Na primeira parte desta tese, estudamos os princípios operacionais das decisões celulares mediadas pelo sistema de sinalização Notch. Este sistema tem papel importante nas decisões celulares que ocorrem durante o desenvolvimento embrionário, cicatrização de feridas e na formação de tumores. O circuito de sinalização é ativado quando o receptor Notch de uma célula interage com um dos ligantes - Delta ou Jagged - de uma célula vizinha. O circuito Notch-Delta forma um comutador intercelular, e duas células vizinhas tendem a adotar estados diferentes - Emissor (muito ligante e pouco receptor) e Recebedor (pouco ligante e muito receptor). Neste manuscrito, apresentamos uma nova abordagem teórica que integra ambos Delta e Jagged no circuito Notch. Mostramos que o circuito Notch-Delta-Jagged permite um novo estado - um híbrido Emissor/Recebedor (E/R) com concentrações intermediárias de receptores e ligantes, e portanto o circuito é age como uma chave de três vias. Em seguida, observamos que a taxa de produção de ambos os ligantes, assim como a modulação assimétrica da afinidade de ligação do Notch com seus ligantes mediada pela glicosiltransferase Fringe, afeta severamente o intervalo de existência dos estados e sua relativa estabilidade - altos níveis de Jagged, mas não de Fringe ou Delta, promovem o estado híbrido E/R e o processo de indução lateral. Nós elucidamos o papel de Jagged na determinação dos estados celulares e discutimos sua possível implicação no entendimento da comunicação entre tumor e estroma, que frequentemente envolve comunicação via interações Notch-Jagged. Posteriormente, avaliamos a interação entre Notch, inflamação e a população de Células Cancerígenas Estaminais (CCE). Mostramos que inflamação pode expandir a população de CCE por meio do aumento dos níveis de produção de Jagged que posteriormente ativa o sistema de sinalização Notch em células vizinhas não-CCE. Nossos resultados sugerem que a inibição da produção de Jagged atenua o efeito da expansão de CCE devido a inflamação, indicando que inflamação cresce a população de CCE via interações Notch-Jagged. Nossos resultados são consistentes com observações em câncer de mama do subtipo basal (triplo negativo), onde a perda de Fringe e a ativação constitutiva do eixo NF-kB - Jag1 promove a expansão da população de CCE. Nossa abordagem computacional pode ser adaptada para incluir circuitos adicionais tais como p53 e hipóxia, que afetam a plasticidade celular, proporcionando assim uma plataforma útil para a projeção de novas terapias. Na segunda parte desta tese, introduzimos um novo método para seleção de características: Suvrel. Este é um método variacional, inspirado em aprendizado de relevância, para determinar tensores métricos para definição de distâncias baseadas em similaridades, para utilização em métodos de classificação. Nós introduzimos uma nova metodologia na qual o tensor métrico pode ser calculado analiticamente. O preprocessamento das características por uma transformação linear utilizando o tensor métrico calculado via Suvrel melhora a eficiência dos classificadores. Testamos nosso método para conjuntos de dados públicos, utilizando os classificadores mais comumente utilizados. Nós também aplicamos esta metodologia no estudo da relação entre parâmetros estruturais globais e o sistema de classificação de função enzimática. Por último, introduzimos uma nova metodologia para a identificação de genes diferencialmente expressos utilizando a tecnologia de microarranjos de DNA. Diferentemente das abordagens tradicionais, nossa metodologia evita passos intermediários de preprocessamento que são desnecessários e devido a isto não acumula erros destas análises, o que resulta em um método mais sensível e robusto. / In the first part of this thesis, we studied the operating principles of cell fate decisions mediated by Notch signaling pathway. This pathway have important role in cell fate determination during embryonic development, wound healing and tumorigenesis. Notch signaling is activated by binding of Notch receptor of one cell to either of its ligand- Delta or Jagged- of another cell. Notch-Delta circuit forms an intercellular toggle switch, and two neighboring cells tend to adopt different fates - Sender (high ligand, low receptor) and Receiver (low ligand, high receptor). Here, we present a new tractable theoretical framework that incorporates both Delta and Jagged in Notch signaling, and show that Notch-Delta-Jagged circuit enables an additional fate - hybrid Sender/Receiver (S/R) (medium ligand, medium receptor) and behaves as a three-way switch. Further, we found that production rates of both the ligands and the asymmetric modulation of binding affinity of Notch to its ligands by glycosyltransferase Fringe severely affects the parameter range of the existence of these states and their relative stability - high levels of Jagged, but not that of Fringe or Delta, promote hybrid S/R state and lateral induction. We elucidate the role of Jagged in cell fate determination and discuss its possible implications in understanding tumor-stroma crosstalk, which frequently entails Notch-Jagged communication. We further evaluate the interplay among Notch signaling, inflamation and Cancer Stem Cell population. We show that inflammation can expand the population of Cancer Stem Cells (CSCs) by increasing the levels of Jagged in cells that can further activate Notch signaling pathway in neighboring non-CSCs. Our results suggest that, inhibiting the production of Jagged dampens the effect of inflammation in expanding the CSC population, indicating that inflammatory signal function through Notch-Jagged signaling to increase CSCs. Our results are consistent with observations in basal-like breast cancer, where loss of Fringe and constitutive activation of NF-kB-Jag1 axis promotes CSC population. Our computational framework can be tailored to include additional signals such as p53 and hypoxia that affect this plasticity to gain stemness, thus providing a platform that can be useful in designing novel therapies. In the second part of the thesis, we introduce a new method for feature selection: Supervised Variational Relevance Learning (Suvrel). This is a variational method to determine metric tensors to define distance based similarity in pattern classification, inspired in relevance learning. We propose a new methodology where the metric tensor can be calculated analytically. Preprocessing the patterns by doing linear transformations using the metric tensor yields a dataset which can be more efficiently classified. We test our methods using publicly available datasets, for some standard classifiers. We also applied this methodology to study the relationship between global structural parameters and the Enzyme Commission hierarchy. Lastly, we propose a new methodology for identifying the differentially expressed genes using DNA microarray technology. Unlike traditional approaches, our methodology skips intermediate unnecessary preprocessing steps and therefore does not accumulate errors due to these analysis, resulting in a more sensitive and robust method.

Na primeira parte desta tese, estudamos os princípios operacionais das decisões celulares mediadas pelo sistema de sinalização Notch. Este sistema tem papel importante nas decisões celulares que ocorrem durante o desenvolvimento embrionário, cicatrização de feridas e na formação de tumores. O circuito de sinalização é ativado quando o receptor Notch de uma célula interage com um dos ligantes - Delta ou Jagged - de uma célula vizinha. O circuito Notch-Delta forma um comutador intercelular, e duas células vizinhas tendem a adotar estados diferentes - Emissor (muito ligante e pouco receptor) e Recebedor (pouco ligante e muito receptor). Neste manuscrito, apresentamos uma nova abordagem teórica que integra ambos Delta e Jagged no circuito Notch. Mostramos que o circuito Notch-Delta-Jagged permite um novo estado - um híbrido Emissor/Recebedor (E/R) com concentrações intermediárias de receptores e ligantes, e portanto o circuito é age como uma chave de três vias. Em seguida, observamos que a taxa de produção de ambos os ligantes, assim como a modulação assimétrica da afinidade de ligação do Notch com seus ligantes mediada pela glicosiltransferase Fringe, afeta severamente o intervalo de existência dos estados e sua relativa estabilidade - altos níveis de Jagged, mas não de Fringe ou Delta, promovem o estado híbrido E/R e o processo de indução lateral. Nós elucidamos o papel de Jagged na determinação dos estados celulares e discutimos sua possível implicação no entendimento da comunicação entre tumor e estroma, que frequentemente envolve comunicação via interações Notch-Jagged. Posteriormente, avaliamos a interação entre Notch, inflamação e a população de Células Cancerígenas Estaminais (CCE). Mostramos que inflamação pode expandir a população de CCE por meio do aumento dos níveis de produção de Jagged que posteriormente ativa o sistema de sinalização Notch em células vizinhas não-CCE. Nossos resultados sugerem que a inibição da produção de Jagged atenua o efeito da expansão de CCE devido a inflamação, indicando que inflamação cresce a população de CCE via interações Notch-Jagged. Nossos resultados são consistentes com observações em câncer de mama do subtipo basal (triplo negativo), onde a perda de Fringe e a ativação constitutiva do eixo NF-kB - Jag1 promove a expansão da população de CCE. Nossa abordagem computacional pode ser adaptada para incluir circuitos adicionais tais como p53 e hipóxia, que afetam a plasticidade celular, proporcionando assim uma plataforma útil para a projeção de novas terapias. Na segunda parte desta tese, introduzimos um novo método para seleção de características: Suvrel. Este é um método variacional, inspirado em aprendizado de relevância, para determinar tensores métricos para definição de distâncias baseadas em similaridades, para utilização em métodos de classificação. Nós introduzimos uma nova metodologia na qual o tensor métrico pode ser calculado analiticamente. O preprocessamento das características por uma transformação linear utilizando o tensor métrico calculado via Suvrel melhora a eficiência dos classificadores. Testamos nosso método para conjuntos de dados públicos, utilizando os classificadores mais comumente utilizados. Nós também aplicamos esta metodologia no estudo da relação entre parâmetros estruturais globais e o sistema de classificação de função enzimática. Por último, introduzimos uma nova metodologia para a identificação de genes diferencialmente expressos utilizando a tecnologia de microarranjos de DNA. Diferentemente das abordagens tradicionais, nossa metodologia evita passos intermediários de preprocessamento que são desnecessários e devido a isto não acumula erros destas análises, o que resulta em um método mais sensível e robusto. / In the first part of this thesis, we studied the operating principles of cell fate decisions mediated by Notch signaling pathway. This pathway have important role in cell fate determination during embryonic development, wound healing and tumorigenesis. Notch signaling is activated by binding of Notch receptor of one cell to either of its ligand- Delta or Jagged- of another cell. Notch-Delta circuit forms an intercellular toggle switch, and two neighboring cells tend to adopt different fates - Sender (high ligand, low receptor) and Receiver (low ligand, high receptor). Here, we present a new tractable theoretical framework that incorporates both Delta and Jagged in Notch signaling, and show that Notch-Delta-Jagged circuit enables an additional fate - hybrid Sender/Receiver (S/R) (medium ligand, medium receptor) and behaves as a three-way switch. Further, we found that production rates of both the ligands and the asymmetric modulation of binding affinity of Notch to its ligands by glycosyltransferase Fringe severely affects the parameter range of the existence of these states and their relative stability - high levels of Jagged, but not that of Fringe or Delta, promote hybrid S/R state and lateral induction. We elucidate the role of Jagged in cell fate determination and discuss its possible implications in understanding tumor-stroma crosstalk, which frequently entails Notch-Jagged communication. We further evaluate the interplay among Notch signaling, inflamation and Cancer Stem Cell population. We show that inflammation can expand the population of Cancer Stem Cells (CSCs) by increasing the levels of Jagged in cells that can further activate Notch signaling pathway in neighboring non-CSCs. Our results suggest that, inhibiting the production of Jagged dampens the effect of inflammation in expanding the CSC population, indicating that inflammatory signal function through Notch-Jagged signaling to increase CSCs. Our results are consistent with observations in basal-like breast cancer, where loss of Fringe and constitutive activation of NF-kB-Jag1 axis promotes CSC population. Our computational framework can be tailored to include additional signals such as p53 and hypoxia that affect this plasticity to gain stemness, thus providing a platform that can be useful in designing novel therapies. In the second part of the thesis, we introduce a new method for feature selection: Supervised Variational Relevance Learning (Suvrel). This is a variational method to determine metric tensors to define distance based similarity in pattern classification, inspired in relevance learning. We propose a new methodology where the metric tensor can be calculated analytically. Preprocessing the patterns by doing linear transformations using the metric tensor yields a dataset which can be more efficiently classified. We test our methods using publicly available datasets, for some standard classifiers. We also applied this methodology to study the relationship between global structural parameters and the Enzyme Commission hierarchy. Lastly, we propose a new methodology for identifying the differentially expressed genes using DNA microarray technology. Unlike traditional approaches, our methodology skips intermediate unnecessary preprocessing steps and therefore does not accumulate errors due to these analysis, resulting in a more sensitive and robust method.

The Notch signalling pathway is universally conserved in all metazoan species, and is involved in many aspects of cell fate determination and tissue homeostasis, during development and in adult organisms. Several developmental diseases are associated with defective Notch signalling, and the Notch pathway has been implicated in a growing number of cancers. The Notch signalling pathway requires direct cell-cell contact for ligand binding and receptor activation to occur. Specific domains within the Notch receptors and ligands have been identified as necessary for the interaction to take place, and a series of enzymes are known to regulate Notch signalling via glycosylation. Other domains beyond the minimal ligand binding region of the Notch receptor are also known to influence binding. The aim of this study was to characterise the molecular basis for ligand binding by the Notch receptor, and how this is regulated by glycosylation. The effects on ligand binding of specific amino acid substitutions and sugar modifications were tested using prokaryotically -expressed proteins, and a series of constructs containing additional domains N-terminal of the ligand binding region was produced prokaryotically and eukaryotically to test how additional domains might affect ligand binding. Binding was assessed by a flow cytometry-based binding assay and by SPR in order to investigate how particular modifications affected ligand binding. These assays indicated that an evolutionarily-conserved hydrophobic site exists within the central β-sheet of EGF12 in the Notch receptor that is directly adjacent to the O-fucosylation site within this domain. The GlcNAc-fucose disaccharide modification at this position was found to increase binding of hNotch1 to both Jagged1 and DLL4. Additional EGF domains N-terminal to the ligand binding region showed opposite effects on binding to these two ligand classes, suggesting that the precise mode of binding may vary slightly between different Notch ligands.

The host immune response to parasitic helminths is usually characterized by a Th2 phenotype. As the Jagged/Notch pathway has been implicated in driving Th2 development, it was hypothesized that host macrophages and dendritic cells (DCs) could detect helminth products and mount an appropriate response via this pathway. Schistosoma mansoni soluble egg antigen (SEA) rapidly up-regulated expression of the Notch ligand, Jagged 1, in both mouse and human macrophages, as well as in conventional mouse DCs. Other factors associated with Th cell development, including the Th1-promoting factor IL-12 p40, as well as another potential Th2-promoting factor, interleukin (IL)-33, were not transcriptionally responsive to SEA in these same cell types, thus indicating the selectivity of the response. Inducible gene expression was modified by the presence of the macrophage growth factor colony-stimulating factor (CSF)-1, which inhibited Jagged 1 induction by SEA and lipopolysaccharide (LPS), but enhanced LPS-induced IL-12p40 expression. Despite the observation that SEA upregulated Jagged 1 in both macrophages and DCs, only SEA-pulsed DCs promoted IL-4 production upon T-cell activation, suggesting that Jagged 1 induction alone is insufficient for instructing Th2 development. A recombinant form of the extracellular region of Jagged 1 did, however, enhance IFN-γ production in splenocytes, thus implying that the rapid induction of Jagged 1 in macrophages and DCs can regulate T cell responses. A potential role for SEA-induced Jagged 1 in autocrine responses in macrophages was also investigated through studies with recombinant extracellular Jagged 1, as well as ectopic expression of Jagged 1 in macrophages. A comparison of the responses initiated in macrophages by SEA and the bacterial endotoxin lipopolysaccharide (LPS) revealed common activation of extracellular signal regulated kinase-1/2 (ERK-1/2) and p38 phosphorylation. However, only LPS triggered IκB degradation, phosphorylation of c-Jun N-terminal kinase (JNK) and phosphorylation of Tyr701 of signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1). SEA robustly activated signalling in HEK293 cells expressing either Toll-like receptor 2 (TLR2) or TLR4/MD2, as well as variably in cells expressing TLR3. Jagged 1 upregulation by SEA was not abrogated in TLR4 knockout macrophages, in contrast to the LPS response. Pharmacological inhibition of the ERK-1/2 pathway impaired both SEA- and LPS-inducible Jagged 1 expression in macrophages. In conclusion, the data within this thesis suggests that Jagged 1 is an ERK-dependent target of TLR signalling that has a macrophage-specific function in the response to SEA.

Fotorealistiska 3d-bilder används idag inom ett brett spektrum av branscher. Framställningen av denna typ av grafik kräver ofta väldigt mycket datorkraft. Vid rendering med renderingsmotorer som använder sig av raytracing algoritmer är aliasing ett medfött problem. Lösningen heter anti-aliasing som arbetar för att undvika aliasing artefakter som jagged edges eller Moiré-effekter med mera. En del av anti-aliasingprocessen är supersampling som ofta kräver mycket datorkraft. Att optimera parametrar för supersampling är därför mycket viktigt. Det är möjligt att genom optimering spara väldigt mycket datorkraft och därmed tid. Detta arbete innehåller resultat från experiment där deltagare får bedöma bilder med olika kvalité av anti-aliasing. Resultaten av dessa experiment kan användas som referens vid optimering av renderingsparametrar för anti-aliasing vid rendering med hjälp av Mental Ray.

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