O gene, uma seqüência de nucleotídeos necessária para a síntese de moléculas funcionais, é transcrito e regulado por um conjunto de processos e fatores extremamente complexos. Entender o momento e o tecido em que os genes são expressos, as isoformas funcionais, as regiões controladoras e os fatores envolvidos na regulação da expressão de cada gene é um dos grandes desafios da biologia molecular moderna. Hoje, com a enorme quantidade de informações de seqüências genômicas e de transcriptomas, aliado ao desenvolvimento de métodos computacionais para agrupar e analisar estes dados em larga escala, o estudo dos fenômenos relacionados à transcrição e regulação gênica está passando por uma revolução. Por exemplo, é possível medir, concomitantemente, a expressão gênica de milhares de genes em diferentes tecidos, assim como identificar diversos fenômenos que atuam nestes genes. Neste trabalho nós desenvolvemos e aplicamos métodos computacionais no estudo de quatro temas envolvendo aspectos chave da transcrição e regulação gênica. No primeiro trabalho, nós abordamos a expressão gênica tecido-específica através do estudo dos genes expressos no cérebro e em dez regiões cerebrais de camundongo. No segundo trabalho, nós identificamos seqüências potencialmente envolvidas no controle da transcrição gênica através do estudo de motivos sobre representados na região promotora dos genes de receptores olfativos. No terceiro trabalho, analisamos o transcriptoma humano quanto a presença de eventos de retenção de intron, um tipo de splicing alternativo. No quarto trabalho, nós abordamos a complexidade do transcriptoma e a regulação da expressão gênica através do estudo de pares de genes senso-antisenso em humanos e camundongos. Em todos os trabalhos, obtivemos resultados que nos permitiram tirar conclusões específicas sobre cada fenômeno estudado e nos mostraram a importância de estudá-los através de uma abordagem em larga escala. Adicionalmente, verificamos que os nossos métodos computacionais foram eficientes e adequados para o estudo da transcrição e regulação gênica em Homo sapiens e Mus musculus. / Genes, nucleotide sequences necessary for the synthesis of functional molecules, are transcribed and regulated by extremely complex cellular and molecular processes. To understand when and in which tissues the genes are expressed, their functional isoforms, control regions and the factors involved in gene regulation is one of major challenges of modern molecular biology. Today, the availability of complete genome sequences and transcriptomes, together with the development of new computational methods allows the study of phenomena related to the transcription and gene regulation in a large scale. For example, it is possible to quantify, concomitantly, gene expression of thousands of genes in different tissues and analyze different aspects of their regulation. In this work we developed and applied computational methods to the study of four key aspects of gene transcription and regulation. In the first study, we addressed tissue specific gene expression through the study of genes that are preferentially expressed in the brain and ten different mouse brain regions. In the second study, we identified sequences that are potentially involved in the control of gene transcription through the study of motifs that are over represented in the promoter region of olfactory receptor genes. In the third study, we browsed the human for the presence of intron retention, a type of alternative splicing. In the fourth study, we addressed the transcriptoma complexity and gene expression regulation through the study of pair of sense-antisense genes in human and mouse. In all studies, our results allowed us to make specific conclusions about each phenomenon analyzed which showed us the importance of a large scale approach. In addition, we verified that our computational methods can be efficiently applied to the study of transcription and gene regulation in Homo sapiens and Mus musculus.

O gene, uma seqüência de nucleotídeos necessária para a síntese de moléculas funcionais, é transcrito e regulado por um conjunto de processos e fatores extremamente complexos. Entender o momento e o tecido em que os genes são expressos, as isoformas funcionais, as regiões controladoras e os fatores envolvidos na regulação da expressão de cada gene é um dos grandes desafios da biologia molecular moderna. Hoje, com a enorme quantidade de informações de seqüências genômicas e de transcriptomas, aliado ao desenvolvimento de métodos computacionais para agrupar e analisar estes dados em larga escala, o estudo dos fenômenos relacionados à transcrição e regulação gênica está passando por uma revolução. Por exemplo, é possível medir, concomitantemente, a expressão gênica de milhares de genes em diferentes tecidos, assim como identificar diversos fenômenos que atuam nestes genes. Neste trabalho nós desenvolvemos e aplicamos métodos computacionais no estudo de quatro temas envolvendo aspectos chave da transcrição e regulação gênica. No primeiro trabalho, nós abordamos a expressão gênica tecido-específica através do estudo dos genes expressos no cérebro e em dez regiões cerebrais de camundongo. No segundo trabalho, nós identificamos seqüências potencialmente envolvidas no controle da transcrição gênica através do estudo de motivos sobre representados na região promotora dos genes de receptores olfativos. No terceiro trabalho, analisamos o transcriptoma humano quanto a presença de eventos de retenção de intron, um tipo de splicing alternativo. No quarto trabalho, nós abordamos a complexidade do transcriptoma e a regulação da expressão gênica através do estudo de pares de genes senso-antisenso em humanos e camundongos. Em todos os trabalhos, obtivemos resultados que nos permitiram tirar conclusões específicas sobre cada fenômeno estudado e nos mostraram a importância de estudá-los através de uma abordagem em larga escala. Adicionalmente, verificamos que os nossos métodos computacionais foram eficientes e adequados para o estudo da transcrição e regulação gênica em Homo sapiens e Mus musculus. / Genes, nucleotide sequences necessary for the synthesis of functional molecules, are transcribed and regulated by extremely complex cellular and molecular processes. To understand when and in which tissues the genes are expressed, their functional isoforms, control regions and the factors involved in gene regulation is one of major challenges of modern molecular biology. Today, the availability of complete genome sequences and transcriptomes, together with the development of new computational methods allows the study of phenomena related to the transcription and gene regulation in a large scale. For example, it is possible to quantify, concomitantly, gene expression of thousands of genes in different tissues and analyze different aspects of their regulation. In this work we developed and applied computational methods to the study of four key aspects of gene transcription and regulation. In the first study, we addressed tissue specific gene expression through the study of genes that are preferentially expressed in the brain and ten different mouse brain regions. In the second study, we identified sequences that are potentially involved in the control of gene transcription through the study of motifs that are over represented in the promoter region of olfactory receptor genes. In the third study, we browsed the human for the presence of intron retention, a type of alternative splicing. In the fourth study, we addressed the transcriptoma complexity and gene expression regulation through the study of pair of sense-antisense genes in human and mouse. In all studies, our results allowed us to make specific conclusions about each phenomenon analyzed which showed us the importance of a large scale approach. In addition, we verified that our computational methods can be efficiently applied to the study of transcription and gene regulation in Homo sapiens and Mus musculus.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-05-22T12:42:04Z No. of bitstreams: 1 DissDMRG.pdf: 6251788 bytes, checksum: 7ef11e629010aba06934d05d8113712d (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-05-23T20:34:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissDMRG.pdf: 6251788 bytes, checksum: 7ef11e629010aba06934d05d8113712d (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-05-23T20:34:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissDMRG.pdf: 6251788 bytes, checksum: 7ef11e629010aba06934d05d8113712d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-25T19:41:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissDMRG.pdf: 6251788 bytes, checksum: 7ef11e629010aba06934d05d8113712d (MD5) Previous issue date: 2016-05-02 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / This dissertation is divided into three chapters. In the first chapter, we provide a concise literature review that discusses key theoretical concepts, the rationale, and main objectives outlined for this study. The second chapter investigates the molecular evolution of the gene family of odor receptors (ORs) identified in the transcriptomes of two species of fruit flies of great economic importance: Anastrepha fraterculus and A. obliqua. The results showed a high percentage of average identities between ORs from these species, as well as recent gene expansions with signs of positive selection. A comparison of rates of synonymous and nonsynonymous substitutions among Anastrepha species detected evidence of positive selection in the gene Or7c, which is associated to an important potential role in aggregation behavior and host choice for oviposition in D. melanogaster. The third chapter investigates patterns of molecular evolution in pheromone binding proteins (PBPs), also identified in A. fraterculus and A. obliqua, as well as studied pattern of polymorphisms, divergence and populational structure of four chemosensory genes amplified in four species of tephritid flies of fraterculus group: A. fraterculus, A. obliqua, A. sororcula and A. turpiniae. This study contrasted previously identified genes with evidence of positive and purifying selection in order to investigate whether they are contributing to the differentiation among some of the species of this group. We found no evidence of positive selection in PBPs studied in a more global comparison, although we found positive selection signals in some of the genes and studied strains. Population analysis of chemosensory genes in different species of Anastrepha detected high levels of intraspecific nucleotide and haplotype diversity. Divergence tests showed that A. obliqua is the most different species of the ones here investigated, having, in general, high levels of nucleotide substitutions, non-synonymous divergence, as well as fixed species specific differences, whereas we failed to find similar differences amongst the other species here studied. The genes Obp28a, Or7c and Or7d were differentiated in A. obliqua, indicating a potential role in the differentiation of other species in the group, or in this species’ diversification and adaptation. / A presente dissertação encontra-se dividida em três capítulos. O primeiro capítulo apresenta uma concisa revisão bibliográfica que aborda os principais conceitos teóricos, a justificativa e os objetivos delineados para este estudo. O segundo capítulo apresenta um estudo da evolução molecular da família gênica dos receptores de odores (ORs) identificados nos transcriptomas de duas espécies de moscas-das-frutas de grande importância econômica: Anastrepha fraterculus e A.obliqua. Os resultados mostraram uma alta porcentagem de identidade média entre os ORs destas espécies, assim como expansões gênicas recentes com sinal de seleção positiva. Quando comparamos as taxas de substituições sinônimas e não-sinônimas entre as espécies de Anastrepha encontramos evidências de seleção positiva no gene Or7c, que está associado em D. melanogaster a um potencial importante papel nos comportamentos de agregação e escolha de frutos para oviposição. No terceiro capítulo apresentamos um estudo do padrão de evolução molecular dos genes que codificam para proteínas ligantes aos feromônios (PBPs), também identificados em A. fraterculus e A. obliqua, assim como também estudamos o padrão de polimorfismos, divergência e estrutura dos genes quimiossensoriais Obp28a, Obp84a, Or7c e Or7d os quais foram amplificados em quatro espécies de moscas-das-frutas do grupo fraterculus, A. fraterculus, A. obliqua, A. sororcula e A. turpiniae. Este estudo foi realizado contrastando genes identificados com sinais de seleção positiva e seleção purificadora com o intuito de investigar se eles estão contribuindo para a diferenciação entre algumas das espécies desse grupo. Não encontramos evidências de seleção positiva nas PBPs estudadas em uma comparação mais global, embora tenhamos encontrado sinais de seleção positiva em alguns dos genes e linhagens estudadas. A análise populacional de genes quimiossensoriais em diferentes espécies de Anastrepha detectou níveis altos de diversidade nucleotídica e haplotípica dentro das espécies. Os testes de divergência mostraram que a espécie A. obliqua é a espécie mais diferenciada, apresentando, em geral, altos níveis de substituições nucleotídicas, divergência não-sinônima, assim como diferenças fixadas quando comparada com as outras espécies. Os genes Obp28a, Or7c e Or7d mostraram-se diferenciados em A. obliqua, indicando um potencial papel na diferenciação desta espécie com respeito às outras espécies estudadas.