Retrovírus endógenos (ERVs) são vírus altamente difundidos no genoma de vertebrados. ERVs surgem quando retrovírus exógenos infectam células germinativas e se disseminam no genoma de seus hospedeiros, transmitindo seu material genético através das gerações por meio de herança mendeliana. ERVs são fundamentais na evolução dos genomas, sendo eles responsáveis por uma parte da diversidade genética de seus hospedeiros. O conhecimento sobre ERVs na família Felidae (Mammalia, Carnivora) estava praticamente restrito ao gato doméstico, e não se conhecia diversidade e padrões de evolução desses retroelementos em outras espécies. Este estudo teve como objetivo investigar diversidade, distribuição e padrões evolutivos de ERVs em espécies de gatos silvestres. Utilizando ferramentas de biologia molecular e bioinformática, foram identificadas e caracterizadas 85 sequências similares a retrovírus endógenos nos representantes das oito espécies brasileiras: Leopardus pardalis, L. wiedii, L. colocolo, L. geoffroyi, L. tigrinus, Puma concolor, P. yagouaroundi e Panthera onca. Encontrou-se uma predominância de ERVs similares a Gammaretrovirus, um padrão característico em muitas espécies de mamíferos. As análises filogenéticas evidenciaram três grupos principais de Gammaretrovirus, cada um evoluindo de maneira peculiar. Em uma visão geral, os ERVs provenientes de diferentes hospedeiros apresentaram-se distribuídos de forma heterogênea nas filogenias, dificultando a constatação de um padrão coevolutivo. No entanto, análises mais detalhadas de algumas sequências demonstraram peculiaridades, como no caso de um grupo de sequências similares a de um ERV oriundo do morcego Myotis lucifugus. Através de análises filogenéticas em comparação com dados obtidos na literatura, sugere-se que a infecção desse retrovírus ocorreu em uma espécie ancestral de felídeo, na segunda metade do Mioceno. Os resultados obtidos permitiram demonstrar que os felídeos neotropicais apresentam ERVs que seguem padrões semelhantes aos descritos a respeito de outros mamíferos, sugerindo também alguns casos de infecções de retrovírus muito similares entre diferentes ordens de mamíferos. / Endogenous retroviruses (ERVs) are widespread viruses in vertebrate genome. ERVs arise when exogenous retrovirus infects germinal cells and spread in the genome of their hosts, transmitting its genetic material throughout the generations by means of Mendelian inheritance. ERVs are fundamental for the evolution of genomes, being responsible for some part of the genetic diversity of their hosts. The knowledge on ERVs in felids (Mammalia, Carnivora, Felidae) was basically restricted to domestic cats, and the diversity and patterns of evolution of these retroviral elements in other species were not known. This study aimed to investigate diversity, distribution and evolutionary patterns of ERVs in wildcat species. Hence, by utilizing molecular biology and bioinformatics tools, 85 endogenous retrovirus-like sequences were identified and characterized in eight representative Brazilian species: Leopardus pardalis, L. wiedii, L. colocolo, L. geoffroyi, L. tigrinus, Puma concolor, P. yagouaroundi and Panthera onca. The analyses of these novel felid ERVs showed the predominance of Gammaretroviruslike sequences, which is a characteristic pattern present in many mammal species. Phylogenetic analyses have evidenced three major groups of Gammaretrovirus, each one evolving in a peculiar manner. ERVs from different hosts were distributed in a mixed way in the phylogenies, differently of a coevolutionary pattern. However, more detailed analyses of some sequences demonstrated peculiarities, as in the case of a group of sequences similar to an ERV from the bat Myotis lucifugus. Notably, through phylogenetic analyses, and in comparison to data obtained in the literature, it may be suggested that some infection by a retrovirus occurred in a felid ancestral species in the second half of the Miocene. Therefore, the results obtained demonstrate that ERVs from Neotropical felids follow patterns which are very similar to the ones described for other mammals, also suggesting some cases of similar retrovirus lineage infecting different mammal orders.

xvii, 167 p. : ill. (some col.) / The vacuolar proton-translocating ATPase (V-ATPase) is a multisubunit enzyme complex responsible for acidification of cellular organelles. The V-ATPase hydrolyzes ATP to pump protons across membranes to create an electrochemical gradient. Acidification of vesicular compartments is critical in numerous biological processes including protein trafficking, endocytosis, and ion homeostasis; defects in V-ATPase function can also lead to human diseases. While the function of the V-ATPase enzyme is highly conserved across eukaryotes, the molecular architecture of this protein complex has undergone unique structural changes through evolutionary time. The goal of this work is to investigate the assembly, transport, and evolution of this critical molecular machine in the model organism <italic>Saccharomyces cerevisiae</italic>. A series of genetic screens was performed in budding yeast to identify factors and pathways that are involved in promoting full V-ATPase function. I utilized several "assembly factor" alleles to serve as sensitized genetic backgrounds to partially reduce enzyme function; this work implicated sphingolipid composition in promoting full vacuolar ATPase enzyme function. I also used ancestral gene reconstruction to analyze the two isoforms of subunit a of the V₀ subdomain (Vph1p and Stv1p) by recreating the most recent common ancestral subunit (Anc.a). Characterization of Anc.a demonstrated that this ancient subunit was able to properly assemble and function within a hybrid V-ATPase complex. While the Vph1p-containing complex localized to the vacuole membrane and the Stv1p-containing complex was present on the Golgi/endosome, incorporation of Anc.a caused the V-ATPase to localize to both types of cellular compartments. Finally, I used ancestral reconstruction to investigate the lineage-specific gene duplication of one of the proteolipid subunits of the V₀ subcomplex that occurred within the fungal clade. I demonstrate that inclusion of a third proteolipid subunit within fungi (as compared to two subunits within metazoans) could have occurred via neutral processes by asymmetric degeneration of subunit-subunit interfaces that "ratcheted" the duplicated subunit with the V₀ ring. These results present a model that describes how macromolecular machines can increase in complexity through evolutionary time. This dissertation includes previously published co-authored material and unpublished co-authored material. / Committee in charge: George Sprague, Chairperson; Tom H. Stevens, Advisor; Victoria Herman, Member; Bruce Bowerman, Member; Ken Prehoda, Outside Member

For my dissertation research I explored the diversity and functional evolution of steroid hormone receptors (SRs) in animals and the physiological implications of the evolution of antifreeze proteins in Antarctic notothenioid fishes. For the former, I discovered multiple new SRs from the vast and under-sampled swath of animal diversity known as invertebrates. I used the sequences of these and other newly discovered related receptors in combination with genomic data and molecular phylogenetic techniques to revise the understanding of the evolutionary history of this important gene family. While previous studies have suggested that vertebrate SR diversity arose from a gene duplication in an ancestor of all bilaterian animals, my work presents strong evidence that this duplication occurred much later, at the base of the chordates. Furthermore, to determine the implications of added diversity and a revised phylogeny on inferences of the functional evolution of SRs, I functionally characterized heretofore-unknown SRs from hemichordates, an acoelomate flatworm, and a chaetognath and statistically reconstructed and functionally characterized ancestral SRs. My results expand the known sequence and functional repertoire of SRs in animals while reinforcing the previous inference that all SRs evolved from an estrogen-sensitive ancestral receptor. I also explored the consequences of the evolution of antifreeze proteins in Antarctic notothenioid fishes, a crucial adaptation to their icy, polar environment. These special proteins adsorb to ice crystals that enter a fish's body and prevent further growth, thereby averting death. I discovered that, in addition to their lifesaving growth-inhibiting ability, AFPs also prevent the melting of internal ice crystals at temperatures above the expected equilibrium melting point. Together with a decade-long temperature record of one of the coldest fish habitats on earth, my experimental results show that the evolution and expression of antifreeze proteins is accompanied by a potentially detrimental consequence: the lifelong accumulation of ice inside these fishes' bodies. This dissertation includes previously published co-authored material as well as unpublished co-authored material. / 2017-01-14

A família gênica Forkhead P {FOXP) tem sido alvo de muitos estudos envolvendo evolução do cérebro e comportamento animal. Destacam-se particularmente as investigações com o gene FOXP2, que indicam que mudanças neste gene estariam associadas com a evolução da vocalização em algumas espécies de mamíferos, incluindo o Homo sapiens. Recentemente, estudos de desordem intrínseca de proteínas (IDPs) tem ganhado ênfase no contexto evolut ivo, visto que uma correlação posit iva entre regiões de desordem e altas taxas evolutivas tem sido observada. Através de um conjunto de abordagens que inclui predizer o conteúdo de desordem e os motivos lineares de interação, bem como as taxas evolutivas, buscamos desvendar a historia evolutiva dos genes da subfamília FOXP. Concentramos nossas análises sobre regiões desordenadas das proteínas FOXPl, FOXP2, FOXP3 e FOXP4 encontradas em 77 espécies de tetrápodes. Tais regiões proteicas são normalmente negligenciadas em estudos dessa natureza, pois se localizam fora de seus tra dicionais domínios conservados, normalmente associados à função principal da proteína. Sít ios apontados estando sob seleção positiva e relaxamento da restrição seletiva mostraram-se hotspots importantes para mudanças que podem impactar na capacidade de interação das proteínas. Encontramos que os maiores valores de w são mais prevalentes em regiões desordenadas que em ordenadas. Ainda, alto e similar valor de desordem (70%) foi encontrado nas 77 proteínas ortólogas de FOXPl , FOXP2, e FOXP4, indicando a manutenção de um "padrão geral" sobre um longo tempo evolutivo. Portanto, a variabilidade tanto de aminoácidos quanto de motivos lineares dentro das regiões de desordem foi marcante. A proteína FOXP3 apresentou menor nível de desordem (30%), mas signif icante sinal de seleção positiva em alguns sítios. Composição idênt ica de resíduo de aminoácido e/ou motivos lineares em espécies filogeneticamente distantes, indica clara convergência molecular, provavelmente associada a pressões seletivas similares. Sucessivamente, nossos achados mostraram uma clara diferença na composição de motivos lineares entre mamíferos e não mamíferos, dando suporte para a importância dos estudos de evolução da interatividade proteica para as compreensões de características taxa-específicas. / Forkhead Family P (FOXP) has been target of many studies about brain and behavior evo lution among species. FOXP2 receives special attention in academic society, due associations with vocalízation evolution in mammals, including Homo sapiens. Recently, intrinsically disorder proteins studies have gained emphasis in the evolutionary context, as positive correlation between disorder regions and higher evolutionary rate has been observed. Through a set of approaches, including disorder and linear motif predictions, as well as estimate evolutionary rates, we aimed to unveil the evolutionary history of FOXP subfamily genes. We focused our ana lysis over disordered regions of FOXPl, FOXP2, FOXP3 and FOXP4 proteins retrieved in 77 tetrapods. Such protein regions are usually neglected in studies of this nature, for being localized out of the traditional conserved domains, usua lly associated with the main function of the protein. Sites indicated as under relaxation of selective constrains or positive selection have shown to be important hotspots for changes that can impact in protein interaction capability. Higher w va lues are prevalent in disordered regions than in ordered ones. Still, high and similar disorder proportion (~70%) was found among 77 orthologues proteins of FOXPl, FOXP2 and FOXP4, indicating general pattern of disorder maintenance, along tetrapod's evolutionary tree. However, amino acid and linear motifs variability within disordered regions was observed. FOXP3 protein presented lower disorder leveis (~30%), when compared with other paralogues, but signal of positive selection was observed in some sites. ldentical composition of amino acid residues and/or linear motifs is, probably, associated with similar selective pressure. Successively, ou r results showed clear differences in linear motif composition between mammals and non-mammals, supporting the importance of evolutionary studies on protein interaction for the understanding of taxa-specifics characteristics.

A família gênica Forkhead P {FOXP) tem sido alvo de muitos estudos envolvendo evolução do cérebro e comportamento animal. Destacam-se particularmente as investigações com o gene FOXP2, que indicam que mudanças neste gene estariam associadas com a evolução da vocalização em algumas espécies de mamíferos, incluindo o Homo sapiens. Recentemente, estudos de desordem intrínseca de proteínas (IDPs) tem ganhado ênfase no contexto evolut ivo, visto que uma correlação posit iva entre regiões de desordem e altas taxas evolutivas tem sido observada. Através de um conjunto de abordagens que inclui predizer o conteúdo de desordem e os motivos lineares de interação, bem como as taxas evolutivas, buscamos desvendar a historia evolutiva dos genes da subfamília FOXP. Concentramos nossas análises sobre regiões desordenadas das proteínas FOXPl, FOXP2, FOXP3 e FOXP4 encontradas em 77 espécies de tetrápodes. Tais regiões proteicas são normalmente negligenciadas em estudos dessa natureza, pois se localizam fora de seus tra dicionais domínios conservados, normalmente associados à função principal da proteína. Sít ios apontados estando sob seleção positiva e relaxamento da restrição seletiva mostraram-se hotspots importantes para mudanças que podem impactar na capacidade de interação das proteínas. Encontramos que os maiores valores de w são mais prevalentes em regiões desordenadas que em ordenadas. Ainda, alto e similar valor de desordem (70%) foi encontrado nas 77 proteínas ortólogas de FOXPl , FOXP2, e FOXP4, indicando a manutenção de um "padrão geral" sobre um longo tempo evolutivo. Portanto, a variabilidade tanto de aminoácidos quanto de motivos lineares dentro das regiões de desordem foi marcante. A proteína FOXP3 apresentou menor nível de desordem (30%), mas signif icante sinal de seleção positiva em alguns sítios. Composição idênt ica de resíduo de aminoácido e/ou motivos lineares em espécies filogeneticamente distantes, indica clara convergência molecular, provavelmente associada a pressões seletivas similares. Sucessivamente, nossos achados mostraram uma clara diferença na composição de motivos lineares entre mamíferos e não mamíferos, dando suporte para a importância dos estudos de evolução da interatividade proteica para as compreensões de características taxa-específicas. / Forkhead Family P (FOXP) has been target of many studies about brain and behavior evo lution among species. FOXP2 receives special attention in academic society, due associations with vocalízation evolution in mammals, including Homo sapiens. Recently, intrinsically disorder proteins studies have gained emphasis in the evolutionary context, as positive correlation between disorder regions and higher evolutionary rate has been observed. Through a set of approaches, including disorder and linear motif predictions, as well as estimate evolutionary rates, we aimed to unveil the evolutionary history of FOXP subfamily genes. We focused our ana lysis over disordered regions of FOXPl, FOXP2, FOXP3 and FOXP4 proteins retrieved in 77 tetrapods. Such protein regions are usually neglected in studies of this nature, for being localized out of the traditional conserved domains, usua lly associated with the main function of the protein. Sites indicated as under relaxation of selective constrains or positive selection have shown to be important hotspots for changes that can impact in protein interaction capability. Higher w va lues are prevalent in disordered regions than in ordered ones. Still, high and similar disorder proportion (~70%) was found among 77 orthologues proteins of FOXPl, FOXP2 and FOXP4, indicating general pattern of disorder maintenance, along tetrapod's evolutionary tree. However, amino acid and linear motifs variability within disordered regions was observed. FOXP3 protein presented lower disorder leveis (~30%), when compared with other paralogues, but signal of positive selection was observed in some sites. ldentical composition of amino acid residues and/or linear motifs is, probably, associated with similar selective pressure. Successively, ou r results showed clear differences in linear motif composition between mammals and non-mammals, supporting the importance of evolutionary studies on protein interaction for the understanding of taxa-specifics characteristics.

Retrovírus endógenos (ERVs) são vírus altamente difundidos no genoma de vertebrados. ERVs surgem quando retrovírus exógenos infectam células germinativas e se disseminam no genoma de seus hospedeiros, transmitindo seu material genético através das gerações por meio de herança mendeliana. ERVs são fundamentais na evolução dos genomas, sendo eles responsáveis por uma parte da diversidade genética de seus hospedeiros. O conhecimento sobre ERVs na família Felidae (Mammalia, Carnivora) estava praticamente restrito ao gato doméstico, e não se conhecia diversidade e padrões de evolução desses retroelementos em outras espécies. Este estudo teve como objetivo investigar diversidade, distribuição e padrões evolutivos de ERVs em espécies de gatos silvestres. Utilizando ferramentas de biologia molecular e bioinformática, foram identificadas e caracterizadas 85 sequências similares a retrovírus endógenos nos representantes das oito espécies brasileiras: Leopardus pardalis, L. wiedii, L. colocolo, L. geoffroyi, L. tigrinus, Puma concolor, P. yagouaroundi e Panthera onca. Encontrou-se uma predominância de ERVs similares a Gammaretrovirus, um padrão característico em muitas espécies de mamíferos. As análises filogenéticas evidenciaram três grupos principais de Gammaretrovirus, cada um evoluindo de maneira peculiar. Em uma visão geral, os ERVs provenientes de diferentes hospedeiros apresentaram-se distribuídos de forma heterogênea nas filogenias, dificultando a constatação de um padrão coevolutivo. No entanto, análises mais detalhadas de algumas sequências demonstraram peculiaridades, como no caso de um grupo de sequências similares a de um ERV oriundo do morcego Myotis lucifugus. Através de análises filogenéticas em comparação com dados obtidos na literatura, sugere-se que a infecção desse retrovírus ocorreu em uma espécie ancestral de felídeo, na segunda metade do Mioceno. Os resultados obtidos permitiram demonstrar que os felídeos neotropicais apresentam ERVs que seguem padrões semelhantes aos descritos a respeito de outros mamíferos, sugerindo também alguns casos de infecções de retrovírus muito similares entre diferentes ordens de mamíferos. / Endogenous retroviruses (ERVs) are widespread viruses in vertebrate genome. ERVs arise when exogenous retrovirus infects germinal cells and spread in the genome of their hosts, transmitting its genetic material throughout the generations by means of Mendelian inheritance. ERVs are fundamental for the evolution of genomes, being responsible for some part of the genetic diversity of their hosts. The knowledge on ERVs in felids (Mammalia, Carnivora, Felidae) was basically restricted to domestic cats, and the diversity and patterns of evolution of these retroviral elements in other species were not known. This study aimed to investigate diversity, distribution and evolutionary patterns of ERVs in wildcat species. Hence, by utilizing molecular biology and bioinformatics tools, 85 endogenous retrovirus-like sequences were identified and characterized in eight representative Brazilian species: Leopardus pardalis, L. wiedii, L. colocolo, L. geoffroyi, L. tigrinus, Puma concolor, P. yagouaroundi and Panthera onca. The analyses of these novel felid ERVs showed the predominance of Gammaretroviruslike sequences, which is a characteristic pattern present in many mammal species. Phylogenetic analyses have evidenced three major groups of Gammaretrovirus, each one evolving in a peculiar manner. ERVs from different hosts were distributed in a mixed way in the phylogenies, differently of a coevolutionary pattern. However, more detailed analyses of some sequences demonstrated peculiarities, as in the case of a group of sequences similar to an ERV from the bat Myotis lucifugus. Notably, through phylogenetic analyses, and in comparison to data obtained in the literature, it may be suggested that some infection by a retrovirus occurred in a felid ancestral species in the second half of the Miocene. Therefore, the results obtained demonstrate that ERVs from Neotropical felids follow patterns which are very similar to the ones described for other mammals, also suggesting some cases of similar retrovirus lineage infecting different mammal orders.

As bases moleculares da diversidade fenotipica dentro de espécies são de grande interesse aos biólogos evolutivos porque a evolução morfológica adaptival depende da seleção de variantes genéticas. Entretanto, há poucos exemplos da variação fenotípica cuja a base molecular é compreendida, especialmente entre animais vertebrados. Biólogos em geral concordam que o processo da seleção natural é a fonte predominante de diversificação morfológica. Tem sido documentado previamente que existe diversificação adaptativa da morfologia craniana entre os taxa mais elevados de Platyrrhini e também em espécies e em muitos géneros, que aparentemente diversificaram na morfologia do crânio por seleção natural. O hormônio de crescimento (GH) é um hormônio multifunctional, produzido principalmente pela glândula pituitária de todos os animais vertebrados para regular o metabolismo e para promover o crescimento pos-natal linear. A evolução molecular do GH foi estudada extensivamente em um grande número espécies de vertebrados, incluindo primatas. A evolução rápida do gene do GH em primatas, especiamente em regiões funcionalmente importantes, sugere a seleção darwiniana positiva. Entretanto, o relaxamento da seleção purificadora depois de múltiplas duplicações do locus GH não podem ser descartadas. O objetivo deste estudo era investigar a evolução molecular do gene do GH em primatas neotropicais, tentando identificar diferenças potenciais e funcionais entre taxa. As análises de máxima verossimilhança deste trabalho mostraram que a relação dN/dS no gene GH1 de primatas de Neotropicais é diferente entre gêneros, demonstrando que a evolução do GH1 no Platyrrhini não é compatível com o modelo neutro da evolução molecular. Estes resultados sugerem que o gene GH1 está sobre seleção positiva em alguns sítios na proteína durante o processo de diversificação dos primatas de Neotropical. / The molecular bases of phenotipic diversity within and between species are of great interest to evolutionary biologists because the adaptive morphological evolution depends on the selection of genetics variants. However, there are few examples of phenotypic variation whose molecular basis is understood, especially among vertebrates, while most biologists agree that the natural selection process is the predominant source of morphological diversification. Is has been previously documented that there is adaptive diversification of cranial morphology among the higher taxa of Platyrrhini and also in species in most genera that apparently diversified in skull morphology by natural selection. The Growth Hormone (GH) is a multifunctional hormone, mainly produced by the pituitary gland of all vertebrates to modulate the metabolism and promote linear postnatal growth. The molecular evolution of GH has been extensively studied in a large number of vertebrate species, including primates. The rapid GH gene evolution on primates, especially on sites that are functionally important, suggest positive Darwinian selection. However, the hypothesis of purifying selection relaxation after multiple duplications of the GH locus cannot be ruled out either. The aim of this study was to investigate the molecular evolution of the GH gene on neotropical primates, trying to identify potential and functional differences between taxa. The analyses of Maximum likelihood of this work has shown that the ratio dN/dS in the GH1 gene of Neotropical primates are different among genera, demonstrating that the evolution of the GH1 in the Platyrrhini is not compatible with the neutral model of molecular evolution. These results suggest that the GH1 gene suffered positive selection at some sites inside the protein during the process of diversification of the Neotropical primates.

Orientador: Zanoni Dias / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-17T08:10:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Baudet_Christian_D.pdf: 3490604 bytes, checksum: 7f0a8868574d06e11524e5a5de9d1fd0 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O estudo de rearranjo de genomas tem o objetivo de auxiliar o entendimento da evolução. Através da análise dos eventos de mutação como inversões, transposições, fissões, fusões, entre outros, buscamos compreender as suas influências sobre o fenômeno da diferenciação das espécies. Dentro deste contexto, esta tese ataca dois temas distintos: a Enumeração de Traces e a Identificação de Breakpoints. Os algoritmos de ordenação de permutações por reversões orientadas produzem uma única solução ótima enquanto o conjunto de soluções é imenso. A enumeração de traces de soluções para este problema oferece um modo mais compacto de representar o conjunto completo de soluções ótimas. Dessa maneira, esta técnica fornece aos biólogos a possibilidade de análise de diversos cenários evolutivos. Neste trabalho, realizamos um estudo para melhora da eficiência do algoritmo de enumeração através da adoção de uma estrutura de dados mais simples. Devido ao caráter exponencial do problema, grandes permutações não podem ser processadas em um tempo satisfatório. Assim, com o objetivo de produzir cenários evolucionários alternativos para grandes permutações, propomos e avaliamos estratégias para a enumeração parcial de traces. Os pontos de quebra (ou breakpoints) são regiões que delimitam os segmentos conservados existentes nos cromossomos e denotam a ocorrência de rearranjos evolutivos. As técnicas de identificação de breakpoints têm a função de identificar tais pontos nas sequências dos cromossomos. Nesta tese, implementamos um método de detecção e refinamento de pontos de quebra proposto na literatura e o disponibilizamos como um pacote que pode ser utilizado por outros pesquisadores. Além disso, introduzimos uma nova metodologia de identificação de breakpoints baseada na análise da cobertura de hits observada nos alinhamentos de sequências intergênicas, provenientes dos genomas das espécies comparadas / Abstract: The study of genome rearrangements helps biologists understand the evolution of species. The species differentiation phenomenon are derived by analyzing mutational events (inversions, transpositions, fissions, fusions, etc) and their effects. In this context, this work aims the study of two different subjects: Traces Enumeration and Breakpoint Identification. Algorithms that solve the problem of sorting oriented permutations through reversals output only one optimal solution, although the set of solutions can be huge. The enumeration of traces of solutions for this problem allows a compact representation of the set of all optimal solutions which sort a permutation. By using this technique, biologists can study many evolutionary scenarios. We carried out a study to improve the efficiency of the enumeration algorithm by adopting a simple data structure. Due to the exponential nature of the problem, large permutations cannot be processed at a satisfactory time. Thus, in order to produce alternative evolutionary scenarios for large permutations, we proposed and evaluated strategies for partial enumeration of traces. Breakpoints are regions that border conserved segments in the chromosomes and reflect the occurrence of evolutionary rearrangements. The techniques for breakpoint identification are meant to identify such points in the chromosome sequences. In this work, we implemented a method proposed in the literature, that performs detection and refinement of breakpoints. The implementation is available as a package to other researchers. Additionally, we introduced a new methodology for breakpoint identification based on the analysis of the hit coverage observed in the alignments of intergenic sequences / Doutorado / Ciência da Computação / Doutor em Ciência da Computação

Orientadores: Ana Maria Lima de Azeredo-Espin, Ana Claudia Lessinger / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-06T23:15:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_MarcosTuliode_M.pdf: 4922399 bytes, checksum: 9af5c489b44982daee534a4e0f7e937c (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: o DNA mitocondrial (DNAmt) dos metazoários possui uma série de características, tais como organização circular, simples e compacta, conteúdo gênico conservado, herança predominantemente materna e ausência ou baixa taxa de eventos de recombinação, que fazem com que este genoma seja amplamente usado em diversos estudos evolutivos. Geralmente, o DNAmt animal possui 37 genes (13 codificadores de proteínas, 22 para RNAt e 2 para RNAr) e uma principal região não-codificadora, a região-controle. O objetivo do projeto foi o seqüenciamento e a caracterização estrutural e evolutiva de regiões gênicas e do genoma mitocondrial de espécies da família Muscidae (Diptera: Calyptratae), incluindo a mosca-dos chifres, Haematobia irritans, a mosca doméstica, Mosca domestica, a mosca menor das frutas, Atherigona orientalis, "the black dump fly", Ophyra aenescens, e a mosca-dos-estábulos, Stomoxys calcitrans. A estrutura da tese foi dividida em quatro capítulos. No primeiro capítulo, a seqüência completa do gene da subunidade I da cito cromo oxidase c (COI) foi caracterizada. COI é o gene mais seqüenciado entre os insetos e tem sido usado em diversos estudos evolutivos e taxonômicos. Este gene mostrou-se estruturalmente semelhante aos demais dípteros, incluindo o uso de um códon de iniciação não usual, TCG (serina). O segundo capítulo descreve um novo conjunto de oligonucleotídeos iniciadores que ajudou a amplificar e seqüenciar regiões do DNAmt de vários dípteros onde há alta chance de ocorrer rearranjos e/ou duplicações (regiões de "hot spots" ou "instabilidade estrutural" no DNAmt de artrópodes, que incluem a região-controle e agrupamentos de RNAt). O terceiro capítulo descreve a seqüência completa da região-controle de H. irritans, M domestica e A. orientalis, define padrões evolutivo-estruturais para moscas da subordem Brachycera e sugere a atuação de elementos cis-regulatórios no controle da replicação e transcrição do DNAmt de insetos. Ao tentar acessar a região-controle de O. aenescens e S. calcitrans, foi evidenciado um possível evento de rearranjo e/ou duplicação no genoma mitocondrial destas espécies envolvendo os genes que flanqueiam a região-controle. O quarto capítulo descreve uma análise comparativa entre os genomas mitocondriais de H. irritans (16078bp) e S. calcitrans (18Kb). Um conjunto de estratégias, incluindo amplificação via LongPCR, construção de bibliotecas de "shotgun", montagem, anotação e análises estruturais utilizando recursos de bioinformática, foi otimizada durante este trabalho. Os genomas mitocondriais de H. irritans e S. calcitrans possuem conteúdo e organização gênicos conservados, considerando-se o modelo ancestral proposto para artrópodes, exceto pela regiãocontrole de S. calcitrans (2,5Kb), que teve 60% de sua seqüência caracterizada, suficientes para indicar a ocorrência de duplicação gênica envolvendo elementos internos da região-controle e o gene de RNAt para isoleucina (I). A duplicação de 1 no DNAmt de S. calcitrans é muito semelhante a que ocorre no DNAmt de espécies de Chrysomya (Diptera: Calliphoridae), reforçando que esta região é um "hot spot" de duplicação no genoma mitocondrial de dípteros. Uma árvore filogenética usando os genes codificadores de proteínas foi inferida para a ordem Diptera e o resultado difere da filogenia tradicional proposta para o grupo / Abstract: The mitochondrial DNA (mtDNA) of Metazoan has features, such as circular, simple and compact organization, conserved gene content, predominantly maternal inheritance, and lack or low rate of recombination, which have made this genome widely used in a range of evolutionary studies. In general, animal mtDNA presents 37 genes (13 protein-coding genes, 22 genes for tRNA and 2 for rRNA) and a major non-coding region, the control region. The aim ofthis project was the sequencing and the structural and evolutionary characterization of gene regions and the mitochondrial genome of species from family Muscidae (Diptera: Calyptratae): the horn fly, Haematobia irritans; the house fly, Musca domestica; the pepper fruitfly, Atherigona orientalis; the black dump fly, Ophyra aenescens; and the stable fly, Stomoxys calcitrans. The structure of the thesis was divided in four chapters. In the first chapter, the complete sequence of the cytochrome c oxidase subunit I (COI) gene was characterized. COI is the most sequenced gene in insects and have been used in a wide range of evolutionary and taxonomic studies. This gene in Muscidae showed a structure similar to other dipterans, including the use of an uncommon start codon, TCG (serine). The second chapter describes a new set of primers that improved the amplification and sequencing of regions from many dipterans mtDNA in which there is a high probability of rearrangements andlor duplications occur (regions involved in structural "hot spots", including the control region and tRNA clusters). The third chapter describes the complete sequence of H. irritans, M domestica and A. orientalis, defines evolutionary and structural patterns for Brachyceran flies and suggests cis-regulatory elements for the mtDNA repÍication and transcription control in insects. Trying to access the control region of O. aenescens and S. calcitrans, a possible event of rearrangement andlor duplication in the mitochondrial genome of these species was evidenced involving the control region flanking genes. The fourth chapter describes a comparative analysis of H. irritans (l6078bp) and S. calcitrans (-18Kb) mitochondrial genomes. A set of strategies, including the amplification via Long-PCR, construction of a shotgun library, assemblage, annotation and structural analysis using bioinformatic tools, was optimized in this work. The mitochondrial genomes of H. irritans and S. calcitrans showed gene content and organization conserved regarding the ancestral model proposed to arthropods, except for S. calcitrans control region (-2.5Kb), which had 60% of its sequence characterized. This characterization indicated the occurrence of duplicated regions involving control region nternal elements and the tRNAgene for isoleucine (I). The duplication of 1 is very similar to that of Chrysomya (Diptera: Calliphoridae) mtDNA, reinforcing that this region is a duplication hot spot in the mitochondrial genome of dipterans. A phylogenetic tree using the protein-coding genes was inferred for the Diptera order and the results differ from the traditional phylogeny proposed for the grou / Mestrado / Genetica Animal e Evolução / Mestre em Genética e Biologia Molecular

Orientadores: Ana Maria Lima de Azeredo-Espin, Claudia Augusta de Moraes Russo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-13T11:33:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Junqueira_AnaCarolinaMartins_D.pdf: 11103944 bytes, checksum: 9e7bb5e64272846641444a5fa3b833b0 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O DNA mitocondrial (mtDNA) de três espécies da família Calliphoridae foi completamente sequenciado, apresentando 15004 pb em Chloroprocta idioidea, 16143 pb em Calliphora vomitoria e 16635 pb em Phormia regina. Os três genomas mitocondriais apresentaram a ordem gênica ancestral de Pancrustacea, contendo 13 genes codificadores de proteínas (GCPs), duas subunidades de RNA ribossomal e vinte e dois RNAs transportadores (tRNAs). No entanto, P. regina apresentou uma duplicação envolvendo a sequência completa dos genes de tRNAIle e tRNAGln, além da sequência parcial do tRNAMet. Uma duplicação similar foi previamente descrita para espécies do gênero Chrysomya na mesma localização, inserida no domínio hipervariável da região controle do mtDNA. A composição de nucleotídeos dos mtDNAs sequenciados mostrou um alto viés de bases A e T (71.7% em C. idioidea, 72.9% em C. vomitoria e 75.6% em P.regina), principalemente nas terceiras posições do códon e regiões não-codificadoras, onde o conteúdo A+T é >90%. As reconstruções filogenéticas foram conduzidas com todas as espécies de dípteros com mtDNAs completos, cosistindo no estudo mais amplo com sequências de mtDNA da ordem Diptera. O emprego de genes individuais para a reconstrução de filogenias resultou em topologias variadas com baixo suporte, enquanto o uso de sequências concatenadas de nucleotídeos e aminoácidos dos GCPs mostrou resolução para as relações internas de Diptera. A monofilia de Muscomorpha não obteve suporte nas análises apresentadas neste trabalho, assim como a de Acalyptratae. A família Calliphoridae foi recuperada como monofilética, mas as relações internas de Oestroidea recuperaram espécies de Muscoidea como um grupo irmão de Calliphoridae. As relações entre as subfamílias de Calliphoridae indicaram que Luciliinae e Calliphorinae são grupos irmãos, relacionados a Chrysomyinae. Devido à importância médica, veterinária, sanitária, econômica e forense da família Calliphoridae, o esclarecimento das relações evolutivas desta família é interessante para guiar futuros estudos acerca da evolução do parasitismo e do hábito de causar miíases, além de contribuir para o diagnóstico espécie-específico. Além disso, a caracterização de genomas mitocondriais completos também pode contribuir na resolução de filogenias da ordem Diptera e estudos em evolução molecular e divergências antigas de insetos. / Abstract: In this study, we present the complete mitochondrial DNA (mtDNA) sequence of three Calliphoridae (Diptera: Brachycera) species: Chloroprocta idioidea, Calliphora vomitoria and Phormia regina, which had 15004, 16143 and 16635 bp, respectively. Each genome was arranged in the same order described for insects and crustaceans, containing 13 protein coding genes (PCGs), two ribossomal RNA subunits (rRNA) and twenty-two transfer RNA (tRNA), with the exception of P. regina, which presented a duplication involving the complete sequences of tRNAIle and tRNAGln genes, besides a partial sequence of the tRNAMet. A similar duplication has been previously described for Chrysomya species in the same location, inserted in the hypervariable domain of the mitochondrial control region. The nucleotide composition was heavily biased toward As and Ts (71.7% for C. idioidea, 72.9% for C. vomitoria and 75.6% for P.regina), mainly when considering third codon positions and non-coding regions, where the A+T content was >90%. The phylogenetic reconstructions were conducted for all available dipteran species in GenBank, this being the most comprehensive study carried out so far with complete mitochondrial genome sequences. The use of single genes has shown that different topologies were obtained with low support, whereas the use of nucleotide and amino-acid data sets with concatenated PCGs usually provided resolution for intraordinal relationships in Diptera. The monophyly of Muscomorpha was not supported in our analyses, as well as the monophyly of Acalyptratae, which is a major clade of Schizophora. The Calliphoridae was a monophyletic family, but the superfamily Oestroidea was disrupted by the inclusion of Muscoidea species as a sister group of Calliphoridae. Within Calliphoridae, the subfamilies Luciliinae and Calliphorinae were clustered together, related to the Chrysomyinae subfamily. In view of its sanitary, medical, economic and forensic importance, knowledge of Calliphoridae relationships is of interest to guide future works on parasitism evolution of the myiasis habit and specific molecular diagnosis of species. In addition, the characterization of complete mitochondrial sequences could provide insights with regard to dipteran relationships and general molecular evolutionary studies on deep-level phylogenies of insects. / Doutorado / Genetica Animal e Evolução / Doutor em Genetica e Biologia Molecular