts using the trophectodermic tissue for aggregation in mice and replicate the validated technique in bovine embryos. We tested two methods of reconstruction in order to aggregate a trophectoderm fragment with either the inner cell mass (ICM) or the induced pluripotent stem (iPS) cells. Embryos were bisected by a blade assisted by micromanipulator, except in experiment 1 and 2 (bovine embryos) in which embryos were bisected by a manually controlled microblade. According to each experimental design, embryos, embryonic fragments and/or iPS cells were deposited in microwells lled with KSOMaa (mice) or SOF (bovine cattle). After 24 h the aggregation rate (AR) was assessed morphologically by the detection of a single, cohesive cell mass or by a re-expanded and reorganized blastocyst. In mice we used two demi-blastocysts or ICM and TE derived from in vivo produced Swiss Webster and C57BL/6/EGFP embryos. Three approaches aimed to characterize: 1) the e ectiveness of aggregation in post-compaction embryos; 2) the e ect on aggregation of increasing embryonic fragments and the use of the cell agglutination agent, phytohemagglutinin-L; and 3) the feasibility of reconstructing blastocysts by culturing ICM and TE fragments in close contact. In the bovine experiment we used in vitro produced embryos in 5 approaches to assess: 1) the effect of phytohemagglutinin-L in the aggregation of post-compaction demi-embryos; 2) blastocyst reconstruction using manually sectioned structures (ICM and TE); 3) microinjection of TE fragments into morula; 4) blastocyst reconstruction using structures (ICM and TE) sectioned with micromanipulator; and 5) production of chimeric ... / Doutor