A desnutrição acomete 925 milhões de pessoas em todo o mundo, independentemente da idade e classe social, os mais acometidos são indivíduos hospitalizados, crianças e idosos. A desnutrição causa alterações fisiológicas em diversos tecidos. O tecido hematopoiético é afetado na desnutrição protéica, por ser um tecido de elevada e constante necessidade de proteínas, levando a alterações hematológicas como anemia e leucopenia. Estudos do nosso laboratório têm demonstrado in vivo, alterações do microambiente hematopoiético, em camundongos submetidos à desnutrição protéica, bem como hipoplasia medular, mudanças quantitativas da matriz extracelular (MEC) como o aumento do deposito de fibronectina na região subendosteal (local da fixação das células tronco/ progenitoras hematopoiéticas), alterações do ciclo celular das células tronco/ progenitoras hematopoiéticas e alteração na expressão de VLA5; principal integrina na interação das células a fibronectina. Sendo assim propõe-se neste projeto avaliar possíveis isoformas da molécula de fibronectina, para melhor compreender o seu papel biológico no ciclo celular as células tronco/ progenitoras hematopoiéticas em um modelo de desnutrição protéica. Para isso foram utilizados camundongos C57BLI/6J machos, adultos, mantidos em gaioleiros metabólicos, separados em dois grupos. O grupo controle recebeu uma ração normoproteíca com 12% de proteína e o grupo desnutrido, uma ração hipoprotéica com 2% de proteína, num período de 5 semanas. Após este período os animais foram sacrificados para avaliação hematológica, celularidade da medula óssea, quantificação e pesquisa de isoformas da fibronectina, análise do perfil protéico no estroma medular em culturas de longa duração bem como a análise do estabelecimento do estroma medular em culturas de longa duração. Os animais desnutridos apresentaram uma menor celularidade e uma diminuição significativa de células jovens na medula óssea. O estroma medular estabelecido em culturas de longa duração dos animais do grupo desnutrido apresentaram uma menor confluência em relação ao grupo controle. Também foi observado nas culturas de longa duração um aumento significativo da fibronectina no 28° dia de cultura, mas com uma diminuição da fibronectina no 35° dia, porém com uma menor quantidade de região EDA nos dois períodos analisados (sítio de ligação das integrinas a fibronectina) quando comparados aos animais do grupo controle. A pesquisa de isoformas de fibronectina no estroma medular, por meio de RT-PCR, revelou que tanto os animais do grupo controle quanto os animais do grupo desnutrido apresentaram diferentes isoformas de fibronectina, porém não foi possível fazer uma análise quantitativa das regiões de splicing alternativo. O perfil protéico das culturas de longa duração analisado por meio de eletroforese bidimensional demonstrou que os animais do grupo desnutrido possuem um perfil protéico diferente dos animais do grupo controle, também foi observado uma diferença do perfil protéico entre os 28° e 35° dias de cultura. Portanto a alteração quantitativa da molécula de fibronectina e da região EDA, bem como a presença de diferentes isoformas de fibronectina, juntamente com as alterações do perfil protéico podem ser devido a um aumento e ou degradação das proteínas de matriz extracelular. E estas alterações podem ser responsáveis pela hipoplasia medular e alteração do ciclo celular das células tronco/ progenitoras hematopoiéticas e estromais, talvez pela menor interação com as integrinas, sendo esta interação fundamental para a modulação de diversas funções celulares tais como proliferação e diferenciação e para a regulação do remodelamento da matriz extracelular. Mas ainda se faz necessário a quantificação das regiões de splicing alternativo, seqüênciamento das proteínas da matriz extracelular e a identificação das possíveis metalaproteinases presentes no estroma medular para melhor elucidar as funções da fibronectina e outras proteínas da matriz extracelular na manutenção da hemopoese. / Malnutrition affects 925 million people worldwide, regardless of age and social class, the most affected individuals are hospitalized, children and elderly.Malnutrition causes physiological changes in various tissues.The hematopoietic tissue is affected in protein malnutrition, because it is a tissue of high and constant need of proteins, leading to hematological abnormalities such as anemia and leucopenia. Studies from our laboratory have demonstrated in vivo changes in the hematopoietic microenvironment in mice submitted to protein malnutrition, and bone marrow hypoplasia, quantitative changes of the extracellular matrix (ECM) as the increase in deposit fibronectin in the region subendosteal (site of attachment of the cells stem / progenitor), changes in cell cycle of stem cells / progenitor and changes in the expression of VLA5; main integrin interaction of cells to fibronectin. Therefore this project proposes to evaluate possible isoforms of fibronectin molecule, to better understand its biological role in cell cycle stem cells / progenitor in a model of protein malnutrition. Mice were used for this C57BLI/6J male adults were kept in metabolic gaioleiros, separated into two groups. The control group received a ration normoproteíca with 12% protein and the malnourished group, a low protein diet with 2% protein over a period of 5 weeks. After this period the animals were sacrificed for hematological evaluation, bone marrow cellularity, and quantification of fibronectin isoforms research, analysis of protein profiles in marrow stroma in long-term cultures and analysis of the establishment of bone marrow stroma in long-term cultures. The malnourished animals showed a lower cellularity and a significant decrease of young cells in the bone marrow.The bone marrow stromal cultures established in long-term animal malnourished group had a lower convergence in the control group. It was also observed in cultures long term a significant increase in fibronectin on the 28th day of culture, but with a decrease in fibronectin 35 th day, but with a smaller amount of EDA region in both periods analyzed (binding site of integrins to fibronectin) compared to the control group.The survey of isoforms of fibronectin in bone marrow stroma, by RT-PCR revealed that both control animals and animals in the malnourished group presented different isoforms of fibronectin, but it was not possible to make a quantitative analysis of the regions of alternative splicing.The protein profile of long-term cultures analyzed using two-dimensional electrophoresis showed that animals of the malnourished group have a protein profile different from the control group was also observed a difference in protein profile between 28° and 35° day of culture. Therefore, the quantitative change of the molecule fibronectin and the region of EDA, as well as the presence of different isoforms of fibronectin, together with changes in protein profile may be due to an increase, or degradation of extracellular matrix proteins. And these changes may be responsible for bone marrow hypoplasia and alteration of the cell cycle of stem cells / progenitor and stromal cells; perhaps because of less interaction with integrins, this interaction is essential for the modulation of various cellular functions such as proliferation and differentiation and to regulation of extracellular matrix remodeling. But it is still necessary to quantify the areas of alternative splicing, sequencing of the extracellular matrix proteins and identification of possible metalaproteinases present in bone marrow stroma to better elucidate the roles of fibronectin and other extracellular matrix proteins in maintaining hemopoese.

[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

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Por outro lado, há um pool de RAGE solúveis (sRAGE), constituído por variantes do RAGE (esRAGE e cRAGE), com capacidade de interagir com os mesmos ligantes do RAGE tecidual, sem, entretanto, desencadear a transdução do sinal intracelular após a sua ligação. Dessa forma, o sRAGE funcionaria como um fator protetor para o desenvolvimento das complicações crônicas do DM2. No entanto, a associação entre os níveis de sRAGE com a presença de complicações micro e acrovasculares do DM2, assim como a associação entre os níveis de sRAGE com o grau de controle glicêmico, não está bem estabelecida, já que os trabalhos existentes na literatura mostram resultados divergentes. Objetivos: O presente estudo visou compreender melhor as correlações entre os níveis de sRAGE, as complicações crônicas do DM2 e o controle glicêmico, através da avaliação de pacientes DM2 acompanhados no Hospital Universitário Antônio Pedro. Métodos: Foram incluídos 89 pacientes DM2, 43 com complicações e 46 sem complicações. Cada um desses dois grupos pacientes foi subdividido, de acordo com o controle glicêmico, em outros 3 subgrupos. Os pacientes foram submetidos a uma avaliação clínica e laboratorial, com dosagem de sRAGE e hemoglobina glicada. O sRAGE foi mensurado no soro dos pacientes utilizando-se o teste imunoenzimático ELISA. Resultados: Não foi encontrada diferença estatisticamente significativa nos níveis de sRAGE plasmático entre os pacientes DM2 com e sem complicações microvasculares do DM2, bem como não foi constatada correlação do sRAGE com o controle glicêmico. Conclusão: Novos estudos são necessários para melhor elucidar os mecanismos envolvidos na produção e regulação da concentração das formas solúveis do RAGE e esclarecer a relação de causa-efeito entre os níveis séricos do sRAGE e as complicações crônicas do DM2 / Background: Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a major public health problem, considering its high morbidity and mortality due to chronic complications. The formation of advanced glycation end products (AGE) is one of several pathophysiological mechanisms involved in the development of complications of T2DM. By binding of AGE with its tissue receptors (RAGE), intracellular pathways are activated, leading to increased inflammatory response and the induction of oxidative stress, which culminate in the micro and macrovascular complications of T2DM. Moreover, there is a pool of soluble RAGE (sRAGE) consisting of variants of RAGE (esRAGE and cRAGE), with ability to interact with the same tissue RAGE ligands, without, however, trigger the intracellular signal transduction after binding. Thus, sRAGE would behave as a protective factor for the development of chronic complications of T2DM. Nevertheless, the association between sRAGE levels with the presence of micro and macrovascular complications of T2DM, as well as the association between sRAGE levels with the degree of glycemic control, is not well established, since the studies in the literature show divergent results. Objectives: This study aimed to better understand the correlations between the levels of sRAGE, the chronic complications of T2DM and glycemic control, through the evaluation of T2DM patients treated at University Hospital Antônio Pedro. Methods: A total of 89 T2DM patients were included, 43 with complications and 46 without complications. Each of these two groups was divided according to glycemic control, in other 3 groups. The patients underwent a clinical evaluation and laboratory, dosing sRAGE and glycated hemoglobin. sRAGE was measured in serum of patients by ELISA. Results: No statistically significant difference was found in plasma sRAGE levels between T2DM patients with and without microvascular complications, as well as no correlation between sRAGE and glycemic control. Conclusion: Further studies are needed to better elucidate the mechanisms involved in producing and regulating the concentration of soluble forms of RAGE and to clarify the cause-effect relationship between serum levels of sRAGE and the chronic complications of T2DM

O gene PKHD1, mutado na doença renal policística autossômica recessiva, apresenta um padrão de splicing complexo associado a múltiplos transcritos alternativos. Neste trabalho estudamos o perfil de expressão de seu produto, poliductina. Análises por western blot revelaram produtos putativos de membrana de > 440 kDa e ~230 kDa, e de ~140 kDa em frações solúveis de rim, fígado e pâncreas. Estudos imunoistoquímicos mostraram marcação em ductos coletores renais e porção ascendente espessa da alça de Henle, em epitélios ductais biliar e pancreático e, no período embrionário, em broto ureteral, ductos biliar e pancreático e glândula salivar. Análises por imunofluorescência e microscopia imunoeletrônica sugerem que poliductina se localize em cílio apical primário, membrana apical e citoplasma de células do ducto coletor. Nossos resultados indicam que PKHD1 codifica isoformas de membrana e solúveis / PKHD1, the gene mutated in autosomal recessive polycystic kidney disease, presents a complex splicing pattern, associated with multiple alternative transcripts. In this work we have studied the expression profile of its product, polyductin. Western blot analysis revealed putative membrane products of > 440 kDa and 230 kDa, and of ~140 kDa in soluble fractions in kidney, liver and pancreas. Immunohistochemistry studies showed staining in renal collecting duct and thick ascending limb of Henle, in biliary and pancreatic ductal epithelia and, in the embryonic period, in ureteric bud, biliary and pancreatic ducts and salivary gland. Immunofluorescence and immunoelectron microscopy studies suggest that polyductin localizes to primary apical cilium, apical membrane and cytoplasm of collecting duct cells. Our data indicate that PKHD1 codifies membrane and soluble isoforms

O gene PKHD1, mutado na doença renal policística autossômica recessiva, apresenta um padrão de splicing complexo associado a múltiplos transcritos alternativos. Neste trabalho estudamos o perfil de expressão de seu produto, poliductina. Análises por western blot revelaram produtos putativos de membrana de > 440 kDa e ~230 kDa, e de ~140 kDa em frações solúveis de rim, fígado e pâncreas. Estudos imunoistoquímicos mostraram marcação em ductos coletores renais e porção ascendente espessa da alça de Henle, em epitélios ductais biliar e pancreático e, no período embrionário, em broto ureteral, ductos biliar e pancreático e glândula salivar. Análises por imunofluorescência e microscopia imunoeletrônica sugerem que poliductina se localize em cílio apical primário, membrana apical e citoplasma de células do ducto coletor. Nossos resultados indicam que PKHD1 codifica isoformas de membrana e solúveis / PKHD1, the gene mutated in autosomal recessive polycystic kidney disease, presents a complex splicing pattern, associated with multiple alternative transcripts. In this work we have studied the expression profile of its product, polyductin. Western blot analysis revealed putative membrane products of > 440 kDa and 230 kDa, and of ~140 kDa in soluble fractions in kidney, liver and pancreas. Immunohistochemistry studies showed staining in renal collecting duct and thick ascending limb of Henle, in biliary and pancreatic ductal epithelia and, in the embryonic period, in ureteric bud, biliary and pancreatic ducts and salivary gland. Immunofluorescence and immunoelectron microscopy studies suggest that polyductin localizes to primary apical cilium, apical membrane and cytoplasm of collecting duct cells. Our data indicate that PKHD1 codifies membrane and soluble isoforms