A remodelação óssea é um processo fisiológico que mantém a integridade do esqueleto através da substituição do osso antigo por uma matriz óssea jovem. No entanto, na osteoporose a formação óssea, comparada à reabsorção, fica prejudicada em virtude da queda do número de osteoblastos e redução de suas atividades, levando a uma perda da microarquitetura do tecido ósseo, tornando-o frágil e com suscetibilidade à fratura. O objetivo deste trabalho foi comprovar diferenças comportamentais em células osteoblásticas provenientes da medula óssea e da calvária de ratas induzidas à osteoporose por meio de expressão gênica em larga escala. Foram utilizadas 18 ratas Wistar divididas em grupos controle e overiectomizadas. Após 150 dias da cirurgia, as ratas de ambos os grupos foram sacrificadas para coleta dos fêmures e fragmentos da calvária. As células recolhidas a partir da medula óssea e calvária foram cultivadas em placas de 24 poços (n=5) para avaliação da proliferação e viabilidade celular e em garrafas de cultura para a extração do RNA total dessas células. Em seguida, o RNA total foi quantificado e sua integridade analisada por meio do sistema de eletroforese microfluídica. Foi realizada a identificação da modulação de genes e avaliação dos microRNAs envolvidos na inibição gênica por meio de cDNA microarray. As células da medula óssea do grupo controle (MC) mostraram uma diminuição significativa na proliferação quando comparado com às células do grupo controle da calvária (CC) em todos os períodos (p < 0,05). Por outro lado, as células da medula óssea de ratas ovariectomizadas (MO) revelaram um aumento significativo na taxa de proliferação após 7 e 10 dias (p < 0,01) em comparação às células da calvária de ratas ovariectomizadas (CO). A viabilidade celular foi maior em todos os períodos estudados dos grupos CC e CO em relação aos grupos MC e MO (p < 0,05). Os dados de microarray foram normalizados utilizando-se quantil e após análise estatística por teste-t não pareado com p-value &le; 0,005 e posterior fold change &ge; 2,0, foram evidenciados 5447 mRNAs diferencialmente expressos nas células da calvária e 4399 mRNAs nas células da medula óssea. Os dados de miRNAs foram normalizados utilizando-se também o quantil e após análise estatística por teste-t moderado com p-value &le; 0,05 e posterior fold change &ge; 1.5, foram evidenciados 84 miRNAs diferencialmente expressos nas células de calvária e 55 miRNAs nas células da medula óssea. No grupo de genes reprimidos da CC destacam-se Notch1, Dlx5, Fgf1, Il6 e Fgfr2 como reguladores da proliferação celular e as Caspases 6 e 12 como resposta a substâncias orgânicas. Já no grupo de genes induzidos da CC encontramos os genes Gli1 e Bmp7 como reguladores da proliferação celular, Gli1, Bmp3 e Mmp2 no processo biológico de desenvolvimento ósseo e Lrp1, Mmp2 e a família Tgf&beta;1, 2 e 3 no envelhecimento, entre outros. Dentre os genes reprimidos do grupo da MO encontram-se o Csf1, Sparc e Tnf como reguladores da proliferação celular e Anxa5, Col1a1, Spp1, Sparc, Tnf e Mmp2 no processo biológico de resposta a substâncias orgânicas e no grupo de genes induzidos os genes Notch1, Bmp4, Dlx5 e Stat6 como reguladores da proliferação celular e os genes Alpl, Bmp4 e Casp6 no processo de resposta a substâncias orgânicas, entre outros. Dentre os miRNAs encontrados, membros da família 30 (miR-30a, 30c e 30d) apresentaram-se induzidos tanto na CO quanto na MO, sendo que estes miRNAs atuam como reguladores negativos da diferenciação osteoblástica. Já o miR-17 que está relacionado com a regulação positiva da osteogênese apresentou-se reprimido tanto na CO quanto na MO. O miR-542-3p suprime a diferenciação osteogênica e promove a apoptose dos osteoblastos reprimindo o gene Bmp7 e a sua via de sinalização. Esse miRNA está induzido tanto no grupo da CO quanto na MO. Esses dados confirmam que nas ratas ovariectomizadas há uma menor atividade osteoblástica e maior atividade osteoclástica. Os dados encontrados no trabalho sugerem uma diferença na expressão gênica não só das células diferenciadas da calvária, mas também aquelas ainda presentes na medula óssea, influenciando, assim, a formação adequada de tecido ósseo em uma situação de osteoporose. / Bone remodeling is a physiological process which maintains skeleton integrity replacing old bone by a young bone matrix. In some diseases such as osteoporosis bone formation is impaired due to the decrease in the number of osteoblasts and reduction of their activities leading to a loss of bone tissue microarchitecture, making it fragile and susceptible to fracture. The objective of this study was to evaluate behavioral differences in osteoblast-like cells from calvaria and bone marrow of rats induced to osteoporosis by ovariectomy through large-scale gene expression analysis. Eighteen Wistar rats were used and divided into control and ovariectomized groups. After 150 days of surgery, the rats of both groups were sacrificed for collection of femurs and calvaria fragments. The cells collected from bone marrow and calvaria were grown in 24-well plates (n = 5) for cell proliferation and viability analysis, as well as grown in culture bottles for total RNA extraction of these cells. The RNA was quantified and its integrity assessed by gel electrophoresis in a microfluidic system. Identification of gene modulation as well as microRNAs involved in gene inhibition was performed by cDNA microarray. Bone marrow cells from the control group (MC) showed a significant decrease in proliferation compared with cells from the calvaria control group (CC) in all periods (p <0.05). On the other hand, bone marrow cells of ovariectomized rats (MO) revealed a significant increase in the proliferation rate after 7 and 10 days (p<0.01) compared to calvaria cells of ovariectomized rats (CO). Cell viability was higher in all periods of CC and CO groups compared to MC and MO groups (p <0.05). Microarray data were normalized using quantile and after statistical analysis by unpaired t-test with p-value &le; 0.005 and subsequent fold change &ge; 2.0, 5.447 differentially expressed mRNAs were detected in calvaria cells and 4.399 mRNAs in bone marrow cells. The miRNAs data were also normalized using the quantile and after statistical analysis by moderate ttest with p-value &le; 0.05 and subsequent fold change &ge; 1.5, 84 miRNAs differentially expressed in calvaria cells were detected and 55 miRNAs in bone marrow cells. In CC group, there may be highlighted repressed genes such as Notch1, Dlx5, Fgf1, Fgfr2 and Il6 as regulators of cell proliferation and caspases 6 and 12 in response to organic substances. The same group showed induced genes such as Gli1 and Bmp7 genes as regulators of cell proliferation, Gli1, Bmp3 and Mmp2 involved in the biological process of bone development and Lrp1, Mmp2 and Tgf&beta;1, 2 and 3 family linked to aging. Among the genes repressed in the MO group are Csf1, Sparc and Tnf as regulators of cell proliferation and Anxa5, Col1a1, Spp1, Sparc, Tnf and Mmp2 associated to biological process of response to organic substances. In the group of induced genes of MO group we found Notch1, Bmp4, Dlx5 and Stat6 as regulators of cell proliferation and Alpl, Bmp4 and Casp6 genes related to the process of response to organic substances. Among the miRNAs found, members of 30 family (miR-30a, 30c and 30d) were induced in the CO and MO groups and these miRNAs act as negative regulators of osteoblastic differentiation. The miR-17 is associated with upregulation of osteogenesis and it is repressed in both ovariectomized groups. MiR- 542-3p suppresses osteogenic differentiation and promotes osteoblast apoptosis repressing Bmp7 gene and its signaling pathway. This miRNA was induced in the CO and MO group. These data confirm that in ovariectomized rats there is a decrease in osteoblastic activity and increased osteoclastic activity. The data found in the present investigation suggest a difference in gene expression not only of differentiated cells from calvaria but also those still present in the bone marrow, thus affecting the proper formation of bone tissue in a situation of osteoporosis.

Os microRNAs estão envolvidos no processo de regulação da expressão gênica da célula, onde a molécula de microRNA se liga com o RNA mensageiro interrompendo, assim, a expressão do respectivo gene pela interrupção da tradução. A bioinformática tem auxiliado na identificação de vários genes codificadores de microRNAs em plantas e animais, incluindo mamíferos, por meio de analises de dados de microarray; assim como na predição de estruturas. Os dados de expressão de microRNAs e RNAs mensageiros foram obtidos por meio de cooperação firmada entre o Laboratório de Bioinformática do Departamento de Genética da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto - USP, coordenado pela orientadora desse projeto, e o Laboratório de Imunogenética Molecular do mesmo departamento, coordenado pelo Professor Doutor Geraldo A. S. Passos. Durante o desenvolvimento e os testes realizados, foram utilizados dados (valores numéricos de dados de expressão coletados por microarrays) provenientes da comparação da expressão de microRNAs e RNAs do timo de camundongos non obese diabetic que reproduzem diabetes melitus do tipo 1, e dados provenientes da comparação da expressão de microRNAs e RNAs de outros experimentos. O presente projeto teve como objetivo o desenvolvimento de um pipeline para a análise in silico de dados de expressão gênica de microRNAs e mRNAs obtidos por microarray. Com base em dados de expressão de microRNAs e RNAs mensageiros, foi possível a análise de diversas ferramentas e o desenvolvimento e ajuste de scripts para que seja possível a análise sequencial de tais dados. Dessa forma, o pipeline desenvolvido inclui a quantificação dos dados de expressão gênica a partir das lâminas de microarray, a normalização dos dados, as análises estatísticas das sequências diferencialmente expressas utilizando o Multi Experiment Viewer, a construção de redes de interação microRNAs-RNAs mensageiros e a busca de alvos de microRNAs baseada nesta rede, ambos pelo GenMir++. O pipeline desenvolvido é executado com facilidade e possibilitou a correta análise dos dados, evitando desperdício de tempo em análises de bancada. A partir dos resultados obtidos, novos alvos de miRNA foram encontrados com o uso do pipeline e comprovados em bancada. Tais resultados apresentados no 55º Congresso Brasileiro de Genética com o resumo intitulado MicroRNA-mRNA Network Controlling the Promiscuous Gene Expression in the Thymus of NOD (Non Obese Diabetic) Mice: Implications in the Emergence of Type 1 Diabetes Mellitus. / The microRNAs are involved in the regulation of gene expression of the cell. The miRNA molecule binds to the messenger RNA and interrupts the gene expression by disrupting the translation. Through microarray data analysis, bioinformatics is a valuable aid for the identification of several genes that encode miRNAs in plants and animals, including mammals. It is also very useful for predicting structures. Data of miRNA and mRNA expression were obtained by the collaboration the Bioinformatics Laboratory and the Molecular Immunogenetics Laboratory of the Department of Genetics of the Faculty of Medicine of Ribeirão Preto - USP, coordinated by professors Silvana Giuliatti and Geraldo A. S. Passos, respectively. During the development and tests of the research, microarrays data (numerical values os the expression) were obtained from the comparison between the expression of miRNA and mRNA of the thymus of non obese diabetic mice with diabetes mellitus type 1, as well as from comparisons of their expression in other experiments. The present study is aimed at the development of a pipeline for in silico analysis of the data of miRNAs and mRNA gene expression obtained by microarray. Based on miRNAs and mRNA expression, it was possible to analyze several tools, develop and adjust scripts that allowed the sequential analysis of such data. The pipeline includes the quantification of gene expression data from microarray, the normalization of the data, the statistical analysis of differentially expressed sequences using Multi Experiment Viewer, the construction of networks of interaction of miRNA-mRNAs, and the search for targets of miRNAs based on such network using GenMir++. The pipeline was performed easily and allowed the correct analysis of the data, avoiding waste of time in bench analysis. From the results, new targets of miRNA were found using the pipeline and were verified further in bench analysis. The results were presented in the 55 th Brazilian Genetics Congress in the paper entitled \"MicroRNA-mRNA Network Controlling the Promiscuous Gene Expression in the Thymus of NOD (Non Obese Diabetic) Mice: Implications in the Emergence of Type 1 Diabetes Mellitus\".

Acredita-se que a placa dento-bacteriana seja primordial na iniciação do processo de inflamação periodontal. Entretanto, os mecanismos exatos responsáveis pela progressão da doença periodontal ainda não foram completamente elucidados. Além disso, as bases biológicas que ditam a susceptibilidade do hospedeiro ainda permanecem desconhecidas. Portanto, o presente estudo procurou investigar diferenças na expressão gênica de sítios com periodontite. Para tanto, foi utilizada a tecnologia de microarray focado para examinar a expressão de 288 genes relacionados à apoptose, resposta de células T e inflamação. RNA total foi extraído de amostras de tecido gengival e sangue de indivíduos com periodontite crônica (N=10) e de indivíduos periodontalmente saudáveis (N=4). RNA total foi então convertido em cRNA, marcado e hibridizado em lâminas de microarray. Após a exposição, os genes marcados foram quantificados e o nível de expressão genética nas amostras gengivais dos pacientes periodontais foi comparado com o nível de expressão observado no sangue desses mesmos indivíduos, e também com o nível da expressão genética no tecido gengival dos indivíduos sem doença periodontal. Para validação dos resultados dos genes selecionados (p< ou = 0,05 e no mínimo mudança de 2 vezes na expressão) foram submetidos à análise pela técnica de PCR em tempo real. O valor de p das comparações foi calculado por meio do teste t bicaudal. Os dados do microarray, confirmados por PCR em tempo real, demonstraram um total de 8 genes com baixa expressão (log2 < ou= -1 e p<ou= 0,05) e 4 genes com elevada expressão (log2 < +1 e p<ou= 0,05). Entre eles foram detectados 4 genes anti-apoptose (BCL-2, BCL2L1, BAG3 e BAFAR), 2 receptores de citocinas (IL12RB1 e IL17RA), receptor de proteína G (GPR44) e o fator nuclear de células T ativadas (NFATC1). Adicionalmente, os resultados demonstraram 3 genes com expressão elevada, uma citocina (IL-6), uma quimiocina (IL-8) e um membro da família FOS (FOSL-1). As análises da expressão genética por microarray e PCR em tempo real realizadas no presente estudo identificaram uma série de genes candidatos que podem estar relacionados à doença periodontal. A desregulação da expressão desses genes pode contribuir para a severidade desta doença. / It is widely believed that pathogenic bacteria provide the initial trigger in periodontal disease. However, the exact pathogenic mechanisms responsible for the progression of periodontal disease remain unclear. Moreover, the biologic basis dictating the susceptibility to disease has not been elucidated. Therefore, the present study sought to investigate the expression of genes altered in periodontal disease sites. To that aim, a focused microarray system was utilized to examine the expression of 288 genes related to apoptosis, T cell response and inflammation. Total RNA was extracted from gingival tissue and peripheral blood of periodontitis (N=10) and nonperiodontitis (N=4) subjects. The RNA was converted to cRNA, labeled and hybridized to oligonucleotide microarray plates. Following exposure, the positively labeled genes were quantified and the level of expression within periodontitis gingival was compared to the PB of the same subjects, as well as with GT of NP subjects. To validate the results the selected genes (p<or = 0.05 and at least 2 fold change) were subjected to real-time PCR. The p-value of the comparisons was calculated using a 2-tailed T-test. The microarray results and real-time PCR validation showed that 8 genes were downregulated (p<0.05 and log2 <or = -1). Among these, 4 anti-apoptotic genes (BCL-2, BCL2L1, BAG3 and BAFAR), 2 cytokine receptors (IL12RB1 and IL17RA), a G-protein-coupled receptors (GPR44) and a nuclear factor of activated T cells (NFATC1) were detected. In addition, the results showed 3 upregulated genes (p<0.05 and log2 < or = +1), one cytokine (IL-6), one chemokine (IL-8) and one FOS family member (FOSL1). The combined use of oligonucleotide microarrays and realtime PCR identified a number of candidates genes that can be related to the pathogenesis of periodontal disease, and dysregulation in the expression of these genes may contribute to the progression of periodontal disease.

Análise de expressão gênica em larga escala é de fundamental importância para a biologia molecular atual pois possibilita a medida dos níveis de expressão de milhares de genes simultaneamente, o que torna viável a realização de trabalhos voltados para biologia de sistemas (systems biology). Dentre as principais técnicas experimentais disponíveis para esta finalidade, a tecnologia de microarray tem sido amplamente utilizada. Este procedimento para medida de expressão gênica é bastante complexo e os dados obtidos são freqüentemente observacionais, o que dificulta a modelagem estatística. Não existe um protocolo padrão para a geração e avaliação desses dados, sendo portanto necessário buscar procedimentos de análise que sejam adequados para cada caso. Assim, os principais métodos matemáticos e estatísticos aplicados para a análise desses dados deveriam estar disponíveis de uma forma organizada, coerente e simples em um ambiente computacional que confira robustez, confiabilidade e reprodutibilidade às análises realizadas. Uma forma de garantir estas características é através da representação (e documentação) de todos os algoritmos utilizados na forma de um grafo direcionado e acíclico que descreva todo o conjunto de transformações, ou operações, aplicadas seqüencialmente ao conjunto de dados. De acordo com esta filosofia, um ambiente foi implementado neste trabalho incorporando diversos procedimentos disponíveis na literatura atual, além de outros que foram aprimorados ou propostos nesta tese. Dentre os métodos de análise já disponíveis que foram incorporados destacam-se aqueles para a construção de agrupamentos, busca de genes diferencialmente expressos e classificadores, construção de redes de relevância e classificação funcional de grupos gênicos. Além disso, o método de construção de redes de relevância foi revisto e aprimorado e um modelo estatístico para a classificação funcional de redes de regulação gênica foi proposto e implementado. Esses dois últimos métodos surgiram a partir de problemas biológicos para os quais não existiam procedimentos de análise adequados na literatura. Finalmente, são apresentados dois conjuntos de dados que foram analisados utilizando diversas ferramentas disponíveis neste ambiente computacional. / High throughput gene expression analysis has a great importance to molecular biology nowadays because it can measure expression profiles for hundreds of genes, and this turn possible studies focused in systems biology. Between the main experimental techniques available in this direction, the microarray technology has been widely used. This experimental procedure to quantify gene expression profiles is very complex and the data obtained is frequently observational, what difficult the statistical modelling. There is not a standard protocol for the generation and evaluation of microarray data, therefore it is necessary to search by adequate analysis methods for each case. Thus, the main mathematical and statistical methods applied to microarray data analysis would have to be available in an organized, coherent and simple way in a computational environment that confer robustness, reliability and reproducibility to the data analysis. One way to guarantee these characteristics is through the representation (and documentation) of all used algorithms as a directed and acyclic graph that describes the set of transformations, or operations, applied sequentially to the dataset. According to this philosophy, an environment was implemented in this work aggregating several data analysis procedures already available in the literature, beyond other methods that were improved or proposed in this thesis. Between the procedures already available that were incorporated we can distinguish that ones for cluster analysis, differentially expressed genes and classifiers search, construction of relevance networks and functional classification of gene groups. Moreover, the method for construction of relevance networks was revised and improved and an statistical model was proposed and implemented for the functional classification of gene regulation networks. The last two procedures was born from biological problems for which adequate data analysis methods didn?t exist in the literature. Finally, we presented two datasets that were evaluated using several data analysis procedures available in this computational environment.

A percepção e aquisição de nutrientes essenciais do meio ambiente estão associadas com o desenvolvimento do fungo saprófita A. fumigatus em um ambiente hostil. O fosfato inorgânico é um dos nutrientes essenciais para o desenvolvimento deste fungo. Os sistemas para aquisição de fosfato em células eucarióticas têm sido caracterizados como sistema de alta afinidade, o qual é ativado em resposta a ausência externa de fosfato e sistema de baixa afinidade, o qual assegura um suprimento de fosfato em concentrações normais ou altas de fosfato extracelular. Como um passo inicial para o entendimento da via PHO em A. fumigatus, caracterizou-se o homólogo PHO80, PHO84 e PHO85 aqui denominados phoBPHO80, phoDPHO84 e phoAPHO85, respectivamente. Resultados mostraram que o mutante phoBPHO80 apresenta um defeito no crescimento polarizado e que existe uma interação entre o metabolismo de PhoBPHO80, da calcineurina e do cálcio. As hibridações de microarray realizadas com RNA obtido das cepas mutante phoBPHO80 e selvagem mostraram que os genes Afu4g03610 (phoDPHO84), Afu7g06350 (phoEPHO89), Afu4g06020 (phoCPHO81) e Afu2g09040 (transportador vacuolar Vtc4) estão mais expressos no background do mutante phoBPHO80 ou em concentração de 0.1 mmol/L de fosfato. Nossos resultados indicam que a mutação phoBPHO80 pode afetar o acúmulo de polifosfato em vacúolos em alta ou baixa concentração de fosfato extracelular. Não obteve-se êxito na deleção da quinase phoAPHO85 desta forma pode-se levar em consideração que o gene phoAPHO85 parece ser essencial em A. fumigatus. Surpreendentemente, a cepa com a deleção de phoDPHO84 não apresentou nenhum fenótipo diferente da sua cepa selvagem. Além do mais, as cepas mutantes phoBPHO80 e phoDPHO84 não apresentaram redução na virulência em um modelo murino de aspergilose invasiva. Nossos resultados sugerem também, que a deleção da proteína quinase A está contribuindo para um decréscimo na expressão de genes PHO em A. fumigatus. / Environmental sensing and retrieval of nutrients from the environment are associated with growth of A. fumigatus in inhospitable environments. Phosphate is an ion that is essential for fungal growth. The systems for inorganic phosphate (Pi) acquisition in eukaryotic cells (PHO) have been characterized as a low-affinity (that assures a supply of Pi at normal or high external Pi concentrations) and a high-affinity (activated in response to Pi starvation). Here, as an initial step to understand the PHO pathway in Aspergillus fumigatus, we characterized the PHO80, PHO84 and PHO85 homologues, here denominaded phoBPHO80, phoDPHO84 and phoAPHO85, respectively. We show that the phoBPHO80 mutant has a polar growth defect (i.e., a delayed germ tube emergence) and, by phenotypic and phosphate uptake analyses, establish a link between PhoBPHO80, calcineurin and calcium metabolism. Microarray hybridizations carried out with RNA obtained from wild-type and phoBPHO80 mutant cells identify Afu4g03610 (phoDPHO84), Afu7g06350 (phoEPHO89), Afu4g06020 (phoCPHO81), and Afu2g09040 (vacuolar transporter Vtc4) as more expressed both in the phoBPHO80 mutant background and under phosphate-limiting conditions of 0.1 mM Pi. Epi-fluorescence microscopy revealed accumulation of poly-phosphate in phoBPHO80 vacuoles, which was independent of extracellular phosphate concentration. We also tried to isolate the phoAPHO85 deletion strain without succes after several times what raises the interesting possibility that the phoAPHO85 null mutant might be essential in Aspergillus fumigatus. Surprisingly, phoDPHO84 deletion mutant is indistinguishable phenotypically from the corresponding wild-type strain. mRNA analyses suggest that protein kinase A absence supports the expression of PHO genes in A. fumigatus. Furthermore, phoBPHO80 and phoDPHO84 mutant are fully virulent in a murine low dose model for invasive aspergillosis.

Esta dissertação de mestrado tem como finalidade descrever o trabalho realizado em uma pesquisa que envolve a análise de expressões gênicas provenientes de microarrays com o objetivo de encontrar genes importantes em um organismo ou em uma determinada doença, como o câncer. Acreditamos que a descoberta desses genes, que chamamos aqui de genes de predição intrinsicamente multivariada (genes IMP), possa levar a descobertas de importantes processos biológicos ainda não conhecidos na literatura. A busca por genes IMP foi realizada em conjunto com estudos de modelos e conceitos matemáticos e estatísticos como redes Booleanas, cadeias de Markov, Coeficiente de Determinação (CoD), Classificação em análise de expressões gênicas e métodos de estimação de erro. No modelo de redes Booleanas, introduzido na Biologia por Kauffman, as expressões gênicas são quantizadas em apenas dois níveis: \"ligado\'\' ou \"desligado\'\'. O nível de expressão (estado) de cada gene, está relacionado com o estado de alguns outros genes através de uma função lógica. Adicionando uma perturbação aleatória a este modelo, temos um modelo mais geral conhecido como redes Booleanas com perturbação. O sistema dinâmico representado pela rede é uma cadeia de Markov ergódica e existe então uma distribuição de probabilidade estacionária. Temos a hipótese de que os experimentos de microarray seguem esta distribuição estacionária. O CoD é uma medida normalizada de quanto a expressão de um gene alvo pode ser melhor predita observando-se a expressão de um conjunto de genes preditores. Uma determinada configuração de CoDs caracteriza um gene alvo como sendo um gene IMP. Podemos trabalhar não somente com genes alvo, mas também com fenótipos alvo, onde o fenótipo de um sistema biológico poderia ser representado por uma variável aleatória binária. Por exemplo, podemos estar interessados em saber quais genes estão relacionados ao fenótipo de vida/morte de uma célula. Como a distribuição de probabilidade das amostras de microarray é desconhecida, o estudo dos CoDs é feito através de estimativas. Entre os métodos de estimação de erro estudados para este propósito podemos citar: Holdout, Resubstituição, Cross-validation, Bootstrap e .632 Bootstrap. Os métodos foram implementados para calcular os CoDs, permitindo então a busca por genes IMP. Os programas implementados na pesquisa foram usados em conjunto com uma pesquisa realizada pelo Prof. Dr. Hugo A. Armelin do Instituto de Química da USP. Este estudo em particular envolve a busca de genes importantes relacionados à morte de células tumorigênicas de camundongo disparada por FGF2 (Fibroblast Growth Factor 2). Nesta pesquisa observamos sub-redes de genes envolvidos no processo biológico em questão e também encontramos genes que podem estar relacionados ao fenômeno de morte das células de camundongo ou que estão, de fato, participando de alguma via disparada pelo FGF2. Esta abordagem de análise de expressões gênicas, juntamente com a pesquisa realizada pelo Prof. Armelin, resulta em uma metodologia para buscas de genes envolvidos em novos mecanismos de células tumorigênicas, ativados pelo FGF2. Na realidade esta metodologia pode ser aplicada em qualquer processo biológico de interesse científico, desde que seja possível modelar o problema proposto no contexto de redes Booleanas, coeficientes de determinação e genes IMP. / This Master\'s degree dissertation describes a research that involves an analysis of gene expression data from microarray experiments with the purpose to find important genes in certain organisms or diseases such as cancer. We believe that these type of genes, called intrinsically multivariately predictive genes (IMP genes), can lead to the discovery of important biological process that are unknown in the literature. The search for IMP genes was done with the study of mathematical and statistical models such as Boolean Networks, Markov Chains, Coefficient of Determination (CoD), Classification and Error Estimation Methods. In the Boolean network model, introduced in Biology by Kauffman, the gene expression is quantized in only two levels: ON and OFF. The expression level (state) of each gene is related with the state of some other genes through a logical function. Adding a random perturbation to this model, we have a more general Boolean-type model called Boolean network with perturbation. The dynamical system represented by this network is an ergodic Markov chain and thereby it possesses a steady-state distribution. We have the hypothesis that the microarray experiments follow this steady-state distribution. The CoD is a normalized measure of how much a gene expression of a target gene can be better predicted observing the expression of a set of predictor genes. A certain configuration of CoDs characterizes a target gene as an IMP gene. We can deal not only with target genes, but also with target phenotypes, where the phenotype of a biological system could be represented by a binary random variable. For example, we could be interested in knowing which genes are related to a life/death cell phenotype. Since the joint probability distribution of the gene expressions is unknown, the CoDs must be computed through estimated values. Among the error estimation methods studied we can cite: Holdout, Resubstitution, Cross-validation, Bootstrap and .632 Bootstrap. Those methods were implemented as a software in order to compute the CoDs and thereby allowing us to search for IMP genes. The software we implemented in this research was used within a research developed by Professor Dr. Hugo A. Armelin from the Instituto de Química - University of Sao Paulo. This particular research involves the search for important genes related to the death of tumorigenic mouse cells triggered by FGF2 (Fibroblast Growth Factor 2). From this research cooperation, we built some gene subnetworks involved in the target biological process and we found some genes that could be related to the death phenotype of mouse cells. This approach of gene expression analysis, together with the research developed by Professor Armelin, results in a methodology to search for important genes that could be involved in new mechanisms of tumorigenic cells triggered by FGF2. Actually, this methodology can be applied to any biological process of scientific interest, if one can model the proposed problem in the context of Boolean Networks, Coefficient of Determination and IMP genes.

O vírus linfotrópico de células T humanas tipo 1 (HTLV-1) está associado etiologicamente à duas principais manifestações clínicas: a leucemia/linfoma de células T do adulto (ATLL) e a mielopatia associada ao HTLV-1 ou paraparesia espástica tropical (HAM/TSP). Apenas 2 a 5% dos indivíduos infectados desenvolvem doenças associadas ao vírus, enquanto a maioria permanece assintomática. A HAM/TSP é uma manifestação inflamatória do sistema nervoso central e o mecanismo pelo qual o HTLV-1 induz o surgimento de HAM/TSP ainda não está totalmente esclarecido. Os linfócitos T CD4+ são os principais reservatórios do HTLV-1 in vivo e possuem uma participação importante na resposta imunológica dirigida a este retrovírus. Essas células são ativadas precocemente durante a infecção pelo HTLV-1 e auxiliam na resposta dos linfócitos T CD8 citotóxicos (CTLs), bem como na produção de anticorpos. No presente estudo, foi avaliado o perfil de expressão gênica global dos linfócitos T CD4+ isolados de portadores assintomáticos (HAC), pacientes com HAM/TSP e de indivíduos sadios (CT) por meio da metodologia de microarray. Os linfócitos T CD4+ utilizados foram isolados por separação imunomagnética e foram realizados microarrays de doze amostras individuais: quatro amostras do grupo CT, quatro amostras do grupo HAC e quatro do grupo HAM/TSP. Os dois últimos grupos continham duas amostras com alta e duas com baixa expressão da proteína Tax. As análises de agrupamento hierárquico revelaram que o perfil de expressão gênica dos indivíduos infectados pelo HTLV-1 difere dos indivíduos do grupo CT pela formação de dois agrupamentos distintos. Ademais, os indivíduos infectados pelo HTLV-1 se agruparam de acordo com o estado clínico e independente da expressão de Tax. Foram realizadas as comparações entre os grupos CT vs. HAC, CT vs. HAM/TSP e HAM/TSP vs. HAC e os dados demonstraram que 221, 254 e 70 genes estavam diferencialmente expressos, respectivamente. Além disso, foram observados 86 genes presentes nas intersecções entre CT vs. HAC x CT vs. HAM/TSP, 25 genes entre CT vs. HAM/TSP x HAM/TSP vs. HAC e apenas um gene entre CT vs. HAC x CT vs. HAM/TSP. Estes genes diferencialmente expressos estavam associados à citocinas, lise e migração celular. Os achados foram validados por PCR quantitativo em um total de 23 indivíduos assintomáticos, 17 com HAM/TSP e 25 indivíduos sadios. A validação evidenciou o aumento da expressão dos genes PXN, CXCR4, PRF1 e Foxp3 no grupo HAM/TSP em relação ao grupo HAC, além do aumento de IL-27 nos indivíduos do grupo HAC comparados com os indivíduos do grupo HAM/TSP. Adicionalmente, foi realizada a quantificação dos níveis protéicos de PRF1, GZMB, CXCR4 por citometria de fluxo. Entretanto, nenhuma diferença foi observada entre os diferentes grupos analisados. Ainda, por meio de citometria de fluxo, a população de células CD3+CD4+CD25hiFoxp3+, bem como CD4+Foxp3+ foram analisadas e observou-se maiores níveis de expressão de CD4+Foxp3+ nos indivíduos infectados pelo HTLV-1. A porcentagem de células CD3+CD4+CD25hiFoxp3+ não mostrou diferença significativa entre os três grupos comparados. Os resultados evidenciados neste projeto ressaltam a importância das células CD4+ no controle da resposta imune contra a infecção pelo HTLV-1. O aumento na expressão gênica de PXN e CXCR4, que fazem parte da via de sinalização de CXCR4, sugere a ocorrência de migração celular nos indivíduos com HAM/TSP, provavelmente para o SNC. Além disso, o aumento das células Treg parecem suprimir a atividade das células T CD8+ pela via perforina/granzima, que por sua vez aumentaria a carga proviral, aumentando assim o risco de desenvolvimento de HAM/TSP. / Human T-cell lymphotropic vírus type 1 (HTLV-1) is etiologically associated with two major diseases: the adult T cell lymphoma/leukaemia (ATLL) and the HTLV-I-associated myelopathy/tropical spastic paraparesis (HAM/TSP). About 2 to 5% of infected individuals will develop HTLV-1-related diseases, while the majority remains life-long asymptomatic carriers of the virus. HAM/TSP is an inflammatory manifestation of central nervous system and the mechanism involved in HAM/TSP development is not well elucidated. CD4+ T cells are the predominant subset of cells infected with HTLV-1 in vivo and they are also important as effector cells against the infection. These cells are early activated during infection with HTLV-1 and assist the response of CD8 cytotoxic T lymphocytes (CTLs) and antibody production. To identify genes differentially expressed among non-infected individuals (CT), asymptomatic (HAC) and HAM/TSP patients we applied the microarray using CD4+ T cells isolated from these individuals. The CD4+ T lymphocytes were isolated by magnetic cell separation system and twelve samples underwent microarray analysis, as follows: 4 CT, 4 HAC and 4 HAM/TSP samples. Two samples had high tax expression and two samples had low tax expression for both infected groups. The hierarchical clustering analysis showed that the gene expression profile of infected individuals is distinct from healthy individuals because two separate clusters were observed. HTLV-1-infected individuals clustering meets with patients clinical status. However, HTLV-1 CD4+ T cells clustering did not correlate with Tax protein expression. We found 221 genes differently expressed between CT and HAC groups, 254 genes between CT and HAM/TSP and 70 genes between HAC and HAM/TSP. Moreover, we observed 86 genes differently expressed in the intersections between CT vs. HAC x CT vs. HAM/TSP, 25 genes between CT vs. HAM/TSP x HAM/TSP vs. HAC and only one gene between CT vs. HAC x CT vs. HAM/TSP. These genes were associated with cytokines, cell lysis and cell migration. These results were validated by quantitative PCR in 23 HTLV-1 asymptomatic carriers, 17 patients with HAM/TSP and 25 healthy individuals. The validation revealed increased levels of expression of the genes PXN, CXCR4, PRF1, and Foxp3 in the HAM/TSP group compared with HAC group. IL-27 gene expression was increased in HAC group when compared with HAM/TSP group. Additionally, we performed the protein quantification of PRF1, GZMB, and CXCR4 by flow cytometry. However, no difference was observed among the three groups. We also analyzed CD3+CD4+CD25hiFoxp3+ and CD4+Foxp3+ populations by flow cytometry. There was an increase of CD4+Foxp3+ expression in HTLV-1-infected individual. No differences were observed in CD3+CD4+CD25hiFoxp3+ population among the three groups. The results shown in this project highlight the importance of CD4+ cells in controlling the immune response against HTLV-1. The gene expression profile of PXN and CXCR4 was increased. These genes are related to CXCR4 signaling pathway that can result in CD4+ T cells migration, probably to the central nervous system. It is also suggested that Treg cells can suppress the T CD8+ activity through perforin/granzyme pathway. This pathway enhances the proviral load increasing the risk of HAM/TSP development.

O controle de Listeria monocytogenes (Lm) nas plantas processadoras de alimentos é uma tarefa difícil, devido à sua capacidade em formar biofilmes e se adaptar às condições adversas do ambiente. A sobrevivência a altas concentrações de cloreto de sódio, além da multiplicação em temperaturas de refrigeração são outras duas importantes características de isolados de Lm, incluindo os dois sorotipos mais prevalentes da espécie (4b e 1/2a). Os objetivos deste estudo foram avaliar o comportamento de multiplicação, da expressão gênica global e da virulência dos dois principais sorotipos de Lm em ambientes de estresse encontrados por esses micro-organismos na indústria de alimentos. Para tanto, 22 cepas de Lm - 12 isoladas de casos clínicos (seis cepas sorotipo 4b e seis sorotipo 1/2a) e 10 isoladas de alimentos (seis sorotipo 4b e quatro sorotipo 1/2a) - além de uma cepa de Listeria monocytogenes Scott A e outra de Listeria innocua, foram inoculadas em caldo BHI com atividade de água (aw) 0,94 (11% NaCl) e incubadas a 4°C, 10°C e 25°C durante 73, 42 e 15 dias, respectivamente. A 4°C, a maior parte das cepas, tanto clínicas como de origem alimentar, conseguiu se manter viável ou ainda se multiplicar e aumentar até 2 log UFC/ml a partir da população inicial. Já a 10°C, a maioria das cepas conseguiu se multiplicar, porém diferenças significativas (p < 0,05) na duração da fase lag entre as cepas dos sorotipos 1/2a e 4b, independentemente da origem das mesmas, foram observadas (lag1/2a > lag4b). Diferenças estatísticas também foram observadas no que diz respeito às cepas de Lm sorotipo 4b, quando incubadas a 25°C em meio de cultura BHI com aw 0,94, apresentando maiores taxa de multiplicação e concentração populacional máxima (p < 0,05) em comparação às cepas de Lm sorotipo 1/2a submetidas às mesmas condições. Já com relação ao potencial de virulência das cepas, não foram detectadas diferenças estatísticas entre os sorotipos com relação a sua capacidade hemolítica, entretanto, a capacidade de invasão das cepas sorotipo 4b em células Caco-2 foi maior (p < 0,05) em comparação ao sorotipo 1/2a. Além disso, análises comparativas pré e pós-estresse osmótico confirmaram o aumento no potencial de invasão (p < 0,05) tanto das cepas sorotipo 1/2a, quanto 4b após o contato com elevadas concentrações de sal. O papel dos reguladores de transcrição Sigma B e PrfA na sobrevivência de Listeria monocytogenes, sob condição de estresse osmótico, também foi avaliado. Ensaios de microarray com cepas das linhagens I e II demonstraram maiores níveis de transcrição para 173 e 68 genes, respectivamente, na cepa selvagem quando comparada à cepa mutante &#916sigB, incluindo genes relacionados à virulência (internalinas), sobrevivência a condições de estresse e metabolismo. Os resultados obtidos confirmam a habilidade de cepas de Lm se manterem viáveis ou mesmo se multiplicarem em baixas temperaturas, bem como em ambientes com elevada pressão osmótica, independentemente do sorotipo ou origem, enfatizando a necessidade de tomada de medidas efetivas de controle desse patógeno pela indústria de alimentos uma vez que cepas de Lm podem, além de sobreviver às condições adversas, ter seu potencial de virulência aumentado. Os dados obtidos também indicam a necessidade de mais estudos de avaliação comportamental e viabilidade de Lm em ambientes com concentração de sal modificada, uma vez que a discussão sobre a diminuição nos teores de sal em alimentos vem ganhando importância mundialmente. / The control of Listeria monocytogenes (Lm) in food processing plants is difficult due to its ability to form biofilms and adapt to adverse environmental conditions. The survival at high concentrations of sodium chloride and growing at low temperatures are two other important features of Lm isolates, including the two most prevalent serotypes (1/2a and 4b). The objectives of this study were to evaluate the growing behavior, global gene expression profile and virulence potential of the two main serotypes of Lm under osmotic stress environments encountered by these microorganisms in the food industry. 22 Lm strains - 12 isolated from clinical cases (six strains serotype 4b and six serotype 1/2a) and 10 isolated from food (six serotype 4b and four serotype 1/2a) - plus one L. monocytogenes Scott A and one Listeria innocua were inoculated into BHI broth with water activity (aw) 0.94 (11% NaCl) and were incubated at 4°C, 10°C and 25°C during 73, 42 and 15 days respectively. At 4°C, the majority of strains both clinical and food were able to remain viable and to grow (up to 2 log CFU/ml). At 10°C, most strains could grow but significant differences (p < 0.05) on the lag phase duration between the serotypes 1/2a and 4b strains, regardless their origin, were observed (lag1/2a > lag4b). Statistical differences were also observed related to Lm serotype 4b strains when grown in BHI with aw 0.94 at 25°C, that showed higher maximum growth rate and final density (p < 0.05) compared to Lm serotype 1/2a strains. Regarding the virulence potential, there were no statistical differences among serotypes with respect to its hemolytic activity, however, the invasiveness of serotype 4b strains in Caco-2 cells was higher (p <0.05) than serotype 1/2a. Furthermore, comparative analyzes before and after osmotic stress confirmed the increased potential for invasion (p < 0.05) in both serotypes (1/2a and 4b) after being submitted to high salt concentrations. The role of transcription regulators sigma B and PrfA in L. monocytogenes survival under osmotic stress condition was also evaluated. Microarray assay using lineage I and II strains showed increased transcription levels in 173 and 68 genes, respectively, when comparing the wild type strains to the mutant &#916sigB strain. This included genes related to virulence (internalina), survival under stress conditions and metabolic genes. The results confirm the ability of Lm strains in remain viable or even grow at low temperatures and in high osmotic pressure environments, regardless of serotype or origin. They also emphasize the need for effective measures to control this pathogen by food industry since it is possible that Lm strains survive under adverse conditions and also increase its virulence potential. The data also indicate the need for additional studies regarding the behavior of Lm in environments with modified sodium chloride concentration since the discussion about salt levels in foods is increasing worldwide.

Investigou-se o efeito da leptina exógena e do maior consumo de energia, sobre o padrão da expressão de genes no hipotálamo de novilhas zebuínas; de modo a elucidar o mecanismo de sinalização da leptina no hipotálamo e os genes responsáveis pela obtenção da puberdade. Trinta e seis novilhas não púberes, e com idade entre 18 e 20 meses, foram divididas em três grupos experimentais: baixa energia (BAIXA), alta energia (ALTA), baixa energia com administração de leptina recombinante ovina (BAIXA+LEP), totalizando 56 dias de tratamento. Vinte e quatro novilhas foram abatidas ao apresentar sinais de puberdade, sendo eles: concentração de progesterona no soro superior a 1 ng/mL por duas amostras seguidas e presença de corpo lúteo detectável por ultra-sonografia. O hipotálamo foi colhido e armazenado a -80ºC. As amostras foram submetidas à extração do RNA total, tratadas com DNAse I e submetidas à síntese de cDNA. A quantificação relativa de quatro genes candidatos reconhecidamente envolvidos com a sinalização hipotalâmica da leptina em bovinos: NPY, NPY-Y1, NPY-Y4 e SOCS-3, foi feita através de PCR quantitativo (tempo real). Não houve efeito da administração de leptina sobre a expressão do NPY (P=0,70), ou de seus receptores: NPY-Y1 (P=0,27) e NPY-Y4 (P=0,92) no início da puberdade. A expressão de SOCS-3 foi reduzida (P=0,05) no hipotálamo de novilhas tratadas com leptina, o que sugere menor ação inibitória sobre a leptina. Em novilhas alimentadas com dieta de alta energia, a expressão do NPY-Y1 foi reduzida (P=0,04), o que indica que o hipotálamo estaria menos sensível à ação do NPY, permitindo a entrada precoce em puberdade. Nos demais genes estudados, NPY (P=0,75), NPY-Y4 (P=0,92) e SOCS-3 (P=0,24), a dieta não alterou significativamente suas expressões hipotalâmicas. Estudo mais abrangente do efeito da nutrição e da administração de leptina foi realizado através de hibridização em microarranjos de DNA, objetivando a identificação de possíveis genes candidatos, expressos no hipotálamo, que influenciam na obtenção da puberdade em novilhas Nelore tratadas com leptina ou submetidas à dieta de alta energia. Foram encontrados 78 genes cuja expressão foi alterada pela densidade energética da dieta (P=0,05) no hipotálamo das novilhas Nelore, destes foram selecionados os que apresentaram razões de expressão da ordem de 1,4 ou mais, totalizando 20 genes. Entre esses se destaca o gene da &beta;-arrestina 1 (ARRB1), que foi 1,40 vezes mais expresso (P=0,04) em novilhas submetidas à dieta de alta energia, pois atua na mediação da dessensibilização dos receptores acoplados à proteína-G-(GPCRs)1, como os receptores de NPY. Foram encontrados 134 genes diferencialmente expressos (P=0,05) devido a aplicação de leptina. Dentre os 80 genes que apresentaram razões superiores a 1,4, 18 genes tiveram a expressão reduzida, e 62 tiveram a expressão aumentada pela aplicação de leptina. Destes, alguns estão envolvidos na regulação da sinalização da leptina. O gene SRC foi menos expresso (1,64 vezes; P=0,04) em novilhas tratadas com leptina, o que sugere menor ação inibitória pela SHP-2. A proteína SOCS-2 foi 1,43 vezes (P=0,01) mais expressa no hipotálamo de novilhas tratadas com leptina. Sabe-se que, ao contrário de SOCS-1 e SOCS-3, CIS e SOCS-2 não se ligam, ou inibem, as janus kinases. O STAT-3 foi 2,14 vezes (P=0,03) mais expresso em novilhas tratadas com leptina, e sua ativação possibilita a ligação hipotalâmica da leptina com seu receptor (Ob-Rb). As IGFPB-1 e -2 foram mais expressas no hipotálamo de novilhas tratadas com leptina que em novilhas não tratadas, sendo IGFPB-1 1,78 vezes (P=0,04) mais expressa e IGFPB-2 1,89 vezes (P=0,05). As IGFPBs podem desempenhar função de potencialização da ação do IGF-1, ou exercer ação inibitória. Conclui-se que tanto o consumo de energia quanto a aplicação com leptina influenciaram o padrão de expressão gênica no hipotálamo de novilhas Nelore. A modulação da quantidade do receptor do NPY, NPY-Y1, no hipotálamo pode ser uma via importante pela qual a nutrição afeta o início da puberdade em novilhas. E ainda que estudos mais aprofundados de expressão dos genes encontrados nas hibridizações por microarranjo poderão revelar interações mais concisas entre os genes, a nutrição e a leptina na obtenção da puberdade. / It was investigated the effect of exogenous leptin and the high energy intake on gene expression pattern in the hypothalamus of zebuine heifers; in a way to elucidate the mechanism of leptin signaling in hypothalamus and the responsible genes for puberty. Thirty six heifers not in puberty at 18 and 20 months of age were divided in three experimental groups: low energy diet (LOW), high energy diet (HIGH), low energy diet with administration of recombinant ovine leptin (LOW+LEP), totalizing 56 days of treatment. Twenty four heifers were slaughtered when presented the signals of puberty: progesterone serum concentration above 1 ng/mL for two followed weeks and the presence of detectable corpus luteum by ultrasonography. The hypothalamus was collected and stored at -80ºC. Samples were submitted to total RNA extraction, treated with DNAse I and submitted to cDNA synthesis. The relative quantification of four candidate genes admittedly involved with hypothalamic leptin signaling in bovine: NPY, NPY-Y1, NPY-Y4 and SOCS-3, was evaluated through quantitative PCR (real time). There was no effect of leptin administration on NPY expression (P=0.70), or on its receptors: NPY-Y1 (P=0.27) and NPY-Y4 (P=0.92) in the onset of puberty. The expression of SOCS-3 was reduced (P=0.05) in the hypothalamus of heifers treated with leptin, what suggests lower inhibitory action over leptin. In heifers fed high energy diets, the expression of NPY-Y1 was reduced (P=0.04), which indicates that the hypothalamus would be less sensitive to the action of NPY, allowing the precocious onset of puberty. In other studied genes, NPY (P=0.75), NPY-Y4 (P=0.92) and SOCS-3 (P=0.24), the diet did not significantly altered their hypothalamic expressions. A more comprehensive study regarding the effect of nutrition and leptin administration was performed through the hybridization in DNA microarrangements, aiming the identification of possible candidate genes, expressed in hypothalamus that influence in the onset of puberty in Nelore heifers treated with leptin or submitted to high energy diets. It was found 78 genes whose expression was altered by the energy density of the diet (P<0.05) in the hypothalamus of Nelore heifers. From them, it was selected those genes which presented rates of expression in the order of 1.4 or more, totalizing 20 genes. From them, the highlight gene was &beta;-arrestin 1 (ARRB1) which was 1.40 more expressed (P=0.04) in heifers fed high energy diet due to its action in the mediation of receptors desensibilization coupled to protein-G-(GPCRs)1, as the receptors of NPY. It was found 134 genes differently expressed (P<0.05) due to leptin administration. From the 80 genes that presented rates of expression higher than 1.4, 18 genes had their expression reduced and 62 had their expression increased by leptin administration. Some of these 62 genes are involved in the regulation of leptin signaling. The gene SRC was the less expressed (1.64 times; P=0.04) in heifers treated with leptin what suggests lower inhibitory action by SHP-2. The protein SOCS-2 was 1.43 times (P=0.01) more expressed in the hypothalamus of heifers treated with leptin. It is known that on the contrary of SOCS-1 and SOCS-3, CIS and SOCS-2 do not bind or inhibit, as janus kinases. The STAT-3 was 2.14 times (P=0.03) more expressed in heifers treated with leptin and its activation enables the hypothalamic binding of leptin and its receptor (Ob-Rb). The IGFPB-1 and -2 were more expressed in the hypothalamus of heifers treated with leptin than the animals not treated, being the IGFPB-1 1.78 times (P=0.04) more expressed and the IGFPB-2 1.89 times (P=0.05). The IGFPBs could play a function of IGF-1 action enhancer or exert an inhibitory action. It is concluded that both energy intake and leptin administration influenced gene expression pattern in the hypothalamus of Nelore heifers. The modulation of the receptor quantity of NPY, NPY-Y1 in hypothalamus could be an important route in which nutrition affects the onset of puberty in heifers. Moreover, more detailed studies regarding gene expression in hybridization by microarrangement could reveal more concise interactions between genes, nutrition and leptin in the onset of puberty.

Ce travail de thèse a pour objectif de développer les méthodes originales pour l'analyse quantitative des images de Tissue Microarrays (TMAs) acquises en fluorescence par des scanners dédiés. Nous avons proposé des contributions en traitement d'images portant sur la segmentation des objets d'intérêts (i.e. des échantillons de tissus sur la lame de TMA scannée), la correction des artefacts d'acquisition liés aux scanners en question ainsi que l'amélioration de la résolution spatiale des images acquises en tenant compte des modalités d'acquisition (imagerie en fluorescence) et la conception des scanners. Les développements permettent d'envisager une nouvelle plateforme d'analyse de TMAs automatisée, qui représente aujourd'hui une forte demande dans la recherche contre les cancers. Les TMAs (ou “puces à tissus”) sont les lames histologiques sur lesquelles de nombreux échantillons tissulaires venant de différents donneurs sont déposés selon une structure de grille afin de faciliter leur identification. Pour pouvoir établir le lien entre chaque échantillon et ses données cliniques correspondantes, on s'intéresse non seulement à segmenter ces échantillons mais encore à retrouver leur position théorique (les indices de ligne et de colonne) sur la grille TMA car cette dernière est souvent très déformée pendant la fabrication des lames. Au lieu de calculer directement les indices de ligne et de colonne (des échantillons), nous avons reformulé ce problème comme un problème d'estimation de la déformation de la grille de TMA théorique à partir du résultat de segmentation en utilisant l'interpolation par splines ''plaques minces''. Nous avons combiné les ondelettes et un modèle d'ellipses paramétriques pour éliminer les fausses alarmes, donc améliorer les résultats de segmentation. Selon la conception des scanners, les images sont acquises pixel par pixel le long de chaque ligne, avec un change de direction lors du balayage entre les deux lignes. Un problème fréquent est le mauvais positionnement des pixels dû à la mauvaise synchronisation des modules mécaniques et électroniques. Nous avons donc proposé une méthode variationnelle pour la correction de ces artefacts en estimant le décalage entre les pixels sur les lignes consécutives. Cette méthode, inspirée du calcul du flot optique, consiste à estimer un champ de vecteurs en minimisant une fonction d'énergie composée d'un terme d'attache aux données non convexe et d'un terme de régularisation convexe. La relaxation quadratique est ainsi utilisée pour découpler le problème original en deux sous-problèmes plus simples à résoudre. Enfin, pour améliorer la résolution spatiale des images acquises qui dépend de la PSF (point spread function) elle-même variant selon le faisceau laser d'excitation, nous avons introduit une méthode de déconvolution d'images en considérant une famille de régulariseurs convexes. Les régulariseurs considérés sont généralisés du concept de la variation parcimonieuses (Sparse Variation) combinant la norme L1 de l'image et la variation totale (Total Variation) pour rehausser les pixels dont l'intensité et le gradient sont non-nuls. Les expériences montrent que l'utilisation de cette régularisation produit des résultats déconvolution d'images très satisfaisants en comparaison avec d'autres approches telles que la variation totale ou la norme de Schatten de la matrice Hessienne. / This thesis aims at developing dedicated methods for quantitative analysis of Tissue Microarray (TMA) images acquired by fluorescence scanners. We addressed there issues in biomedical image processing, including segmentation of objects of interest (i.e. tissue samples), correction of acquisition artifacts during scanning process and improvement of acquired image resolution while taking into account imaging modality and scanner design. The developed algorithms allow to envisage a novel automated platform for TMA analysis, which is highly required in cancer research nowadays. On a TMA slide, multiple tissue samples which are collected from different donors are assembled according to a grid structure to facilitate their identification. In order to establish the link between each sample and its corresponding clinical data, we are not only interested in the localization of these samples but also in the computation of their array (row and column) coordinates according to the design grid because the latter is often very deformed during the manufacturing of TMA slides. However, instead of directly computing array coordinates as existing approach, we proposed to reformulate this problem as the approximation of the deformation of the theoretical TMA grid using “thin plate splines” given the result of tissue sample localization. We combined a wavelet-based detection and a ellipse-based segmentation to eliminate false alarms and thus improving the localization result of tissue samples. According to the scanner design, images are acquired pixel by pixel along each line, with a change of scan direction between two subsequent lines. Such scanning system often suffers from pixel mis-positioning (jitter) due to imperfect synchronization of mechanical and electronic components. To correct these scanning artifacts, we proposed a variational method based on the estimation of pixel displacements on subsequent lines. This method, inspired from optical flow methods, consists in estimating a dense displacement field by minimizing an energy function composed of a nonconvex data fidelity term and a convex regularization term. We used half-quadratic splitting technique to decouple the original problem into two small sub-problems: one is convex and can be solved by standard optimization algorithm, the other is non-convex but can be solved by a complete search. To improve the resolution of acquired fluorescence images, we introduced a method of image deconvolution by considering a family of convex regularizers. The considered regularizers are generalized from the concept of Sparse Variation which combines the L1 norm and Total Variation (TV) to favors the co-localization of high-intensity pixels and high-magnitude gradient. The experiments showed that the proposed regularization approach produces competitive deconvolution results on fluorescence images, compared to those obtained with other approaches such as TV or the Schatten norm of Hessian matrix.