A conclusão do seqüênciamento do genoma de múltiplos vertebrados trouxe um importante desafio para entender e predizer função, particularmente para seqüências não-codificantes, a partir de seqüências primarias de DNA. A hipótese de que a conservação evolutiva prediz seqüências funcionais é comumente aceita, inclusive para seqüências envolvidas na regulação da transcrição gênica, mesmo que a conservação de seqüências tenha gerado imperfeitas predições de enhancers (acentuadores) funcionais. O colágeno tipo XVIII é um componente da maioria das membranas basais; mutações no gene COL18A1 levam a síndrome de Knobloch, uma doença autossômica recessiva caracterizada por degeneração vitreoretiniana e macular e encefalocele occipital. O COL18A1 tem 43 exons que transcrevem três isoformas a partir de dois promotores diferentes. As três isoformas apresentam um complexo modelo de expressão tecido-específico, incluindo expressão em rim, pulmão, cérebro e retina. Os níveis de expressão do COL18A1 são considerados clinicamente importantes na vasculogenese, e em predisposição para o hepatocarcinoma e diabetes tipo 2. Dessa forma, a identificação de regiões regulatórias fornecerá indícios sobre a regulação da expressão do COL18A1 em estados normal e patogênico. Além disso, a endostatina e o FRZC18 são fragmentos proteolíticos do colágeno XVIII envolvidos na sinalização Wnt. No entanto, o papel in vivo do FRZC18 ainda não foi estudado. Uma profunda investigação do papel deste domínio na via de sinalização Wnt é indubitavelmente necessária, bem como a compreensão da regulação do COL18A1 pela via de Wnt. Empregamos um sistema eficiente de teste em zebrafish para analisar o potencial funcional de elementos enhancers na regulação transcricional do COL18A1. Identificamos quatro elementos enhancers que controlam a transcrição consistente com o COL18A1 endógeno de zebrafish, em tecidos incluindo retina, rim, vasos sanguíneos, intestino, cartilagem e fígado. Apesar dos algoritmos utilizados não tenham detectado conservação em seqüências não-codificantes de humanos à teleósteos no lócus do COL18A1 estudado, as seqüências humanas funcionaram apropriadamente em zebrafish transgênicos. Adicionais análises computacionais post hoc revelaram similaridade entre seqüência humana e de zebrafish dentro ou próximo das quatro regiões enhancers. Testamos funcionalmente o FRZC18 com superexpressão de seu RNAm em embriões de zebrafish. Este experimento resultou em embriões com fenótipos que assemelharam à mutantes da via não-canônica de Wnt (slb e ppt). Este resultado aponta o FRZC18 como um antagonista da via de sinalização não-canônica de Wnt, possivelmente por interação com Wnt11 e Wnt5. Dissecamos o promotor 1 do COL18A1, o qual mostrou características de genes housekeeping e similaridades com o promotor 2 do COL18A1. Também mostramos possível ligação de TCF/LEF aos promotores do COL18A1. A via de Wnt levou à redução de atividade dos promotores do COL18A1 e também redução dos níveis de expressão através de superexpressão de β-catenina. Este trabalho elucidou de forma geral, os elementos regulatórios em cis do COL18A1 e melhor caracterizou o seu papel na via de sinalização Wnt como um antagonista também da via não-canônica e como um alvo da via canônica. / The completion of multiple vertebrate genome sequences has presented an important challenge to understand and predict function from primary DNA sequence, particularly for noncoding sequence. It is commonly hypothesized that evolutionary conservation predicts functional DNA sequences, including those involved in regulating gene transcription, although sequence conservation has proven to be an imperfect predictor of enhancer function. Type XVIII collagen is a component of most basement membranes; mutations in the COL18A1 gene lead to Knobloch Syndrome, an autosomal recessive disease characterized by vitreoretinal and macular degeneration and occipital encephalocele. COL18A1 has 43 exons that transcribe three isoforms from two different promoters. The three isoforms display complex patterns of tissue-specific expression, including in kidney, lung, brain, and retina. Expression levels of COL18A1 are thought to be clinically important in vasculogenesis, and in predisposition to hepatocarcinoma and diabetes type 2. Therefore, identification of the regulatory regions will provide insight into normal and pathogenic regulation of COL18A1 expression. Furthermore, endostatin and FRZC18 are cleaved fragments from collagen XVIII that are involved in Wnt signaling, however in vivo role of FRZC18 has not been investigated yet in any model organism. Thus, a deeper investigation of FRZC18 role in Wnt signaling is indubitable necessary, as well as a comprehension of COL18A1 regulation by Wnt signaling. We have employed an efficient system of transgenesis in the zebrafish to functionally evaluate potential enhancer elements regulating COL18A1 transcription. We identified four enhancer elements that control transcription consistent with zebrafish endogenous COL18A1, in tissues including retina, kidney, blood vessels, gut, cartilage and liver. Although the algorithms we used did not detect noncoding conservation from human to teleosts at the COL18A1 locus, the human sequences functioned appropriately in zebrafish transgenics. Additional post hoc computational analysis revealed detectable sequence similarities between human and zebrafish in or near two of the four enhancer regions. We tested one of these zebrafish regions and confirmed orthologous enhancer activity. We functionally tested FRZC18 with its mRNA overexpression in zebrafish embryos. This experiment resulted in embryos with phenotype remaining slb and ppt, mutants of non-canonical wnt components. This result points FRZC18 as an antagonist of non-canonincal Wnt signaling possibly by interaction with Wnt11 and Wnt5. We dissected COL18A1 promoter 1 and it showed characteristics of a housekeeping gene and similarities with promoter 2 and we also showed possible TCF/LEF binding to COL18A1 promoters. Wnt signaling responded to downregulate promoter activity of COL18A1 and also decrease its expression by overexpression of s-catenin. This work broadly elucidated COL18A1 cis regulatory elements and better characterized its role in Wnt signaling as an antagonist of noncanonical and also as a target of canonial signaling.

A conclusão do seqüênciamento do genoma de múltiplos vertebrados trouxe um importante desafio para entender e predizer função, particularmente para seqüências não-codificantes, a partir de seqüências primarias de DNA. A hipótese de que a conservação evolutiva prediz seqüências funcionais é comumente aceita, inclusive para seqüências envolvidas na regulação da transcrição gênica, mesmo que a conservação de seqüências tenha gerado imperfeitas predições de enhancers (acentuadores) funcionais. O colágeno tipo XVIII é um componente da maioria das membranas basais; mutações no gene COL18A1 levam a síndrome de Knobloch, uma doença autossômica recessiva caracterizada por degeneração vitreoretiniana e macular e encefalocele occipital. O COL18A1 tem 43 exons que transcrevem três isoformas a partir de dois promotores diferentes. As três isoformas apresentam um complexo modelo de expressão tecido-específico, incluindo expressão em rim, pulmão, cérebro e retina. Os níveis de expressão do COL18A1 são considerados clinicamente importantes na vasculogenese, e em predisposição para o hepatocarcinoma e diabetes tipo 2. Dessa forma, a identificação de regiões regulatórias fornecerá indícios sobre a regulação da expressão do COL18A1 em estados normal e patogênico. Além disso, a endostatina e o FRZC18 são fragmentos proteolíticos do colágeno XVIII envolvidos na sinalização Wnt. No entanto, o papel in vivo do FRZC18 ainda não foi estudado. Uma profunda investigação do papel deste domínio na via de sinalização Wnt é indubitavelmente necessária, bem como a compreensão da regulação do COL18A1 pela via de Wnt. Empregamos um sistema eficiente de teste em zebrafish para analisar o potencial funcional de elementos enhancers na regulação transcricional do COL18A1. Identificamos quatro elementos enhancers que controlam a transcrição consistente com o COL18A1 endógeno de zebrafish, em tecidos incluindo retina, rim, vasos sanguíneos, intestino, cartilagem e fígado. Apesar dos algoritmos utilizados não tenham detectado conservação em seqüências não-codificantes de humanos à teleósteos no lócus do COL18A1 estudado, as seqüências humanas funcionaram apropriadamente em zebrafish transgênicos. Adicionais análises computacionais post hoc revelaram similaridade entre seqüência humana e de zebrafish dentro ou próximo das quatro regiões enhancers. Testamos funcionalmente o FRZC18 com superexpressão de seu RNAm em embriões de zebrafish. Este experimento resultou em embriões com fenótipos que assemelharam à mutantes da via não-canônica de Wnt (slb e ppt). Este resultado aponta o FRZC18 como um antagonista da via de sinalização não-canônica de Wnt, possivelmente por interação com Wnt11 e Wnt5. Dissecamos o promotor 1 do COL18A1, o qual mostrou características de genes housekeeping e similaridades com o promotor 2 do COL18A1. Também mostramos possível ligação de TCF/LEF aos promotores do COL18A1. A via de Wnt levou à redução de atividade dos promotores do COL18A1 e também redução dos níveis de expressão através de superexpressão de β-catenina. Este trabalho elucidou de forma geral, os elementos regulatórios em cis do COL18A1 e melhor caracterizou o seu papel na via de sinalização Wnt como um antagonista também da via não-canônica e como um alvo da via canônica. / The completion of multiple vertebrate genome sequences has presented an important challenge to understand and predict function from primary DNA sequence, particularly for noncoding sequence. It is commonly hypothesized that evolutionary conservation predicts functional DNA sequences, including those involved in regulating gene transcription, although sequence conservation has proven to be an imperfect predictor of enhancer function. Type XVIII collagen is a component of most basement membranes; mutations in the COL18A1 gene lead to Knobloch Syndrome, an autosomal recessive disease characterized by vitreoretinal and macular degeneration and occipital encephalocele. COL18A1 has 43 exons that transcribe three isoforms from two different promoters. The three isoforms display complex patterns of tissue-specific expression, including in kidney, lung, brain, and retina. Expression levels of COL18A1 are thought to be clinically important in vasculogenesis, and in predisposition to hepatocarcinoma and diabetes type 2. Therefore, identification of the regulatory regions will provide insight into normal and pathogenic regulation of COL18A1 expression. Furthermore, endostatin and FRZC18 are cleaved fragments from collagen XVIII that are involved in Wnt signaling, however in vivo role of FRZC18 has not been investigated yet in any model organism. Thus, a deeper investigation of FRZC18 role in Wnt signaling is indubitable necessary, as well as a comprehension of COL18A1 regulation by Wnt signaling. We have employed an efficient system of transgenesis in the zebrafish to functionally evaluate potential enhancer elements regulating COL18A1 transcription. We identified four enhancer elements that control transcription consistent with zebrafish endogenous COL18A1, in tissues including retina, kidney, blood vessels, gut, cartilage and liver. Although the algorithms we used did not detect noncoding conservation from human to teleosts at the COL18A1 locus, the human sequences functioned appropriately in zebrafish transgenics. Additional post hoc computational analysis revealed detectable sequence similarities between human and zebrafish in or near two of the four enhancer regions. We tested one of these zebrafish regions and confirmed orthologous enhancer activity. We functionally tested FRZC18 with its mRNA overexpression in zebrafish embryos. This experiment resulted in embryos with phenotype remaining slb and ppt, mutants of non-canonical wnt components. This result points FRZC18 as an antagonist of non-canonincal Wnt signaling possibly by interaction with Wnt11 and Wnt5. We dissected COL18A1 promoter 1 and it showed characteristics of a housekeeping gene and similarities with promoter 2 and we also showed possible TCF/LEF binding to COL18A1 promoters. Wnt signaling responded to downregulate promoter activity of COL18A1 and also decrease its expression by overexpression of s-catenin. This work broadly elucidated COL18A1 cis regulatory elements and better characterized its role in Wnt signaling as an antagonist of noncanonical and also as a target of canonial signaling.

The link between polyadenylation (pA) and various biological, behavioral, and pathological events of eukaryotes underlines the need to develop in vivo polyadenylation assay methods for characterization of the cis-acting elements, trans-acting factors and environmental stimuli that affect polyadenylation efficiency and/or relative usage of two alternative polyadenylation (APA) sites. The current protein-based CAT or luciferase reporter systems can measure the polyadenylation efficiency of a single pA site or candidate cis element but not the choice of two APA sites. To address this issue, we developed a set of four new bicistronic reporter vectors that harbor either two luciferase or fluorescence protein open reading frames connected with one Internal Ribosome Entry Site (IRES). Transfection of single or dual insertion constructs of these vectors into mammalian cells demonstrated that they could be utilized not only to quantify the strength of a single candidate pA site or cis element, but also to accurately measure the relative usage of two APA sites at both the mRNA (qRT-PCR) and protein levels. This represents the first reporter system that can study polyadenylation efficiency of a single pA site or element and regulation of two APA sites at both the mRNA and protein levels.

Scratch2 (Scrt2) é um fator de transcrição (FT) expresso em células neurais recém-pós-mitóticas. O mecanismo de regulação de sua transcrição permanece desconhecido. Nós buscamos por potenciais elementos cis-regulatórios (CR) e sítios de ligação para FT na região genômica de Scrt2. Nós testamos o efeito in vivo da região CR intrônica através de eletroporação em embrião de galinha. Esta CR intrônica levou à expressão de eGFP tubo neural, mas não gerou um padrão semelhante ao Scrt2 endógeno. Estes dados sugerem que esta região CR pode contribuir com o controle da expressão de Scrt2, mas requer regiões regulatórias adicionais. Nós também verificamos o papel de mAsh1, cPax6, cNgn2 e Brn na regulação da expressão de Scrt2 através da superexpressão destes no tubo neural embrionário. As análises foram realizadas por qPCR e hibridação in situ. A superexpressão de mAsh1 e cNgn2 levou a um leve aumento na expressão de cScrt2 visto através da hibridação in situ. Já a superexpressão de cPax6 e mBrn-Eng reduziu os níveis de cScrt2, com Brn apresentando efeitos mais severos. / Scratch2 (Scrt2) is a transcription factor expressed in early post-mitotic neural cells. The mechanisms that control its transcription remain unknown. We searched for potential cis-regulatory elements and putative transcription factors binding sites in the genomic region of cScrt2. Then, we tested the function of a candidate cis-regulatory intronic region through electroporation in chick embryos. This fragment drove eGFP expression in the neural tube of chick embryo, but its expression did not resemble the cScrt2 endogenous pattern. Thus, this cis-regulatory region likely requires the presence of other regulatory regions. We also evaluated the role of mAsh1, cPax6, cNgn2 e Brn in regulating cScrt2 expression through overexpression of these factors in chick neural tubes and subsequent qPCR and in situ hybridization. Overexpression of mAsh1 and cNgn2 increased slightly cScrt2 expression level as seen by in situ hybridization. Overexpression of cPax6 and mBrn-Eng, reduced cScrt2 levels, with more severe effects with Brn.

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This thesis performs de novo predictions for functionally significant sequence motifs in the Arabidopsis genome under two separate contexts. Each study applies the use of genomic positional information, statistical over-representation and several biologically contextual filters to maximize the visibility of biological signal in prediction results. Numerous literature supported motifs are prevalent in the results of both studies and a number of novel motif patterns possess a strong potential for in planta significance. The first study examines the statistical over-representation of C-terminal tripeptides as a means for identifying eukaryotic conserved protein targetting signatures. Comparative genomics is applied to the analysis of tripeptide frequencies in the C-terminus of 7 eukaryotic proteomes. While biological signal is maximized through the filtering of both simple sequences and homologous sequences present across protein families. The second study introduces a methodology for the effective prediction of transcription factor binding sites in Arabidopsis. A collection of motif prediction algorithms and a novel enumerative strategy are applied to the prediction of cis-acting regulatory elements within the promoters of genes found coexpressed within distinct tissues and under specific abiotic stress treatments. Overall, the analysis identifies 4 known motifs in expected contexts, 5 known motifs in novel contexts and 7 novel motifs with a high potential for biological function.

This thesis performs de novo predictions for functionally significant sequence motifs in the Arabidopsis genome under two separate contexts. Each study applies the use of genomic positional information, statistical over-representation and several biologically contextual filters to maximize the visibility of biological signal in prediction results. Numerous literature supported motifs are prevalent in the results of both studies and a number of novel motif patterns possess a strong potential for in planta significance. The first study examines the statistical over-representation of C-terminal tripeptides as a means for identifying eukaryotic conserved protein targetting signatures. Comparative genomics is applied to the analysis of tripeptide frequencies in the C-terminus of 7 eukaryotic proteomes. While biological signal is maximized through the filtering of both simple sequences and homologous sequences present across protein families. The second study introduces a methodology for the effective prediction of transcription factor binding sites in Arabidopsis. A collection of motif prediction algorithms and a novel enumerative strategy are applied to the prediction of cis-acting regulatory elements within the promoters of genes found coexpressed within distinct tissues and under specific abiotic stress treatments. Overall, the analysis identifies 4 known motifs in expected contexts, 5 known motifs in novel contexts and 7 novel motifs with a high potential for biological function.

Made available in DSpace on 2014-08-20T13:32:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_lara_dias.pdf: 2572863 bytes, checksum: 41207696775098ff734edf871864bf12 (MD5) Previous issue date: 2011-02-14 / The current challenges in plant breeding are to maximize the productivity of major crop species and to create means for exploring novel crop environments. One of these environments is the lowland hydromorphic soils that are proper for the irrigated rice crop. Adapting other crops to this environment could reduce the incidence of diseases, pests and weeds, therefore benefiting from a crop rotation system. When a plant is exposed to abiotic stresses, it has to cope with environmental changes through physiological and anatomic changes that need quick gene expression responses, i.e., changes in active/silenced status as well as in the rates of transcription. Cis-acting regulatory elements have straight relationship with transcription factors (TF) in complex signaling networks. This TF binding sites (cis-elements) are the functional DNA elements that influence temporal and spatial transcriptional activity. We investigated possible patterns of sequences that can be inferred about the mechanisms that plants use to develop under flooding stress. This search for possible homologies between the various cis-elements would lead us to performed interactive analyses about how plants use their molecular mechanisms responding to abiotic stresses. Online databases were searched, looking for genes previously described in literature which are expressed in response to flooding in Oryza sativa, Arabidopsis thaliana and their homologous in Glycine max and Zea mays. The 1.0 Kb upstream portion of each gene was extracted and analyzed in silico. Besides, all the promoters of these four species were subjected to a tool for searching for novel signals, intending to find new motif patterns. Our in silico analysis shows that from 259 cis elements found in PLACE for all promoters of Arabidopsis and rice, 12 of them are common to both species, and are distinguished by having high frequency. Using the MEME program two consensus motifs could be found among the species Oryza sativa and Zea mays. These could represent new cis elements patterns, because they had relatively high occurrences in the gene promoters and they are related to conserved sequences in monocots. The analysis here presented shows important points for future studies related to the waterlogging stress and unmasking molecular tolerance mechanisms to this typical stress. From the data generated, it will be possible to direct experiments on genetic transformation with target genes and/or cis elements in order to attribute some characteristic in plants, such as those found in rice, so they can develop in an environment with O2 deprivation. / Os atuais desafios no melhoramento de plantas são maximizar a produtividade das principais espécies cultivadas e criar meios para explorar uma variedade de ambientes de cultivo. Um desses ambientes são os solos hidromórficos de planícies alagadas. A adaptação de outras culturas a este ambiente poderia reduzir a incidência de doenças, pragas e plantas daninhas, se beneficiando de um sistema de rotação de culturas. Quando uma planta é exposta a estresses abióticos ela tem que lidar com as alterações ambientais através de mudanças fisiológicas e anatômicas, as quais necessitam de rápidas mudanças na expressão gênica, ou seja, no seu estado inicial, bem como nas taxas de transcrição. Elementos regulatórios de ação cis têm relação direta com fatores de transcrição (FT) em complexas redes de sinalização. Estes sítios de ligação de FTs são elementos funcionais de DNA que influenciam a atividade transcricional de forma temporal e espacial. Neste trabalho, foram investigados possíveis padrões de seqüências que se possam inferir sobre os mecanismos que as plantas utilizam para se desenvolver na condição do alagamento. Essa busca por possíveis homologias entre os vários elementos cis permite realizar análises interativas sobre como as plantas utilizam seus mecanismos moleculares para responder a estresses abióticos. Bancos de dados online foram utilizados, na busca de genes previamente descritos em literatura e que são expressos em resposta ao alagamento em Oryza sativa, Arabidopsis thaliana e seus homólogos em Glycine max e Zea mays. A porção de 1,0 Kb a montante de cada gene foi extraída e analisada in silico. Além disso, todos os promotores das quatro espécies foram submetidos a busca por uma variedade de sinais, com a intenção de encontrar novos padrões de motivos de DNA. Esta análise mostrou que, dos 259 elementos cis encontrados em promotores de Arabidopsis e arroz, 12 deles são comuns a ambas as espécies e se distinguem do restante por terem alta freqüência. Utilizando o programa MEME dois motivos consenso foram encontrados entre as espécies Oryza sativa e Zea mays. Estes podem representar novos padrões de elementos cis, pois apresentaram ocorrências relativamente elevada nos promotores de genes e são relacionados com seqüências conservadas em monocotiledôneas. A análise aqui apresentada mostra pontos importantes para futuros estudos relacionados ao estresse por alagamento e auxilia na descoberta de mecanismos moleculares de tolerância ao alagamento nas plantas. A partir dos dados gerados, será possível direcionar experimentos de transformação genética a fim de atribuir alguma característica às plantas, tais como aqueles encontrados no arroz, para que possam se desenvolver em um ambiente com privação de O2.