京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13533号 / 論医博第2273号 / 新制||医||1065(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 川口 義弥, 教授 斎藤 通紀, 教授 遊佐 宏介 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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A tuberculose (TB) é uma doença infecciosa bacteriana causada por Mycobacterium tuberculosis (Mtb), acomete seres humanos em todo mundo, e é considerada uma das principais causas de morbidade e mortalidade dentre as doenças infecciosas. Nesse cenário, a TB ainda é vista como um grande desafio para a ciência e para medicina. Com o estudo de novos alvos moleculares para terapia e diagnóstico, por exemplo, a sinalização Notch tem sido descrita como uma via importante para a manutenção da resposta imunológica durante a infecção por Mtb. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a participação da via Notch na modulação da resposta imune durante a infecção por Mtb em humanos. Neste trabalho foram incluidos 13 pacientes com tuberculose ativa e 13 indivíduos saudáveis. Células mononucleares de sangue periférico (PBMCs) foram isoladas e avaliadas quanto à expressão de receptores Notch 1 - 2 em células T e ligantes Notch, DLL1 - 4 em subpopulações de monócitos por citometria de fluxo e expressão de genes relacionados à via Notch e resposta imune. Além disso, o plasma foi utilizado para avaliar níveis de citocinas, CD14s e CD163s. Ainda, avaliamos a função celular dependente da ativação da via Notch durante a infecção de células mononucleares de sangue periférico de indivíduos saudáveis com Mtb H37Rv in vitro. Observamos que pacientes com TB ativa apresentaram aumento na expressão de DLL4 em monócitos intermediários e não-clássicos e diminuição na expressão de Notch 2 em células T CD8+. In vitro, observamos nas culturas de PBMCs, aumento da expressão de DLL4 em monócitos intermediários e Notch 2 em células T CD4+. A expressão do ligante DLL4 em monócitos intermediários e a expressão do Notch 1 em células T CD4+ em pacientes com TB ativa se correlacionaram positivamente com o grau de lesão pulmonar. Além disso, pacientes com quadros de lesão pulmonar moderado e avançado têm maior expressão de Notch 1 em células T CD4+ quando comparados a pacientes com grau mínimo de lesão pulmonar. Pacientes com TB ativa apresentam aumento significativo nos níveis plasmáticos de IL-6, IP- 10, CD14s e CD163s e diminuição nos níveis de IFN-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-1? e RANTES. Os níveis plasmáticos de IFN-?, TNF-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-12, IL-1?, RANTES e IL-10 se correlacionaram positivamente com o maior grau de lesão pulmonar.Além disso, demonstramos que os níveis de IFN-?, IL-17A, IL-1?, IL-4 e IL-2 se relacionam com maior expressão do receptor Notch 1 em células T CD4+ , enquanto níveis plasmáticos de IP-10, CD163s e de procalcitonina se correlacionam com maior expressão de Notch 1 em células T CD8+. Evidenciamos maior tendência na expressão de HES1 em pacientes com TB ativa e células infectadas in vitro, indicando que a via Notch está sendo ativada durante a infecção por Mtb. De forma interessante, in vitro as culturas de PBMCs tratadas com inibidor farmacológico da via Notch (GSI), reduziram a produção de IL-17A, IL-2 e IL-10 e aumentaram IL-8, enquanto o tratamento com anti-hDLL4 promoveu o aumento significativo nos níveis de TNF-? e atividade fagocítica de monócitos. Em conclusão, a expressão de receptores e ligantes Notch é alterada durante a TB, em especial o ligante DLL4 em subpopulações de monócitos. Além disso, a via Notch parece ser importante na modulação de respostas pró e anti-inflamatórias. Nesse trabalho, sugerimos que a expressão de Notch 1 em células T e DLL4 em subpopulações de monócitos estão associados com a gravidade da TB. Assim, a detecção desses constituintes da via Notch em PBMCs de pacientes com TB ativa são potenciais biomarcadores para avaliar a progressão da doença. / Tuberculosis (TB) is a bacterial infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), affects humans worldwide, and is considered a major cause of morbidity and mortality among infectious diseases. In this scenario, TB is still seen as a major challenge for science and medicine. With the study of new molecular targets for therapy and diagnosis, for example, Notch signaling has been described as an important pathway for the maintenance of immune response during Mtb infection. Thus, the objective of this work was to evaluate the participation of the Notch pathway in the modulation of the immune response during Mtb infection in humans. In this study, 13 patients with active tuberculosis and 13 healthy individuals were included. Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated and evaluated for Notch 1 - 2 receptor expression in T cells and Notch, DLL1 - 4 ligands in monocyte subpopulations by flow cytometry and expression of Notch - pathway related genes and immune response. In addition, plasma was used to assess levels of cytokines, CD14s and CD163s. Furthermore, we evaluated the cellular function dependent on the activation of the Notch pathway during the infection of peripheral blood mononuclear cells of healthy subjects with Mtb H37Rv in vitro. We observed that patients with active TB had increased DLL4 expression in intermediate and nonclassic monocytes and decreased expression of Notch 2 in CD8+ T cells. In vitro, we observed in the cultures of PBMCs, increased expression of DLL4 in intermediate monocytes and Notch 2 in CD4+ T cells. The expression of the DLL4 linker in intermediate monocytes and the expression of Notch 1 in CD4+ T cells in patients with active TB correlated positively with the degree of lung injury. In addition, patients with moderate and advanced lung injury have higher Notch 1 expression in CD4+ T cells when compared to patients with a minimal degree of lung injury. Patients with active TB showed a significant increase in plasma levels of IL-6, IP-10, CD14s and CD163s, and decreased levels of IFN-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-1? and RANTES. The plasma levels of IFN-?, TNF-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-12, IL-1?, RANTES and IL-10 correlated positively with the highest degree of lung injury. In addition, we demonstrated that levels of IFN-?, IL-17A, IL-1?, IL-4 and IL-2 are related to higher Notch 1 receptor expression in CD4+ T cells, whereas plasma levels of IP-10,CD163s and procalcitonin correlate with increased Notch 1 expression in CD8+ T cells. We have shown a greater trend in HES1 expression in patients with active TB and in vitro infected cells, indicating that the Notch pathway is being activated during Mtb infection. Interestingly, in vitro cultures of PBMCs treated with the Notch pharmacological inhibitor (GSI), reduced IL-17A, IL-2 and IL-10 production and increased IL-8, while anti-hDLL4 treatment promoted the significant increase in TNF-? levels and monocyte phagocytic activity. In conclusion, the expression of Notch receptors and ligands is altered during TB, especially the DLL4 linker in monocyte subpopulations. In addition, the Notch pathway appears to be important in modulating pro and anti-inflammatory responses. In this work, we suggest that Notch 1 expression in T cells and DLL4 in monocyte subpopulations is associated with TB severity. Thus, detection of these constituents of the Notch pathway in PBMCs of patients with active TB are potential biomarkers to assess disease progression.

Na primeira parte desta tese, estudamos os princípios operacionais das decisões celulares mediadas pelo sistema de sinalização Notch. Este sistema tem papel importante nas decisões celulares que ocorrem durante o desenvolvimento embrionário, cicatrização de feridas e na formação de tumores. O circuito de sinalização é ativado quando o receptor Notch de uma célula interage com um dos ligantes - Delta ou Jagged - de uma célula vizinha. O circuito Notch-Delta forma um comutador intercelular, e duas células vizinhas tendem a adotar estados diferentes - Emissor (muito ligante e pouco receptor) e Recebedor (pouco ligante e muito receptor). Neste manuscrito, apresentamos uma nova abordagem teórica que integra ambos Delta e Jagged no circuito Notch. Mostramos que o circuito Notch-Delta-Jagged permite um novo estado - um híbrido Emissor/Recebedor (E/R) com concentrações intermediárias de receptores e ligantes, e portanto o circuito é age como uma chave de três vias. Em seguida, observamos que a taxa de produção de ambos os ligantes, assim como a modulação assimétrica da afinidade de ligação do Notch com seus ligantes mediada pela glicosiltransferase Fringe, afeta severamente o intervalo de existência dos estados e sua relativa estabilidade - altos níveis de Jagged, mas não de Fringe ou Delta, promovem o estado híbrido E/R e o processo de indução lateral. Nós elucidamos o papel de Jagged na determinação dos estados celulares e discutimos sua possível implicação no entendimento da comunicação entre tumor e estroma, que frequentemente envolve comunicação via interações Notch-Jagged. Posteriormente, avaliamos a interação entre Notch, inflamação e a população de Células Cancerígenas Estaminais (CCE). Mostramos que inflamação pode expandir a população de CCE por meio do aumento dos níveis de produção de Jagged que posteriormente ativa o sistema de sinalização Notch em células vizinhas não-CCE. Nossos resultados sugerem que a inibição da produção de Jagged atenua o efeito da expansão de CCE devido a inflamação, indicando que inflamação cresce a população de CCE via interações Notch-Jagged. Nossos resultados são consistentes com observações em câncer de mama do subtipo basal (triplo negativo), onde a perda de Fringe e a ativação constitutiva do eixo NF-kB - Jag1 promove a expansão da população de CCE. Nossa abordagem computacional pode ser adaptada para incluir circuitos adicionais tais como p53 e hipóxia, que afetam a plasticidade celular, proporcionando assim uma plataforma útil para a projeção de novas terapias. Na segunda parte desta tese, introduzimos um novo método para seleção de características: Suvrel. Este é um método variacional, inspirado em aprendizado de relevância, para determinar tensores métricos para definição de distâncias baseadas em similaridades, para utilização em métodos de classificação. Nós introduzimos uma nova metodologia na qual o tensor métrico pode ser calculado analiticamente. O preprocessamento das características por uma transformação linear utilizando o tensor métrico calculado via Suvrel melhora a eficiência dos classificadores. Testamos nosso método para conjuntos de dados públicos, utilizando os classificadores mais comumente utilizados. Nós também aplicamos esta metodologia no estudo da relação entre parâmetros estruturais globais e o sistema de classificação de função enzimática. Por último, introduzimos uma nova metodologia para a identificação de genes diferencialmente expressos utilizando a tecnologia de microarranjos de DNA. Diferentemente das abordagens tradicionais, nossa metodologia evita passos intermediários de preprocessamento que são desnecessários e devido a isto não acumula erros destas análises, o que resulta em um método mais sensível e robusto. / In the first part of this thesis, we studied the operating principles of cell fate decisions mediated by Notch signaling pathway. This pathway have important role in cell fate determination during embryonic development, wound healing and tumorigenesis. Notch signaling is activated by binding of Notch receptor of one cell to either of its ligand- Delta or Jagged- of another cell. Notch-Delta circuit forms an intercellular toggle switch, and two neighboring cells tend to adopt different fates - Sender (high ligand, low receptor) and Receiver (low ligand, high receptor). Here, we present a new tractable theoretical framework that incorporates both Delta and Jagged in Notch signaling, and show that Notch-Delta-Jagged circuit enables an additional fate - hybrid Sender/Receiver (S/R) (medium ligand, medium receptor) and behaves as a three-way switch. Further, we found that production rates of both the ligands and the asymmetric modulation of binding affinity of Notch to its ligands by glycosyltransferase Fringe severely affects the parameter range of the existence of these states and their relative stability - high levels of Jagged, but not that of Fringe or Delta, promote hybrid S/R state and lateral induction. We elucidate the role of Jagged in cell fate determination and discuss its possible implications in understanding tumor-stroma crosstalk, which frequently entails Notch-Jagged communication. We further evaluate the interplay among Notch signaling, inflamation and Cancer Stem Cell population. We show that inflammation can expand the population of Cancer Stem Cells (CSCs) by increasing the levels of Jagged in cells that can further activate Notch signaling pathway in neighboring non-CSCs. Our results suggest that, inhibiting the production of Jagged dampens the effect of inflammation in expanding the CSC population, indicating that inflammatory signal function through Notch-Jagged signaling to increase CSCs. Our results are consistent with observations in basal-like breast cancer, where loss of Fringe and constitutive activation of NF-kB-Jag1 axis promotes CSC population. Our computational framework can be tailored to include additional signals such as p53 and hypoxia that affect this plasticity to gain stemness, thus providing a platform that can be useful in designing novel therapies. In the second part of the thesis, we introduce a new method for feature selection: Supervised Variational Relevance Learning (Suvrel). This is a variational method to determine metric tensors to define distance based similarity in pattern classification, inspired in relevance learning. We propose a new methodology where the metric tensor can be calculated analytically. Preprocessing the patterns by doing linear transformations using the metric tensor yields a dataset which can be more efficiently classified. We test our methods using publicly available datasets, for some standard classifiers. We also applied this methodology to study the relationship between global structural parameters and the Enzyme Commission hierarchy. Lastly, we propose a new methodology for identifying the differentially expressed genes using DNA microarray technology. Unlike traditional approaches, our methodology skips intermediate unnecessary preprocessing steps and therefore does not accumulate errors due to these analysis, resulting in a more sensitive and robust method.

A tuberculose (TB) é uma doença infecciosa bacteriana causada por Mycobacterium tuberculosis (Mtb), acomete seres humanos em todo mundo, e é considerada uma das principais causas de morbidade e mortalidade dentre as doenças infecciosas. Nesse cenário, a TB ainda é vista como um grande desafio para a ciência e para medicina. Com o estudo de novos alvos moleculares para terapia e diagnóstico, por exemplo, a sinalização Notch tem sido descrita como uma via importante para a manutenção da resposta imunológica durante a infecção por Mtb. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a participação da via Notch na modulação da resposta imune durante a infecção por Mtb em humanos. Neste trabalho foram incluidos 13 pacientes com tuberculose ativa e 13 indivíduos saudáveis. Células mononucleares de sangue periférico (PBMCs) foram isoladas e avaliadas quanto à expressão de receptores Notch 1 - 2 em células T e ligantes Notch, DLL1 - 4 em subpopulações de monócitos por citometria de fluxo e expressão de genes relacionados à via Notch e resposta imune. Além disso, o plasma foi utilizado para avaliar níveis de citocinas, CD14s e CD163s. Ainda, avaliamos a função celular dependente da ativação da via Notch durante a infecção de células mononucleares de sangue periférico de indivíduos saudáveis com Mtb H37Rv in vitro. Observamos que pacientes com TB ativa apresentaram aumento na expressão de DLL4 em monócitos intermediários e não-clássicos e diminuição na expressão de Notch 2 em células T CD8+. In vitro, observamos nas culturas de PBMCs, aumento da expressão de DLL4 em monócitos intermediários e Notch 2 em células T CD4+. A expressão do ligante DLL4 em monócitos intermediários e a expressão do Notch 1 em células T CD4+ em pacientes com TB ativa se correlacionaram positivamente com o grau de lesão pulmonar. Além disso, pacientes com quadros de lesão pulmonar moderado e avançado têm maior expressão de Notch 1 em células T CD4+ quando comparados a pacientes com grau mínimo de lesão pulmonar. Pacientes com TB ativa apresentam aumento significativo nos níveis plasmáticos de IL-6, IP- 10, CD14s e CD163s e diminuição nos níveis de IFN-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-1? e RANTES. Os níveis plasmáticos de IFN-?, TNF-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-12, IL-1?, RANTES e IL-10 se correlacionaram positivamente com o maior grau de lesão pulmonar.Além disso, demonstramos que os níveis de IFN-?, IL-17A, IL-1?, IL-4 e IL-2 se relacionam com maior expressão do receptor Notch 1 em células T CD4+ , enquanto níveis plasmáticos de IP-10, CD163s e de procalcitonina se correlacionam com maior expressão de Notch 1 em células T CD8+. Evidenciamos maior tendência na expressão de HES1 em pacientes com TB ativa e células infectadas in vitro, indicando que a via Notch está sendo ativada durante a infecção por Mtb. De forma interessante, in vitro as culturas de PBMCs tratadas com inibidor farmacológico da via Notch (GSI), reduziram a produção de IL-17A, IL-2 e IL-10 e aumentaram IL-8, enquanto o tratamento com anti-hDLL4 promoveu o aumento significativo nos níveis de TNF-? e atividade fagocítica de monócitos. Em conclusão, a expressão de receptores e ligantes Notch é alterada durante a TB, em especial o ligante DLL4 em subpopulações de monócitos. Além disso, a via Notch parece ser importante na modulação de respostas pró e anti-inflamatórias. Nesse trabalho, sugerimos que a expressão de Notch 1 em células T e DLL4 em subpopulações de monócitos estão associados com a gravidade da TB. Assim, a detecção desses constituintes da via Notch em PBMCs de pacientes com TB ativa são potenciais biomarcadores para avaliar a progressão da doença. / Tuberculosis (TB) is a bacterial infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), affects humans worldwide, and is considered a major cause of morbidity and mortality among infectious diseases. In this scenario, TB is still seen as a major challenge for science and medicine. With the study of new molecular targets for therapy and diagnosis, for example, Notch signaling has been described as an important pathway for the maintenance of immune response during Mtb infection. Thus, the objective of this work was to evaluate the participation of the Notch pathway in the modulation of the immune response during Mtb infection in humans. In this study, 13 patients with active tuberculosis and 13 healthy individuals were included. Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated and evaluated for Notch 1 - 2 receptor expression in T cells and Notch, DLL1 - 4 ligands in monocyte subpopulations by flow cytometry and expression of Notch - pathway related genes and immune response. In addition, plasma was used to assess levels of cytokines, CD14s and CD163s. Furthermore, we evaluated the cellular function dependent on the activation of the Notch pathway during the infection of peripheral blood mononuclear cells of healthy subjects with Mtb H37Rv in vitro. We observed that patients with active TB had increased DLL4 expression in intermediate and nonclassic monocytes and decreased expression of Notch 2 in CD8+ T cells. In vitro, we observed in the cultures of PBMCs, increased expression of DLL4 in intermediate monocytes and Notch 2 in CD4+ T cells. The expression of the DLL4 linker in intermediate monocytes and the expression of Notch 1 in CD4+ T cells in patients with active TB correlated positively with the degree of lung injury. In addition, patients with moderate and advanced lung injury have higher Notch 1 expression in CD4+ T cells when compared to patients with a minimal degree of lung injury. Patients with active TB showed a significant increase in plasma levels of IL-6, IP-10, CD14s and CD163s, and decreased levels of IFN-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-1? and RANTES. The plasma levels of IFN-?, TNF-?, IL-17A, IL-4, IL-2, IL-12, IL-1?, RANTES and IL-10 correlated positively with the highest degree of lung injury. In addition, we demonstrated that levels of IFN-?, IL-17A, IL-1?, IL-4 and IL-2 are related to higher Notch 1 receptor expression in CD4+ T cells, whereas plasma levels of IP-10,CD163s and procalcitonin correlate with increased Notch 1 expression in CD8+ T cells. We have shown a greater trend in HES1 expression in patients with active TB and in vitro infected cells, indicating that the Notch pathway is being activated during Mtb infection. Interestingly, in vitro cultures of PBMCs treated with the Notch pharmacological inhibitor (GSI), reduced IL-17A, IL-2 and IL-10 production and increased IL-8, while anti-hDLL4 treatment promoted the significant increase in TNF-? levels and monocyte phagocytic activity. In conclusion, the expression of Notch receptors and ligands is altered during TB, especially the DLL4 linker in monocyte subpopulations. In addition, the Notch pathway appears to be important in modulating pro and anti-inflammatory responses. In this work, we suggest that Notch 1 expression in T cells and DLL4 in monocyte subpopulations is associated with TB severity. Thus, detection of these constituents of the Notch pathway in PBMCs of patients with active TB are potential biomarkers to assess disease progression.

2.5 million people sustain a traumatic brain injury (TBI) annually in the United States. Although there is potential for functional recovery following TBI, there is no definitive treatment to improve recovery after TBI. Our lab has shown that TBI enhances an endogenous neurogenic response in the subventricular zone and hippocampus. TBI-induced neural stem cells (NSCs) can integrate into regions such as the hippocampus and olfactory bulb. Although the mechanism behind TBI-enhanced neurogenesis remains unknown, the Notch signaling pathway has been implicated as a regulator in the maintenance and survival of NSCs. This thesis explores the effects of Notch pathway manipulation on functional recovery following TBI. We hypothesize that Notch signaling plays a critical role in recovery after TBI. Activation of this pathway via a Notch agonist (Notch1) will facilitate post-injury recovery while inhibition of this pathway via a Notch antagonist (recombinant Jagged-1 Fc) will deter post-injury recovery. Functional recovery was assessed within 30 days or 60 days post-injury in two different cohorts of animals. The behavior assays conducted in this study included motor, cognitive, and olfactory assessment. In the 30-day phase, Notch pathway manipulation following TBI did not affect functional performance. In the 60-day study, significant group differences were found. While the FPI+Vehicle animals exhibited a functional recovery in Morris water maze, injured animals with Notch inhibition failed to show this cognitive recovery, indicating the involvement of the Notch pathway in cognitive recovery at the chronic stage following TBI. Motor and olfaction were not significantly affected by Notch pathway manipulation.

Na primeira parte desta tese, estudamos os princípios operacionais das decisões celulares mediadas pelo sistema de sinalização Notch. Este sistema tem papel importante nas decisões celulares que ocorrem durante o desenvolvimento embrionário, cicatrização de feridas e na formação de tumores. O circuito de sinalização é ativado quando o receptor Notch de uma célula interage com um dos ligantes - Delta ou Jagged - de uma célula vizinha. O circuito Notch-Delta forma um comutador intercelular, e duas células vizinhas tendem a adotar estados diferentes - Emissor (muito ligante e pouco receptor) e Recebedor (pouco ligante e muito receptor). Neste manuscrito, apresentamos uma nova abordagem teórica que integra ambos Delta e Jagged no circuito Notch. Mostramos que o circuito Notch-Delta-Jagged permite um novo estado - um híbrido Emissor/Recebedor (E/R) com concentrações intermediárias de receptores e ligantes, e portanto o circuito é age como uma chave de três vias. Em seguida, observamos que a taxa de produção de ambos os ligantes, assim como a modulação assimétrica da afinidade de ligação do Notch com seus ligantes mediada pela glicosiltransferase Fringe, afeta severamente o intervalo de existência dos estados e sua relativa estabilidade - altos níveis de Jagged, mas não de Fringe ou Delta, promovem o estado híbrido E/R e o processo de indução lateral. Nós elucidamos o papel de Jagged na determinação dos estados celulares e discutimos sua possível implicação no entendimento da comunicação entre tumor e estroma, que frequentemente envolve comunicação via interações Notch-Jagged. Posteriormente, avaliamos a interação entre Notch, inflamação e a população de Células Cancerígenas Estaminais (CCE). Mostramos que inflamação pode expandir a população de CCE por meio do aumento dos níveis de produção de Jagged que posteriormente ativa o sistema de sinalização Notch em células vizinhas não-CCE. Nossos resultados sugerem que a inibição da produção de Jagged atenua o efeito da expansão de CCE devido a inflamação, indicando que inflamação cresce a população de CCE via interações Notch-Jagged. Nossos resultados são consistentes com observações em câncer de mama do subtipo basal (triplo negativo), onde a perda de Fringe e a ativação constitutiva do eixo NF-kB - Jag1 promove a expansão da população de CCE. Nossa abordagem computacional pode ser adaptada para incluir circuitos adicionais tais como p53 e hipóxia, que afetam a plasticidade celular, proporcionando assim uma plataforma útil para a projeção de novas terapias. Na segunda parte desta tese, introduzimos um novo método para seleção de características: Suvrel. Este é um método variacional, inspirado em aprendizado de relevância, para determinar tensores métricos para definição de distâncias baseadas em similaridades, para utilização em métodos de classificação. Nós introduzimos uma nova metodologia na qual o tensor métrico pode ser calculado analiticamente. O preprocessamento das características por uma transformação linear utilizando o tensor métrico calculado via Suvrel melhora a eficiência dos classificadores. Testamos nosso método para conjuntos de dados públicos, utilizando os classificadores mais comumente utilizados. Nós também aplicamos esta metodologia no estudo da relação entre parâmetros estruturais globais e o sistema de classificação de função enzimática. Por último, introduzimos uma nova metodologia para a identificação de genes diferencialmente expressos utilizando a tecnologia de microarranjos de DNA. Diferentemente das abordagens tradicionais, nossa metodologia evita passos intermediários de preprocessamento que são desnecessários e devido a isto não acumula erros destas análises, o que resulta em um método mais sensível e robusto. / In the first part of this thesis, we studied the operating principles of cell fate decisions mediated by Notch signaling pathway. This pathway have important role in cell fate determination during embryonic development, wound healing and tumorigenesis. Notch signaling is activated by binding of Notch receptor of one cell to either of its ligand- Delta or Jagged- of another cell. Notch-Delta circuit forms an intercellular toggle switch, and two neighboring cells tend to adopt different fates - Sender (high ligand, low receptor) and Receiver (low ligand, high receptor). Here, we present a new tractable theoretical framework that incorporates both Delta and Jagged in Notch signaling, and show that Notch-Delta-Jagged circuit enables an additional fate - hybrid Sender/Receiver (S/R) (medium ligand, medium receptor) and behaves as a three-way switch. Further, we found that production rates of both the ligands and the asymmetric modulation of binding affinity of Notch to its ligands by glycosyltransferase Fringe severely affects the parameter range of the existence of these states and their relative stability - high levels of Jagged, but not that of Fringe or Delta, promote hybrid S/R state and lateral induction. We elucidate the role of Jagged in cell fate determination and discuss its possible implications in understanding tumor-stroma crosstalk, which frequently entails Notch-Jagged communication. We further evaluate the interplay among Notch signaling, inflamation and Cancer Stem Cell population. We show that inflammation can expand the population of Cancer Stem Cells (CSCs) by increasing the levels of Jagged in cells that can further activate Notch signaling pathway in neighboring non-CSCs. Our results suggest that, inhibiting the production of Jagged dampens the effect of inflammation in expanding the CSC population, indicating that inflammatory signal function through Notch-Jagged signaling to increase CSCs. Our results are consistent with observations in basal-like breast cancer, where loss of Fringe and constitutive activation of NF-kB-Jag1 axis promotes CSC population. Our computational framework can be tailored to include additional signals such as p53 and hypoxia that affect this plasticity to gain stemness, thus providing a platform that can be useful in designing novel therapies. In the second part of the thesis, we introduce a new method for feature selection: Supervised Variational Relevance Learning (Suvrel). This is a variational method to determine metric tensors to define distance based similarity in pattern classification, inspired in relevance learning. We propose a new methodology where the metric tensor can be calculated analytically. Preprocessing the patterns by doing linear transformations using the metric tensor yields a dataset which can be more efficiently classified. We test our methods using publicly available datasets, for some standard classifiers. We also applied this methodology to study the relationship between global structural parameters and the Enzyme Commission hierarchy. Lastly, we propose a new methodology for identifying the differentially expressed genes using DNA microarray technology. Unlike traditional approaches, our methodology skips intermediate unnecessary preprocessing steps and therefore does not accumulate errors due to these analysis, resulting in a more sensitive and robust method.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23369号 / 医博第4738号 / 新制||医||1051(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 武藤 学, 教授 松田 道行, 教授 小川 誠司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM