A tecnologia de sequenciamento de nova geração (next-generation sequencing – NGS) e suas aplicações tem sido cada vez mais utilizada na prática médica para elucidar a base molecular de doenças Mendelianas. Embora seja uma poderosa ferramenta de pesquisa, ainda existe uma importante transição quanto à análise dos dados entre as tecnologias tradicionais de sequenciamento e o NGS. A primeira parte deste trabalho aborda aspectos analíticos envolvidos nesta mudança, com foco na plataforma Ion Torrent Personal Genome Machine. Esta é uma plataforma amplamente utilizada para sequenciar painéis de genes, já que esta aplicação requer menor rendimento de dados. Este trabalho demonstra indicadores adequados para avaliar a qualidade de corridas de sequenciamento e também uma estratégia baseada em valores de profundidade de cobertura para avaliar a performance de amplicons em diferentes cenários. Por outro lado, o NGS permitiu a realização de estudos populacionais em larga escala que estão mudando nossa compreensão sobre as variações genéticas humanas. Um desses exemplos são as mutações até então chamadas de silenciosas, que estão sendo implicadas como causadoras de doenças humanas. A segunda parte deste trabalho investiga a patogenicidade de polimorfismos de núcleotídeo único sinônimos (synonymous single nucleotide polymorphisms – sSNP) baseado em dados públicos obtidos do Exome Aggregation Consortium (ExAC) (exac.broadinstitute.org/) utilizando o software Silent Variant Analysis (SilVA) (compbio.cs.toronto.edu/silva/) e outros recursos para reunir informações adicionais sobre consequências funcionais visando fornecer um panorama dos efeitos patogênicos de sSNP em mais de 60.000 exomas humanos. Nós demonstramos que de 1,691,045 variantes sinônimas, um total de 26,034 foram classificadas como patogênicas pelo SilVA, com frequência alélica menor que 0,05. Análises funcionais in silico revelaram que as variantes sinônimas patogênicas estão envolvidas em processos biológicos importantes, como regulação celular, metabolismo e transporte. Ao expor um cenário de variações sinônimas patogênicas em exomas humanos, nós concluímos que filtrar sSNP em workflows de priorização é razoável, no entanto em situações específicas os sSNP podem ser considerados. Pesquisas futuras neste campo poderão fornecer uma imagem clara do papel de tais variações em doenças genéticas. / Next-generation sequencing (NGS) technologies and its applications are increasingly used in medicine to elucidate the molecular basis of Mendelian diseases. Although it is a powerful research tool, there is still an important transition regarding data analysis between traditional sequencing techniques and NGS. The first part of this work addresses analytical aspects involved on this switch-over, focusing on the Ion Torrent Personal Genome Machine platform. This is a widely used platform for sequencing gene panels, as this application demands lower throughput of data. We present indicators suitable to evaluate quality of sequencing runs and also a strategy based on depth of coverage values to evaluate amplicon performance on different scenarios. On the other hand, NGS enabled large-scale population studies that are changing our understanding about human genetic variations. One of these examples are the so-called silent mutations, that are being implied as causative of human diseases. The second part of this work investigates the pathogenicity of synonymous single nucleotide polymorphisms (sSNP) based on public data obtained from the Exome Aggregation Consortium (ExAC) (exac.broadinstitute.org/) using the software Silent Variant Analysis (SilVA) (compbio.cs.toronto.edu/silva/) and other sources to gather additional information about affected protein domains, mRNA folding and functional consequences aiming to provide a landscape of harmfulness of sSNP on more than 60,000 human exomes. We show that from 1,691,045 synonymous variants a total of 26,034 were classified as pathogenic and by SilVA, with allele frequency lower than 0.05. In silico functional analysis revealed that pathogenic synonymous variants found are involved in important biological process, such as cellular regulation, metabolism and transport. By exposing a scenario of pathogenic synonymous variants on human exomes we conclude that filtering out sSNP on prioritization workflows is reasonable, although in some specific cases sSNP should be considered. Future research on this field will provide a clear picture of such variations on genetic diseases.

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In the Chapter 2 of this thesis, the compound IQG-607 is presented, which is a metal complex that has been reported as a promising anti-TB molecule against isoniazid (INH)-resistant strains of M. tuberculosis. Previous studies suggested that the compound inhibits both the wild-type NADH-dependent trans-2-enoyl-[ACP] reductase (InhA) enzyme and some of its structural mutants in the absence of NAD+ or NADH and without requiring KatG enzyme. IQG-607 has also shown a favorable toxicological profile in vivo, with a considerable lesser toxicity compared to INH. However, there is still a gap regarding the activity of IQG-607 against strains carrying mutations in the katG gene, which are the most common genetic alterations in clinical isolates resistant to INH. Therefore, this study focused in elucidating the mechanism of resistance (MOR) of the Mycobacterium tuberculosis, the main causative agent of TB, to compound IQG-607. First the minimum inhibitory concentration (MIC) of IQG-607 was established against eight multi-drug resistant (MDR) clinical isolates, which were resistant to our compound. Then spontaneous mutants were selected using high concentrations of compound in 7H10 agar medium, and their whole genomes were sequenced; the results revealed alterations in the katG gene. A laboratory strain carrying the mutant katG(S315T) gene was developed to assess the effect of this single mutation in the compound activity both by MIC determination and by a macrophage infection model. Results showed that this mutation was indeed sufficient to confer resistance to IQG-607. Finally, the resistance observed for a strain expressing a mutant InhA(S94A) protein suggested that IQG-607 has this enzyme as its molecular target. In the Chapter 3, two new compounds, called Labio-16 and Labio-17, are presented, which were previously selected to interact and inhibit the InhA enzyme and that had already shown to be active against M. tuberculosis H37Rv strain. A set of experiments were conducted to elucidate their mechanism of action (MOA) and to understand the MOR of the M. tuberculosis against them, similar to those carried for studying IQG-607. So far, results suggested that the InhA is not the molecular target of these compounds. Other experiments are undergoing in our laboratory to evaluate in a murine model of TB infection their potential as anti-TB drug candidates. / Os dados epidemiol?gicos relacionados ? tuberculose (TB) indicam que ainda existe uma carga elevada desta doen?a no mundo todo. Al?m disso, o surgimento de cepas resistentes aos f?rmacos imp?e uma nova amea?a na preven??o da propaga??o da TB. Portanto, ? fundamental buscar continuamente novos candidatos para o desenvolvimento de medicamentos. No Cap?tulo 2 desta tese ? apresentado o composto IQG-607, que ? um complexo met?lico que tem sido reportado como uma mol?cula anti-TB promissora contra cepas de M. tuberculosis resistentes ? isoniazida (INH). Estudos pr?vios sugeriram que o composto inibe a enzima selvagem trans-2-enoil-[ACP] redutase dependente de NADH (InhA) e algumas das suas mutantes estruturais, na aus?ncia de NAD+ ou NADH e sem necessitar da enzima KatG. O IQG-607 tamb?m mostrou um perfil toxicol?gico favor?vel in vivo, com uma menor toxicidade em compara??o ? INH. No entanto, ainda existe uma lacuna em rela??o ? atividade do IQG-607 contra cepas que carregam muta??es no gene katG, as quais s?o as altera??es gen?ticas mais comuns em isolados cl?nicos resistentes ? INH. Sendo assim, este estudo focou em elucidar o mecanismo de resist?ncia (MOR) do Mycobacterium tuberculosis, o principal agente causador da TB, ao composto IQG-607. Primeiramente, a concentra??o inibit?ria m?nima (MIC) do IQG-607 foi estabelecida contra oito isolados cl?nicos multirresistentes a f?rmacos (MDR), os quais foram resistentes ao nosso composto. Ent?o, mutantes espont?neos foram selecionados, usando-se altas concentra??es do composto em meio ?gar 7H10, e seus genomas completos foram sequenciados; os resultados revelaram altera??es no gene katG. Uma cepa laboratorial, carregando o gene katG(S315T) mutante, foi desenvolvida para acessar o efeito desta ?nica muta??o na atividade do composto, atrav?s da determina??o de MIC e por meio de um modelo de infec??o de macr?fagos. Os resultados mostraram que essa muta??o de fato foi suficiente para conferir resist?ncia ao IQG-607. Finalmente, a resist?ncia observada para a cepa que expressa a prote?na InhA(S94A) mutante sugeriu que o IQG-607 tem esta enzima como seu alvo molecular. No Cap?tulo 3, dois novos compostos, denominados Labio-16 e Labio-17, s?o apresentados, os quais foram previamente selecionados para interagir e inibir a enzima InhA, e que j? tinham mostrado ser ativos contra a cepa H37Rv de M. tuberculosis. Um conjunto de experimentos foi conduzido para elucidar os seus mecanismos de a??o (MOA) e para compreender o MOR do M. tuberculosis contra eles, similar ?quele usado para estudar o IQG-607. At? o momento, os resultados sugerem que a InhA n?o ? o alvo molecular desses compostos. Outros experimentos est?o em andamento em nosso laborat?rio, para avaliar em um modelo murino da infec??o da TB os seus potenciais como candidatos a f?rmacos anti-TB.

Avanços recentes na etiologia da puberdade precoce foram obtidos a partir da análise do genoma por sequenciamento global. Mutações inativadoras do gene MKRN3 representam uma causa importante de puberdade precoce central (PPC) familial (33-46% dos casos). O objetivo do estudo foi a análise do DNA genômico de pacientes com PPC de origem familial ou esporádica sem mutações deletérias no gene MKRN3. Foram selecionados 68 indivíduos com PPC (37 com a forma familial e 31, aparentemente, esporádicos). O DNA genômico foi extraído do sangue periférico ou da saliva dos pacientes com PPC. A técnica de sequenciamento genômico em larga escala (ILLUMNA -Clonal Single Molecule Array Technology - CSMA) foi usada na busca de novos genes implicados com o desenvolvimento puberal prematuro em seis indivíduos, sendo três afetados e três não afetados, pertencentes a uma grande família brasileira com PPC (Família 1). Mutações em um gene candidato foram pesquisadas em 64 pacientes por sequenciamento automático direto (método de Sanger). Em um subgrupo de pacientes, foi realizada a técnica de MLPA com sondas customizadas na busca de deleções. Por sequenciamento genômico global, foi identificado um novo complexo rearranjo no gene DLK1, caracterizado por uma deleção de, aproximadamente, 14.000 pb na região 5\' não traduzida (5\'UTR), englobando o início do exon 1, associada a uma duplicação de uma região do intron 3 de 269 pb. O gene DLK1 está localizado no braço longo do cromossomo 14 (14q32.2) e sofre imprinting materno. Este lócus está associado à síndrome de Temple, uma doença complexa com múltiplas manifestações, incluindo puberdade precoce central em até 90% dos casos. Para investigar o efeito dessa deleção genômica, as concentrações séricas da proteína DLK1 pelo método ELISA foram medidas nas pacientes afetadas da Família 1. Valores indetectáveis de DLK1 foram encontrados nestas pacientes. O fenótipo das pacientes afetadas da Família 1 caracterizou-se por uma PPC típica, sem sinais sindrômicos (excluída a síndrome de Temple). Posteriormente, por meio do sequenciamento direto, duas novas mutações inativadoras no gene DLK1 foram identificadas (p.Val272Cysfs*14 e p.Pro160Leufs*50) em duas famílias (Famílias 2 e 3) com PPC ou história de menarca precoce. O estudo de segregação nas Famílias 1 e 2 confirmou o padrão de herança autossômico dominante com penetrância completa e transmissão exclusiva pelo alelo paterno. A média de idade de início da puberdade nas pacientes afetadas do sexo feminino foi de 5,4 anos. A técnica de MLPA com sondas customizadas para o gene DLK1 não encontrou outras deleções no subgrupo estudado. Em conclusão, foram identificadas três mutações inativadoras no gene DLK1 associadas à PPC familial de origem paterna. O DLK1 é o segundo gene imprintado associado a distúrbios puberais em humanos. Este achado sugere um papel dos genes imprintados no controle da puberdade. O mecanismo pelo qual esse gene afeta a puberdade ainda é desconhecido / Recent advances in the etiology of precocious puberty were obtained from the whole-genome sequencing analysis. Inactivating mutations of the MKRN3 gene represent a major cause of familial central precocious puberty (CPP) (33%- 46% of the cases). The objective of the study was to analyze the genomic DNA of patients with familial or sporadic CPP without deleterious mutations in the MKRN3 gene. Sixty-eight individuals with CPP (37 with familial form and 31 apparently sporadic cases) were selected. The genomic DNA was extracted from the peripheral blood or saliva of patients with CPP. We used the whole-genomic sequencing technique (ILLUMNA - Clonal Single Molecule Array Technology - CSMA) searching for a new candidate genes implicated in premature pubertal development in 6 individuals, 3 affected and 3 non-affected, belonging to a large Brazilian family with CPP (Family 1). Mutations in one candidate gene were investigated in 64 patients through automatic sequencing (Sanger\'s method). In a subgroup of patients, MLPA using synthetic MLPA probes was performed to search for deletions. A new complex rearrangement in the DLK1 gene characterized by a deletion of approximately 14.000pb in the 5\' untranslated (5\'UTR), encompassing the start of exon 1, associated with a duplication of a region of intron 3 of 269 bp was identified by whole-genomic sequencing. The DLK1 gene is located on the long arm of chromosome 14 (14q32.2) and it is maternally imprinted gene. This locus is associated with Temple syndrome, a complex disorder with multiple alterations, including central precocious puberty in up to 90% of cases. To investigate the effect of this genomic deletion, a serum measurement of DKL1 protein using ELISA method was performed in the affected patients from Family 1. Undetectable serum DLK1 levels were found in these patients. The phenotype of affected patients from Family 1 was characterized by a typical CPP, without syndromic signs (excluding Temple syndrome). Posteriorly, two new inactivating mutations in the gene DLK1 were identified (p.Val272Cysfs*14 and p.Pro160Leufs*50) through direct sequencing in two families (Families 2 and 3) with CPP or precocious menarche history. The segregation studies in Families 1 and 2 confirmed the pattern of dominant autosomal inheritance with complete penetrance and exclusive transmission by the paternal allele. The average age of puberty onset in the affected female patients was 5.4 years. The MLPA technique with synthetic MLPA probes for the DLK1 gene did not find other deletions in the studied subgroup. In conclusion, we identified 3 paternally inherited inactivating mutations in the DLK1 gene associated with familial CPP. The DLK1 is the second imprinted gene associated with pubertal disorders in humans. This finding suggests a role of the imprinted genes in puberty control. The mechanism through which this gene affects puberty is still unknown

Avanços recentes na etiologia da puberdade precoce foram obtidos a partir da análise do genoma por sequenciamento global. Mutações inativadoras do gene MKRN3 representam uma causa importante de puberdade precoce central (PPC) familial (33-46% dos casos). O objetivo do estudo foi a análise do DNA genômico de pacientes com PPC de origem familial ou esporádica sem mutações deletérias no gene MKRN3. Foram selecionados 68 indivíduos com PPC (37 com a forma familial e 31, aparentemente, esporádicos). O DNA genômico foi extraído do sangue periférico ou da saliva dos pacientes com PPC. A técnica de sequenciamento genômico em larga escala (ILLUMNA -Clonal Single Molecule Array Technology - CSMA) foi usada na busca de novos genes implicados com o desenvolvimento puberal prematuro em seis indivíduos, sendo três afetados e três não afetados, pertencentes a uma grande família brasileira com PPC (Família 1). Mutações em um gene candidato foram pesquisadas em 64 pacientes por sequenciamento automático direto (método de Sanger). Em um subgrupo de pacientes, foi realizada a técnica de MLPA com sondas customizadas na busca de deleções. Por sequenciamento genômico global, foi identificado um novo complexo rearranjo no gene DLK1, caracterizado por uma deleção de, aproximadamente, 14.000 pb na região 5\' não traduzida (5\'UTR), englobando o início do exon 1, associada a uma duplicação de uma região do intron 3 de 269 pb. O gene DLK1 está localizado no braço longo do cromossomo 14 (14q32.2) e sofre imprinting materno. Este lócus está associado à síndrome de Temple, uma doença complexa com múltiplas manifestações, incluindo puberdade precoce central em até 90% dos casos. Para investigar o efeito dessa deleção genômica, as concentrações séricas da proteína DLK1 pelo método ELISA foram medidas nas pacientes afetadas da Família 1. Valores indetectáveis de DLK1 foram encontrados nestas pacientes. O fenótipo das pacientes afetadas da Família 1 caracterizou-se por uma PPC típica, sem sinais sindrômicos (excluída a síndrome de Temple). Posteriormente, por meio do sequenciamento direto, duas novas mutações inativadoras no gene DLK1 foram identificadas (p.Val272Cysfs*14 e p.Pro160Leufs*50) em duas famílias (Famílias 2 e 3) com PPC ou história de menarca precoce. O estudo de segregação nas Famílias 1 e 2 confirmou o padrão de herança autossômico dominante com penetrância completa e transmissão exclusiva pelo alelo paterno. A média de idade de início da puberdade nas pacientes afetadas do sexo feminino foi de 5,4 anos. A técnica de MLPA com sondas customizadas para o gene DLK1 não encontrou outras deleções no subgrupo estudado. Em conclusão, foram identificadas três mutações inativadoras no gene DLK1 associadas à PPC familial de origem paterna. O DLK1 é o segundo gene imprintado associado a distúrbios puberais em humanos. Este achado sugere um papel dos genes imprintados no controle da puberdade. O mecanismo pelo qual esse gene afeta a puberdade ainda é desconhecido / Recent advances in the etiology of precocious puberty were obtained from the whole-genome sequencing analysis. Inactivating mutations of the MKRN3 gene represent a major cause of familial central precocious puberty (CPP) (33%- 46% of the cases). The objective of the study was to analyze the genomic DNA of patients with familial or sporadic CPP without deleterious mutations in the MKRN3 gene. Sixty-eight individuals with CPP (37 with familial form and 31 apparently sporadic cases) were selected. The genomic DNA was extracted from the peripheral blood or saliva of patients with CPP. We used the whole-genomic sequencing technique (ILLUMNA - Clonal Single Molecule Array Technology - CSMA) searching for a new candidate genes implicated in premature pubertal development in 6 individuals, 3 affected and 3 non-affected, belonging to a large Brazilian family with CPP (Family 1). Mutations in one candidate gene were investigated in 64 patients through automatic sequencing (Sanger\'s method). In a subgroup of patients, MLPA using synthetic MLPA probes was performed to search for deletions. A new complex rearrangement in the DLK1 gene characterized by a deletion of approximately 14.000pb in the 5\' untranslated (5\'UTR), encompassing the start of exon 1, associated with a duplication of a region of intron 3 of 269 bp was identified by whole-genomic sequencing. The DLK1 gene is located on the long arm of chromosome 14 (14q32.2) and it is maternally imprinted gene. This locus is associated with Temple syndrome, a complex disorder with multiple alterations, including central precocious puberty in up to 90% of cases. To investigate the effect of this genomic deletion, a serum measurement of DKL1 protein using ELISA method was performed in the affected patients from Family 1. Undetectable serum DLK1 levels were found in these patients. The phenotype of affected patients from Family 1 was characterized by a typical CPP, without syndromic signs (excluding Temple syndrome). Posteriorly, two new inactivating mutations in the gene DLK1 were identified (p.Val272Cysfs*14 and p.Pro160Leufs*50) through direct sequencing in two families (Families 2 and 3) with CPP or precocious menarche history. The segregation studies in Families 1 and 2 confirmed the pattern of dominant autosomal inheritance with complete penetrance and exclusive transmission by the paternal allele. The average age of puberty onset in the affected female patients was 5.4 years. The MLPA technique with synthetic MLPA probes for the DLK1 gene did not find other deletions in the studied subgroup. In conclusion, we identified 3 paternally inherited inactivating mutations in the DLK1 gene associated with familial CPP. The DLK1 is the second imprinted gene associated with pubertal disorders in humans. This finding suggests a role of the imprinted genes in puberty control. The mechanism through which this gene affects puberty is still unknown