A identificação de mecanismos moleculares é importante para entender os eventos fisiológicos que ocorrem durante o processo de maturação sexual. O objetivo deste trabalho foi semiquantificar o RNAm para os receptores de gonadotrofinas em células da granulosa de folículos dominantes em crescimento de novilhas Nelore pré-púberes, buscando associação com a fertilidade precoce. As novilhas foram separadas em Precoce (P, n=6) e Não Precoce (NP, n=16), de acordo com o diagnóstico positivo de gestação aos 15 meses de idade. Realizou-se exame ultra-sonográfico dos ovários durante 17 dias para a identificação da onda folicular, o folículo dominante com 8-9 mm foi aspirado via trans-vaginal. O RNA total foi extraído das amostras e convertido a DNA complementar que teve uma região amplificada para a expressão dos genes para os receptores de gonadotrofinas. A semiquantificação foi feita por análise digital onde levou-se em consideração a intensidade média das bandas (unidade arbitrária - UA) em gel de poliacrilamida (8%) corado com uma solução de TBE-brometo de etídio (0,02%). Foi utilizado o RNAm para o gene do GAPDH como controle interno para corrigir a expressão dos receptores de gonadotrofinas em função da quantidade de RNA em cada amostra. Não houve diferença entre P e NP na quantidade de RNAm para o receptor de FSH (FSHr, 1,14±0,07 e 1,19±0,04 UA) e de LH (LHr 0,79±0,12 e 0,78±0,05 UA, respectivamente). Foi detectada a presença de splicing alternativo do RNAm para o receptor de LH (LHrs), pelo aparecimento de banda com peso molecular diferente, em todos os animais do experimento, constatando-se através do sequenciamento que o material apresentava a deleção do exon 10. As novilhas P apresentaram maior percentagem de LHrs em relação ao LHr (LHrs/LHr) (83,66±4,26%) quando comparadas a NP (70,05±3,39%). A quantidade de RNAm para receptores de gonadotrofinas parece não estar relacionada com o aparecimento de fertilidade precoce, mas a maior percentagem de deleção do exon 10 no RNAm para o LHr pode estar envolvida com a fertilidade precoce em novilhas Nelore. / Identification of molecular mechanisms is important to understand the physiological events occurring during the process of sexual maturation. The objective of this work was to semiquantify the mRNA for gonadotropins receptors from granulosa cells of developing dominant follicles in pre-pubertal Nellore heifers and associate the results to precocious fertility. The heifers were sorted in Precocious (P, n=6) and Non Precocious (NP, n=16), according to positive pregnancy at 15 months of age. Ovarian ultrasound examination was performed through 17 days for follicular wave identification, the growing dominant follicle was aspirated at 8-9 mm. Total mRNA was extracted from the granulosa cells samples, converted to complementary DNA and had a region amplified for gene expression for gonadotropins receptors. The semiquantification was performed by digital analysis of intensity average for the bands (arbitrary unit - AU) in poliacrilamida gel (8%) stained with etidio TBE-bromide solution (0,02%). mRNA for GAPDH gene was used as internal control to correct the expression of gonadotropins receptors to the amount of mRNA in each sample. There was no difference between P and NP in the amount of mRNA for FSH receptors (FSHr, 1,14±0,07 and 1,19±0,04 AU) and LH receptors (LHr 0,79±0,12 and 0,78±0,05 AU, respectively). Heifers presented alternative splicing of mRNA for LH receptors (LHrs) evidenced through sequencing, as the absence of exon 10. P heifers presented greater percentage of LHrs in relation to LHr (LHrs/LHr) (83,66±4,26%) when compared the NP (70,05±3,39%). The amount of mRNA for gonadotropins receptors was not related with precocious fertility, but the greater percentage of exon 10 deletion from mRNA for LHr was associate the precocious fertility in Nelore heifers.

O dermatófito Trichophyton rubrum é um fungo filamentoso, antropofílico, que invade tecidos queratinizados causando infecções superficiais e cutâneas. Algumas drogas são usadas para o tratamento das dermatofitoses, sendo o ácido undecanóico (AUN) uma delas. O AUN é o mais tóxico dos ácidos graxos saturados de cadeia média, utilizado como medicamento de uso tópico. O estudo de expressão gênica e mecanismos regulatórios são fundamentais para ampliar o conhecimento dos mecanismos moleculares envolvidos na resposta à exposição a estes agentes citotóxicos. Portanto, o objetivo deste trabalho foi caracterizar os mecanismos moleculares envolvidos no processo adaptativo da exposição ao ácido undecanóico, através da análise global do transcriptoma e mecanismos regulatórios como o processamento alternativo. Para tanto o micélio de T.rubrum foi submetido ao ácido undecanóico por 3 e 12 h de exposição, em triplicata biológica, e o RNA resultante foi submetido ao sequenciamento por RNAseq. O sequenciamento gerou aproximadamente 58 milhões de reads por biblioteca, as quais foram filtradas e alinhadas com o genoma de referência utilizando-se os softwares FASTQC e bowtie2, respectivamente. A análise de expressão gênica diferencial foi feita por meio do pacote do Bioconductor DESeq e, para esta análise, foi utilizada a amostra de 0h como referência. Foram identificados 492 genes diferencialmente expressos em resposta ao AUN, sendo 385 e 210 genes modulados em resposta a 3 e 12 horas de exposição, respectivamente. Estes genes estão relacionados a vários processos celulares envolvendo transporte transmembrana, degradação de xenobióticos, metabolismo de lipídeos e aminoácidos, secreção de enzimas proteolíticas e patogênese, sugerindo que o AUN ativa duas principais vias de sobrevivência em resposta a este agente estressor, a degradação e o efluxo da droga. Posteriormente, foram realizadas as análises de processamento alternativo quanto ao uso diferencial de exons por meio do algoritmo HTSeq e DEXSeq e retenção de introns utilizando-se algoritmos construídos na linguagem Perl. Os genes envolvidos em algum tipo de processamento alternativo estão relacionados com funções metabólicas variadas como tradução, transporte vesicular, metabolismo lipídico, biogênese ribossomal, sequência de ligação ao DNA, regulação da transcrição e processamento do pré-mRNA. Estes resultados contribuem para uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos na resposta de sobrevivência perante a exposição ao AUN. / The dermatophyte Trichophyton rubrum is a filamentous fungus, anthropophilic that invades keratinized tissue causing superficial infections on the skin. Some drugs are used for the treatment of dermatophytosis, being the undecanoic acid (AUN) one of them. The AUN the most toxic of the saturated medium chain fatty acids, is used as a topical medicine. The study of gene expression and the regulatory mechanisms are fundamental to understand the molecular mechanisms involved in response to exposure of these cytotoxic agents. So, the aim of this study was to characterize the molecular mechanisms involved in the adaptive process of the exposure to undecanoic acid, by the global analysis of the transcriptome and regulatory mechanisms such as alternative splicing. To this end, the mycelium of T. rubrum was exposed to undecanoic acid for 3 or 12 hours in biological triplicate, and the resulting RNA was sequenced by RNA-Seq. The sequencing generated approximately 58 million of reads per library, which were filtered and aligned with the reference genome using the softwares and Bowtie2 and FASTQC, respectively. The analysis of differential gene expression was performed through the Bioconductor package DESeq and, for this analysis, we used as reference sample the 0h time. We identified 492 differentially expressed genes in response to UDA, being 385 and 210 genes modulated in response to 3 and 12 hours of exposure, respectively. These genes are related to various cellular processes involving the transmembrane transport, xenobiotics degradation, lipids and amino acids metabolism, secretion of proteolytic enzymes and pathogenesis, suggesting the activation of two major survival pathways in response to this stressor, degradation and drug efflux, by UDA. Also, the alternative splicing analysis was performed through the differential use of exons using the algorithms HTSeq and DEXSeq and intron retention using algorithms built in Perl language. The genes involved in some kind of alternative splicing are associated with various metabolic functions such as translation, vesicular transport, lipid metabolism, ribosomal biogenesis, DNA binding sequence, transcription regulation and processing of pre-mRNA. These results contribute to increase the knowledge of the molecular mechanisms involved in the survival response upon exposure to the AUN.

Orientadores: Jörg Kobarg, José Andrés Yunes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-23T04:43:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Righetto_GermannaLima_M.pdf: 4383560 bytes, checksum: b0f7fd3a783153d8832bcf6f44d4b195 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O processo de splicing do RNAm é responsável por orquestrar a junção de exons, criando uma grande diversidade de isoformas gênicas. Alterações nos componentes da maquinaria de splicing e, consequentemente, no processamento do pré-RNAm podem causar ou contribuir para uma infinidade de doenças, dentre elas o câncer. A proteína SF2/ASF foi o primeiro fator de splicing a ser caracterizado como proto-oncogênico, estando superexpresso em diferentes tipos de neoplasias. Sabe-se que a ativação desse fator é, principalmente, mediada por SR quinases conhecidas como splicing quinases e pertencentes à família das SRPKs. A quinase SRPK1, responsável pela fosforilação de SF2/ASF no citoplasma, tem conhecida superexpressão em leucemias. Já a quinase SRPK2, paráloga a SRPK1, possui relação já demonstrada com a proliferação de células leucêmicas e com sua diferenciação. Diante desse quadro, buscamos nesse estudo possíveis correlações entre a maquinaria de splicing e o câncer, dando enfoque à relação entre essa maquinaria e a leucemia. Para tanto, buscamos alterações no cDNA de SRPK2 e quantificamos a expressão das SR quinases SRPK1, SRPK2 e CLK1 em diferentes linhagens de leucemia. Além disso, avaliamos, usando o sistema de Exon Array (Affymetrix), o efeito da superexpressão do fator de splicing SF2/ASF em células de mamífero, buscando alterações globais no splicing dessas células capazes de explicar o caráter oncogênico do fator. Foram encontradas nesse estudo duas novas isoformas de SRPK2, isoladas a partir do cDNA das linhagens de leucemia estudadas. Também foi observada a expressão diferencial das SR quinases SRPK1 e SRPK2 nas linhagens leucêmicas de origem linfóide e mieloide, dando indícios sobre um possível papel divergente dessas quinases nos diferentes tipos de leucemia. Além disso, nas análises preliminares do conjunto de dados obtidos no experimento de Exon Array, foi possível traçar importantes considerações sobre seu caráter oncogênico. Esses dados preliminares do experimento de Exon Array, somados às demais alterações encontradas nas SR quinases, fornecem novas e interessantes pistas sobre a relação entre alterações na maquinaria de splicing e a oncogênese / Abstract: The mRNA splicing is the cellular process responsible for RNA edition, expanding the genome by the combination of gene exons. Mutations in components of this machinery may cause or contribute to a variety of diseases, including cancer. The SF2/ASF protein was the first splicing factor characterized as proto-oncogenic by its overexpression in diverse neoplasias. The cellular activation of this and other splicing factors are mainly dependent on specific kinases, known as splicing kinases and components of a SRPKs family. The SRPK1 kinase, responsible for the cytoplasmic phosphorylation of SF2/ASF, is overexpressed in leukemia. SRPK2, a paralog of SRPK1, is involved in leukemia cell proliferation and differentiation. In this study we searched for splicing machinery and cancer correlations, focusing in the relationship of this machinery and leukemia. In this study we searched for alterations in SRPK2 cDNA and quantified the expression of this kinase and SRPK1 and CLK1 in leukemia immortalized cells. Moreover, we analyzed using Exon Arrays (Affymetrix) the effect of SF2/ASF overexpression in global splicing of non-oncogenic cells, searching for alterations related to its oncogenic character. In this study we discovered two new isoforms of SRPK2 amplified through different leukemia cell lineages. We confirmed the differential expression of SRPK1 and SRPK2 kinases in lymphoid and myeloid leukemia lineages indicating a divergent correlation of these kinases in different leukemia types. In the Exon Array preliminary analysis we also observed important alterations in cellular gene expression. These data and the alterations found in SR kinases provide new and interesting clues about the relationship of splicing machinery alterations and oncogenesis / Mestrado / Genetica Animal e Evolução / Mestra em Genética e Biologia Molecular

O splicing alternativo é o processo pelo qual diversos transcritos podem ser gerados a partir de um único gene, sendo de extrema importância para diversidade do repertório transcricional e proteico. Diferentes variantes de splicing são expressas entre os diferentes tecidos e estágios de desenvolvimento garantindo o funcionamento normal da célula, portanto, qualquer alteração neste padrão pode resultar no aparecimento de doenças. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi o estabelecimento de metodologias para identificação de variantes de splicing em câncer de mama sob influência do oncogene ERBB2, o qual é um marcador de mau prognóstico altamente expresso em cerca de 30% dos tumores de mama. Foram estabelecidas duas estratégias para construção de bibliotecas de cDNA. A construção de bibliotecas de cDNA enriquecidas para splicing alternativo, baseada na formação e captura de moléculas de heteroduplexes em combinação com a amplificação de RNAm, foi realizada a partir de RNA total de linhagem celular de mama e a partir de um grupo de cinco amostras tumorais, todas com alta expressão de ERBB2. Foram identificadas 79 possíveis variantes de splicing alternativo em câncer de mama, das quais 18 foram selecionadas para validação por RT-PCR. Foi obtida uma taxa de vallidação de 94% e foram identificadas duas novas variantes de splicing alternativo. A regulação da expressão mediada por ERBB2 de três variantes de splicing foi confirmada por duas metodologias distintas, eletroforese em chip e estratégia baseada na ligação de sondas específicas, que revelou desbalanço de expressão entre as variantes, demonstrando a influência do oncogene na regulação de variantes de splicing. A segunda abordagem utilizada, foi a construção de bibliotecas de cDNA para avaliação do transcriptoma total, utilizando sequênciamento de alto desempenho. Foram utilizados RNA total de duas linhagens celulares de mama que diferem apenas na expressão do gene ERBB2. Foram identificadas 2.865 novas variantes de splicing, das quais 20, que reportaram a identificação de um novo éxon, foram selecionadas para validação, com uma taxa de validação de 90%. Seis destas variantes apresentaram aumento de expressão na linhagem com alta expressão de ERBB2. Além disso, foi detectado um enriquecimento de algumas categorias de variantes na linhagem celular com alta expressão de ERBB2, reforçando a influência do oncogene na regulação do splicing alternativo, podendo resultar em variantes de splicing associadas a este grupo de câncer de mama, que podem ser candidatas a marcadores moleculares. / Alternative splicing is a process, by which many differente transcripts can be generated by one single gene, significantly expanding the transcriptional and proteomic diversity. Different splicing variants are generated among different transcripts and developmental stages, assuring normal cell function. Therefore, alterations in the splicing process can lead to diseases outcome. In this context, the aim of this study was the establishment of methodologies for the identification of alternative splicing in breast cancer influenced by ERBB2 oncogene, which is a poor prognostic molecular marker, highly expressed in 30% of human breast cancer. Two strategies were established for the construction of cDNA libraries. Alternative enriched splicing libraries, based on heteroduplex capture combined with mRNA amplification, were constructed from total RNA from a cell line and also from five tumor samples, all of them presenting high ERBB2 expression. Seventy nine putative splicing variants were identified and 18 of them were selected for RT-PCR validation. A high validation level was obtained (94%) and two novel alternative splicing variants were identified. ERBB2 mediated regulation was confirmed for three variants by two distinct methodologies, electrophoresis on a chip and probe specific ligation approach. The alteration in the expression balance of variants suggests the influence of the oncogene in the splicing pattern regulation. The second strategy was the construction of cDNA libraries for global transcriptome analysis based on deep sequencing. Total RNA from two mammary epithelial cell lines expressing different ERBB2 levels were used and 2,865 novel splicing variants were identified. Twenty novel events reporting the inclusion of novel exons were selected for RT-PCR validation with 90% validation rate. Six variants presented higher expression in the cell line with high levels of ERBB2. Moreover enrichment in splicing events was detected in the ERBB2 high expressing cell line, supporting the ERBB2 influence in alternative splicing regulation, possibly resulting in splicing variants associated to this subgroup of cancer that can be tested as molecular markers.

A ADAM23 é uma glicoproteína transmembrana pertencente à família ADAM (A Disintegrin and Metalloprotease) que apresenta a estrutura protéica típica dos membros desta família, mas não possui atividade de metaloprotease. O gene ADAM23 apresenta três isoformas de splicing, α, β e γ, que codificam proteínas com porções C-terminais distintas. As isoformas α e β codificam proteínas com domínios transmembranas diferentes, enquanto γ provavelmente consiste em uma isoforma secretada ou citoplasmática de ADAM23. Foi demonstrado que o gene ADAM23 está epigeneticamente silenciado em tumores de mama de estágios mais avançados e que seu silenciamento está associado a um maior risco de desenvolvimento de metástases e a um pior prognóstico. Recentemente, foi descrito que a proteína ADAM23 interage diretamente com a integrina αVβ3 na linhagem tumoral de mama MDA-MB-435, sendo capaz de modular seu estado conformacional, controlando sua ativação. Utilizando RNAi, observou-se que o silenciamento completo do gene ADAM23 (i.e., as três isoformas) aumenta os níveis de αVβ3 em conformação ativa na superfície das células MDA-MB-435, promovendo um incremento de sua capacidade migratória e adesiva. No presente trabalho, avaliamos por reações de amplificação em tempo real o perfil de expressão das três isoformas de splicing do gene ADAM23 em cinco tecidos normais (mama, cólon, cérebro, próstata e pâncreas) e em doze linhagens tumorais derivadas destes tecidos. Observamos diferenças nos níveis de expressão das isoformas em todas as amostras avaliadas, tanto dentro de uma determinada amostra, como quando comparamos tecidos normais entre si ou com linhagens tumorais. A isoforma γ é a mais expressa em todos os tecidos normais (exceto em cérebro) e em todas as linhagens tumorais. Em tecido normal de mama e de próstata e nas doze linhagens tumorais, ADAM23α é a segunda isoforma mais expressa, sendo β a menos expressa. Constatamos também que a fração representada por cada isoforma, em relação à expressão total do gene ADAM23, está alterada nas linhagens tumorais, em comparação aos tecidos normais correspondentes. Com o intuito de elucidar a função das isoformas de ADAM23 separadamente, utilizamos shRNAs (short hairpin RNAs) para reduzir a expressão de cada isoforma de modo individual e específico na linhagem tumoral MDA-MB-435, e avaliamos seu efeito na proliferação, na morfologia, na adesão e no espraiamento celular. Verificamos que a redução da expressão da isoforma γ aumentou significativamente a taxa de proliferação das células MDA-MB-435 cultivadas em modelo tridimensional. Demonstramos também que ADAM23γ participa da regulação da morfologia e da capacidade de espraiamento das células MDA-MB-435 em condições padrão de cultivo (i.e., meio de cultura completo e placas não-sensibilizadas com substratos) e em componentes específicos da matriz extracelular, como fibronectina, colágeno I e matrigel. A isoforma α também está envolvida no controle da morfologia e do espraiamento da linhagem MDA-MB-435, porém, de modo distinto da isoforma γ. Já ADAM23β não interfere na morfologia das células MDA-MB-435 e tem efeito marginal no espraiamento celular apenas em condições padrão de cultivo. Em conjunto, nossos resultados demonstram que as isoformas de ADAM23 são diferencialmente expressas em tecidos normais e tumorais, e exercem funções biológicas distintas. / ADAM23 is a transmembrane glycoprotein that belongs to the ADAM (A Disintegrin and Metalloprotease) family of proteins and exhibits the typical protein structure of the family members, but it doesn\'t have metalloprotease activity. The ADAM23 gene has three splicing isoforms, α, β and γ, that code for proteins with different C-terminal regions. Isoforms α and β code for proteins with different transmembrane domains, while γ probably constitute a secreted or cytoplasmatic isoform of ADAM23. It has been demonstrated that the ADAM23 gene is epigenetically silenced in advanced stage breast tumors and that its silencing is associated with a higher risk of developing metastases and with a worse prognosis. Recently, it was described that ADAM23 protein interacts directly with αVβ3 integrin in the breast tumor cell line MDA-MB-435, modulating its conformational state and controlling its activation. Using RNAi, it was observed that the complete silencing of ADAM23 gene (the three isoforms) raises the levels of αVβ3 in its active conformation in the surface of MDA-MB-435 cells, promoting an increase in its migratory and adhesive capacity. In the present work, we evaluated by real time PCR the expression pattern of the three splicing isoforms of ADAM23 gene in five normal tissues (breast, colon, brain, prostate and pancreas) and in twelve tumor cell lines derived from these tissues. We observed differences in the expression levels of the three isoforms in all samples, either within a specific sample or comparing normal tissues among them or with tumor cell lines. Isoform γ has the highest expression in all normal tissues (except for brain) and in all tumor cell lines evaluated. In breast and prostate normal tissues and in all tumor cell lines, ADAM23α is the second most expressed isoform, while β is the less expressed. We also noticed that the ratio represented by each isoform, relative to the total expression of ADAM23 gene, is altered in the tumor cell lines, compared to the corresponding normal tissues. With the aim to elucidate the function of ADAM23 isoforms separately, we used shRNAs (short hairpin RNAs) to reduce the expression of each isoform specifically in the MDA-MB-435 tumor cell line, and studied its effects in proliferation, morphology, adhesion and cell spreading. We observed that the reduced expression of isoform γ significantly increased the proliferation rate of MDA-MB-435 cells cultivated in tridimensional system. Also, we demonstrated that ADAM23γ participates in the regulation of cell morphology and spreading of MDA-MB-435 cells, both in standard culture conditions (cell culture media with fetal serum and in plates not sensitized with substrates) and in specific components of extracellular matrix, such as fibronectin, collagen type I and matrigel. Isoform α is also involved in the control of morphology and spreading of MDA-MB-435 cell line, although in a distinct manner from isoform γ. ADAM23β doesn\'t interfere in the morphology of MDA-MB-435 cells and plays a discrete role in cell spreading only under standard culture conditions. Together, our results demonstrate that ADAM23 isoforms are differently expressed in normal and tumoral tissue, and play distinct biological roles.

Os genes eucarióticos, em sua maioria, são divididos em exons e introns, requerendo processamento do RNAm para remover as sequências intrônicas e juntar os exons (splicing). As bordas exon/intron são definidas por sítios de splice que normalmente são reconhecidos com alta fidelidade, gerando os mesmos RNAms processados a cada vez. Apesar desse reconhecimento preciso, tem sido observada a junção de exons de maneiras alternativas (splicing alternativo), foco de muitos estudos recentes devido à sua importância em vários processos biológicos. Este processamento alternativo do RNAm pode ser principalmente de três tipos: exclusão de exon, no qual um exon pode ser incluído ou não no RNAm maduro; uso alternativo de sítios de splice, resultando em exons mais longos ou mais curtos e retenção de intron, o tipo menos estudado, no qual uma sequência intrônica é mantida no RNAm maduro. Um dos aspectos cruciais no entendimento de splicing alternativo é conhecer os mecanismos que levam à geração de diferentes transcritos. Coerente com a importância dos sítios de splice no splicing de RNAms, a retenção de intron parece ser causada por falha no reconhecimento daqueles que são sub-ótimos. Como os sítios de splice são reconhecidos aos pares ao se estabelecer uma ponte através de exons ou introns, dependendo de qual é mais curto, uma falha no reconhecimento de um exon ou de um intron leva a diferentes tipos de splicing alternativo (exclusão de exon ou retenção de intron, respectivamente). Desta forma, acredita-se que a ocorrência de retenção de intron esteja também associada a uma falha no reconhecimento de introns curtos. Embora estudos de introns retidos individuais tenham abordado estas questões, poucas análises sistemáticas de grandes quantidades de dados foram conduzidas sobre as características gerais que levam à retenção de intron. Para este fim, realizamos uma análise de bioinformática de sequências do genoma e transcriptoma (RNAm) humanos armazenadas em formato de computador. Para realizar as análises computacionais, desenvolvemos um sistema de anotação de splicing alternativo completo. Particionamos os eventos de retenção de intron identificados em sequências expressas pelo nosso sistema de anotação em dois grupos, com base na abundância relativa das duas isoformas (um grupo de eventos com <50% e outro com >50% de transcritos retendo o intron) e comparamos características relevantes. Verificamos que uma maior frequência de retenção de intron em humano está associada a sítios de splice mais fracos, genes com introns mais curtos e maior nível de expressão gênica, e menor densidade de um conjunto de elementos inibitórios exônicos e do promotor de splicing intrônico GGG. Os dois grupos apresentaram eventos conservados em camundongo, nos quais os introns retidos também eram curtos e apresentavam sítios de splice mais fracos. Embora nossos resultados tenham confirmado que sítios de splice mais fracos estão associados à retenção de intron, eles mostram que uma fração não-desprezível dos eventos não pode ser explicada apenas por esta característica. Nossa análise sugere que elementos reguladores em cis provavelmente têm um papel na regulação da retenção de intron e também revelou características previamente desconhecidas que parecem influenciar sua ocorrência. Estes resultados salientam a importância de considerar o compromisso entre estas características na regulação da frequência relativa de retenção de intron. / Most eukaryotic genes are split in exons and introns, requiring mRNA processing to remove intervening sequences and join exons (splicing). Exon/intron borders are defined by splice sites that are normally recognized with high fidelity, yielding the same processed mRNA each time. Notwithstanding such precise recognition, alternative joining of exons has been observed (alternative splicing) and is the focus of many recent studies, due to its importance in several biological processes. This alternative mRNA processing can be mainly of three types: exon skipping, whereby an exon may be included or not in the mature mRNA; alternative use of splice sites, resulting in longer or shorter exons and intron retention, the least studied type whereby an intronic sequence is maintained in the mature mRNA. One of the key aspects in understanding alternative splicing is to know the mechanisms that lead to the generation of different transcripts. Coherent with the importance of splice sites in mRNA splicing, intron retention seems to be caused by failure in the recognition of those that are sub-optimal. As splice sites are recognized in pairs by bridging either exons or introns, depending on which is the shortest, failure to recognize an exon or an intron leads to different types of alternative splicing (exon skipping or intron retention, respectively). This way, the occurrence of intron retention is believed to be associated to failure in recognition of short introns also. Although studies on individual retained introns have addressed such issues, few systematic surveys of large amounts of data have been conducted on the general features leading to intron retention. To this end, we performed a bioinformatics analysis of human genome and transcriptome (mRNA) sequences stored in computer format. To perform the computational analyses we developed a complete alternative splicing annotation system. We partitioned intron retention events identified in expressed sequences by our annotation system in two groups based on the relative abundance of both isoforms (one group of events with <50% and another with >50% of transcripts retaining the intron) and compared relevant features. We found that a higher frequency of intron retention in human is associated to weaker splice sites, genes with shorter intron lengths and higher expression level, and lower density of a set of exonic inhibitory elements and the intronic splicing enhancer GGG. Both groups of events presented conserved events in mouse, in which the retained introns were also short and presented weaker splice sites. Although our results confirmed that weaker splice sites are associated to intron retention, they showed that a non-negligible fraction of events can not be explained by this feature alone. Our analysis suggests that cis-regulatory elements are likely to play a crucial role in regulating intron retention and also revealed previously unknown features that seem to influence its occurrence. These results highlight the importance of considering the interplay among these features in the regulation of the relative frequency of intron retention.

Constitutive and alternative splicing of pre-mRNAs from multiexonic genes controls the diversity of the proteome; these precisely regulated processes also fine-tune responses to cues related to growth, development, and biotic and abiotic stresses. Recent work showed that AS is pervasive across plant species, with more than 60% of intron-containing genes producing different isoforms. Mammalian cell-based assays have discovered various AS small-molecule inhibitors that perturb splicing and thereby provide invaluable tools for use as chemical probes to uncover the molecular underpinnings of splicing regulation and as potential anticancer compounds. Here, I show that the macrolide Pladienolide B (PB) and herboxidiene (GEX1A) inhibits both constitutive and alternative splicing, mimics an abiotic stress signal, and activates the abscisic acid (ABA) pathway in plants. Moreover, PB and GEX1A activate genome-wide transcriptional patterns involved in abiotic stress responses in plants. PB and GEX1A treatment triggered the ABA signaling pathway, activated ABA-inducible promoters, and led to stomatal closure. Interestingly, PB and GEX1A elicited similar cellular changes, including alterations in the patterns of transcription and splicing, suggesting that these compounds might target the same spliceosome complex in plant cells. This work establishes PB and GEX1A as potent splicing inhibitors in plants that can be used to probe the assembly, dynamics, and molecular functions of the spliceosome and to study the interplay between splicing stress and abiotic stresses, as well as having potential biotechnological applications.

Precise engineering of genomes holds great promise to advance our understanding of gene function and biotechnological applications. DNA double strand breaks are repaired via imprecise non-homologous end joining repair or via precise homology-directed repair processes. Therefore, we could harness the DSBs to engineer the genomes with a variety of genetic outcomes and with singlebase- level precision. The major barrier for genome engineering was the generation of site-specific DNA DSBs. Programmable DNA enzymes capable of making a complete and site-specific cut in the genome do not exist in nature. However, these enzymes can be made in in vitro as chimeric fusions of two modules, a DNA binding module and a DNA cleaving module. The DNA cleaving module can be programmed to bind to any user-defined sequence and the DNA cleaving module would generate DSBs in the target sequence. These enzymes called molecular scissors include zinc finger nucleases (ZFNs) and transcriptional activator like effector nucleases (TALENs). The programmability of these enzymes depends on protein engineering for DNA binding specificity which may be complicated, recourse intensive and suffer from reproducibility issues. Recently, clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR)/ CRISPR associated endonuclease 9 (Cas9) an adaptive immune system of bacterial and archaeal species has been developed for genome engineering applications. CRISPR/Cas9 is an RNA-guided DNA endonuclease and can be reprogrammed through the engineering of single guide RNA molecule (sgRNA). CRISPR/Cas9 activity has been shown across eukaryotic species including plants. Although the engineering of CRISPR/Cas9 is quite predictable and reproducible, there are many technological challenges and improvements that need to be made to achieve robust, specific, and efficient plant genome engineering. Here in this thesis, I developed a number of technologies to improve specificity, delivery and expression and heritability of CRISRP/Cas9-modification in planta. Moreover, I used these technologies to answer basic questions to understand the molecular underpinning of the interplay between splicing and abiotic stress. To improve Cas9 specificity, I designed and constructed a chimeric fusion between catalytically dead Cas9 (dCas9) and FOKI catalytic DNA cleaving domain (dCas9.FoKI). This synthetic chimeric fusion enzyme improved Cas9 specificity which enable precision genome engineering. Delivery of genome engineering reagents into plant cells is quite challenging, I developed a virus-based system to deliver sgRNAs into plants which facilitates plant genome engineering and could bypass the need for tissue culture in engineering plant genomes. To improve the expression of the CRISPR/Cas9 machinery in plant species, I developed a meiotically-driven expression of CRISPR/Cas9 which improved genome editing and heritability of editing in seed progeny, thereby facilitating robust genome engineering applications. To understand the molecular basis of the interplay between splicing stress and abiotic stress, I used the CRISPR/Cas9 machinery to engineer components of the U2snRNP complex coupled which chemical genomics to understand the splicing stress regulation in response to abiotic stress conditions. Finally, I harnessed the technological improvements and developments I have achieved with CRISPR/Cas9 system to develop a directed evolution platform for targeted trait engineering which expands and accelerates trait discovery and engineering of plant species resilient to climate change conditions.

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第25161号 / 医博第5047号 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 妹尾 浩, 教授 小川 誠司, 教授 伊藤 能永 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM