Os avanços na pesquisa em biologia molecular e bioquímica permitiram o desenvolvimento de técnicas capazes de extrair informações moleculares de milhares de genes simultaneamente, como DNA Microarrays, SAGE e, mais recentemente RNA-Seq, gerando um volume massivo de dados biológicos. O mapeamento dos níveis de transcrição dos genes em larga escala é motivado pela proposição de que o estado funcional de um organismo é amplamente determinado pela expressão de seus genes. No entanto, o grande desafio enfrentado é o pequeno número de amostras (experimentos) com enorme dimensionalidade (genes). Dessa forma, se faz necessário o desenvolvimento de novas técnicas computacionais e estatísticas que reduzam o erro de estimação intrínseco cometido na presença de um pequeno número de amostras com enorme dimensionalidade. Neste contexto, um foco importante de pesquisa é a modelagem e identificação de redes de regulação gênica (GRNs) a partir desses dados de expressão. O objetivo central nesta pesquisa é inferir como os genes estão regulados, trazendo conhecimento sobre as interações moleculares e atividades metabólicas de um organismo. Tal conhecimento é fundamental para muitas aplicações, tais como o tratamento de doenças, estratégias de intervenção terapêutica e criação de novas drogas, bem como para o planejamento de novos experimentos. Nessa direção, este trabalho apresenta algumas contribuições: (1) software de seleção de características; (2) nova abordagem para a geração de Redes Gênicas Artificiais (AGNs); (3) função critério baseada na entropia de Tsallis; (4) estratégias alternativas de busca para a inferência de GRNs: SFFS-MR e SFFS-BA; (5) investigação biológica das redes gênicas envolvidas na biossíntese de tiamina, usando a Arabidopsis thaliana como planta modelo. O software de seleção de características consiste de um ambiente de código livre, gráfico e multiplataforma para problemas de bioinformática, que disponibiliza alguns algoritmos de seleção de características, funções critério e ferramentas de visualização gráfica. Em particular, implementa um método de inferência de GRNs baseado em seleção de características. Embora existam vários métodos propostos na literatura para a modelagem e identificação de GRNs, ainda há um problema muito importante em aberto: como validar as redes identificadas por esses métodos computacionais? Este trabalho apresenta uma nova abordagem para validação de tais algoritmos, considerando três aspectos principais: (a) Modelo para geração de Redes Gênicas Artificiais (AGNs), baseada em modelos teóricos de redes complexas, os quais são usados para simular perfis temporais de expressão gênica; (b) Método computacional para identificação de redes gênicas a partir de dados temporais de expressão; e (c) Validação das redes identificadas por meio do modelo AGN. O desenvolvimento do modelo AGN permitiu a análise e investigação das características de métodos de inferência de GRNs, levando ao desenvolvimento de um estudo comparativo entre quatro métodos disponíveis na literatura. A avaliação dos métodos de inferência levou ao desenvolvimento de novas metodologias para essa tarefa: (a) uma função critério, baseada na entropia de Tsallis, com objetivo de inferir os inter-relacionamentos gênicos com maior precisão; (b) uma estratégia alternativa de busca para a inferência de GRNs, chamada SFFS-MR, a qual tenta explorar uma característica local das interdependências regulatórias dos genes, conhecida como predição intrinsecamente multivariada; e (c) uma estratégia de busca, interativa e flutuante, que baseia-se na topologia de redes scale-free, como uma característica global das GRNs, considerada como uma informação a priori, com objetivo de oferecer um método mais adequado para essa classe de problemas e, com isso, obter resultados com maior precisão. Também é objetivo deste trabalho aplicar a metodologia desenvolvida em dados biológicos, em particular na identificação de GRNs relacionadas a funções específicas de Arabidopsis thaliana. Os resultados experimentais, obtidos a partir da aplicação das metodologias propostas, mostraram que os respectivos ganhos de desempenho foram significativos e adequados para os problemas a que foram propostos. / Thanks to recent advances in molecular biology and biochemistry, allied to an ever increasing amount of experimental data, the functional state of thousands of genes can now be extracted simultaneously by using methods such as DNA microarrays, SAGE, and more recently RNA-Seq, generating a massive volume of biological data. The mapping of gene transcription levels at large scale is motivated by the proposition that information of the functional state of an organism is broadly determined by its gene expression. However, the main limitation faced is the small number of samples (experiments) with huge dimensionalities (genes). Thus, it is necessary to develop new computational and statistics techniques to reduce the inherent estimation error committed in the presence of a small number of samples with large dimensionality. In this context, particularly important related investigations are the modeling and identification of gene regulatory networks from expression data sets. The main objective of this research is to infer how genes are regulated, bringing knowledge about the molecular interactions and metabolic activities of an organism. Such a knowledge is fundamental for many applications, such as disease treatment, therapeutic intervention strategies and drugs design, as well as for planning high-throughput new experiments. In this direction, this work presents some contributions: (1) feature selection software; (2) new approach for the generation of artificial gene networks (AGN); (3) criterion function based on Tsallis entropy; (4) alternative search strategies for GRNs inference: SFFS-MR and SFFS-BA; (5) biological investigation of GRNs involved in the thiamine biosynthesis by adopting the Arabidopsis thaliana as a model plant. The feature selection software is an open-source multiplataform graphical environment for bioinformatics problems, which supports many feature selection algorithms, criterion functions and graphic visualization tools. In particular, a feature selection method for GRNs inference is also implemented in the software. Although there are several methods proposed in the literature for the modeling and identification of GRNs, an important open problem regards: how to validate such methods and its results? This work presents a new approach for validation of such algorithms by considering three main aspects: (a) Artificial Gene Networks (AGNs) model generation through theoretical models of complex networks, which is used to simulate temporal expression data; (b) computational method for GRNs identification from temporal expression data; and (c) Validation of the identified AGN-based network through comparison with the original network. Through the development of the AGN model was possible the analysis and investigation of the characteristics of GRNs inference methods, leading to the development of a comparative study of four inference methods available in literature. The evaluation of inference methods led to the development of new methodologies for this task: (a) a new criterion function based on Tsallis entropy, in order to infer the genetic inter-relationships with better precision; (b) an alternative search strategy for the GRNs inference, called SFFS-MR, which tries to exploit a local property of the regulatory gene interdependencies, which is known as intrinsically multivariate prediction; and (c) a search strategy, interactive and floating, which is based on scale-free network topology, as a global property of the GRNs, which is considered as a priori information, in order to provide a more appropriate method for this class of problems and thereby achieve results with better precision. It is also an objective of this work, to apply the developed methodology in biological data, particularly in identifying GRNs related to specific functions of the Arabidopsis thaliana. The experimental results, obtained from the application of the proposed methodologies, indicate that the respective performances of each methodology were significant and adequate to the problems that have been proposed.

Escherichia coli enteropatogênica (EPEC) é uma das principais causas de diarreia em crianças. Na carência de fosfato (Pi), um conjunto de genes conhecido como regulon PHO é induzido. Esse regulon é controlado pelo sistema Pst, que além de ser um transportador de Pi, reprime a expressão de PHO quando Pi é abundante, e pelo sistema de dois componentes PhoB/PhoR. A deleção de pst reduziu a adesão de EPEC à células epiteliais in vitro, pois diminuiu da expressão dos reguladores PerA/PerC, que por sua vez controlam a expressão de genes envolvidos na adesão. Este efeito foi exclusivo de pst e não devido a expressão constitutiva dos genes de PHO causada pela deleção de pst. A expressão da fímbria BFP, PerA e PerC também dependem da síntese de ppGpp, uma molécula de alarme envolvida na regulação de genes relacionados à carência nutricional. ppGpp regula positivamente a expressão de PerA e PerC. Entretanto, RpoS, o fator relacionado à resposta ao estresse, afetou negativamente o nível de adesão de EPEC e a expressão de BFP. / Enteropathogenic E. coli (EPEC) is one of the causes of diarrhea in children. Phosphate (Pi) shortage induces transcription of the genes known as the PHO regulon. These genes are controlled by the Pst system, that is also a high-affinity Pi transporter, and represses PHO expression under Pi-replete conditions. PHO is also controlled by the two-component system PhoB/PhoR. Deletion of the pst operon reduced the adhesion of EPEC to epithelial cells in vitro due to a decrease in the expression of the regulators PerA and PerC that in turn control the expression of genes related to adhesion. The constitutive expression of the PHO genes in the pst mutant was not the cause of adhesion inhibition. Expression of bfp and the regulators PerA and PerC was also dependent on ppGpp, an alarmone involved in the regulation of genes related to nutrient limitation. On the other hand, RpoS, the factor that controls the general stress response, negatively affected EPEC adhesion and bfpA expression.

A citricultura é de grande importância para as atividades agrícolas brasileiras, uma vez que o Brasil é o principal produtor e exportador de suco de laranja. O cancro cítrico, causado pela bactéria Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) é um grave problema nesse setor, causando um elevado prejuízo na produção de frutos e seus derivados. O fator sigma é a subunidade da RNA polimerase que tem a função de direcionar o núcleo da RNA polimerase a uma classe específica de sequências promotoras. Como a maioria das bactérias sintetiza diversos fatores sigma, essa característica proporciona à bactéria a oportunidade de manutenção basal da sua expressão gênica, assim como, a regulação em resposta a alterações ambientais e a sinais durante o desenvolvimento bacteriano. O genoma de Xac codifica para 14 fatores sigma. Nesse presente trabalho, detectamos interações dos fatores σECF (Xac2814. Xac3989, Xac0922, Xac1319, Xac1380, Xac1682, Xac4129 e Xac2191) e seus fatores anti-σ cognatos (Xac2815. Xac3988, Xac0921, Xac1320, Xac1379, Xac1681, Xac4130 e Xac2192). Além disso, observamos interações entre o fator σFliA (Xac1933) e o anti-σFlgM (Xac1989), seu fator anti-σ cognato. A caracterização das cepas nocautes para alguns fatores σ apontaram o envolvimento do fator σ54Xac1969 no mecanismo de formação de flagelo, a contribuição do fator σECFXac1682 na resposta ao choque térmico e a participação do fator σECFXac2191 no crescimento bacteriano em condições de carência de ferro. / Citriculture is an important sector of the economy of the State of São Paulo. Citrus canker, caused by Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac), is a devastating disease responsible for large agribusiness losses every year. several sigma factors. The sigma factor is the subunit of RNA polymerase that serves to direct the RNA polymerase core to a specific class of promoter sequences. Most bacteria code for more than one sigma factor, which provides the cell with the means by which to maintain basal gene expression while at the same time modulate the expression of specific genes in response in environmental changes and signals during bacterial growth. The Xac genome codes for 14 sigma factors which are the objects of study in this thesis. We demonstrate that many of the sigma factors of the σECF family (Xac2814, Xac3989, Xac0922, Xac1319, Xac1380, Xac1682, Xac4129 e Xac2191) interact with cognate anti- factors (Xac2815, Xac3988, Xac0921, Xac1320, Xac1379, Xac1681, Xac4130 e Xac2192). These sigma-anti-sigma pairs are all coded by neighboring genes. Interactions between the sigma factor σFliA (Xac1933) and anti-σFlgM (Xac1989) were also observed. Xac strains with gene knockouts for several sigma factors were produced. The characterization some these knockout strains point to the involvement of σ54Xac1969 in the biosynthesis of flagella, participation of σECFXac1682 in the ability to survive heat shock and involvement of σECFXac2191 in the response to iron deficiency.

Seleção de características é um tópico muito importante em aplicações de reconhecimento de padrões, especialmente em bioinformática, cujos problemas são geralmente tratados sobre um conjunto de dados envolvendo muitas variáveis e poucas observações. Este trabalho analisa aspectos de seleção de características no problema de identificação de redes de regulação gênica a partir de sinais de expressão gênica. Particularmente, propusemos um modelo de redes gênicas probabilísticas (PGN) que devolve uma rede construída a partir da aplicação recorrente de algoritmos de seleção de características orientados por uma função critério baseada em entropia condicional. Tal critério embute a estimação do erro por penalização de amostras raramente observadas. Resultados desse modelo aplicado a dados sintéticos e a conjuntos de dados de microarray de Plasmodium falciparum, um agente causador da malária, demonstram a validade dessa técnica, tendo sido capaz não apenas de reproduzir conhecimentos já produzidos anteriormente, como também de produzir novos resultados. Outro aspecto investigado nesta tese é o fenômeno da predição intrinsecamente multivariada (IMP), ou seja, o fato de um conjunto de características ser um ótimo caracterizador dos objetos em questão, mas qualquer de seus subconjuntos propriamente contidos não conseguirem representá-los de forma satisfatória. Neste trabalho, as condições para o surgimento desse fenômeno foram obtidas de forma analítica para conjuntos de 2 e 3 características em relação a uma variável alvo. No contexto de redes de regulação gênica, foram obtidas evidências de que genes alvo de conjuntos IMP possuem um enorme potencial para exercerem funções vitais em sistemas biológicos. O fenômeno conhecido como canalização é particularmente importante nesse contexto. Em dados de microarray de melanoma, constatamos que o gene DUSP1, conhecido por exercer função canalizadora, foi aquele que obteve o maior número de conjuntos de genes IMP, sendo que todos eles possuem lógicas de predição canalizadoras. Além disso, simulações computacionais para construção de redes com 3 ou mais genes mostram que o tamanho do território de um gene alvo pode ter um impacto positivo em seu teor de IMP com relação a seus preditores. Esta pode ser uma evidência que confirma a hipótese de que genes alvo de conjuntos IMP possuem a tendência de controlar diversas vias metabólicas cruciais para a manutenção das funções vitais de um organismo. / Feature selection is a crucial topic in pattern recognition applications, especially in bioinformatics, where problems usually involve data with a large number of variables and small number of observations. The present work addresses feature selection aspects in the problem of gene regulatory network identification from expression profiles. Particularly, we proposed a probabilistic genetic network model (PGN) that recovers a network constructed from the recurrent application of feature selection algorithms guided by a conditional entropy based criterion function. Such criterion embeds error estimation by penalization of rarely observed patterns. Results from this model applied to synthetic and real data sets obtained from Plasmodium falciparum microarrays, a malaria agent, demonstrate the validity of this technique. This method was able to not only reproduce previously produced knowledge, but also to produce other potentially relevant results. The intrinsically multivariate prediction (IMP) phenomenon has been also investigated. This phenomenon is related to the fact of a feature set being a nice predictor of the objects in study, but all of its properly contained subsets cannot predict such objects satisfactorily. In this work, the conditions for the rising of this phenomenon were analitically obtained for sets of 2 and 3 features regarding a target variable. In the gene regulatory networks context, evidences have been achieved in which target genes of IMP sets possess a great potential to execute vital functions in biological systems. The phenomenon known as canalization is particularly important in this context. In melanoma microarray data, we verified that DUSP1 gene, known by having canalization function, was the one which composed the largest number of IMP gene sets. It was also verified that all these sets have canalizing predictive logics. Moreover, computational simulations for generation of networks with 3 or more genes show that the territory size of a target gene can contribute positively to its IMP score with regard to its predictors. This could be an evidence that confirms the hypothesis stating that target genes of IMP sets are inclined to control several metabolic pathways essential to the maintenance of the vital functions of an organism.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIANA_ MOCO CORREA (2).pdf: 1734110 bytes, checksum: 24beceb790c634d766ff59c9de448991 (MD5) Previous issue date: 2014-11-27 / PAPER 1 Depletion of the xynB2 gene upregulates β-Xylosidase expression in C. crescentus. Caulobacter crescentus is able to express several enzymes involved in the utilization of lignocellulosic biomasses. Five genes, xynB1-5, that encode β-xylosidases are present in the genome of this bacterium. In this study, the xynB2 gene, which encodes - xylosidase II (CCNA_02442), was cloned under the control of the PxylX promoter to generate the O-xynB2 strain, which overexpresses the enzyme in the presence of xylose. In addition, a null mutant strain, -xynB2, was created by two homologous recombination events where the chromosomal xynB2 gene was replaced by a copy that was disrupted by the spectinomycin-resistant cassette. It was demonstrated that C. crescentus cells lacking -xylosidase II up-regulates the xynB genes inducing β- xylosidase activity. Transcriptional analysis revealed that xynB1 (RT-PCR analysis) and xynB2 (lacZ transcription fusion) gene expression was induced in the -xynB2 cells, and high -xylosidase activity was observed in the presence of different agroindustrial residues in the null mutant strain, a characteristic that can be explored and applied in biotechnological processes. In contrast, overexpression of the xynB2 gene caused down-regulation of the expression and activity of the -xylosidase. For example, the β-xylosidase activity that was obtained in the presence of sugar cane bagasse was 7-fold and 16-fold higher than the activity measured in the C. crescentus parental and O-xynB2 cells, respectively. Our results suggest that -xylosidase II may have a role in controlling the expression of the xynB1 and xynB2 genes in C.crescentus. PAPER 2 - OPTIMIZATION OF THE PRODUCTION β-XYLOSIDASE: A NEW Thermomyces lanuginosus ISOLATED FROM ATLANTIC FOREST BIOME. The successful production of enzymes for the deconstruction of plant biomass depends not only on the isolation and identification of new microorganism producers of hemicellulases, but also on the implementation and improvement of experimental strategies that lead to maximal induction of enzymatic activities. In this work, a new strain of Thermomyces lanuginosus (T. lanuginosus) was isolated from the Atlantic Forest biome in Brazil, and its β-xylosidase activity in response to agro-industrial residues was tested. Using the (CCRD) statistical approach as a strategy for optimization, the induction of β-xylosidase activity was evaluated in residual corn straw, which was used as a carbon source, and improved so that the optimum condition achieved high β-xylosidase activity (1,003 U ml -1; specific activity = 1.683 U mg-1) with 214 U ml -1. The optimal conditions for the crude enzyme extract were pH 5.5 and 60° C showing better thermostability at 55° C. The saccharification ability of β-xylosidase in the presence of hemicellulose obtained from corn straw and xylan from beechwood substrates showed a xylo-oligosaccharide to xylose conversion yield of 80 and 50%, respectively, at 50° C. These data suggest that β-xylosidase from T. lanuginosus isolated from the Atlantic Forest can be used for the saccharification of hemicellulose derived from corn straw, an abundant residue in the American continents, thus providing an interesting alternative for future tests for energy production that relies on the conversion of plant biomass. / RESUMO GERAL As Beta-D-Xilosidases (1,4-β-D-xilano xilohidrolase; EC 3.2.1.37) são glicosídeo hidrolases que tem papel crucial em catalizar a liberação de unidades de xilose a partir de xilo-oligossacarídeos derivados da degradação do xilano. A completa degradação do xilano é um passo chave do ciclo do carbono na natureza e é um processo também realizado por microrganismos. A bioconversão de materiais lignocelulósicos é vantajosa não somente do ponto de vista ambiental mais também econômico o que é recebido nos setores produtivos com um considerável interesse, pois esses materiais representam vasta fonte de carbono, que podem ser empregados no desenvolvimento de bioprocessos que resultam em produtos de alto valor agregado; entre os quais estão os açúcares fermentáveis, combustíveis, fármacos, enzimas e substâncias de interesse industrial, além de fazer uma gestão integrada do efluente que por não haver um desenvolvimento biotecnológico adequado é descartado e acumulado na natureza. Em face disso, o presente trabalho teve por objetivos estudar a regulação gênica do gene xynB2 da bactéria Caulobacter crescentus que codifica para a Beta-xilosidase II através de abordagens moleculares e otimizar a produção enzimática de Betaxilosidases de Thermomyces lanuginosus na presença de diferentes resíduos de biomassa vegetal por delineamento experimental. No primeiro artigo exploramos a bactéria aquática Caulobacter crescentus por possuir várias enzimas envolvidas na utilização de biomassas lignocelulósicas; contendo em seu genoma cinco genes que codificam β-xilosidases. A partir do gene xynB2, que codifica para enzima -xylosidase II (CCNA_02442), desenvolvemos duas linhagens mutantes denominadas O-xynB2, que super-expressa a enzima na presença de xilose e -xynB2 que tem o gene xynB2 interrompido, o que possibilitou avaliar que a ausência da enzima -xylosidase II em células de C. crescentus regula positivamente os genes xynB, induzindo a atividade global de β-xilosidases, revelando um papel regulatório para a mesma. No segundo trabalho um fungo da linhagem Thermomyces lanuginosus isolado de bioma de Mata Atlântica foi identificado e analisado quanto à capacidade de produzir Beta-xilosidases na presença de diferentes resíduos vegetais; em decorrência disso foi otimizado a produção enzimática com delineamento experimental DCCR, o que permitiu alcançar altos níveis de atividade enzimática beta-xilosidásica na presença de palha de milho.

O operon pst de P. aeruginosa codifica um transportador de fosfato de alta afinida-de e também a proteína PhoU que, em conjunto, atuam como repressores da ex-pressão do regulon Pho dessa espécie. A atividade de PhoU está também associada ao metabolismo de polifosfato (poliP), dado que mutantes phoU nulos apresentam um vasto acúmulo do biopolímero. Ensaios de β-galactosidase mostraram uma alteração na expressão dos genes ppk e ppx, envolvidos no metabolismo de poliP, no mutante phoU. Observou-se que na cepa selvagem, a transcrição de ppk e de ppx não responde às limitações de Pi ou de nitrogênio, sendo esses genes altamente expressos em condições normais de crescimento. Além disso, determinou-se que ppk é co-transcrito com o gene hemB, os quais formam, portanto, um operon. O operon pst também foi analisado. Foi identificado por ensaios de northern blot o transcrito do primeiro gene do operon, pstS, que codifica uma proteína periplasmática. Também, foi identificado um promotor imediatamente a montante de phoU, o gene mais distal do operon, que permitiria sua expressão em condições normais do crescimento bacteriano. Por fim, determinou-se por ensaios de EMSA que as duas sequências consenso Pho box presentes no operon pst são completamente funcionais. / The pst operon in P. aeruginosa encodes a high-affinity phosphate transporter and the PhoU protein, which together act as repressors of Pho regulon of this species. The PhoU activity is also related with polyphosphate (polyP) metabolism, since phoU null mutants have a large accumulation of the biopolymer. β-galactosidase assays allowed to confirm a change in the expression of ppk and ppx genes, in-volved in PolyP metabolism, in the phoU mutant. It was also evidenced that in the wild type strain, the ppk and ppx transcription does not respond to Pi or nitrogen starvation, and that these genes are highly expressed under conditions of normal growth. In addition, it was determined that ppk is co-transcribed with hemB, a gene involved in the synthesis of porphyrins, and they constitute therefore an operon. The pst operon was also examined. Was identified by northern blot the transcript of the first gene in the operon, pstS, which encodes a periplasmic protein. Also, a promoter was identified immediately upstream of phoU, the most distal gene in the operon, allowing its expression in normal conditions of bacterial growth. Finally, it was determined by EMSA that the two consensus sequences Pho box present in the pst operon are fully functional.

O Vírus Polioma (Py), induz a formação de múltiplos tumores em camundongos, e causa transformação maligna em cultura, levando à menor dependência de soro e ancoragem para crescimento. Dentre as proteínas codificadas pelo vírus polioma, o antígeno MT (Middle T), isoladamente, é capaz de transformar linhagens celulares imortalizadas e gerar tumores quando injetadas em camundongos, sendo que este caráter transformante está relacionado à sua capacidade de se ligar e modular a atividade de diversas proteínas, muitas das quais relacionadas com o controle do ciclo celular. Para melhor compreender os mecanismos moleculares da transformação maligna mediada por MT e do controle do ciclo celular, o objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar novas vias de transdução de sinal e novos genes regulados por MT. Para a busca de genes regulados pela atividade de MT, comparou- se o perfil da expressão gênica da linhagem que expressa MT (MTWT) com o da linhagem controle (PLJ) através de três metodologias: membranas de nylon comerciais (Atlas Mouse Cancer 1.2 - Clontech), bibliotecas subtrativas de cDNA construídas através da técnica de RDA (Análise de Diferença Representacional) e lâminas comercias de microarrays (CodeLink Bioarrays - GE Healthcare). As três metodologias permitiram a identificação de cerca de 1.200 genes-candidatos a serem regulados por MT, dos quais 84 genes foram selecionados para terem sua expressão diferencial analisada por Real-Time PCR. Para identificar possíveis vias de transdução de sinal relacionadas à regulação dos genes analisados utilizou-se, como template, além do cDNA proveniente das linhagens PLJ e MTWT, cDNAs de linhagens que expressam a proteína MT mutada nas tirosinas 315, 322, 250 e 315/322. Após confirmação por Real-Time PCR, dois genes foram selecionados para analise funcional: Dlk1 (Delta Like-1 homolog) que, apesar de não ter relação direta com o controle do ciclo celular, está ligado à formação de alguns tumores, e MN1 (Meningioma 1), um gene pouco caracterizado que já foi relacionado à formação de leucemias mielóides e meningiomas. - I - RESUMO Para caracterizar o papel de MN1 na linhagem PLJ, foram geradas linhagens PLJ que superexpressam RNAi de MN1. A análise dos parâmetros de crescimento, em substrato sólido e semi-sólido, da linhagem PLJ parental e PLJ expressando o RNAi de MN1 não apresentou alterações estatisticamente significativas. Para o estudo do efeito de Dlk1 na transformação mediada por MT, foram geradas linhagens MTWT que superexpressam Dlk1, o que levou a um aumento estatisticamente significativo na taxa de divisão celular, quando comparada com a linhagem controle (vetor vazio), indicando um possível papel de Dlk1 no sinal desencadeado por MT e no controle do ciclo celular. Visando identificar novas vias de regulação entre os genes analisados, os níveis de expressão gênica dos demais genes foram avaliados por Real-Time PCR e analisados através de correlação de Pearson, aplicada a cada par de genes. Após a análise, foram identificadas 64 possíveis vias de regulação, sendo que 13 destas foram descritas pela primeira vez no presente trabalho e as demais, por já estarem descritas na literatura, permitiram validar o modelo estudado. / Polyomavirus (Py) induces multiple tumors in mice and malignant transformation in culture, leading to a lower serum and anchorage dependence. Among the proteins coded by the polyomavirus genome, the MT antigen (Middle T) alone is able to transform immortalized cell lines and to generate tumors when injected into animals. This transforming ability is related to its capacity of bind to and modulate several proteins, many of which are related to cell cycle control. Aiming at a better understanding not only of the molecular mechanisms of malignant transformation mediated by MT, but, also, of the processes underlying cell cycle control, the objectives of this work were to identify and characterize novel genes and signal transduction pathways regulated by MT. For screening of the MT regulated genes, the gene expression profiles of the MT expressing MTWT cell line and of the PLJ control cell line were compared using three methodologies: commercial nylon membranes (Atlas Mouse Cancer 1.2 - Clontech), subtracted cDNA libraries constructed using the RDA methodology (Representational Difference Analysis) and commercial microarrays (CodeLink Bioarrays - GE Healthcare). These three methodologies allowed us to identify about 1,200 candidate genes as being regulated by MT, from which 84 genes were selected to have their differential expression analyzed by Real- Time PCR. In an attempt to identify possible signal transduction pathways related to these genes, we used as templates, in addition to cDNAs from the PLJ and MTWT cell lines, cDNAs from cell lines which express MT mutated in tyrosines 315, 322, 250 and 315/322. After confirmation by Real-Time PCR, two genes were selected for further functional analysis: Dlk1 (Like-1 Delta homolog), which is related to the differentiation process and to formation of some tumors, and MN1 (Meningioma 1), a newly identified gene, which can induce leukemia and meningioma tumor formation. To characterize the functional role of MN1, we generated PLJ cell lines in which MN1 was knocked-down by RNAi. The growth characteristics in solid and semi-solid substrates of control PLJ and of - III - ABSTRACT MN1 knocked down PLJ cells did not present any statistically significant alteration. To study the effect of Dlk1 in MT mediated cell transformation, we generated MTWT cell lines overexpressing Dlk1, which induced a significant increase in cell division rate when compared to the empty vector control cell line, indicating a possible role of Dlk1 in the MT induced signals and in cell cycle control. Aiming at identifying new regulatory pathways among the genes analyzed, the Real-Time PCR results were subjected to analysis by Pearson correlation, applied to each pair of genes, allowing us to identify 64 possible regulatory pathways, 13 of which were described, for the first time, in the present work. The other pathways, which had previously been described in the literature, allowed us to validate the model studied.

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:23:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIANA_ MOCO CORREA (2).pdf: 1734110 bytes, checksum: 24beceb790c634d766ff59c9de448991 (MD5) Previous issue date: 2014-11-27 / PAPER 1 Depletion of the xynB2 gene upregulates β-Xylosidase expression in C. crescentus. Caulobacter crescentus is able to express several enzymes involved in the utilization of lignocellulosic biomasses. Five genes, xynB1-5, that encode β-xylosidases are present in the genome of this bacterium. In this study, the xynB2 gene, which encodes - xylosidase II (CCNA_02442), was cloned under the control of the PxylX promoter to generate the O-xynB2 strain, which overexpresses the enzyme in the presence of xylose. In addition, a null mutant strain, -xynB2, was created by two homologous recombination events where the chromosomal xynB2 gene was replaced by a copy that was disrupted by the spectinomycin-resistant cassette. It was demonstrated that C. crescentus cells lacking -xylosidase II up-regulates the xynB genes inducing β- xylosidase activity. Transcriptional analysis revealed that xynB1 (RT-PCR analysis) and xynB2 (lacZ transcription fusion) gene expression was induced in the -xynB2 cells, and high -xylosidase activity was observed in the presence of different agroindustrial residues in the null mutant strain, a characteristic that can be explored and applied in biotechnological processes. In contrast, overexpression of the xynB2 gene caused down-regulation of the expression and activity of the -xylosidase. For example, the β-xylosidase activity that was obtained in the presence of sugar cane bagasse was 7-fold and 16-fold higher than the activity measured in the C. crescentus parental and O-xynB2 cells, respectively. Our results suggest that -xylosidase II may have a role in controlling the expression of the xynB1 and xynB2 genes in C.crescentus. PAPER 2 - OPTIMIZATION OF THE PRODUCTION β-XYLOSIDASE: A NEW Thermomyces lanuginosus ISOLATED FROM ATLANTIC FOREST BIOME. The successful production of enzymes for the deconstruction of plant biomass depends not only on the isolation and identification of new microorganism producers of hemicellulases, but also on the implementation and improvement of experimental strategies that lead to maximal induction of enzymatic activities. In this work, a new strain of Thermomyces lanuginosus (T. lanuginosus) was isolated from the Atlantic Forest biome in Brazil, and its β-xylosidase activity in response to agro-industrial residues was tested. Using the (CCRD) statistical approach as a strategy for optimization, the induction of β-xylosidase activity was evaluated in residual corn straw, which was used as a carbon source, and improved so that the optimum condition achieved high β-xylosidase activity (1,003 U ml -1; specific activity = 1.683 U mg-1) with 214 U ml -1. The optimal conditions for the crude enzyme extract were pH 5.5 and 60° C showing better thermostability at 55° C. The saccharification ability of β-xylosidase in the presence of hemicellulose obtained from corn straw and xylan from beechwood substrates showed a xylo-oligosaccharide to xylose conversion yield of 80 and 50%, respectively, at 50° C. These data suggest that β-xylosidase from T. lanuginosus isolated from the Atlantic Forest can be used for the saccharification of hemicellulose derived from corn straw, an abundant residue in the American continents, thus providing an interesting alternative for future tests for energy production that relies on the conversion of plant biomass. / RESUMO GERAL As Beta-D-Xilosidases (1,4-β-D-xilano xilohidrolase; EC 3.2.1.37) são glicosídeo hidrolases que tem papel crucial em catalizar a liberação de unidades de xilose a partir de xilo-oligossacarídeos derivados da degradação do xilano. A completa degradação do xilano é um passo chave do ciclo do carbono na natureza e é um processo também realizado por microrganismos. A bioconversão de materiais lignocelulósicos é vantajosa não somente do ponto de vista ambiental mais também econômico o que é recebido nos setores produtivos com um considerável interesse, pois esses materiais representam vasta fonte de carbono, que podem ser empregados no desenvolvimento de bioprocessos que resultam em produtos de alto valor agregado; entre os quais estão os açúcares fermentáveis, combustíveis, fármacos, enzimas e substâncias de interesse industrial, além de fazer uma gestão integrada do efluente que por não haver um desenvolvimento biotecnológico adequado é descartado e acumulado na natureza. Em face disso, o presente trabalho teve por objetivos estudar a regulação gênica do gene xynB2 da bactéria Caulobacter crescentus que codifica para a Beta-xilosidase II através de abordagens moleculares e otimizar a produção enzimática de Betaxilosidases de Thermomyces lanuginosus na presença de diferentes resíduos de biomassa vegetal por delineamento experimental. No primeiro artigo exploramos a bactéria aquática Caulobacter crescentus por possuir várias enzimas envolvidas na utilização de biomassas lignocelulósicas; contendo em seu genoma cinco genes que codificam β-xilosidases. A partir do gene xynB2, que codifica para enzima -xylosidase II (CCNA_02442), desenvolvemos duas linhagens mutantes denominadas O-xynB2, que super-expressa a enzima na presença de xilose e -xynB2 que tem o gene xynB2 interrompido, o que possibilitou avaliar que a ausência da enzima -xylosidase II em células de C. crescentus regula positivamente os genes xynB, induzindo a atividade global de β-xilosidases, revelando um papel regulatório para a mesma. No segundo trabalho um fungo da linhagem Thermomyces lanuginosus isolado de bioma de Mata Atlântica foi identificado e analisado quanto à capacidade de produzir Beta-xilosidases na presença de diferentes resíduos vegetais; em decorrência disso foi otimizado a produção enzimática com delineamento experimental DCCR, o que permitiu alcançar altos níveis de atividade enzimática beta-xilosidásica na presença de palha de milho.

Escherichia coli enteropatogênica (EPEC) é uma das principais causas de diarreia em crianças. Na carência de fosfato (Pi), um conjunto de genes conhecido como regulon PHO é induzido. Esse regulon é controlado pelo sistema Pst, que além de ser um transportador de Pi, reprime a expressão de PHO quando Pi é abundante, e pelo sistema de dois componentes PhoB/PhoR. A deleção de pst reduziu a adesão de EPEC à células epiteliais in vitro, pois diminuiu da expressão dos reguladores PerA/PerC, que por sua vez controlam a expressão de genes envolvidos na adesão. Este efeito foi exclusivo de pst e não devido a expressão constitutiva dos genes de PHO causada pela deleção de pst. A expressão da fímbria BFP, PerA e PerC também dependem da síntese de ppGpp, uma molécula de alarme envolvida na regulação de genes relacionados à carência nutricional. ppGpp regula positivamente a expressão de PerA e PerC. Entretanto, RpoS, o fator relacionado à resposta ao estresse, afetou negativamente o nível de adesão de EPEC e a expressão de BFP. / Enteropathogenic E. coli (EPEC) is one of the causes of diarrhea in children. Phosphate (Pi) shortage induces transcription of the genes known as the PHO regulon. These genes are controlled by the Pst system, that is also a high-affinity Pi transporter, and represses PHO expression under Pi-replete conditions. PHO is also controlled by the two-component system PhoB/PhoR. Deletion of the pst operon reduced the adhesion of EPEC to epithelial cells in vitro due to a decrease in the expression of the regulators PerA and PerC that in turn control the expression of genes related to adhesion. The constitutive expression of the PHO genes in the pst mutant was not the cause of adhesion inhibition. Expression of bfp and the regulators PerA and PerC was also dependent on ppGpp, an alarmone involved in the regulation of genes related to nutrient limitation. On the other hand, RpoS, the factor that controls the general stress response, negatively affected EPEC adhesion and bfpA expression.

O operon pst de P. aeruginosa codifica um transportador de fosfato de alta afinida-de e também a proteína PhoU que, em conjunto, atuam como repressores da ex-pressão do regulon Pho dessa espécie. A atividade de PhoU está também associada ao metabolismo de polifosfato (poliP), dado que mutantes phoU nulos apresentam um vasto acúmulo do biopolímero. Ensaios de β-galactosidase mostraram uma alteração na expressão dos genes ppk e ppx, envolvidos no metabolismo de poliP, no mutante phoU. Observou-se que na cepa selvagem, a transcrição de ppk e de ppx não responde às limitações de Pi ou de nitrogênio, sendo esses genes altamente expressos em condições normais de crescimento. Além disso, determinou-se que ppk é co-transcrito com o gene hemB, os quais formam, portanto, um operon. O operon pst também foi analisado. Foi identificado por ensaios de northern blot o transcrito do primeiro gene do operon, pstS, que codifica uma proteína periplasmática. Também, foi identificado um promotor imediatamente a montante de phoU, o gene mais distal do operon, que permitiria sua expressão em condições normais do crescimento bacteriano. Por fim, determinou-se por ensaios de EMSA que as duas sequências consenso Pho box presentes no operon pst são completamente funcionais. / The pst operon in P. aeruginosa encodes a high-affinity phosphate transporter and the PhoU protein, which together act as repressors of Pho regulon of this species. The PhoU activity is also related with polyphosphate (polyP) metabolism, since phoU null mutants have a large accumulation of the biopolymer. β-galactosidase assays allowed to confirm a change in the expression of ppk and ppx genes, in-volved in PolyP metabolism, in the phoU mutant. It was also evidenced that in the wild type strain, the ppk and ppx transcription does not respond to Pi or nitrogen starvation, and that these genes are highly expressed under conditions of normal growth. In addition, it was determined that ppk is co-transcribed with hemB, a gene involved in the synthesis of porphyrins, and they constitute therefore an operon. The pst operon was also examined. Was identified by northern blot the transcript of the first gene in the operon, pstS, which encodes a periplasmic protein. Also, a promoter was identified immediately upstream of phoU, the most distal gene in the operon, allowing its expression in normal conditions of bacterial growth. Finally, it was determined by EMSA that the two consensus sequences Pho box present in the pst operon are fully functional.