Orientador: Osmar Malaspina / Resumo: As abelhas Apis mellifera africanizadas são consideradas importantes polinizadores no Brasil, uma vez que muitas culturas de alimentos dependem da polinização promovida por esses insetos. No entanto, com o crescimento da produtividade agrícola houve aumento do uso de agrotóxicos para o controle de pragas, os quais podem atingir também insetos não-alvo. Com a ação dos inseticidas como uma das possíveis causadoras da morte massiva desses polinizadores, pesquisas sobre o impacto dos agrotóxicos em abelhas receberam destaque. Diante do exposto, o presente estudo propôs investigar os efeitos de uma dose subletal de tiametoxam (TMX) (0,0227 ng de ingrediente ativo/μl de alimento), importante inseticida da classe dos neonicotinóides, no cérebro e no intestino de Apis mellifera africanizadas, por meio da avaliação da atividade de biomarcadores enzimáticos de exposição e de estresse oxidativo e pela ocorrência de peroxidação lipídica. O nível de estresse celular também foi investigado pela imunomarcação das proteínas de choque térmico HSP70 e HSP90 em conjunto com a detecção de morte celular pelo ensaio de TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling). Os dados mostraram que, no cérebro, o TMX aumentou a atividade de acetilcolinesterase (AChE) em 1, 3 e 5 dias de exposição, enquanto a carboxilesterase (CaE) diminuiu no primeiro dia e a glutationa s-transferase (GST) aumentou no quinto dia. Por sua vez, as enzimas antioxidantes foram menos atuantes no cérebro, se... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Africanized Apis mellifera bees are considered important pollinators in Brazil, since many food crops depend on the pollination by these insects. However, with the growth of agricultural productivity there has been an increase in the use of insecticides for pest control, which also can reach non-target insects. With the action of insecticides as one of the possible causes of the massive death of these pollinators, the studies of the effects of pesticides on bees were highlighted. Given the context, the present study aimed to investigate the effects of a sub lethal dose of thiamethoxam - TMX (0.0227 ng of active ingredient / μl of food), a insecticide of the class of neonicotinoids, in the brain and intestine of Africanized Apis mellifera, through the evaluation of the activity of enzymatic biomarkers of exposure and of oxidative stress and by the occurrence of lipid peroxidation. The level of cell stress was also investigated by the immunostaining of the HSP70 and HSP90 proteins together with the detection of cell death by the TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling) assay. The data showed that, in the brain, TMX increased acetylcholinesterase activity (AChE) at 1, 3 and 5 days of exposure, while carboxylesterase (CaE) decreased on the first day and glutathione s-transferase (GST) increased in the fifth day. On the other hand, antioxidant enzymes were less active in the brain, and only glutathione peroxidase (GPX) showed increased activity on the f... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

O gene do Retardo Mental do X Frágil (FMR1) possui 17 éxons e seu transcrito primário pode sofrer splicing alternativo, havendo, entre outros eventos, possibilidade de exclusão ou inclusão do éxon 12. O produto da expressão do FMR1, a proteína do retardo mental do X frágil (FMRP), possui papéis importantes no sistema nervoso central, atuando como repressora da tradução de RNAm em espinhas dendríticas e controlando a síntese de proteínas envolvidas na função sináptica. Entre dois domínios centrais do tipo KH presentes na FMRP, o segundo (KH-2) é responsável pela interação da proteína aos polissomos. O domínio KH-2 é codificado pelos éxons 9 a 13 do FMR1 e possui a alça variável mais longa já observada entre proteínas humanas, que é codificada pelos éxons 11 e 12. A inclusão do éxon 12 no RNAm do FMR1 causa uma extensão em fase dessa alça variável do KH-2 da FMRP. Estas isoformas apresentam expressão significativa em neurônios cortico-cerebrais e cerebelares do rato, no primeiro mês pós-natal. Este trabalho baseia-se em resultados prévios do grupo de pesquisa, em que se identificaram sequências curtas no íntron 12 do FMR1, com potencial para agir como acentuadores de splicing. Baseando-nos na hipótese de que essas sequências constituem elementos transcritos que se ligam a fatores proteicos do núcleo celular, potencialmente reguladores do splicing do pré-RNAm do FMR1, realizamos ensaios de precipitação por afinidade com extratos nucleares de córtex cerebral de rato e transcritos do loco, biotinilados. Análises por espectrometria de massas revelaram enriquecimento de proteínas nucleares, contendo domínios de ligação a RNA, principalmente aquelas relacionadas à regulação e processamento de pré-RNAm, sobretudo o splicing / Fragile X Mental Retardation 1 gene (FMR1) comprises 17 exons. Its primary transcript is subject to alternative splicing, allowing for the possibility of exon 12 inclusion or skipping, among other events. The product of FMR1 gene expression, fragile X mental retardation protein (FMRP), has important roles in the central nervous system, acting as a translational repressor in dendritic spines, thus controlling the synthesis of proteins involved in synaptic function. FMRP has two central KH domains. One of them (KH-2) is responsible for its interaction with polysomes. The KH-2 domain is encoded by FMR1 exons 9 to 13. It contains the longest variable loop ever observed among human KH-containing proteins, which is encoded by FMR1 exons 11 and 12. Exon-12 inclusion in FMR1 mRNA causes an in-frame extension of FMRP KH-2 domain variable loop. These isoforms appear significantly expressed in cortico-cerebral and cerebellar neurons of the rat in the first month after birth. We have previously identified short sequences within FMR1 intron 12 that may potentially act as splicing enhancers. Our study is based on the hypothesis that those sequences when transcribed should bind to nuclear protein factors that may function as FMR1 exon 12 pre-mRNA splicing regulators. To initiate an experimental approach to test that hypothesis, we conducted affinity precipitation assays with rat cerebral cortex nuclear extracts and biotinylated transcripts. Mass spectrometry analyses disclosed proteins that have been described to be enriched in the cell nucleus, contain RNA-binding domains, and be functionally related to pre-mRNA processing, notably splicing

A programação epigenética do genoma por metilação do DNA, modificação das histonas e remodelamento da cromatina é crucial para o desenvolvimento e o crescimento normal dos mamíferos e alterações nesses mecanismos contribuem diretamente para a transformação maligna. Em função do papel relevante da metilação do DNA na carcinogênese, da importância e da necessidade de identificação de marcadores moleculares em tumores de cabeça e pescoço e dos resultados já obtidos pelo grupo, o presente trabalho teve por objetivo geral investigar o perfil de metilação de ilhas CpG em carcinomas primários de cabeça e pescoço (CECP), bem como identificar e iniciar estudos funcionais de biomarcadores candidatos para diagnóstico e prognóstico desses tumores. Alguns genes previamente descritos com padrões anormais de metilação em neoplasias humanas (CDH1, CDH13, DAPK, CDKN2A, RASSF1A, SOCS3 e TIMP3), além de outros dois genes (MX1 e SLC15A3) identificados em nosso estudo anterior, foram analisados em amostras normais e margens cirúrgicas de CECP por meio da técnica de pirosequencimento de DNA após tratamento com bissulfito de sódio. As análises estatísticas não mostraram diferenças significativas para a maioria dos genes analisados, com exceção do gene SLC15A3, que apresentou diferença significativa (p<0,05) entre tumores e amostras de sangue de doadores saudáveis. Diferentemente, os resultados obtidos com a metodologia de PCR-MSP em nosso trabalho anterior mostraram que o gene MX1 está metilado em CECP. Os estudos funcionais do MX1, por RNA de interferência, ensaios de migração e citometria de fluxo mostraram que seu produto contribui para migração e proliferação celular, e talvez para resistência à apoptose. Os resultados sugeriram que o nível de expressão do MX1 pode ser um preditor do potencial metastático em carcinoma epidermóide / The genome epigenetic programming by DNA methylation, histone modification and chromatin remodeling is crucial for normal growth and development in mammals and changes in these mechanisms contributes directly to malignant transformation. Regarding the role of DNA methylation in carcinogenesis, the importance and necessity for the identification of molecular markers in head and neck tumors, and the results already obtained by the group, this study was aimed at investigating the methylation profile of CpG islands in primary head and neck squamous cell carcinomas (HNSCC), and to identify and initiate functional studies of candidate biomarkers for diagnosis and prognosis of these tumors. Therefore, some genes previously described with abnormal methylation pattern in humans tumors (CDH1, CDH13, DAPK, CDKN2A, RASSF1A, and TIMP3 SOCS3), and two other genes (MX1 and SLC15A3) identified in our previous study were analyzed in normal samples, surgical margins, and in HNSCC by pyrosequencing after sodium bisulfite treatment. The statistical analysis showed no significant differences for most of analyzed genes, except for the SLC15A3, which showed significant difference (p <0.05) between tumors and blood samples from healthy donors. However, our earlier results showed a higher frequency of MX1 hypermethylation in primary HNSCC using the PCR-MSP methodology. To gain a better understanding of the role MX1 in cancer biology we investigated whether a downregulation of MX1 by interference RNA contribute to apoptosis resistance and cell migration during cancer development. Wound healing and flow cytometry assays were performed to determine changes in cell motility, death and cell cycle in SCC cells. The results indicated that low levels of MX1 could regulate the cell cycle, increase proliferation, and enhance tumor cell migration in HNSCC cell lines, but it might not contribute to apoptosis resistance. It also suggests that the level of MX1 expression may be a predictor of metastatic potential in HNSCC

Ensaios clínicos observacionais e em animais sugerem que o estrógeno exerça proteção cardiovascular, entretanto existem controvérsias mesmo após estudos randomizados. Tem sido sugerido que existe uma janela de oportunidade terapêutica, teoria timing hypothesis, que analisa o tratamento com estrógeno, iniciado precoce ou tardiamente, em mulheres na pós-menopausa. Avaliamos a função de carótidas de camundongos fêmeas com senescência acelerada (SAMP8) ou resistentes (SAMR1) ovariectomizadas tratadas com estrógeno precoce e tardiamente. Em SAMR1 os tratamentos promoveram vasculoproteção e nas carótidas das SAMP8 o tratamento com início precoce não alterou o efeito da ovariectomia, porém o tratamento com início tardio aumentou a vasoconstrição à fenilefrina, a produção de tromboxano (TXA2) e a expressão proteica do ER&#945;-36kDa, splicing alternativo do receptor clássico ER&#945;-66kDa. Portanto, os efeitos do estrógeno não foram benéficos no envelhecimento, podendo contribuir para o desenvolvimento de doenças cerebrovasculares decorrentes de alteração na circulação cerebral. / Observational clinical trials and animal studies demonstrated that estrogen promote cardiovascular protection. However, there are controversies after randomized clinical trials. It has been suggested that there is a therapeutic window of opportunity timing hypothesis theory , which analyzes the early and late estrogen treatments in postmenopausal women. We evaluated the carotid function in ovariectomized senescence (SAMP8) and resistant (SAMR1) female mice treated with estrogen in mineral oil solution dose of 5 g/kg by subcutaneous injection every three days. In SAMR1 estrogen treatments promoted vasculoprotection. In SAMP8 early-onset estrogen treatment did not change the effect observed in the ovariectomy, however late-onset estrogen treatment increased the vasoconstriction to phenylephrine, the thromboxane production and the protein expression of ER&#945;-36kDa, alternative splicing. Therefore, the effects of estrogen were not beneficial in aging, contributing to the development of cardio and cerebrovascular diseases due to alteration cerebral circulation.

L'estudi de les diferències fenotípiques entre espècies, i entre individus, ha estat una de les grans qüestions fonamentals en els camps de la biologia evolutiva i la genètica. Ben aviat, es va fer palès que la regulació de l’expressió gènica tindria un paper clau en establir aquestes diferències de complexitat. L’adveniment de les tècniques massives de seqüenciació no van sinó confirmar aquesta visió primerenca. Avui dia coneixem un grapat de mecanismes que determinen aquestes diferències entre organismes, com són la divergència de seqüència proteica, la duplicació gènica o la divergència de la regió cis-reguladora, entre d’altres. En la darrera dècada, l’splicing alternatiu ha anat afermant-se com a mecanisme post-transcripcional freqüent i ha anat prenent protagonisme com a font de variabilitat de transcrits i isoformes proteiques, a més a més de jugar un paper regulador de l’expressió gènica. Per tant, l’splicing alternatiu és un ferm candidat a introduir diferències substancials al proteoma que expliquin la diversitat fenotípica entre organismes. Així doncs, aquest treball es va marcar com a objectiu aclarir fins a quin punt la variabilitat que introduïa l’splicing alternatiu tenia implicacions en el fenotip, quina era la seva conservació i si actuava de manera coordinada o independent amb d’altres mecanismes. En primer lloc, vam estudiar la relació que hi havia entre l’splicing alternatiu i les altres fonts moleculars de diversitat fenotípica i si era possible que l’splicing alternatiu pogués introduir variabilitat amb implicacions fenotípiques per si sola. A continuació, ens vam centrar en els mecanismes reguladors de l’expressió gènica basats en splicing alternatiu, analitzant les seves propietats i la seva conservació entre espècies. Finalment, vam examinar la implicació de l’splicing alternatiu en el fenomen de la domin{ncia gènica, ja que és un procés conegut que determina diferències fenotípiques intraespecífiques. El primer pas fou, doncs, comparar l’splicing alternatiu amb d’altres fonts moleculars de diferències fenotípiques: les divergències de la seqüència proteica, de la regió cis-reguladora del gen i de l’expressió gènica entre hum{ i ratolí. En un estudi massiu de les propietats de tots aquests fenòmens entre 13970 parelles d’ortòlegs, vam observar que l’splicing alternatiu podia introduir diferències abans que les altres variables poguessin fer-ho. Quan les identitats de seqüència proteica o de la regió cis-reguladora eren massa elevades com per introduir diferències, l’splicing alternatiu ja presentava patrons prou diferents en la concurrència d’splicing entre hum{ i ratolí. A més a més, la relació entre l’equivalència d’isoformes amb aquestes divergències també va resultar ser molt lleu, fet que ens va fer pensar que l’splicing alternatiu pot introduir isoformes específiques que contribueixin a les diferències entre espècies abans que les altres divergències puguin fer-ho. Pel que fa al segon bloc, vam investigar la conservació i propietats dels mecanismes reguladors de l’expressió gènica basats en AS. Primer de tot, vam confirmar la independència entre les divergències d’expressió gènica i l’splicing alternatiu, fet que ens indica que actuen a diferents nivells. A continuació, vam definir i classificar aquests mecanismes reguladors depenent com l’splicing alternatiu alterava l’arquitectura de dominis de les isoformes. La conservació d’aquests efectes, dels mecanismes reguladors basats en AS, va resultar ser baixa per tots els casos. Pel que fa als esdeveniments on es perdien un o més dominis a les isoformes alternatives, a més a més de ser baixa la conservació del mecanisme, també ho va ser l’equivalència dels esdeveniments d’splicing alternatiu. Així, tot i tenir efectes a nivell de seqüència no homòlegs, la funció es conservava, fet que ens porta a suggerir que aquests esdeveniments d’AS són un exemple de convergència funcional. Per últim, ens vam fixar en el procés de la dominància, abastament conegut, que introdueix diferències fenotípiques clares entre individus de la mateixa espècie, sobretot en el cas de malalties. Donat el fet que es coneixia una relació inversa entre paralogia i haploinsuficiència, per una banda, i paralogia i splicing per l’altra, sumat a la capacitat d’introduir variabilitat per part de l’splicing alternatiu, vam endegar aquest estudi amb la idea de descriure la relació entre dominància i splicing. El resultat final ens va mostrar una independència dels dos processos, fet que ens va fer qüestionar la relació entre paralogia i splicing alternatiu. Per la resta de variables estudiades, la caracterització de la dominància va concordar amb els resultats de treballs anteriors. / RESUMEN El estudio de las diferencias fenotípicas entre especies ha sido una de les cuestiones fundamentales de la biología evolutiva y la genética. Muy pronto fue evidente que la regulación de la expresión génica seria clava en el establecimiento de estas diferencias, tesis confirmada con las técnicas masivas de secuenciación actuales. Hoy en día, se conocen una serie de mecanismos que determinan estas diferencias, como son la divergencia de la secuencia proteica, la duplicación génica o la divergencia de la región cis-reguladora. En la última década, el splicing alternativo (AS) ha ido afianzándose como mecanismo post-transcripcional y ha ido tomando protagonismo como fuente de variabilidad de transcritos y isoformas, además de jugar un papel regulador de la expresión génica. Por lo tanto, el AS es un firme candidato a introducir diferencias sustanciales en el proteoma que expliquen la diversidad fenotípica entre organismos. Así pues, este trabajo se marcó como objetivo aclarar hasta qué punto la variabilidad que introducía el AS tenía implicaciones en el fenotipo, cuál era su conservación y si actuaba de manera coordinada o independiente con otros mecanismos. En primer lugar, estudiamos la relación que había entre el AS y las otras fuentes moleculares de diversidad fenotípica y si era posible que el AS pudiera introducir variabilidad con implicaciones fenotípicas por sí sola. A continuación, nos centramos en los mecanismos reguladores de la expresión génica basados en AS, analizando sus propiedades y su conservación entre especies. Finalmente, examinamos la implicación del AS en la dominancia génica. En el primer bloque comparamos el AS con otras fuentes moleculares de diferencias fenotípicas: las divergencias de la secuencia proteica, de la región cis-reguladora del gen y de la expresión génica entre humano y ratón. En un estudio masivo de las propiedades de todos estos fenómenos entre 13.970 ortólogos, observamos que el AS podía introducir diferencias antes que las otras variables pudieran hacerlo. Cuando las identidades de secuencia proteica o de la región cis-reguladora eran demasiado elevadas como para introducir diferencias, el AS ya presentaba patrones bastante diferentes en la concurrencia de AS entre humano y ratón. Además, la relación entre la equivalencia de isoformas con estas divergencias también resultó ser muy leve, lo que nos hizo pensar que el AS puede introducir isoformas específicas que contribuyan a las diferencias entre especies antes que las demás divergencias puedan hacerlo. En el segundo bloque investigamos la conservación y propiedades de los mecanismos reguladores de la expresión génica basados en AS. En primer lugar, confirmamos la independencia entre las divergencias de expresión génica y del AS, lo que nos indica que actúan a diferentes niveles. A continuación, definimos estos mecanismos reguladores dependiendo como el AS alteraba la arquitectura de dominios de las isoformas. La conservación de los mecanismos reguladores basados en AS resultó ser baja en todos los casos. En cuanto a los eventos donde se perdían uno o más dominios en las isoformas alternativas, también fue baja la equivalencia de los eventos de AS. Así, pese a tener efectos a nivel de secuencia no homólogos, la función se conservaba, lo que nos permite sugerir que éste es un escenario de convergencia funcional. Por último, nos fijamos en el proceso de la dominancia, largamente conocido, que introduce diferencias fenotípicas intraespecíficas. Dado que se conocía una relación inversa entre paralogía y haploinsuficiencia, por un lado, y paralogía y AS por la otra, sumado a la capacidad de introducir variabilidad por parte del AS, iniciamos este estudio con la idea de describir la relación entre dominancia y AS. El estudio nos mostró una independencia de los dos procesos, cuestionando así la relación entre paralogía y AS. Para el resto de variables estudiadas, la caracterización de la dominancia concordó con resultados de trabajos anteriores. / The study of phenotypic differences between species, and between individuals, has been one of the great fundamental questions in the fields of evolutionary biology and genetics. Soon, it became clear that the regulation of gene expression would have a key role in establishing these differences in complexity. The advent of mass sequencing techniques did confirm this view. Nowadays, we know a handful of mechanisms that determine these differences between organisms, such as protein sequence divergence, gene duplication and divergence of cis-regulatory region, among others. In the last decade, alternative splicing has been asserting itself as a post-transcriptional mechanism and frequently has taken center stage as a source of variability of transcripts and protein isoforms, and also as a key player in the regulation the gene expression. Therefore, alternative splicing is a strong candidate to introduce substantial differences in the proteome that could explain the phenotypic diversity among organisms. Thus, this work was intended to clarify to what extent the variability introduced the alternative splicing (AS) had implications for the phenotype, which was its conservation and if it acted in a coordinated or independent way relative to other mechanisms. First, we studied the relationship that existed between AS and other sources of molecular and phenotypic diversity and elucidate if AS could introduce phenotypic variability with its own implications. Then we focused on the regulatory mechanisms of gene expression based on AS, analyzing their properties and their conservation between species. Finally, we examined the involvement of AS in the phenomenon of genetic dominance, since it is a known process that determines intraspecific phenotypic differences. The first step was therefore to compare the AS with other sources of molecular phenotypic differences: differences in the protein sequence, the cis-regulatory region of the gene and gene expression between human and mouse. In a massive study of the properties of these phenomena among 13,970 pairs of orthologous, we observed that alternative splicing could introduce differences before other variables could do it. When the identities of protein sequence or cis-regulatory region were too high for introducing differences, AS patterns appeared quite different in the occurrence of splicing between human and mouse. Furthermore, we found that the relationship between the equivalence of isoforms with those differences was very mild, which made us think that AS can introduce specific isoforms that contribute to differences between species before other divergences can do it. Regarding the second section, we investigated the properties and the conservation of the regulatory mechanisms of gene expression based on AS. First, we confirmed the independence between the divergence of gene expression and AS, which indicates that they act at different levels. Then we defined and classified these regulatory mechanisms depending on how the AS altered the domain architecture of the isoforms. The conservation of these effects, the regulatory mechanisms based on AS, was found to be low for all cases. With regard to the events where they lost one or more domains in the alternative isoforms, in addition to the low conservation of the mechanism, it was also low the equivalence of alternative splicing events. So, despite having an non-homologue effect on the level of sequence, the function was preserved, which leads us to suggest that these AS events are an example of functional convergence. Finally, we studied the well known process of dominance which introduces clear phenotypic differences between individuals of the same species, especially in the case of diseases. Given the fact that it is known the inverse relationship between paralogy and haploinsufficiency and, in the other hand, the inverse relationship between paralogy and AS, adding to this the ability of introducing variability by AS, we undertook this study with the idea of describe the relationship between dominance and splicing. The final result showed us that they are two independent processes, which made us question the relationship between paralogy and AS. For the remaining variables, the characterization of the dominance results agreed with previous work.

A programação epigenética do genoma por metilação do DNA, modificação das histonas e remodelamento da cromatina é crucial para o desenvolvimento e o crescimento normal dos mamíferos e alterações nesses mecanismos contribuem diretamente para a transformação maligna. Em função do papel relevante da metilação do DNA na carcinogênese, da importância e da necessidade de identificação de marcadores moleculares em tumores de cabeça e pescoço e dos resultados já obtidos pelo grupo, o presente trabalho teve por objetivo geral investigar o perfil de metilação de ilhas CpG em carcinomas primários de cabeça e pescoço (CECP), bem como identificar e iniciar estudos funcionais de biomarcadores candidatos para diagnóstico e prognóstico desses tumores. Alguns genes previamente descritos com padrões anormais de metilação em neoplasias humanas (CDH1, CDH13, DAPK, CDKN2A, RASSF1A, SOCS3 e TIMP3), além de outros dois genes (MX1 e SLC15A3) identificados em nosso estudo anterior, foram analisados em amostras normais e margens cirúrgicas de CECP por meio da técnica de pirosequencimento de DNA após tratamento com bissulfito de sódio. As análises estatísticas não mostraram diferenças significativas para a maioria dos genes analisados, com exceção do gene SLC15A3, que apresentou diferença significativa (p<0,05) entre tumores e amostras de sangue de doadores saudáveis. Diferentemente, os resultados obtidos com a metodologia de PCR-MSP em nosso trabalho anterior mostraram que o gene MX1 está metilado em CECP. Os estudos funcionais do MX1, por RNA de interferência, ensaios de migração e citometria de fluxo mostraram que seu produto contribui para migração e proliferação celular, e talvez para resistência à apoptose. Os resultados sugeriram que o nível de expressão do MX1 pode ser um preditor do potencial metastático em carcinoma epidermóide / The genome epigenetic programming by DNA methylation, histone modification and chromatin remodeling is crucial for normal growth and development in mammals and changes in these mechanisms contributes directly to malignant transformation. Regarding the role of DNA methylation in carcinogenesis, the importance and necessity for the identification of molecular markers in head and neck tumors, and the results already obtained by the group, this study was aimed at investigating the methylation profile of CpG islands in primary head and neck squamous cell carcinomas (HNSCC), and to identify and initiate functional studies of candidate biomarkers for diagnosis and prognosis of these tumors. Therefore, some genes previously described with abnormal methylation pattern in humans tumors (CDH1, CDH13, DAPK, CDKN2A, RASSF1A, and TIMP3 SOCS3), and two other genes (MX1 and SLC15A3) identified in our previous study were analyzed in normal samples, surgical margins, and in HNSCC by pyrosequencing after sodium bisulfite treatment. The statistical analysis showed no significant differences for most of analyzed genes, except for the SLC15A3, which showed significant difference (p <0.05) between tumors and blood samples from healthy donors. However, our earlier results showed a higher frequency of MX1 hypermethylation in primary HNSCC using the PCR-MSP methodology. To gain a better understanding of the role MX1 in cancer biology we investigated whether a downregulation of MX1 by interference RNA contribute to apoptosis resistance and cell migration during cancer development. Wound healing and flow cytometry assays were performed to determine changes in cell motility, death and cell cycle in SCC cells. The results indicated that low levels of MX1 could regulate the cell cycle, increase proliferation, and enhance tumor cell migration in HNSCC cell lines, but it might not contribute to apoptosis resistance. It also suggests that the level of MX1 expression may be a predictor of metastatic potential in HNSCC

O gene do Retardo Mental do X Frágil (FMR1) possui 17 éxons e seu transcrito primário pode sofrer splicing alternativo, havendo, entre outros eventos, possibilidade de exclusão ou inclusão do éxon 12. O produto da expressão do FMR1, a proteína do retardo mental do X frágil (FMRP), possui papéis importantes no sistema nervoso central, atuando como repressora da tradução de RNAm em espinhas dendríticas e controlando a síntese de proteínas envolvidas na função sináptica. Entre dois domínios centrais do tipo KH presentes na FMRP, o segundo (KH-2) é responsável pela interação da proteína aos polissomos. O domínio KH-2 é codificado pelos éxons 9 a 13 do FMR1 e possui a alça variável mais longa já observada entre proteínas humanas, que é codificada pelos éxons 11 e 12. A inclusão do éxon 12 no RNAm do FMR1 causa uma extensão em fase dessa alça variável do KH-2 da FMRP. Estas isoformas apresentam expressão significativa em neurônios cortico-cerebrais e cerebelares do rato, no primeiro mês pós-natal. Este trabalho baseia-se em resultados prévios do grupo de pesquisa, em que se identificaram sequências curtas no íntron 12 do FMR1, com potencial para agir como acentuadores de splicing. Baseando-nos na hipótese de que essas sequências constituem elementos transcritos que se ligam a fatores proteicos do núcleo celular, potencialmente reguladores do splicing do pré-RNAm do FMR1, realizamos ensaios de precipitação por afinidade com extratos nucleares de córtex cerebral de rato e transcritos do loco, biotinilados. Análises por espectrometria de massas revelaram enriquecimento de proteínas nucleares, contendo domínios de ligação a RNA, principalmente aquelas relacionadas à regulação e processamento de pré-RNAm, sobretudo o splicing / Fragile X Mental Retardation 1 gene (FMR1) comprises 17 exons. Its primary transcript is subject to alternative splicing, allowing for the possibility of exon 12 inclusion or skipping, among other events. The product of FMR1 gene expression, fragile X mental retardation protein (FMRP), has important roles in the central nervous system, acting as a translational repressor in dendritic spines, thus controlling the synthesis of proteins involved in synaptic function. FMRP has two central KH domains. One of them (KH-2) is responsible for its interaction with polysomes. The KH-2 domain is encoded by FMR1 exons 9 to 13. It contains the longest variable loop ever observed among human KH-containing proteins, which is encoded by FMR1 exons 11 and 12. Exon-12 inclusion in FMR1 mRNA causes an in-frame extension of FMRP KH-2 domain variable loop. These isoforms appear significantly expressed in cortico-cerebral and cerebellar neurons of the rat in the first month after birth. We have previously identified short sequences within FMR1 intron 12 that may potentially act as splicing enhancers. Our study is based on the hypothesis that those sequences when transcribed should bind to nuclear protein factors that may function as FMR1 exon 12 pre-mRNA splicing regulators. To initiate an experimental approach to test that hypothesis, we conducted affinity precipitation assays with rat cerebral cortex nuclear extracts and biotinylated transcripts. Mass spectrometry analyses disclosed proteins that have been described to be enriched in the cell nucleus, contain RNA-binding domains, and be functionally related to pre-mRNA processing, notably splicing

[ES] La introducción de la secuenciación de ARN a nivel de célula única (scRNA-seq) en el ámbito de la transcriptómica ha redefinido nuestro entendimiento de la diversidad celular, arrojando luz sobre los mecanismos subyacentes a la heterogeneidad tisular. No obstante, al inicio de esta tesis, las limitaciones de a esta tecnología obstaculizaban su aplicación en el estudio de procesos complejos, entre ellos el splicing alternativo. A pesar de ello, los patrones de splicing a nivel celular planteaban incógnitas que esta tecnología tenía el potencial de resolver: ¿es posible observar, a nivel celular, la misma diversidad de isoformas que se detecta mediante RNA-seq a nivel de tejido? ¿Qué función desempeñan las isoformas alternativas en la constitución de la identidad celular? El objetivo de esta tesis es desbloquear el potencial del scRNA-seq para el análisis de isoformas, abordando sus dificultades técnicas y analíticas mediante el desarrollo de nuevas metodologías computacionales. Para lograrlo, se trazó una hoja de ruta con tres objetivos. Primero, se establecieron cuatro requisitos para el estudio de las isoformas mediante scRNA-seq, llevando a cabo una revisión de la literatura existente para evaluar su cumplimiento. Tras completar este marco con simulaciones computacionales, se identificaron las debilidades y fortalezas de los métodos de scRNA-seq y las herramientas computacionales disponibles. Durante la segunda etapa de la investigación, estos conocimientos se utilizaron para diseñar un protocolo óptimo de procesamiento de datos de scRNA-seq. En concreto, se integraron datos de lecturas largas a nivel de tejido con datos de scRNA-seq para garantizar una identificación adecuada de las isoformas así como su cuantificación a nivel celular. Este proceso permitió ampliar las estrategias computacionales disponibles para la reconstrucción de transcriptomas a partir de lecturas largas, mejoras que fueron implementadas en SQANTI3, software de referencia en transcriptómica. Por último, los datos procesados se utilizaron para desarrollar un nuevo método de análisis de co-expresión de isoformas a fin de desentrañar redes de regulación del splicing alternativo implicadas en la constitución de la identidad celular. Dada la elevada variabilidad de los datos de scRNA-seq, este método se basa en la utilización de una estrategia de correlación basada en percentiles que atenúa el ruido técnico y permite la identificación de grupos de isoformas co-expresadas. Una vez configurada la red de co-expresión, se introdujo una nueva estrategia de análisis para la detección de patrones de co-utilización de isoformas que suceden de forma independiente a la expresión a nivel de gen, denominada co-Differential Isoform Usage. Este enfoque facilita la identificación de una capa de regulación de la identidad celular atribuible únicamente a mecanismos post-transcripcionales. Para una interpretación biológica más profunda, se aplicó una estrategia de anotación computacional de motivos y dominios funcionales en las isoformas definidas con lecturas largas, revelando las propiedades biológicas de las isoformas involucradas en la red de co-expresión. Estas investigaciones culminan en el lanzamiento de acorde, un paquete de R que encapsula las diferentes metodologías desarrolladas en esta tesis, potenciando la reproducibilidad de sus resultados y proporcionando una nueva herramienta para explorar la biología de las isoformas alternativas a nivel de célula única. En resumen, esta tesis describe una serie de esfuerzos destinados a desbloquear el potencial de los datos de scRNA-seq para avanzar en la comprensión del splicing alternativo. Desde un contexto de escasez de herramientas y conocimiento previo, se han desarrollado soluciones de análisis innovadoras que permiten la aplicación de scRNA-seq al estudio de las isoformas alternativas, proporcionando recursos innovadores para profundizar en la regulación post-transcripcional y la función celular. / [CA] La introducció de la seqüenciació d'ARN a escala de cèl·lula única (scRNA-seq) en l'àmbit de la transcriptòmica ha redefinit el nostre enteniment de la diversitat cel·lular, projectant llum sobre els mecanismes subjacents a l'heterogeneïtat tissular. Malgrat les limitacions inicials d'aquesta tecnologia, especialment en el context de processos complexos com l'splicing alternatiu, els patrons d'splicing a escala cel·lular plantejaven incògnites amb potencial de resolució: és possible observar, a escala cel·lular, la mateixa diversitat d'isoformes que es detecta mitjançant RNA-seq en teixits? Quina funció tenen les isoformes alternatives en la constitució de la identitat cel·lular? L'objectiu d'aquesta tesi és desbloquejar el potencial del scRNA-seq per a l'anàlisi d'isoformes alternatives, abordant les seues dificultats tècniques i analítiques amb noves metodologies computacionals. Per a això, es va traçar una ruta amb tres objectius. Primerament, es van establir quatre requisits per a l'estudi de les isoformes mitjançant scRNA-seq, amb una revisió de la literatura existent per avaluar-ne el compliment. Després de completar aquest marc amb simulacions computacionals, es van identificar les debilitats i fortaleses dels mètodes de scRNA-seq i de les eines computacionals disponibles. Durant la segona etapa de la investigació, aquests coneixements es van utilitzar per dissenyar un protocol òptim de processament de dades de scRNA-seq. En concret, es van integrar dades de lectures llargues a escala de teixit amb dades de scRNA-seq per a garantir una identificació adequada de les isoformes així com la seua quantificació a escala cel·lular. Aquest procés va permetre ampliar les estratègies computacionals disponibles per a la reconstrucció de transcriptomes a partir de lectures llargues, millores que van ser implementades en SQANTI3, un programari de referència en transcriptòmica. Finalment, les dades processades es van fer servir per a desenvolupar un nou mètode d'anàlisi de coexpressió d'isoformes amb l'objectiu de desentranyar xarxes de regulació de l'splicing alternatiu implicades en la constitució de la identitat cel·lular. Donada l'elevada variabilitat de les dades de scRNA-seq, aquest mètode es basa en la utilització d'una estratègia de correlació basada en percentils que minimitza el soroll tècnic i permet la identificació de grups d'isoformes coexpressades. Un cop configurada la xarxa de coexpressió, es va introduir una nova estratègia d'anàlisi per a la detecció de patrons de co-utilització d'isoformes que succeeixen de forma independent a l'expressió del seu gen, denominada co-Differential Isoform Usage. Aquest enfocament facilita la identificació d'una capa de regulació de la identitat cel·lular atribuïble únicament a mecanismes post-transcripcionals. Per a una interpretació biològica més profunda, es va aplicar una estratègia d'anotació computacional de motius i dominis funcionals en les isoformes definides amb lectures llargues, revelant les propietats biològiques de les isoformes involucrades en la xarxa de coexpressió. Aquestes investigacions culminen en el llançament d'acorde, un paquet de R que encapsula les diferents metodologies desenvolupades en aquesta tesi, potenciant la reproducibilitat dels seus resultats i proporcionant una nova eina per a explorar la biologia de les isoformes alternatives a escala de cèl·lula única. En resum, aquesta tesi descriu una sèrie d'esforços destinats a desbloquejar el potencial de les dades de scRNA-seq per a avançar en la comprensió de l'splicing alternatiu. Des d'un context de manca d'eines i coneixement previ, s'han desenvolupat solucions d'anàlisi innovadores que permeten l'aplicació de scRNA-seq a l'estudi de les isoformes alternatives, proporcionant recursos innovadors per a aprofundir en la regulació post-transcripcional i la funció cel·lular. / [EN] In the world of transcriptomics, the emergence of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) ignited a revolution in our understanding of cellular diversity, unraveling novel mechanisms in tissue heterogeneity, development and disease. However, when this thesis began, using scRNA-seq to understand Alternative Splicing (AS) was a challenging frontier due the inherent limitations of the technology. In spite of this research gap, pertinent questions persisted regarding cell-level AS patterns, particularly concerning the recapitulation of isoform diversity observed in bulk RNA-seq data at the cellular level and the roles played by cell and cell type-specific isoforms. The work conducted in the present thesis aims to harness the potential of scRNA-seq for alternative isoform analysis, outlining technical and analytical challenges and designing computational methods to overcome them. To achieve this, we established a roadmap with three main aims. First, we set requirements for studying isoforms using scRNA-seq and conducted an extensive review of existing research, interrogating whether these requirements were met. Combining this acquired knowledge with several computational simulations allowed us to delineate the strengths and pitfalls of available data generation methods and computational tools. During the second research stage, this insight was used to design a suitable data processing pipeline, in which we jointly employed bulk long-read and short-read scRNA-seq sequenced from full-length cDNAs to ensure adequate isoform reconstruction as well as sensitive cell-level isoform quantification. Additionally, we refined available transcriptome curation strategies, introducing them as innovative modules in the transcriptome quality control software SQANTI3. Lastly, we harnessed single-cell isoform expression data and the rich biological diversity inherent in scRNA-seq, encompassing various cell types, in the design of a novel isoform co-expression analysis method. Percentile correlations effectively mitigated single-cell noise, unveiling clusters of co-expressed isoforms and exposing a layer of regulation in cellular identity that operated independently of gene expression. We additionally introduced co-Differential Isoform Usage (coDIU) analysis, enhancing our ability to interpret isoform cluster networks. This endeavour, combined with the computational annotation of functional sites and domains in the long read-defined isoform models, unearthed a distinctive functional signature in coDIU genes. This research effort materialized in the release of acorde, an R package that encapsulates all analyses functionalities developed throughout this thesis, providing a reproducible means for the scientific community to further explore the depths of alternative isoform biology within single-cell transcriptomics. This thesis describes a complex journey aimed at unlocking the potential of scRNA-seq data for investigating AS and isoforms: from a landscape marked by the scarcity of tools and guidelines, towards the development of novel analysis solutions and the acquisition of valuable biological insight. In a swiftly evolving field, our methodological contributions constitute a significant leap forward in the application of scRNA-seq to the study of alternative isoform expression, providing innovative resources for delving deeper into the intricacies of post-transcriptional regulation and cellular function through the lens of single-cell transcriptomics. / The research project was funded by the BIO2015-71658 and BES-2016-076994 grants awarded by the Spanish Ministry of Science and Innovation / Arzalluz Luque, Á. (2024). Understanding Isoform Expression and Alternative Splicing Biology through Single-Cell RNAseq [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203888

Made available in DSpace on 2016-01-26T12:51:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 patriciamatosbisellichicote_tese.pdf: 6274386 bytes, checksum: 571eca1fa48891d23de56db3c1872459 (MD5) Previous issue date: 2011-11-17 / Tumor growth and progression depend on angiogenesis, a process that involves the formation of new blood vessels from a preexisting vascular endothelium. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent mitogen for endothelial cells and its overexpression is associated with tumor growth and metastasis. However, the selection of a alternative splicing site at the end of the exon 8 of VEGF gene results in a sister-family of isoforms, VEGFxxxb, that seems to have anti-angiogenic proprieties. Objectives: The aim of this work was to quantitatively analyze the expressions of VEGF gene isoforms generated by alternative splicing in samples of head and neck squamous cells carcinoma and adjacent normal tissues, and to determine the effect of regulatory proteins in the control of VEGF gene splicing. Methods: The levels of VEGFxxx e VEGFxxxb mRNA and the splicing regulatory proteins SRp55, SRp40, ASF/SF2 and SRPK1 were quantified by real time quantitative PCR. Results: The overexpression of both VEGF isoforms (VEGFxxx and VEGFxxxb) was observed in head and neck squamous cells carcinoma related to normal tissue samples. A positive correlation between VEGFxxx and VEGFxxxb expression was observed in head and neck tumors. Splicing factor ASF/SF2 presented higher expression in tumors when compared to normal tissues. Pharynx tumors presented overexpression of VEGFxxx. VEGFxxxb was underexpressed in oral cavity tumors. Overexpression of both VEGF isoforms was observed in aggressive tumors. There was a positive correlation among ASF/SF2, SRp55 and SRp40 proteins and both VEGF isoforms, and among SRPK1 protein and ASF/SF2, SRp55 and SRp40 in tumor tissues. Conclusions: The results suggest that both VEGF isoforms play a role in angiogenesis promotion in head and neck tumors. VEGF isoforms present differential expression related to the anatomic sites of tumor and tumor aggressiveness. ASF/SF2, SRp55 and SRp40 proteins are involved in the regulation of the VEGF gene splicing mechanism. / O crescimento e a progressão de tumores dependem da angiogênese, processo de formação de novos vasos sanguíneos a partir de um endotélio vascular preexistente. O fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) é um potente mitógeno de células endoteliais e o aumento de sua expressão é associado com crescimento tumoral e metástase. Entretanto, a seleção do sítio alternativo de splicing na extremidade 3 do éxon 8 do gene VEGF resulta em uma família-irmã de isoformas, VEGFxxxb, as quais parecem possuir propriedades anti-angiogênicas. Objetivos: A finalidade deste trabalho foi analisar quantitativamente a expressão de isoformas do gene VEGF geradas por splicing alternativo e de proteínas reguladoras de splicing do gene VEGF em amostras de carcinoma espinocelular de cabeça e pescoço e tecidos normais adjacentes. Método: Os níveis de RNA mensageiro das isoformas VEGFxxx e VEGFxxxb e das proteínas reguladoras de splicing SRp55, SRp40, ASF/SF2 e SRPK1 foram quantificados por PCR quantitativo em tempo real. Resultados: Expressão elevada de ambas as isoformas de VEGF (VEGFxxx e VEGFxxxb) foi observada nas amostras de carcinoma espinocelular de cabeça e pescoço quando comparadas às amostras de tecido normal. Correlação positiva entre a expressão de VEGFxxx e VEGFxxxb foi observada em tumores de cabeça e pescoço. O fator de splicing ASF/SF2 apresentou maior expressão em tumores em relação aos tecidos normais. Tumores de faringe apresentaram expressão mais elevada de VEGFxxx em relação aos outros sítios anatômicos. VEGFxxxb apresentou expressão reduzida em tumores de cavidade oral. Expressão elevada de ambas as isoformas de VEGF foi observada em tumores mais agressivos. Correlação positiva foi observada entre as proteínas ASF/SF2, SRp55 e SRp40 e ambas as isoformas de VEGF e entre a proteína SR quinase SRPK1 e ASF/SF2, SRp55 e SRp40 nos tecidos tumorais. Conclusões: Os resultados indicam que ambas as isoformas de VEGF atuam na promoção da angiogênese em tumores de cabeça e pescoço. As isoformas de VEGF apresentam expressão diferencial em relação ao sítio anatômico e em relação à progressão da doença. As proteínas ASF/SF2, SRp55 e SRp40 estão envolvidas na regulação do mecanismo de splicing alternativo do gene VEGF.