Diariamente, o organismo humano é desafiado através da invasão de patógenos. No caso da invasão viral, o principal meio de defesa ocorre através do Receptor de Linfócito T (TCR), o qual interage com o peptídeo viral (epitopo) que é apresentado pelo Complexo Principal de Histocompatibilidade de classe I (MHC-I). Dada a imensidão de epitopos possíveis e a limitação do organismo em possuir um único TCR para reconhecer cada antígeno, o sistema imunológico desenvolveu o mecanismo de reatividade cruzada, através do qual um mesmo TCR pode reconhecer diferentes epitopos virais. Nesse trabalho nos propomos a estudar a seqüência da proteína de nucleocapsídeo (proteína N) de diferentes espécies do gênero Hantavírus através de uma abordagem in silico, utilizando ferramentas de imunoinformática. No primeiro trabalho (capítulo dois) apresentamos uma revisão sobre o uso de ferramentas de imunoinformática na resolução de problemas relacionados à imunogenicidade. No terceiro capítulo, analisamos a seqüência de aminoácidos da proteína N de 34 espécies do gênero Hantavírus. Nossos resultados mostraram que epitopos murinos localizam-se preferencialmente em áreas conservadas dentro do alinhamento de sequencias da proteína N. Duas regiões da proteína N – N94-101 e N180-188 - de três espécies virais – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) e Hantaan (HTNV) - possuem aminoácidos com grande similaridade físico-química, mas geram respostas imunológicas diferenciadas. Portanto, no quarto capítulo, nosso objetivo foi construir os complexos pMHC referentes às regiões N94-101 e N180-188 da proteína N das espécies SNV, PUUV e HTNV através de uma abordagem in silico desenvolvida pelo nosso grupo e analisar as diferenças estruturais e moleculares que possam estar envolvidas na indução da resposta imunológica diferenciada observada in vitro. Nossos resultados mostram uma diferença no padrão de cargas entre os complexos pMHC de SNV/PUUV e HTNV referente à região N94-101 e uma diferença na topologia referente à região N180-188. Nosso trabalho foi o primeiro a analisar os mecanismos de reatividade cruzada entre epitopos da proteína N de espécies virais do gênero Hantavírus a partir da construção de complexos pMHC partindo da estrutura primária dos epitopos. Ainda, ao final da dissertação, é apresentado um trabalho que visa, através da docagem e dinâmica molecular, diferenciar bons e maus ligantes de MHC-I. / The human organism is constantly challenged against several pathogens. In the viral context, the main defense occurs through T Lymphocyte Receptor (TCR) which interacts with the viral peptide (epitope) presented by the Major Histocompatibility Complex of class I (MHC-I). Since there is an infinitude of epitopes and the organism could not be able to accommodate one single TCR for each epitope, the immune system developed the cross-reactivity response, where the same TCR could recognize several viral epitopes. In this work, we studied the nucleocapside (N) protein sequence from several species of the Hantavirus genus through an in silico approach, using immunoinformatics tools. In the first work (second chapter) we presented a review about the use of immunoinformatics tools to solve issues concerning immunogenicity. In the third chapter, we analyzed the N protein sequence from 34 hantaviruses species. Our results have shown that murine epitopes are preferentially localized over conserved areas of the N protein alignment. Two N protein regions – N94-101 and N180-188 – from three different species – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) and Hantaan (HTNV) – have remarkable physical-chemical similarity, however, generated different immunological responses. Based on that, in the fourth chapter we aimed to construct pMHC complexes from N94-101 and N180-188 regions from SNV, PUUV and HTNV, through an in silico approach developed by our research group, to analyze structural and molecular differences that would be involved in the differential immunological response induction observed in vitro. Our results point to a difference of the charges distribution on the pMHC complexes from SNV/PUUV and HTNV in the N94-101 region and topology differences in the N180-188 region. Our work was the first to analyze the cross-reactivity mechanisms among epitopes of the N protein from hantaviruses species through in silico construction of pMHC complexes from linear epitope sequence. Also, at the end, it will be presented a work that uses molecular docking and molecular dynamics, attempting to differentiate good and bad MHC-I ligands.

Diariamente, o organismo humano é desafiado através da invasão de patógenos. No caso da invasão viral, o principal meio de defesa ocorre através do Receptor de Linfócito T (TCR), o qual interage com o peptídeo viral (epitopo) que é apresentado pelo Complexo Principal de Histocompatibilidade de classe I (MHC-I). Dada a imensidão de epitopos possíveis e a limitação do organismo em possuir um único TCR para reconhecer cada antígeno, o sistema imunológico desenvolveu o mecanismo de reatividade cruzada, através do qual um mesmo TCR pode reconhecer diferentes epitopos virais. Nesse trabalho nos propomos a estudar a seqüência da proteína de nucleocapsídeo (proteína N) de diferentes espécies do gênero Hantavírus através de uma abordagem in silico, utilizando ferramentas de imunoinformática. No primeiro trabalho (capítulo dois) apresentamos uma revisão sobre o uso de ferramentas de imunoinformática na resolução de problemas relacionados à imunogenicidade. No terceiro capítulo, analisamos a seqüência de aminoácidos da proteína N de 34 espécies do gênero Hantavírus. Nossos resultados mostraram que epitopos murinos localizam-se preferencialmente em áreas conservadas dentro do alinhamento de sequencias da proteína N. Duas regiões da proteína N – N94-101 e N180-188 - de três espécies virais – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) e Hantaan (HTNV) - possuem aminoácidos com grande similaridade físico-química, mas geram respostas imunológicas diferenciadas. Portanto, no quarto capítulo, nosso objetivo foi construir os complexos pMHC referentes às regiões N94-101 e N180-188 da proteína N das espécies SNV, PUUV e HTNV através de uma abordagem in silico desenvolvida pelo nosso grupo e analisar as diferenças estruturais e moleculares que possam estar envolvidas na indução da resposta imunológica diferenciada observada in vitro. Nossos resultados mostram uma diferença no padrão de cargas entre os complexos pMHC de SNV/PUUV e HTNV referente à região N94-101 e uma diferença na topologia referente à região N180-188. Nosso trabalho foi o primeiro a analisar os mecanismos de reatividade cruzada entre epitopos da proteína N de espécies virais do gênero Hantavírus a partir da construção de complexos pMHC partindo da estrutura primária dos epitopos. Ainda, ao final da dissertação, é apresentado um trabalho que visa, através da docagem e dinâmica molecular, diferenciar bons e maus ligantes de MHC-I. / The human organism is constantly challenged against several pathogens. In the viral context, the main defense occurs through T Lymphocyte Receptor (TCR) which interacts with the viral peptide (epitope) presented by the Major Histocompatibility Complex of class I (MHC-I). Since there is an infinitude of epitopes and the organism could not be able to accommodate one single TCR for each epitope, the immune system developed the cross-reactivity response, where the same TCR could recognize several viral epitopes. In this work, we studied the nucleocapside (N) protein sequence from several species of the Hantavirus genus through an in silico approach, using immunoinformatics tools. In the first work (second chapter) we presented a review about the use of immunoinformatics tools to solve issues concerning immunogenicity. In the third chapter, we analyzed the N protein sequence from 34 hantaviruses species. Our results have shown that murine epitopes are preferentially localized over conserved areas of the N protein alignment. Two N protein regions – N94-101 and N180-188 – from three different species – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) and Hantaan (HTNV) – have remarkable physical-chemical similarity, however, generated different immunological responses. Based on that, in the fourth chapter we aimed to construct pMHC complexes from N94-101 and N180-188 regions from SNV, PUUV and HTNV, through an in silico approach developed by our research group, to analyze structural and molecular differences that would be involved in the differential immunological response induction observed in vitro. Our results point to a difference of the charges distribution on the pMHC complexes from SNV/PUUV and HTNV in the N94-101 region and topology differences in the N180-188 region. Our work was the first to analyze the cross-reactivity mechanisms among epitopes of the N protein from hantaviruses species through in silico construction of pMHC complexes from linear epitope sequence. Also, at the end, it will be presented a work that uses molecular docking and molecular dynamics, attempting to differentiate good and bad MHC-I ligands.

Diariamente, o organismo humano é desafiado através da invasão de patógenos. No caso da invasão viral, o principal meio de defesa ocorre através do Receptor de Linfócito T (TCR), o qual interage com o peptídeo viral (epitopo) que é apresentado pelo Complexo Principal de Histocompatibilidade de classe I (MHC-I). Dada a imensidão de epitopos possíveis e a limitação do organismo em possuir um único TCR para reconhecer cada antígeno, o sistema imunológico desenvolveu o mecanismo de reatividade cruzada, através do qual um mesmo TCR pode reconhecer diferentes epitopos virais. Nesse trabalho nos propomos a estudar a seqüência da proteína de nucleocapsídeo (proteína N) de diferentes espécies do gênero Hantavírus através de uma abordagem in silico, utilizando ferramentas de imunoinformática. No primeiro trabalho (capítulo dois) apresentamos uma revisão sobre o uso de ferramentas de imunoinformática na resolução de problemas relacionados à imunogenicidade. No terceiro capítulo, analisamos a seqüência de aminoácidos da proteína N de 34 espécies do gênero Hantavírus. Nossos resultados mostraram que epitopos murinos localizam-se preferencialmente em áreas conservadas dentro do alinhamento de sequencias da proteína N. Duas regiões da proteína N – N94-101 e N180-188 - de três espécies virais – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) e Hantaan (HTNV) - possuem aminoácidos com grande similaridade físico-química, mas geram respostas imunológicas diferenciadas. Portanto, no quarto capítulo, nosso objetivo foi construir os complexos pMHC referentes às regiões N94-101 e N180-188 da proteína N das espécies SNV, PUUV e HTNV através de uma abordagem in silico desenvolvida pelo nosso grupo e analisar as diferenças estruturais e moleculares que possam estar envolvidas na indução da resposta imunológica diferenciada observada in vitro. Nossos resultados mostram uma diferença no padrão de cargas entre os complexos pMHC de SNV/PUUV e HTNV referente à região N94-101 e uma diferença na topologia referente à região N180-188. Nosso trabalho foi o primeiro a analisar os mecanismos de reatividade cruzada entre epitopos da proteína N de espécies virais do gênero Hantavírus a partir da construção de complexos pMHC partindo da estrutura primária dos epitopos. Ainda, ao final da dissertação, é apresentado um trabalho que visa, através da docagem e dinâmica molecular, diferenciar bons e maus ligantes de MHC-I. / The human organism is constantly challenged against several pathogens. In the viral context, the main defense occurs through T Lymphocyte Receptor (TCR) which interacts with the viral peptide (epitope) presented by the Major Histocompatibility Complex of class I (MHC-I). Since there is an infinitude of epitopes and the organism could not be able to accommodate one single TCR for each epitope, the immune system developed the cross-reactivity response, where the same TCR could recognize several viral epitopes. In this work, we studied the nucleocapside (N) protein sequence from several species of the Hantavirus genus through an in silico approach, using immunoinformatics tools. In the first work (second chapter) we presented a review about the use of immunoinformatics tools to solve issues concerning immunogenicity. In the third chapter, we analyzed the N protein sequence from 34 hantaviruses species. Our results have shown that murine epitopes are preferentially localized over conserved areas of the N protein alignment. Two N protein regions – N94-101 and N180-188 – from three different species – Sin Nombre (SNV), Puumala (PUUV) and Hantaan (HTNV) – have remarkable physical-chemical similarity, however, generated different immunological responses. Based on that, in the fourth chapter we aimed to construct pMHC complexes from N94-101 and N180-188 regions from SNV, PUUV and HTNV, through an in silico approach developed by our research group, to analyze structural and molecular differences that would be involved in the differential immunological response induction observed in vitro. Our results point to a difference of the charges distribution on the pMHC complexes from SNV/PUUV and HTNV in the N94-101 region and topology differences in the N180-188 region. Our work was the first to analyze the cross-reactivity mechanisms among epitopes of the N protein from hantaviruses species through in silico construction of pMHC complexes from linear epitope sequence. Also, at the end, it will be presented a work that uses molecular docking and molecular dynamics, attempting to differentiate good and bad MHC-I ligands.

O sistema imunológico é formado por um conjunto de células e moléculas envolvidas primariamente na defesa do organismo contra agentes infecciosos. Neste sentido, destaca-se a ação das proteínas codificadas pela região do MHC-I, as quais são responsáveis pela apresentação de pequenos peptídeos (normalmente entre 8 e 12 aminoácidos), gerados a partir da via de processamento endógeno, para Receptores de Células T (TCRs) citotóxicas. As bases moleculares subjacentes à apresentação de peptídeos no contexto das moléculas de MHC-I ainda não foram totalmente esclarecidas, principalmente em função da complexidade inerente a esse processo biológico. Sabe-se, no entanto, que padrões moleculares presentes na área de interação do pMHC-I com o TCR, bem como a estabilidade dos complexos pMHC-I na superfície celular, são fatores determinantes para a imunogenicidade de diferentes complexos. Com o nascimento e desenvolvimento da bioinformática, uma grande evolução foi observada na área, especialmente no que tange ao estudo de sequências lineares de genes e proteínas. Entretanto, o estudo a nível estrutural ainda é lento, especialmente devido ao limitado número de estruturas tridimensionais resolvidas experimentalmente e à falta de modelos acurados. Assim sendo, esta tese se propôs a automatizar e otimizar uma ferramenta de modelagem de complexos pMHC-I (técnica D1-EM-D2) e, posteriormente, criar uma protocolo para avaliar a estabilidade in silico de complexos pMHC-I, com foco na interação entre epitopo e MHC-I. Como resultado, criamos uma nova ferramenta, a qual chamamos DockTope, validada sobre um conjunto mais amplo de dados experimentais (135 estruturas em relação às 46 estruturas do estudo anterior). Esta ferramenta permite que qualquer usuário modele seu próprio pMHC-I, através de uma interface web acessível. Ainda, um estudo via dinâmica molecular realizado com base nos complexos pMHC-I modelados a partir do DockTope nos permitiu inferir algumas das variáveis envolvidas na estabilização dos complexos. Os resultados apresentados aqui contemplam várias áreas de conhecimento da área biológica, favorecendo o desenvolvimento de vacinas mais racionalizadas e alavancando o conhecimento e a compreensão de eventos imunológicos. / The immunologic system is constituted by a group of cells and molecules involved mainly in the organism defense against infectious agents. In this way, the action of proteins encoded by the MHC-I region should be highlighted, since they are responsible for the presentation to T Cell Receptors (TCRs) of small peptides (normally 8 to 12 amino acids in length) generated by the endogenous processing pathway. The molecular bases underlying the presentation of peptides in the context of MHC-I molecules are not fully understood, especially because the complexity inherent to this process. However, it is known that molecular patterns presented in the TCR-interaction surface of each pMHC-I, as well as complex stability on cellular surface, are pivotal factors to determine immunogenicity. The bioinformatics development brings together a great evolution in the field, especially in respect to the analysis of genes and proteins sequences. Yet, the structural study is still delayed, mainly because we have a limited number of threedimensional structures experimentally resolved and there is a lack of accurate models. In this way, we aimed to automatize and optimize a bioinformatics tool to pMHC-I modeling (D1-EM-D2 approach) and, posteriorly, to create an in silico protocol to evaluate the pMHC-I complex stability, focusing on the interaction between epitope and MHC-I. As a result, we created a new tool, which we called DockTope, validated over a wider group of experimental data (135 structures in respect to the 46 structures previously published). This tool allows any user to model its own pMHC-I complex trough a user-friendly web interface. Also, a molecular dynamics study performed using modeled pMHC-I complexes through DockTope allowed us to infer important variables involved on complex stabilization. The results presented here encompass several knowledge areas, favoring the vaccine development and propelling the knowledge and understanding of immunologic events.

O sistema imunológico é formado por um conjunto de células e moléculas envolvidas primariamente na defesa do organismo contra agentes infecciosos. Neste sentido, destaca-se a ação das proteínas codificadas pela região do MHC-I, as quais são responsáveis pela apresentação de pequenos peptídeos (normalmente entre 8 e 12 aminoácidos), gerados a partir da via de processamento endógeno, para Receptores de Células T (TCRs) citotóxicas. As bases moleculares subjacentes à apresentação de peptídeos no contexto das moléculas de MHC-I ainda não foram totalmente esclarecidas, principalmente em função da complexidade inerente a esse processo biológico. Sabe-se, no entanto, que padrões moleculares presentes na área de interação do pMHC-I com o TCR, bem como a estabilidade dos complexos pMHC-I na superfície celular, são fatores determinantes para a imunogenicidade de diferentes complexos. Com o nascimento e desenvolvimento da bioinformática, uma grande evolução foi observada na área, especialmente no que tange ao estudo de sequências lineares de genes e proteínas. Entretanto, o estudo a nível estrutural ainda é lento, especialmente devido ao limitado número de estruturas tridimensionais resolvidas experimentalmente e à falta de modelos acurados. Assim sendo, esta tese se propôs a automatizar e otimizar uma ferramenta de modelagem de complexos pMHC-I (técnica D1-EM-D2) e, posteriormente, criar uma protocolo para avaliar a estabilidade in silico de complexos pMHC-I, com foco na interação entre epitopo e MHC-I. Como resultado, criamos uma nova ferramenta, a qual chamamos DockTope, validada sobre um conjunto mais amplo de dados experimentais (135 estruturas em relação às 46 estruturas do estudo anterior). Esta ferramenta permite que qualquer usuário modele seu próprio pMHC-I, através de uma interface web acessível. Ainda, um estudo via dinâmica molecular realizado com base nos complexos pMHC-I modelados a partir do DockTope nos permitiu inferir algumas das variáveis envolvidas na estabilização dos complexos. Os resultados apresentados aqui contemplam várias áreas de conhecimento da área biológica, favorecendo o desenvolvimento de vacinas mais racionalizadas e alavancando o conhecimento e a compreensão de eventos imunológicos. / The immunologic system is constituted by a group of cells and molecules involved mainly in the organism defense against infectious agents. In this way, the action of proteins encoded by the MHC-I region should be highlighted, since they are responsible for the presentation to T Cell Receptors (TCRs) of small peptides (normally 8 to 12 amino acids in length) generated by the endogenous processing pathway. The molecular bases underlying the presentation of peptides in the context of MHC-I molecules are not fully understood, especially because the complexity inherent to this process. However, it is known that molecular patterns presented in the TCR-interaction surface of each pMHC-I, as well as complex stability on cellular surface, are pivotal factors to determine immunogenicity. The bioinformatics development brings together a great evolution in the field, especially in respect to the analysis of genes and proteins sequences. Yet, the structural study is still delayed, mainly because we have a limited number of threedimensional structures experimentally resolved and there is a lack of accurate models. In this way, we aimed to automatize and optimize a bioinformatics tool to pMHC-I modeling (D1-EM-D2 approach) and, posteriorly, to create an in silico protocol to evaluate the pMHC-I complex stability, focusing on the interaction between epitope and MHC-I. As a result, we created a new tool, which we called DockTope, validated over a wider group of experimental data (135 structures in respect to the 46 structures previously published). This tool allows any user to model its own pMHC-I complex trough a user-friendly web interface. Also, a molecular dynamics study performed using modeled pMHC-I complexes through DockTope allowed us to infer important variables involved on complex stabilization. The results presented here encompass several knowledge areas, favoring the vaccine development and propelling the knowledge and understanding of immunologic events.

O sistema imunológico é formado por um conjunto de células e moléculas envolvidas primariamente na defesa do organismo contra agentes infecciosos. Neste sentido, destaca-se a ação das proteínas codificadas pela região do MHC-I, as quais são responsáveis pela apresentação de pequenos peptídeos (normalmente entre 8 e 12 aminoácidos), gerados a partir da via de processamento endógeno, para Receptores de Células T (TCRs) citotóxicas. As bases moleculares subjacentes à apresentação de peptídeos no contexto das moléculas de MHC-I ainda não foram totalmente esclarecidas, principalmente em função da complexidade inerente a esse processo biológico. Sabe-se, no entanto, que padrões moleculares presentes na área de interação do pMHC-I com o TCR, bem como a estabilidade dos complexos pMHC-I na superfície celular, são fatores determinantes para a imunogenicidade de diferentes complexos. Com o nascimento e desenvolvimento da bioinformática, uma grande evolução foi observada na área, especialmente no que tange ao estudo de sequências lineares de genes e proteínas. Entretanto, o estudo a nível estrutural ainda é lento, especialmente devido ao limitado número de estruturas tridimensionais resolvidas experimentalmente e à falta de modelos acurados. Assim sendo, esta tese se propôs a automatizar e otimizar uma ferramenta de modelagem de complexos pMHC-I (técnica D1-EM-D2) e, posteriormente, criar uma protocolo para avaliar a estabilidade in silico de complexos pMHC-I, com foco na interação entre epitopo e MHC-I. Como resultado, criamos uma nova ferramenta, a qual chamamos DockTope, validada sobre um conjunto mais amplo de dados experimentais (135 estruturas em relação às 46 estruturas do estudo anterior). Esta ferramenta permite que qualquer usuário modele seu próprio pMHC-I, através de uma interface web acessível. Ainda, um estudo via dinâmica molecular realizado com base nos complexos pMHC-I modelados a partir do DockTope nos permitiu inferir algumas das variáveis envolvidas na estabilização dos complexos. Os resultados apresentados aqui contemplam várias áreas de conhecimento da área biológica, favorecendo o desenvolvimento de vacinas mais racionalizadas e alavancando o conhecimento e a compreensão de eventos imunológicos. / The immunologic system is constituted by a group of cells and molecules involved mainly in the organism defense against infectious agents. In this way, the action of proteins encoded by the MHC-I region should be highlighted, since they are responsible for the presentation to T Cell Receptors (TCRs) of small peptides (normally 8 to 12 amino acids in length) generated by the endogenous processing pathway. The molecular bases underlying the presentation of peptides in the context of MHC-I molecules are not fully understood, especially because the complexity inherent to this process. However, it is known that molecular patterns presented in the TCR-interaction surface of each pMHC-I, as well as complex stability on cellular surface, are pivotal factors to determine immunogenicity. The bioinformatics development brings together a great evolution in the field, especially in respect to the analysis of genes and proteins sequences. Yet, the structural study is still delayed, mainly because we have a limited number of threedimensional structures experimentally resolved and there is a lack of accurate models. In this way, we aimed to automatize and optimize a bioinformatics tool to pMHC-I modeling (D1-EM-D2 approach) and, posteriorly, to create an in silico protocol to evaluate the pMHC-I complex stability, focusing on the interaction between epitope and MHC-I. As a result, we created a new tool, which we called DockTope, validated over a wider group of experimental data (135 structures in respect to the 46 structures previously published). This tool allows any user to model its own pMHC-I complex trough a user-friendly web interface. Also, a molecular dynamics study performed using modeled pMHC-I complexes through DockTope allowed us to infer important variables involved on complex stabilization. The results presented here encompass several knowledge areas, favoring the vaccine development and propelling the knowledge and understanding of immunologic events.

Orientador: Paulo Lício de Geus / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T23:09:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_AndreAugustodaSilva_M.pdf: 2078139 bytes, checksum: 3b321df6a81e4d3aaa8cf753b119f8a1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The complete abstract is available with the full electronic document / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação