O sequenciamento genômico da L. interrogans sorovar Copenhageni e os avanços das análises bioinformáticas permitiram a identificação de seis novos candidatos vacinais. Esses genes de Leptospira foram submetidos a ensaios de conservação do DNA genômico, RNA mensageiro e proteína nativa correspondente em doze sorovares de Leptospira, nos quais o gene LIC11469 foi o mais conservado. As proteínas recombinantes rLIC11469 e rLIC11030 foram purificadas por cromatografia de afinidade a metal, e submetidas a ensaio de dicroísmo circular. Em ensaios de localização celular pudemos observar a presença das proteínas nativas correspondentes na membrana externa de Leptospira. Ensaios de adesão mostraram a ligação da proteína rLIC11469 à laminina e ao plasminogênio. Ensaios de imunização e desafio demonstraram que a proteína rLIC11030 conferiu proteção contra infecção letal de L. interrogans em hamsters. Ambas as proteínas apresentaram reatividade com anticorpos presentes em soros de pacientes com leptospirose, sugerindo sua expressão durante a infecção. / The genomic sequencing of the L. interrogans serovar Copenhageni and the advances of bioinformatics analysis allowed the identification of six new vaccine candidates. These genes were subjected to genomic DNA, mRNA and native protein conservation assays in twelve serovars from Leptospira, and the gene LIC11469 was the most conserved among these serovars. The recombinant proteins rLIC11469 and rLIC11030 were purified by metal affinity chromatography, and subjected to circular dichroism. Through cellular localization assays we could observe the presence of the corresponding native proteins on the outer membrane of Leptospira. In adhesion assays, the protein rLIC11469 showed binding to laminin and plasminogen. Immunization and challenge assays showed that the protein rLIC11030 afforded protection against lethal leptospiral inoculation in hamsters. Both proteins showed reactivity against sera of patients diagnosed with leptospirosis, suggesting that these proteins are probably expressed during infection.

Estudou-se o comportamento frente a radiação UV de células humanas XP12RO, deficientes em reparo-excisão de dímeros de pirimidina. Cinéticas de incorporação de precursor radiativo de DNA em tempos crescentes apos a exposição a UV mostraram uma rápida inibição da taxa de síntese, até se alcançar um platô bem abaixo do valor obtido para células não irradiadas. Tanto o tempo para que este platô fosse alcançado quanto o valor basal de síntese obtido dependiam da dose de UV fornecida. Este tempo era compatível com o necessário para que a maquinaria de replicação percorresse a distância média interdímeros esperada para a dose de UV aplicada. Verificou-se também que o DNA recém-sintetizado após UV apresentava um peso molecular e uma taxa de elongação bem menores que nos controles não irradiados, sugerindo todos estes resultados que o dímero se constitue num bloqueio temporário para a replicação de DNA. Utilizando uma metodologia baseada no tratamento do DNA nativo com S1 endonuclease de Aspergillus oryzae, específica para DNA simples-fita, foi possível detectar a existência de lacunas de DNA replicado após UV, lacunas estas que desaparecem gradativamente com o passar do tempo pós-irradiação. DNA não irradiado manteve-se refratário à enzima, nas mesmas condições. A digestão enzimática acarretava o aparecimento de duas populações distintas de DNA, uma de alto peso molecular e outra de peso molecular bem menor, ambas se equivalendo em quantidade. Este fenômeno pôde ser observado em uma ampla faixa de doses de UV, tanto em células XP12RO como em outras linhagens celulares, e mesmo sob condições diversas de proliferação celular. Além disso, o desaparecimento das lacunas, no caso de células de roedor previamente irradiadas com UV, era retardado pela presença de cafeína, um conhecido inibidor de reparo pós-replicação (RPR) nestas linhagens. Foi efetuada uma análise da progressão da forquilha de replicação e da distribuição de lacunas do DNA replicado após UV, através de ensaios enzimáticos combinados com bandeamento de DNA em gradientes isopícnicos de CsCl. Os resultados assim obtidos levaram-nos a considerar um modelo de replicação a partir de molde lesado onde síntese descontínua (3\'-5\') propicia a formação de lacunas, enquanto que síntese contínua (5\'-3\') é retardada temporariamente pela presença da lesão, sem contudo acarretar a formação de descontinuidades físicas no DNA replicado. A mesma metodologia de digestão de DNA com S1 endonuclease permitiu verificar a ocorrência de uma nítida relação causal entre a frequência de lacunas e a frequência correspondente de dímeros, em crescentes doses de UV, sugerindo fortemente que dímeros estão opostos às lacunas no DNA recém sintetizado. Além disso, um tratamento estatístico da cinética de clivagens enzimáticas observada para as lacunas tornou possível calcular a extensão física destas, detectando-se a presença de duas populações distintas, onde 65% correspondem a 1250 nucleotídeos e 35% correspondem a 150 nucleotídeos. Finalmente, foi verificado que DNA recém-sintetizado longos tempos após UV apresenta um drástico declínio da frequência de lacunas, não obstante a frequência de dímeros permanecer essencialmente inalterada. Estes resultados favorecem a hipótese de ocorrer um processo induzido de RPR, o qual permitiria à maquinaria de replicação transpor eficientemente os dímeros presentes, apesar destes não terem propriedades codificadoras. / The synthesis of DNA in human XP12RO cells, deficient in excision repair of pyrimidine dimers was studied. The rate of incorporation of radioactive precursors into DNA was measured at different times after irradiation. The DNA synthesis decreases shortly after irradiation, reaching a lateau whose value and time to be attained was dependent on the UV dose. This time period was the one expected for the replication machinery to coyer the interdimer distance at the UV dose applied. It was also verified that the newly synthesized DNA after UV irradiation presented much smaller molecular weight and elongation rate, when compared with the non-irradiated controls. These results suggest that the dimer imposes a delay to DNA replication machinery. Using a methodology based on the treatment of native DNA with S1-endonuclease from Aspergillus orizae, specific for single-stranded DNA, it was possible to detect gaps in the DNA replicated after UV treatment. Thesee gaps disapeared gradually with time after irradiation. The nonirradiated DNA remained refractory to the enzyme, under the same experimental conditions. The enzymatic digestion originated approximately equal alounts of two distinct double-stranded DNA populations, one of high molecular weight and other of much smaller molecular weight. This fenomenon could be seen on a wide range of UV doses, in XP12RO cells as well as in other cells lines, and did not depend on the particular conditions of cell proliferation. Furthermore, the gap disappearence, in the case of rodent cells previously irradiated with UV, was delayed by the presence of caffeine, a known post-replication repair (PRR) inhibitor in these cell lines. An analysis of the progression of the replication fork and of the distribution of gaps in the DNA replicated after UV irradiation was carried out through enzymatic assays combined with DNA banding in isopicnic CsCl gradients. The results thus obtained led us to consider a model for replication on damaged template, whereby gaps are formed only in the strand replicating opposite the fork movement (3\'-5\'). The strand replicating in the same direction as the fork movement (5\'-3\') is temporarily delayed by the presence of the lesion, without originating gaps in the replicative DNA. The same methodology of DNA digestion with S1-endonuclease permitted us to verify the occurrence of a nitid relationship between the gap frequency and the corresponding dimer frequency, for different doses of UV, strongly suggesting that the dimers are opposite the gaps in the newly-synthesized DNA. Furthermore, an statistical analysis of the dependende of DNA cleavage by S1-endonuclease on the enzyme concentration rendered it possible to calculate the size of the gaps. Two distinct populations were detected, 65% corresponding to 1250 nucleotides and 35% corresponding to 150 nucleotides. Finally, it was verified that the nascent DNA synthesized long periods after UV are essentially free of gaps although the dimer frequency remained almost unaltered. These results favour the hypothesis of the occurrence of an induced process of PRR, which would permit the replication machinery to efficiently bypass the dimers, in spite of the fact that these lesions do not exhibit codifying properties.

Thesis advisor: Gabor T. Marth / During the last few years, numerous new sequencing technologies have emerged that require tools that can process large amounts of read data quickly and accurately. Regardless of the downstream methods used, reference-guided aligners are at the heart of all next-generation analysis studies. I have developed a general reference-guided aligner, MOSAIK, to support all current sequencing technologies (Roche 454, Illumina, Applied Biosystems SOLiD, Helicos, and Sanger capillary). The calibrated alignment qualities calculated by MOSAIK allow the user to fine-tune the alignment accuracy for a given study. MOSAIK is a highly configurable and easy-to-use suite of alignment tools that is used in hundreds of labs worldwide. MOSAIK is an integral part of our genetic variant discovery pipeline. From SNP and short-INDEL discovery to structural variation discovery, alignment accuracy is an essential requirement and enables our downstream analyses to provide accurate calls. In this thesis, I present three major studies that were formative during the development of MOSAIK and our analysis pipeline. In addition, I present a novel algorithm that identifies mobile element insertions (non-LTR retrotransposons) in the human genome using split-read alignments in MOSAIK. This algorithm has a low false discovery rate (4.4 %) and enabled our group to be the first to determine the number of mobile elements that differentially occur between any two individuals. / Thesis (PhD) — Boston College, 2010. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Biology.

As enzimas lipolíticas vêm atraindo atenção no mercado global devido ao enorme potencial biotecnológico, como: na formulação de detergentes; na indústria de couro; produção de cosméticos, fármacos, aromas, biodiesel, etc. O objetivo deste trabalho foi prospectar genes codificadores de enzimas lipolíticas em biblioteca metagenômica de um consórcio microbiano degradador de óleo diesel. A seleção foi feita pela atividade lipolítica através do cultivo dos clones em placa de petri e a avaliação foi pela observação de halo ao redor da colônia, sendo positiva para 30 clones dentre os quais dois se destacaram. Estes dois clones foram selecionados e subclonados. Os DNAs das sub-bibliotecas foram sequenciados, gerando um contig completo para cada clone. Através do ORF Finder foi identificado cinco ORFs de esterase/lipase, dentre as quais uma alcançou 58% de identidade com uma bactéria não cultivável. As árvores filogenéticas indicam que duas ORFs são similares à família IV das enzimas lipolíticas, enquanto que as outras três ORFs à família V. / Lipolytic enzymes have been attracting global market attention because they show enormous biotechnological potential. The present work was done as an attempt to find genes which codify lipolytic enzymes in a metagenomic library composed of diesel oil degradation microbe consortia. Clones were selected according to lipolytic activity and were then evaluated after cultivation in Petri dishes by observation of halo formation around the colonies. 30 clones produced halo formations and were identified as positives, two of which showed prominent results. These two were then selected and sub cloned. DNA from the sub libraries was sequenced, generating a complete contig for each clone. Using the ORF Finder five esterase/lipase ORFs were identified, with one of these attaining 58% of identity to a non cultivatable bacteria species. Assessment of the cladograms showed that two ORFs were similar to lipolytic enzyme family IV, while the other three ORFs were similar to family V.

O sequenciamento genômico da L. interrogans sorovar Copenhageni e ferramentas de bioinformática nos permitiram selecionar 15 genes que codificam proteínas hipotéticas conservadas preditas de superfície. A conservação foi confirmada por PCR em seis dos sorovares mais predominantes de L. interrogans. As proteínas recombinantes foram clonadas em vetor de expressão de E. coli em fusão com seis resíduos de histidina, que permite a purificação por cromatografia de afinidade a metal. Seis proteínas apresentaram reatividade com anticorpos presentes em soros de pacientes com leptospirose. Através de um ensaio de adesão por ELISA, identificamos uma nova adesina de leptospira, Lsa21, que interage fortemente com laminina, colágeno IV e fibronectina plasmática. Usando a metodologia de Western blotting, identificamos mais nove possíveis adesinas. Nossos ensaios de desafio demonstraram que as proteínas rLIC12730 conferiu proteção contra infecção letal de L. interrogans em hamsters. Nossos dados sugerem que seja um promissor candidato na prevenção da leptospirose. / The whole-genome sequences of L. interrogans serovar Copenhageni and the bioinformatic tools allow us to choose fifteen genes encoding for conserved hypothetical proteins predicted to be exported to the membrane. The chosen genes were amplified by PCR from six predominant pathogenic serovars, the DNA cloned in an E. coli vector, the recombinant proteins expressed in fusion with 6xHis-tag at N-terminus and purified by metal affinity chromatography. Six proteins were recognized by antibodies present in sera from human patients diagnosed with leptospirosis. By ELISA-attachment assay, we have identified a novel adhesion, named Lsa21, that binds strongly to laminin, collagen IV, and plasma fibronectin. By western blotting assay, we have further identified nine novel probable adhesions. The immunization/challenge assays showed that the recombinant protein rLIC12730 afforded protection against lethal leptospiral inoculation in hamsters. Our data suggest that it is a promising candidate for prevention of leptospirosis.

Casos de malária importada, contraídos em região endêmica, mas diagnosticados em um país não-endêmico, são um evento raro mas com desfecho potencialmente fatal. Nosso objetivo foi investigar se a análise de genomas mitocondriais permite inferir a origem geográfica de casos importados de malária vivax diagnosticados nos EUA, comparando os resultados com aqueles obtidos por análise de DNA microssatélite. Foi sequenciado o genoma mitocondrial completo de 63 amostras de P. vivax provenientes de infecções importadas dos EUA, além de 7 amostras do Brasil e 6 do Panamá. A rede de haplótipos com DNA mitocondrial foi construída com 412 sequências e foi possível classificar com precisão a origem geográfica presumida dos isolados da América do Sul, Coréia, Sudeste Asiático e Melanésia, porém os isolados do Sul da Ásia, América Central e África não puderam ser classificados geograficamente. A análise bayesiana realizada com a tipagem de marcadores de microssatélites não apresentou sucesso quanto à classificação geográfica dos isolados de P. vivax. / Cases of imported malaria, infection acquired in an endemic region, but diagnosed in a non-endemic country, are rare but can lead to a fatal outcome. Our objectives were investigate whether the analysis of mitochondrial genomes allows inferring the geographic origin of isolates of P. vivax derived from cases of imported malaria diagnosed in the USA, and compare the performance of mitochondrial genome and DNA microsatellite analysis. We sequenced full mitochondrial genomes from 63 P. vivax isolates collected at the USA from imported infections, and 7 samples from Brazil and 6 Panama. A network of mitochondrial DNA haplotypes was built with 412 genomic sequences and were able to classify accurately isolates from South America, Korea, Southeast Asia and Melanesia according to their presumed geographic origin, but failed to do so with samples from South Asia, Central America and Africa. The Bayesian analysis performed by typing microsatellite markers showed no success on the classification of geographical isolates of P. vivax.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:58:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesisMarianaCampeao.pdf: 13162328 bytes, checksum: ed5b7096328fd1404655a6f926f0f292 (MD5) Previous issue date: 2014-04-25 / Vibrios sao bacterias amplamente distribuidas no meio aquatico e podem ser encontradas em associacao com organismos marinhos, tanto como causadores de doencas quanto como simbiontes. O advento das tecnicas de sequenciamento de nova geracao e de alto desempenho tem possibilitado o acesso cada vez mais amplo a dados genomicos microbianos, incluindo vibrios. Tal quantidade e disponibilidade de dados permitem analises in silico, que podem compreender desde caracteristicas genomicas ate fenotipicas. A taxonomia microbiana e fundamentada na abordagem polifasica, que mede as relacoes evolutivas a partir do uso de sequencias de genes, especialmente o RNAr 16S, similaridade genomica, por meio de hibridizacao de DNA, e ampla caracterizacao fenotipica. A caracterizacao fenotipica requer testes experimentais, que muitas vezes sao demorados, caros e requerem grande experiencia. Neste estudo propomos o uso de genomas para a analise da diversidade e identificacao fenotipica de vibrios. Para tanto, foram avaliadas caracteristicas basicas de vibrios (tais como tamanho do genoma, conteudo genico e posicao logenetica); analisaram-se genes unicos e suas possiveis funcoes ecologicas; e desenvolveu-se uma ferramenta prototipo para identificacao de fenotipos diagnosticos de vibrios, denominada vibriophenotyping 1.0. A logenia construida a partir do genoma minimo recuperou os diferentes generos e clados descritos na literatura para o grupo vibrio, bem como posicionou as especies consideradas irmas em relacao a um ancestral comum proximo. Os genes unicos, por sua vez, puderam ainda revelar peculiaridades entre especies irmas. Por m, o programa de identificacao fenotipica desenvolvido foi testado com genomas de linhagens tipo de vibrios e apresentou uma media de similaridade superior a 70% entre os fenotipos obtidos in vitro e in silico, sendo alcançada uma similaridade de 100% para genomas integros. Dessa forma, concluiu-se que analises do pangenoma permitem a recontrucao logenetica dentro do grupo vibrios e a identificacao de genes unicos relevantes para o papel ecologico da especie no ambiente de origem, e, ainda, que a identificacao fenotipica atraves da automatizacao por uma ferramenta computacional e possivel a partir da analise de genomas.

O HPV tem sido relacionado a diversos tipos de câncer, inclusive o cervical e o retinoblastoma. Este trabalho visa estudar a atividade viral pelo perfil clastogênico e expressão protéica em mulheres e crianças atendidas em Pernambuco. Amostras cervicais, de sangue periférico e retinoblastomas foram analisadas, sendo trinta e quatro mulheres e 7 crianças avaliadas. A detecção viral foi realizada por PCR e o HPV foi detectado em 29 mulheres (85,3%), com o tipo HPV-16 mais frequente. Através da imunoistoquímica e hibridização foi possível detectar o HPV em 6 crianças e as proteínas E1+E4, L1 e E6 foram evidenciadas nos tecidos em diversas regiões do olho, sugerindo atividade viral na amostra. Além disso, danos no material genético de mulheres com HPV foram envidenciados pelo ensaio cometa, sendo encontrada uma diferença estatística significante entre linfócitos em cultura de pacientes HPV-positivas comparadas àquelas HPV-negativas. Os dados trazem questionamentos sobre a presença de HPVs oncogênicos em tumores infantis e sua possível transmissão e mais evidências sobre os danos observados no DNA dos hospedeiros como consequência da presença e atividade virais. / HPV has been linked to several cancers, including cervical and retinoblastoma. This work aims at to verify the viral activity by clastogenic profile and protein expression in women and children served in Pernambuco. Cervical samples, retinoblastomas and peripheral blood were analyzed, being thirty-four women and 7 children evaluated. Viral detection was performed by PCR and HPV was detected in 29 women, being the most frequent HPV-16. Through hybridization and immunohistochemistry analysis was possible to detect HPV in 6 children and E1+E4, L1 and E6 proteins were highlighted in the tissues in various parts of the eye, suggesting viral activity in the sample. In addition, damage to the genetic material of women with HPV have been showed by the Comet assay and found a significant statistical difference between lymphocytes in culture of HPV-positive patients compared to those HPV-negative. The data bring questions about the presence of oncogenic HPV in tumors and its possible transmission and more evidence about the damage observed in the DNA of the host as a result of the presence and viral activity.

A leptospirose é uma zoonose causada por bactérias patogênicas do gênero Leptospira. No mundo, aproximadamente 500.000 casos são reportados a cada ano, com 10% de taxa de mortalidade. Atualmente, vacinas contra leptospirose são compostas por células inativadas e são ineficazes em diferentes aspectos. Após analise do genoma, os genes LIC11121, LIC11087, LIC11228 e LIC11084 foram escolhidos para caracterização da imunogenicidade de suas respectivas proteínas. Esses genes foram clonados no vetor de expressão pAE e as proteínas recombinantes foram purificadas. Os resultados sugerem que essas proteínas podem estar localizadas na membrana externa, são imunogênicas, possivelmente expressas durante a infecção e que podem ter envolvimento em mecanismos de evasão do sistema imune e de patogenicidade da bactéria. Além disso, em um de dois experimentos, a proteína rLIC11084 induziu imunidade protetora parcial em hamsters imunizados frente desafio letal. / Leptospirosis is a zoonotic disease caused by pathogenic bacteria of genus Leptospira. In the world, nearly 500,000 cases are reported each year, with 10% of mortality rate. Currently, vaccines against leptospirosis are composed by inactivated cells that are ineffective in many aspects. After genome analysis, the genes LIC11121, LIC11087, LIC11228 e LIC11084 were chosen for immunogenicity characterization of their respective proteins. These genes were cloned in the pAE expression vector and the proteins encoded by LIC11087, LIC11228 and LIC11084 were purified. The results suggest the localization of these proteins in the bacterial outer membrane, are immunogenic, are possibly expressed during infection and may have involvement in mechanisms of immune system evasion and pathogenicity. Moreover, in one of two experiments, the rLIC11084 protein induced partial protective immunity of immunized hamsters against lethal challenge.

This thesis aims to address issues relating to genome architecture and base composition. The first part of this thesis addresses questions relating to codon usage. Initially I will investigate thousands of bacterial species using a detailed analysis of strengths of selection acting upon codons usage while also investigating patterns of optimal codon changes with respect to genomic base composition and tRNA abundance. I report that selection on codon usage increases throughout the length of highly expressed genes, in particular, the first quarter of genes have significantly lower selection. Further, it is clear that factors affecting genomic base composition can eventually lead to changes in optimal codons if the change in base composition is strong enough, however these patterns differ substantially between amino acids. The debate over translational efficiency vs. accuracy was addressed by comparing sites of differing conservation. Differing conservation were defined using a phylogenetic method, allowing sites to change in their extent of conservation throughout the tree. The results show that translational accuracy acts strongly on the top 10% of conserved sites, however is relatively weak when compared to the efficiency for other sites. Also detected is a reduction in apparent selection on codon usage on the bottom 10% of conserved sites which is likely to be caused by conflicting positive selection on amino acids. Finally, although differences in patterns are observed between amino acids, the general relationship to conservation is similar. As much of the variation in codon usage is determined by variation in base composition, this aspect of base composition is investigated in the second part of the thesis. The observed variation in intragenomic base composition in bacteria was found to be far higher than expected for GC-rich bacteria. The non-core part of the genome contributes to this variation to a greater extent than the core part, suggesting that processes such as AT-rich horizontal gene transfer may be involved. Secondly, base composition is modelled under Brownian motion and as an extension, the Ornstein- Uhlenbeck process, which allows for multiple optima throughout the tree. The model including optima fits the data better than standard Brownian motion or Brownian motion with multiple diffusion coefficients. Finally, I investigate a case where a previous codon usage analysis has been seriously confounded by an unusual genome architecture of abnormal regional base composition in two species of eukaryotic parasites in the genus Theileria. In both species, the background G+C content is 37% at most, out of the four syntenic chromosomes. In many orthologous regions however, T.annulata has a decreased G+C content of 28% while T.parva has an increased G+C content of 41%. Various factors coincide with this remarkable divergence: increased divergence at all types of site, recombination hot spots in T.parva, an increased frequency of tandem repeats and DNA sequence motifs in both species. The evolutionary origins of these unusual patterns will be discussed.