Orientador: João Meidanis / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T17:01:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Feijao_PedroCipriano_D.pdf: 1943126 bytes, checksum: 4c547e8c568bbd0f2eb8235dfde05524 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Rearranjo de genomas é o nome dado a eventos onde grandes blocos de DNA trocam de posição durante o processo evolutivo. Com a crescente disponibilidade de sequências completas de DNA, a análise desse tipo de eventos pode ser uma importante ferramenta para o entendimento da genômica evolutiva. Vários modelos matemáticos de rearranjo de genomas foram propostos ao longo dos últimos vinte anos. Nesta tese, desenvolvemos dois novos modelos. O primeiro foi proposto como uma definição alternativa ao conceito de distância de breakpoint. Essa distância é uma das mais simples medidas de rearranjo, mas ainda não há um consenso quanto à sua definição para o caso de genomas multi-cromossomais. Pevzner e Tesler deram uma definição em 2003 e Tannier et al. a definiram de forma diferente em 2008. Nesta tese, nós desenvolvemos uma outra alternativa, chamada de single-cut-or-join (SCJ). Nós mostramos que, no modelo SCJ, além da distância, vários problemas clássicos de rearranjo, como a mediana de rearranjo, genome halving e pequena parcimônia são fáceis, e apresentamos algoritmos polinomiais para eles. O segundo modelo que apresentamos é o formalismo algébrico por adjacências, uma extensão do formalismo algébrico proposto por Meidanis e Dias, que permite a modelagem de cromossomos lineares. Esta era a principal limitação do formalismo original, que só tratava de cromossomos circulares. Apresentamos algoritmos polinomiais para o cálculo da distância algébrica e também para encontrar cenários de rearranjo entre dois genomas. Também mostramos como calcular a distância algébrica através do grafo de adjacências, para facilitar a comparação com outras distâncias de rearranjo. Por fim, mostramos como modelar todas as operações clássicas de rearranjo de genomas utilizando o formalismo algébrico / Abstract: Genome rearrangements are events where large blocks of DNA exchange places during evolution. With the growing availability of whole genome data, the analysis of these events can be a very important and promising tool for understanding evolutionary genomics. Several mathematical models of genome rearrangement have been proposed in the last 20 years. In this thesis, we propose two new rearrangement models. The first was introduced as an alternative definition of the breakpoint distance. The breakpoint distance is one of the most straightforward genome comparison measures, but when it comes to defining it precisely for multichromosomal genomes, there is more than one way to go about it. Pevzner and Tesler gave a definition in a 2003 paper, and Tannier et al. defined it differently in 2008. In this thesis we provide yet another alternative, calling it single-cut-or-join (SCJ). We show that several genome rearrangement problems, such as genome median, genome halving and small parsimony, become easy for SCJ, and provide polynomial time algorithms for them. The second model we introduce is the Adjacency Algebraic Theory, an extension of the Algebraic Formalism proposed by Meidanis and Dias that allows the modeling of linear chromosomes, the main limitation of the original formalism, which could deal with circular chromosomes only. We believe that the algebraic formalism is an interesting alternative for solving rearrangement problems, with a different perspective that could complement the more commonly used combinatorial graph-theoretic approach. We present polynomial time algorithms to compute the algebraic distance and find rearrangement scenarios between two genomes. We show how to compute the rearrangement distance from the adjacency graph, for an easier comparison with other rearrangement distances. Finally, we show how all classic rearrangement operations can be modeled using the algebraic theory / Doutorado / Ciência da Computação / Doutor em Ciência da Computação

A evolução molecular, impulsionada pela Teoria Sintética da Evolução, tornou um assunto indispensável na compreensão da evolução da vida. O crescimento genômico, etapa responsável pelo maior potencial de armazenamento de informação e estabilidade, também foi submetido à indelével ação da seleção natural. Utilizando a metodologia dos ciclos de amplificação-mutação-seleção, tal como o SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment), que mimetizam a seleção natural, e ferramentas da Teoria de Informação, foram desenvolvidos e implementados programas para simular a evolução, considerando, além de outros, um parâmetro pouco explorado na literatura: a variação do tamanho do genoma. Foram estudados dois cenários distintos; no primeiro a seleção era dependente da busca exata de uma sequência pré-determinada (o filtro). Além disso, a entropia de Shannon considerada era referente ao alinhamento da molécula toda. Avaliando configurações simples desse modelo, foi possível desenvolver uma equação analítica que descreveu bem os resultados (para tamanho de genoma constante). No segundo cenário, foram exploradas a seleção não específica de uma sequência, o número máximo de bases constante, a entropia apenas das regiões de interesse e a presença de até cinco filtros de seleção. A entropia da molécula toda se mostrou pouco significativa (primeiro cenário), diferentemente da avaliada em apenas uma região. Foi possível observar que o crescimento do genoma foi pouco acentuado, predominando as moléculas menores, mesmo com grande quantidade de filtros, o que indica que o sistema está sob \"seleção por compressão\", sendo, pois, necessário atribuir explicitamente vantagens às moléculas mais complexas para poder haver aumento no crescimento médio. / Molecular Evolution, stimulated and supported by Evolution Synthetic Theory, became essential to understand evolution of life. Genomic growth was responsible to increase the capacity of storage information and to stability of the molecule; besides, it was also submitted to natural selection. Using amplification-mutation-selection methodology, such as SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment), and tools of Information Theory, it was developed computer program to simulate macromolecule evolution taking into account, besides other, a less study parameter in specialized journal: the genome size variation. It was studied two different scenarios. In the first one, selection was dependent of a specific sequence to be searched; moreover, Shannon entropy took into account all nucleotides of all molecules and it was studied with until two sequence target. It was possible develop an analytical equation to well describe simple settings of this model. In the second scenario, in another hand, selection depends on a specific sequence, but is not required to match the whole sequence. Also, to compute Shannon entropy it was taking into account only the least Hamming distance sequence of each molecule. It was studied until five sequence target in this scenario. Entropy was not significant in first scenario as it was in the second one. Size genome evolution shows the system were under compression selection, being necessary to get other advantage to become possible an increase in genome size.

Os modelos de evolução de vias metabólicas estão baseados em técnicas moleculares e bioinformática e nem sempre levam em consideração o contextos fisiológico e ecológico do organismo. Assim, tomando como plataforma o metabolismo de nitrogênio, procurou-se estabelecer uma hipótese evolutiva para o uso de α-aminoácidos por metazoários como fonte de nitrogênio. O objetivo é traçar essa história evolutiva, contextualizando fisiológica e ecologicamente as alterações que ocorreram no perfil de utilização desses compostos. Para traçar essa história evolutiva, recorreu-se a dados disponíveis na literatura partindo-se dos elementos moleculares/metabólicos que compõem o ciclo do nitrogênio e em qual contexto geológico e evolutivo se deu tal história. Os dados obtidos, reorganizados e reestruturados nesse novo contexto, permitiram conclusões originais no presente trabalho, a saber: (1) a capacidade de fixação de nitrogênio atmosférico foi um fator de seleção natural positiva na transição da atmosfera redutora para oxidante; (2) os organismos fixadores de nitrogênio são bem mais disseminados do que o admitido classicamente; (3) o produto final da fixação biológica de nitrogênio in vivo são α- aminoácidos, e foram um fator de pressão seletiva para os organismos incapazes de fixar nitrogênio; (4) os metazoários evoluíram posteriormente a esse cenário e seu aparato metabólico está mais adaptado para o aproveitamento líquido do nitrogênio obtido apenas na forma de α-aminoácidos. / Metabolic pathway evolution models are molecular and computational based, and do not take account the physiological and ecological contexts in which organisms are inserted. Thus using the nitrogen metabolism as a platform, an evolutionary hypothesis on the α-amino acids utilization by metazoans was proposed. The objective of the present work is to trace an evolutionary history of the nitrogen usage by metazoans taking account the profile changes on a physiological and ecological basis. In order to trace this evolutionary history, a scrutiny were performed in the specialized literature aiming at data about the molecular and metabolic elements which perform the nitrogen cycle and in which geologic and evolutive context has passed such history. The reorganization of obtained data in a new context allowed original conclusions in the present work as follows: (1) the capability of fixing the atmospheric nitrogen was a positive selection factor in the atmospheric condition transition from reductive to oxidant; (2) nitrogen fixing organisms are far most wide spread than classically admitted; (3) α-amino acids are the biological nitrogen fixation end product in vivo, and are a selective factor for non-fixing organisms; (4) metazoans evolved afterwards in these scenario and their metabolic apparatus is adapted to the nitrogen net utilization obtained in the α-amino acid form.

Os modelos de evolução de vias metabólicas estão baseados em técnicas moleculares e bioinformática e nem sempre levam em consideração o contextos fisiológico e ecológico do organismo. Assim, tomando como plataforma o metabolismo de nitrogênio, procurou-se estabelecer uma hipótese evolutiva para o uso de α-aminoácidos por metazoários como fonte de nitrogênio. O objetivo é traçar essa história evolutiva, contextualizando fisiológica e ecologicamente as alterações que ocorreram no perfil de utilização desses compostos. Para traçar essa história evolutiva, recorreu-se a dados disponíveis na literatura partindo-se dos elementos moleculares/metabólicos que compõem o ciclo do nitrogênio e em qual contexto geológico e evolutivo se deu tal história. Os dados obtidos, reorganizados e reestruturados nesse novo contexto, permitiram conclusões originais no presente trabalho, a saber: (1) a capacidade de fixação de nitrogênio atmosférico foi um fator de seleção natural positiva na transição da atmosfera redutora para oxidante; (2) os organismos fixadores de nitrogênio são bem mais disseminados do que o admitido classicamente; (3) o produto final da fixação biológica de nitrogênio in vivo são α- aminoácidos, e foram um fator de pressão seletiva para os organismos incapazes de fixar nitrogênio; (4) os metazoários evoluíram posteriormente a esse cenário e seu aparato metabólico está mais adaptado para o aproveitamento líquido do nitrogênio obtido apenas na forma de α-aminoácidos. / Metabolic pathway evolution models are molecular and computational based, and do not take account the physiological and ecological contexts in which organisms are inserted. Thus using the nitrogen metabolism as a platform, an evolutionary hypothesis on the α-amino acids utilization by metazoans was proposed. The objective of the present work is to trace an evolutionary history of the nitrogen usage by metazoans taking account the profile changes on a physiological and ecological basis. In order to trace this evolutionary history, a scrutiny were performed in the specialized literature aiming at data about the molecular and metabolic elements which perform the nitrogen cycle and in which geologic and evolutive context has passed such history. The reorganization of obtained data in a new context allowed original conclusions in the present work as follows: (1) the capability of fixing the atmospheric nitrogen was a positive selection factor in the atmospheric condition transition from reductive to oxidant; (2) nitrogen fixing organisms are far most wide spread than classically admitted; (3) α-amino acids are the biological nitrogen fixation end product in vivo, and are a selective factor for non-fixing organisms; (4) metazoans evolved afterwards in these scenario and their metabolic apparatus is adapted to the nitrogen net utilization obtained in the α-amino acid form.

Submitted by Anderson Silva (avargas@icict.fiocruz.br) on 2012-10-19T19:07:47Z No. of bitstreams: 1 antonio_c_a_meirelesfilho_ioc_bcm_0044_2008.pdf: 2486014 bytes, checksum: 619a0dcb233abdf48640585c364627e4 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-10-19T19:07:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 antonio_c_a_meirelesfilho_ioc_bcm_0044_2008.pdf: 2486014 bytes, checksum: 619a0dcb233abdf48640585c364627e4 (MD5) Previous issue date: 2008 / Research Institute Of Molecular Pathology Dr. Bohr-Gasse 7. Vienna, VIE, Austria / Diversos organismos apresentam variações no comportamento e na fisiologia que são controladas por um relógio biológico interno. O flebotomíneo Lutzomyia longipalpis (Diptera: Psychodidae), o principal vetor da leishmaniose visceral nas Américas, é um inseto hematófago com atividade crepuscular/noturna. A hematofagia, crítica na transmissão da doença, está restrita a uma determinada hora do dia, certamente conseqüência do controle do marcapasso circadiano. Apesar da importância dos ritmos circadianos na dinâmica da transmissão da doença, pouco se sabe sobre seu controle molecular em insetos vetores. Neste trabalho descrevemos algumas propriedades do relógio circadiano de L. longipalpis. Comparado a Drosophila melanogaster, os genes period (per) e timeless (tim), dois elementos negativos da retroalimentação negativa, apresentam padrão similar de expressao de RNAm. Por outro lado, a expressão de Clock (Clk) e cycle (cyc), dois elemetos positivos, diferem entre as duas espécies, sugerindo que as diferenças de fase de suas expressões possam estar associadas às diferenças observadas no ritmo de atividade circadiana. Além disso, nós observamos uma redução da atividade locomotora após o repasto sanguíneo, que é correlacionada com uma diminuição dos níveis de expressão de per and tim. Apesar de muitos aspectos do marcapasso molecular serem conservados em animais, algumas diferencas entre L. longipalpis e D. melanogaster sugeriram que o relógio circadiano de moscas de fruta divergiu bastante durante a evolução. Por exemplo, enquanto em moscas o domínio de transativação do elemento positivo reside em CLK, em L. longipalpis e todos outros animais analisados até o momento ele fica em CYC. Dessa forma, parece que durante o processo evolutivo houve uma transferência funcional do domínio de transativação de CLK para CYC na linhagem de Drosophila. Para elucidar a evolução funcional do relógio circadiano de Drosophila nós testamos a hipótese de que CLK e CYC tenham trocado o domínio de transativação durante a evolução. Nossos estudos revelaram que o relógio de Drosophila pode funcionar da mesma maneira que o de mamíferos e que CRYPTOCHROME, além do seu papel bem descrito na fotorecepção, pode ter tido um papel ancestral no mecanismo molecular do marcapasso de Drosophila. / A diversity of organisms has circadian variations of behavior and physiology that are controlled by an internal biological clock. The sand fly Lutzomyia longipalpis (Diptera: Psychodidae) is a crepuscular/nocturnal blood-sucking insect that is the main vector of visceral leishmaniasis in the Americas. Blood feeding, which is critical to disease transmission, is tightly adjusted to a specific time of day and it is therefore certainly controlled by the circadian pacemaker. Despite the importance of circadian rhythms in the dynamics of disease transmission, very little is known about its molecular control in insect vectors. In this work we describe some features of the circadian clock of L. longipalpis. Compared to Drosophila melanogaster, sandfly period (per) and timeless (tim), two negative elements of the feedback loop, show similar peaks of mRNA abundance. On the other hand, the expression of Clock (Clk) and cycle (cyc), two positive elements, differs between the two species, raising the possibility that the different phases of their expression could be associated with the observed differences in circadian activity rhythms. In addition, we show a reduction in locomotor activity after a blood meal, which is correlated with downregulation of per and tim expression levels. Although many aspects of the molecular pacemaker are conserved in animals, some differences among L. longipalpis and D. melanogaster suggested that the fruit fly circadian clock have strongly diversified during the course of evolution. For example, while in flies the transactivation domain of the positive element resides in CLK, in L. longipalpis and all other animals analyzed so far it is in CYC. Therefore, it seems that during the course of evolution a functional transference of the transactivation domain from CYC to CLK occurred in the Drosophila lineage. To shed light into the functional evolution of the Drosophila circadian clock we tested the hypothesis that CLK and CYC have swapped the transactivation domain during the course of evolution. Our studies revealed that Drosophila can sustain a mammalian-like pacemaker and that CRYPTOCHROME, besides its well described role in Drosophila photoreception, might have had an ancient role in the fruit fly clockwork mechanism.

A evolução molecular, impulsionada pela Teoria Sintética da Evolução, tornou um assunto indispensável na compreensão da evolução da vida. O crescimento genômico, etapa responsável pelo maior potencial de armazenamento de informação e estabilidade, também foi submetido à indelével ação da seleção natural. Utilizando a metodologia dos ciclos de amplificação-mutação-seleção, tal como o SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment), que mimetizam a seleção natural, e ferramentas da Teoria de Informação, foram desenvolvidos e implementados programas para simular a evolução, considerando, além de outros, um parâmetro pouco explorado na literatura: a variação do tamanho do genoma. Foram estudados dois cenários distintos; no primeiro a seleção era dependente da busca exata de uma sequência pré-determinada (o filtro). Além disso, a entropia de Shannon considerada era referente ao alinhamento da molécula toda. Avaliando configurações simples desse modelo, foi possível desenvolver uma equação analítica que descreveu bem os resultados (para tamanho de genoma constante). No segundo cenário, foram exploradas a seleção não específica de uma sequência, o número máximo de bases constante, a entropia apenas das regiões de interesse e a presença de até cinco filtros de seleção. A entropia da molécula toda se mostrou pouco significativa (primeiro cenário), diferentemente da avaliada em apenas uma região. Foi possível observar que o crescimento do genoma foi pouco acentuado, predominando as moléculas menores, mesmo com grande quantidade de filtros, o que indica que o sistema está sob \"seleção por compressão\", sendo, pois, necessário atribuir explicitamente vantagens às moléculas mais complexas para poder haver aumento no crescimento médio. / Molecular Evolution, stimulated and supported by Evolution Synthetic Theory, became essential to understand evolution of life. Genomic growth was responsible to increase the capacity of storage information and to stability of the molecule; besides, it was also submitted to natural selection. Using amplification-mutation-selection methodology, such as SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment), and tools of Information Theory, it was developed computer program to simulate macromolecule evolution taking into account, besides other, a less study parameter in specialized journal: the genome size variation. It was studied two different scenarios. In the first one, selection was dependent of a specific sequence to be searched; moreover, Shannon entropy took into account all nucleotides of all molecules and it was studied with until two sequence target. It was possible develop an analytical equation to well describe simple settings of this model. In the second scenario, in another hand, selection depends on a specific sequence, but is not required to match the whole sequence. Also, to compute Shannon entropy it was taking into account only the least Hamming distance sequence of each molecule. It was studied until five sequence target in this scenario. Entropy was not significant in first scenario as it was in the second one. Size genome evolution shows the system were under compression selection, being necessary to get other advantage to become possible an increase in genome size.