Nesta tese, mostramos que o modelo estocástico binário para expressão gênica, por um gene auto-regulado, possui solução completa. A solução dependente do tempo é escrita via expansão em termos das funções de Heun confluentes. Apresentamos um exemplo de dinâmica estocástica desse gene. Para tal, desenvolvemos uma relação de recorrência entre derivadas arbitrárias das funções de Heun confluentes. Mostramos também que o regime estacionário deste modelo possui simetria de Lie SO(2, 1) tipo Lorentz. Esta simetria é análoga à simetria do momento angular, porém com um sinal errado. O invariante desta álgebra define a meia-vida relativa do regime dinâmico do gene. O equivalente do momento angular azimutal é uma medida indireta do nível de atividade do gene. Os operadores levantamento e abaixamento conectam diferentes processos estocásticos de expressão proteínica. As flutuações destes processos estocásticos são classificadas em termos das relações entre os etiquetadores de um elemento da representação da álgebra. No arcabouço da teoria dos grupos, o modelo estocástico para um gene externamente regulado aparece como um caso particular do modelo para um gene auto-regulado. Mostramos, por fim, uma comparação entre estas duas estratégias de regulação. Demonstramos que um gene auto-regulado pode expressar proteínas em regimes sub Poisson, Poisson ou super Poisson. Por seu turno, o gene externamente regulado somente expressa proteínas em regimes Poisson ou super Poisson. Portanto, num processo estocástico, a auto-regulação mostra-se como uma forma de controle mais precisa. Também mostramos que a dinâmica de genes auto-regulados possui meia-vida mais curta que a de genes externamente regulados. Ou seja, a auto-regulação permite respostas mais rápidas à perturbações externas. / In this thesis we show that the stochastic binary model to protein synthesis by na auto-regulated gene is completely solvable. The time-dependent solution is written in terms of the confluent Heun functions. We present an example of probability dynamics to this gene. To get that, we developed a recurrence relation between arbitrary derivatives of the confluent Heun functions. We also show the existence of a Lorentz-like Lie symmetry SO(2, 1). This is an analogous to the angular momentum symmetry but presenting one wrong sign in its preserved form. This invariant defines the relative half-life of the dynamical regime of the gene. The equivalent of the azimuth angular momentum measures indirectly the activity level of the gene. The ladder operators connect distinct stochastic processes of protein synthesis. The fluctuations of these processes are classified in terms of the relation between labeling numbers of a representation of the algebra. In the group theory formalism, the stochastic model to an externally regulated gene is a particular case of the model to an auto-regulated gene. We compare these two gene regulation strategies, and show that the auto-regulated gene can synthesize proteins into the super Poisson, Poisson, and sub Poisson fluctuating regimes. The externally regulated gene only presents the super Poisson and Poisson regimes. Therefore, the auto-regulation is responsible for a more precise control of gene expression. We also show that the dynamics of the auto-regulated genes has a shorter half-life. Thus, the auto-regulation permits faster responses of the system to external perturbation.

Em eucariotos, o DNA é organizado juntamente com histonas em um complexo nucleoproteico conhecido como cromatina, cuja unidade fundamental corresponde aos nucleossomos. A cromatina apresenta-se de duas maneiras: eucromatina, região estruturalmente menos condensada e, portanto, mais facilmente transcrita, e heterocromatina, região muito condensada e transcricionalmente silenciosa. Na forma de eucromatina, o acesso dos fatores de transcrição a regiões de DNA livres de nucleossomos é facilitado, enquanto que na forma de heterocromatina os fatores de transcrição não conseguem acessar o DNA para ativar ou reprimir a expressão gênica inferindo, assim, que o grau de compactação da cromatina interfere na regulação da expressão gênica e que o nucleossomo atua como silenciador gênico. Neste contexto, os objetivos foram identificar, mapear e caracterizar regiões em eucromatina na musculatura esquelética de bovinos da raça Nelore. As análises foram realizadas em relação ao músculo Longissimus dorsi pela técnica Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC-Seq), capaz de isolar regiões livres de nucleossomos a partir do mecanismo enzimático de transposição. A fim de otimizar o protocolo dessa metodologia para tecido muscular, foram testadas concentrações de 50 mil, 75 mil e 100 mil núcleos tratados com transposase. Destes, foram encontrados 6.811, 11.121 e 11.473 picos de eucromatina, respectivamente, e 6.212 regiões de cromatina aberta foram coincidentes nas três amostras. A associação entre regiões eucromáticas, expressão gênica e gordura intrasmuscular foi confirmada a partir da análise de sobreposição com transcriptional start sites (TSS), genes expressos em músculo esquelético, genes diferencialmente expressos (GDE) para gordura intramuscular e regiões de expression quantitative trait loci (eQTL) de tecido muscular reforçando, assim, o potencial regulatório das regiões de eucromatina. / In eukaryotes, DNA is organized along with histones in nucleoproteins complexes known as chromatin, which has nucleosomes as their fundamental unit. Chromatin exists in two forms: euchromatin, corresponding to a lightly condensed structure and an easily transcribed region, and heterochromatin, a highly condensed and transcriptionally silent region. In euchromatin form, transcription factors have free access to nucleosome-depleted DNA regions, while in heterochromatin the transcription factors can not access the DNA for activate or repress genic expression, which suggests that the chromatin compaction degree interferes with regulation of gene expression and that nucleosomes act as gene silencer. In this context, the aims of the present project were to identify, map and characterize euchromatin regions in the skeletal musculature of Nellore cattle. Analyzes were performed considering the muscle Longissimus dorsi using Assay for Transposase-Accessible Chromatin technique (ATAC-Seq), which isolates nucleosome-depleted regions throught transposition enzymatic mechanism. Differente transposase-treated nuclei concentrations were tested: 50 thousand, 75 thousand and 100 thousand. From these, 6.811, 11.121, and 11.473 euchromatin peaks were found, respectively, and 6.212 open chromatin regions were coincident among them. The association between euchromatic regions, gene expression and intrasmuscular fat was confirmed from the overlap analysis with transcriptional start sites (TSS), genes expressed in skeletal muscle, differentially expressed genes (GDE) for intramuscular fat and regions of expression quantitative trait loci (eQTL) of muscle tissue, reinforcing the regulatory potential of the euchromatin regions.

As bactérias usam proteínas intracelulares de estocagem de ferro (ferritinas) que permitem acesso ao metal quando está em baixa quantidade. Neste trabalho, o papel das ferritina Bfr e Dps foi estudado através da análise de fenótipo de linhagens mutantes, e sua regulação foi estudada utilizando o gene repórter lacZ, em ensaios de atividade de <font face=\"Symbol\">b-galactosidase. Os resultados mostraram aumento de expressão de bfr em excesso de ferro, e que este gene é positivamente regulado por Fur. A expressão de dps teve aumento em carência de ferro e na fase estacionária. Ensaios de expressão nas linhagens mutantes <font face=\"Symbol\">DoxyR, <font face=\"Symbol\">DsRNA1 e <font face=\"Symbol\">DsRNA2, mostraram diferenças nos níveis de expressão em comparação aos atingidos na linhagem selvagem. O fator sigma ECF SigJ é importante para níveis máximos de expressão de bfr e o fator SigT para máxima expressão de dps. Foram deletadas as regiões codificadoras de bfr e dps separadamente, ou ambas. Os resultados mostraram que o mutante <font face=\"Symbol\">Ddps e o mutante duplo apresentaram maior sensibilidade a H2O2, tendo a linhagem <font face=\"Symbol\">Dbfr padrão similar à linhagem NA1000. O ensaio de quantificação de ferro mostrou que as ferritinas têm papel equivalente na estocagem de ferro intracelular. / Bacteria utilize intracellular iron storage proteins (ferritins) that allow access to the metal when it is present in low amount. In this study the role of ferritins Bfr and Dps was studied by analyzing the phenotype of mutant strains, and their regulation was studied using the lacZ reporter gene, in <font face=\"Symbol\">b-galactosidase activity assays. The results showed increased expression of bfr in iron excess, and that this gene is positively regulated by Fur. dps expression was increased under iron deficiency and in the stationary phase. Expression assays in the mutant strains <font face=\"Symbol\">DoxyR, <font face=\"Symbol\">DsRNA1 and <font face=\"Symbol\">DsRNA2 showed differences in expression levels compared to wild type. ECF sigma factor SigJ is important for maximum levels of bfr expression and SigT for maximal dps expression. The coding regions of bfr, dps or both have been deleted. The results showed that the <font face=\"Symbol\">Ddps and double mutant strains showed increased susceptibility to H2O2, and <font face=\"Symbol\">Dbfr showed a similar pattern to the NA1000 strain. The iron concentration determination showed that both ferritins play equivalent roles in intracellular iron storage.

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.

Os gliomas estão entre os mais freqüentes e fatais tumores do sistema nervoso central. Apesar dos grandes avanços da Medicina nas áreas diagnósticas e terapêuticas, o tratamento desses tumores ainda é, na grande maioria dos casos, paliativo, sendo a extirpação cirúrgica do tumor o único recurso com potencial curativo e, ainda assim, apenas para os gliomas de baixo grau. Neste trabalho, foram analisados os perfis de expressão gênica diferencial entre linhagens de glioma de rato com diferentes graus de tumorigenicidade (linhagens ST1 e P7), visando identificar genes com potencial de aplicação na doença humana como marcadores moleculares e/ou novos alvos terapêuticos. Numa primeira abordagem, foi realizado um rastreamento de genes potencialmente diferencialmente expressos entre as linhagens ST1 e P7 de glioma de rato através da hibridização de macroarrays de cDNA comerciais. Um conjunto de três membranas comerciais foi hibridizado com alvos radioativos gerados a partir de mRNA obtido destas duas linhagens, totalizando aproximadamente 3.000 genes. Nestes experimentos, foram identificados aproximadamente 200 genes como sendo possivelmente diferencialmente expressos entre as linhagens ST1 e P7. Os níveis de expressão relativa de cerca de 40 destes genes foram analisados por Northern blot, sendo que seis deles foram confirmados como sendo mais expressos na linhagem ST1 enquanto que 4 foram confirmados como sendo mais expressos na linhagem P7. Num segundo momento, foi realizado um rastreamento de expressão gênica em larga escala, através do uso de microarrays de DNA contendo sondas que permitem a análise de expressão de aproximadamente 24.000 transcritos de rato. Esta análise levou à identificação de uma lista contendo aproximadamente 1.300 genes candidatos a diferencialmente expressos, que apresentaram razões de expressão relativa entre 2 e >3.000. Desta lista, -700 genes foram identificados como provavelmente mais expressos na linhagem ST1, e cerca de 500 genes com expressão maior na linhagem P7. A etapa de subseqüente de validação da expressão diferencial foi realizada através de PCR quantitativo em tempo real (Q-PCR). A expressão de 49 genes foi quantificada em quatro preparações independentes de RNA originárias das linhagens ST1 e P7, sendo que 27 destes genes foram identificados como possivelmente diferencialmente expressos através dos microarrays, 10 dos quais haviam sido previamente confirmados por Northern Blot e 12 genes diversos. Destes genes, 21 foram confirmados por Q-PCR como sendo diferencialmente expressos entre as linhagens ST1 e P7, além daqueles 10 genes cuja expressão diferencial havia sido anteriormente confirmada por Northern. Ao todo, oito genes foram confirmados como sendo mais expressos na linhagem ST1, e 23 genes o foram como sendo mais expressos na linhagem P7. Vários dos genes confirmados como sendo diferencialmente expressos na linhagem ST1 estão, direta ou indiretamente, relacionados a parada de crescimento e supressão de fenótipo tumoral. Em contrapartida, diversos dos genes confirmados como sendo diferencialmente expressos na linhagem P7 codificam para receptores de fatores de crescimento peptídicos e seus respectivos ligantes. Em particular, foi detectado maior expressão, na linhagem P7, de receptores e Iigantes relacionados ao fatores de crescimento derivados de plaquetas (PDGFs), fatores de crescimento para fibroblastos (FGFs) e, também, do fatores de crescimento da família de pleiotrofina/midquina (PTN/MDK), e seus respectivos receptores. Sabidamente, vários destes genes estão envolvidos na neoangiogênese e na fechamento de alças autócrinas/parácrinas de estímulo da proliferação tumoral, em particular de gliomas humanos. Além disso, estes achados foram coerentes com o maior potencial tumorigênico (-2,5x) apresentado pela linhagem P7, quando injetadas s.c. no dorso de animais imunocomprometidos (p<O,01). As linhagens ST1 e P7 foram originalmente isoladas como sendo sublinhagens derivadas da linhagem C6, cuja origem é donal. Assim, uma possível interpretação para as diferenças marcantes dos perfis de expressão detectadas entre as linhagens ST1 e P7, é de que estas diferenças sejam, mais provavelmente, a conseqüência de algumas poucas alterações moleculares em genes-chave, e não de alterações extensas do genoma celular, uma vez que as duas linhagens têm, a priorí, o mesmo \"background\" genético. Assim, um número limitado de aberrações genéticas adicionais, particulares de cada linhagem, seria suficiente para uma modificação substancial dos perfis de expressão gênica, se os genes alterados forem capazes de modular a expressão de vários outros genes. Na busca de indícios que fortalecessem esta hipótese, foi quantificado, em seis linhagens humanas de glioma, a expressão dos mesmos genes cuja expressão foi originalmente quantificada nas linhagens ST1 e P7. Em seguida, foram realizados testes de correlação em pares (Teste de Pearson) entre os níveis de expressão relativos destes genes para as seis linhagens, buscando identificar conjuntos de genes que apresentassem expressão coordenada, que, por sua vez, sugeririam a existência de possíveis relações regulatórias entre os mesmos. Foi possível observar expressão significativamente correlacionada de seis genes (CHD7, FGF1, PDGFRA, PTN, PTPRZ1 e SCG2), sugerindo uma possível co-regulação recíproca entre diferentes vias de fatores de crescimento e/ou um novo fator remodelador de cromatina (CHD7). Pararelamente, o gene CHD7 foi, por sua vez, identificado como um novo fator remodelador de cromatina putativo, cujo cDNA completo pode ser amplificado, com êxito, através de RT-PCR longo. A expressão destes mesmos seis genes foi quantificada, por Q-PCR, em 64 amostras clínicas de glioma e cérebro humano não-tumoral. Com exceção do gene SCG2, os demais cinco (CHD7, FGF1, PDGFRA, PTN e PTPRZ1) são significativamente mais expressos em todos os graus de glioma, quando comparados com cérebro humano não-tumoral (p<0,05). Foi possível verificar, inclusive, que os níveis de expressão de vários destes genes estão altamente correlacionados nessas amostras. Em particular, observou-se correlação com alta significância entre os genes CHD7xPDGFRA (p=4,7x10-17), FGF1 xPTN (p=1, 1x10-19), do receptor PTPRZ1 contra todos os demais genes (100-6<p<10-9) e, especificamente, contra seu Iigante PTN (p=1,6x10-14). Como os loci dos genes PTN e PTPRZ1 se encontram relativamente próximos (-15 Mb) numa região do cromossomo 7 humano, a qual frequentemente se encontra amplificada em gliomas humanos (7q), é possível que estes dois genes, codificantes para um fator de crescimento e seu respectivo receptor, façam parte de um novo amplicon em gliomas humanos. Além disso, vários genes com maior expressão na linhagem P7 (ALK, FGFR1, RNF130 e ROS01) estão, também, significativamente mais expressos em certos graus de gliomas humanos, quando comparados com tecido cerebral humano não-tumoral. De um modo geral, estes dados indicam que foi possível obter, a partir de linhagens de glioma de rato, incursões aplicáveis para um entendimento mais amplo da biologia que envolve a patogênese da doença humana. Um destes dados extrapoláveis entre diferentes modelos inter-espécies é que a co-expressão de múltiplas vias autócrinas de crescimento parece ser um achado comum tanto em modelos experimentais de glioma em rato quanto em linhagens e amostras clínicas de gliomas humanos, e que estas vias estão, potencialmente, interconectadas ao nível transcricional. Além disso, foi possível verificar que um novo gene codificante para um fator de remodelamento de cromatina (CHD7), apresenta níveis de expressão relativos muito aumentados em amostras clínicas de glioma, quando comparado com cérebro humano não-tumoral. Analisados em conjunto, os resultados obtidos aqui têm o potencial para conduzir ao desenvolvimento racional de novas estratégias terapêuticas e diagnósticas/prognósticas para gliomas humanos. A análise do papel funcional destes genes em glioma, e das vias moduladas por seus produtos, se constituirá de um passo fundamental para o estabelecimento destes genes como potenciais novos alvos terapêuticos e/ou marcadores moleculares. / Gliomas are among the most frequent and fatal tumors of the central nervous system. Despite the recent and important advances in the diagnostic and therapeutic fields, treatment of these tumors still is, in the vast majority of the cases, palliative. Surgical ressection of the tumor remains as the sole potentially curative resource, but only for the low grade gliomas. In the present work, differential gene expression profiles were analyzed between rat glioma cell lines differing in tumorigenic potential (ST1 and P7 cell lines), aimed at identifying genes with potential to become novel molecular markers and therapeutic targets for the human disease. As a first approach, a commercial macroarray-based screening was undertaken in order to identify differentially expressed genes between ST1 and P7 rat glioma cell lines. Three different sets of commercial membranes comprising 3,000 genes were hybridized against radiolabeled targets that were synthesized from mRNA extracted from both cell lines. As a result, near 2,000 genes were identified as being possibly differentially expressed between ST1 and P7 celllines. The relative expression levels of 40 genes from this list were analyzed by Northern blot, and six genes were successfully confirmed as being expressed at higher levels in the ST1 cell line, whereas four genes confirmed heightened expression in P7 cells. As a second approach, a large-scale, Affymetrix microarray-based screening was performed, which allowed measuring the relative expression levels of about 24,000 rat transcripts. This analysis led to the identification of 1,300 candidate differentially expressed genes, for which the differential expression ratios ranged from 2 up to >3,000. From these, -700 genes displayed preferential expression in the ST1 cell line, while around 500 genes were more expressed in P7 cells. The following step, namely, validation of the differential expression, was achieved through Real-Time PCR (Q-PCR). Expression levels of 49 genes were measured in four independent RNA preparations from ST1 and P7 cell lines. About 27 of these genes were identified as putative differentially expressed , 10 of which had previously been confirmed by Northern blot as differentially expressed and 12 additional genes were also included. From this list, 21 genes were confirmed by Q-PCR as being diferentially expressed between the ST1 and P7 cell lines, in addition to those 10 whose differential expression was confirmed by Northern Slol. In total, eight genes were confirmed as being differentially expressed in the ST1 cell line, and 23 genes were confirmed as being expressed at higher leveis in the P7 cells. Many of the genes confirmed as being differentially expressed genes in the ST1 cell line are, directly or indirectly, related to growth arrest and suppression of the malignant phenotype. On the other hand, several of the genes displaying elevated expression in the P7 cell line code for growth factor ligands and receptors related to the PDGFs (platelet-derived growth factors), FGFs (fibroblast growth factors) and PTN/MDK (pleiotrophin/midkine) growth factor families. Many of these genes are already known as being related to neoangiogenesis and to the establishment of autocrine/paracrine loops in human gliomas. In addition, these findings are in keeping with the significantly higher (p<O.01) tumorigenic potential displayed by the P7 cellline (-2,5x), when both cell lines are injected s.c. in the dorsal region of immunodeficient nude mice. Moreover, ST1 and P7 celllines were originally isolated as clonal celllines from the C6 cell line which, in turn, is also acionai cell line. Therefore, a possible interpretation for the remarkably different gene expression profiles between ST1 and P7 cell lines is that those differences are, most Iikely, a consequence of a few molecular defects in key/master genes, rather than extensive aberrations of the cellular genome, given that those celllines have, a priori, similar genetic backgrounds. Thus, a limited number of genetic aberrations, characterisitic of each cell line, would be sufficient for a substantial modification of the gene expression profiles, provided that the altered genes are able to modulate the expression of each other. In an attempt to investigate theis point, the relative expression levels of the same genes were analyzed by Q-PCR, and pairwise correlation tests (Pearson correlation tests) were performed using expression data from the six human glioma cell lines, aimed at identifying gene sets that displayed coordinate expression whichwould suggest the existence of putative regulatory loops among them. It was possible to identify a c1uster of six genes (CHD7, FGF1, PDGFRA, PTN, PTPRZ1, SCG2) that displays coregulated expression, thus suggesting a possible reciprocal co-regulation among distinct growth factor pathways and a putative chromatin remodeling factor (CHD7). Furthermore, the CHD7 gene was identified as a novel, putative chromatin remodeling factor, and its full-Iength cDNA could be successfully amplified by means of long RTPCR. The expression levels of the same genes was quantified, by Q-PCR, in 64 clinicai samples, comprising gliomas and non-tumoral human brain tissue samples. Except for the SCG2 gene, the remaining five genes (CHD7, FGF1, PDGFRA, PTN and PTPRZ1) were expressed at significantly higher levels in glioma samples of all grades, when compared to non-tumoral human brain tissue samples (p<O.05). Likewise, we were able to verify that expression levels for many of these genes are strictly correlated in those samples. A particularly high levei of significance was found for the correlation of expression levels between CHD7xPDGFRA (p=4.7x10-17) and also for the FGF1xPTN gene pair (p=1.1x10-19). A strikingly high level of significance (p=1.6x10-14) was also found for the expression levels between the PTPRZ1 receptor and its PTN ligand. Given that the PTN and PTPRZ1 loei are relatively close to each other (-15 Mb) on the long arm of human chromosome 7, which, in turn, is frequently amplified in human gliomas, the genomic region including these two genes may well constitute a novel amplicon in human gliomas. In addition, several other genes with higher expression in the P7 cell line (ALK, FGFR1, RNF130 and ROB01) are also expressed at significantly higher levels in certain glioma grades, when compared to non-tumoral human brain tissue samples. Overall, these data indicate that starting from the rat glioma cell lines model, it was possible to obtain, insights applicable to a better understanding of the biology underlying the pathogenesis of human gliomas. Thus, co-expression of multiple autocrine loops seems to be a commonplace in the rat experimental glioma models as well as in the human glioma cell lines and in clinicai samples, where these pathways are potentially interconnected at the transcriptional leveI. Furthermore, we were able to detect increased mRNA expression levels of a novel putative chromatin remodelling factor (CHD7) in human glioma tissue samples, when compared to non-tumoral human brain tissue samples. Taken together, the results obtained in this work may potentially lead to the rational development of novel therapeutic, diagnostic and prognostic strategies for human gliomas. Functional analysis of these genes in glioma, and the pathways modulated by their products, will be a fundamental step for the establishment of these genes as potentially novel therapeutic targets and/or molecular markers.

O presente trabalho tem como objetivo caracterizar três agrupamentos de genes da alfa proteobactéria Caulobacter crescentus envolvidos na resposta a metais e antibióticos. Analisamos o agrupamento composto pelos genes CC1637-CC1640, que contém um sistema BlaR/BlaI de transdução de sinal, e realizamos uma análise comparativa de dois sistemas de efluxo da família RND composto pelos genes CC2720-CC2725 e CC2388-CC2390 que estariam envolvidos na resposta a metais cádmio e zinco. Mutantes simples e duplos com deleção em fase foram obtidos, e o estudo da atividade promotora foi realizado através de ensaio de <font face=\"Symbol\">b-galactosidase utilizando gene repórter lacZ . Ensaios de RT-PCR e atividade <font face=\"Symbol\">b-galactosidase mostraram que o gene CC1638 provavelmente não possui promotor próprio e que os genes CC1637- CC1640 podem consituir um operon. A atividade promotora do gene CC1640 não responde a H2O2, Cd2+ e Zn2+, mas a linhagem <font face=\"Symbol\">DCC1640 apresentou baixa viabilidade na presença de Cd2+. As linhagens <font face=\"Symbol\">DCC1637 e <font face=\"Symbol\">DCC1638 mostraram sensibilidade a t-butil-hidroperóxido. A linhagem <font face=\"Symbol\">DCC1640 mostrou-se sensível aos antibióticos CTX e PPT, e ensaios de <font face=\"Symbol\">b-galactosidase em placa e em meio liquido mostraram indução da expressão pelos antibióticos CTX e CFE. Observamos uma auto-regulação do operon pela proteína codificada pelo gene CC1640 (BlaI), confirmado por ensaios de EMSA. A presença de BlaR inibe a ligação da proteína BlaI ao promotor, sugerindo que ambas BlaI/BlaR regulem em conjunto o promotor do gene CC1640. Análise in silico do consenso TTACGNNCGTAA localizado no promotor de CC1640 identificou esta sequência na região promotora de outros genes. A análise da expressão relativa sugere que os genes CC1568, CC1230 e CC2661 são regulados pela proteína BlaI, sugerindo que BlaI regula a expressão de outros genes possivelmente envolvidos na resposta a antibióticos <font face=\"Symbol\">b-lactâmicos. Ensaios de atividade <font face=\"Symbol\">b-galactosidase da região intergênica CC2720-CC2721 mostraram que esta não possui atividade promotora, e análise por RT-PCR confirmou que os genes CC2720-CC2721 são co-transcritos e que fazem parte do operon CC2720-CC2725. A expressão do operon mostrou indução significativa na presença de Cd2+, moderada indução na presença de Zn2+ e Co2+, e pouca indução na presença de Ni2+. A expressão do operon CC2388-CC2390 é altamente induzida na presença de níquel e cobalto, não é induzida por cádmio e moderadamente induzida por zinco. A linhagem <font face=\"Symbol\">DCC2724 não é sensível a zinco, cobalto ou níquel. A linhagem <font face=\"Symbol\">DCC2390 é sensível a cobalto, pouco sensível a níquel e não sensível a zinco, e ambas as linhagens foram sensíveis a cádmio. A obtenção do duplo mutante, assim como sua complementação, foram realizadas, e os resultados sugerem que se trata de dois sistemas de efluxo com diferentes respostas a metal. / The aim of this work is to characterize three clusters of genes from the alpha proteobacterium Caulobacter crescentus involved in metal and antibiotics response. We analyzed the cluster comprising genes CC1637-CC1640, which contains a BlaR/BlaI signal transduction system, and we performed a comparative analysis with two RND efflux systems consisting on genes CC2720-CC2725 and CC2388-CC2390, which are probably involved in cadmium and zinc response. Mutant strains for one or two of these genes were obtained, and the study of promoter activity was performed by <font face=\"Symbol\">b-galactosidase activity assays using lacZ as reporter gene. RT-PCR and <font face=\"Symbol\">b-galactosidase activity assays revealed that the CC1638 gene probably does not possess an exclusive promoter, and that the genes CC1637-CC1640 may constitute an operon. The promoter of CC1640 does not respond to H2O2, Cd2+ and Zn2+, but the <font face=\"Symbol\">DCC1640 strain presented low viability in the presence of Cd2+. The <font face=\"Symbol\">DCC1637 and <font face=\"Symbol\">DCC1638 strains showed sensitivity to t-butyl-hydroperoxide. The <font face=\"Symbol\">DCC1640 strain showed sensitivity to the antibiotics CTX and PPT, and <font face=\"Symbol\">b-galactosidase activity assays performed both on plates and liquid medium showed induction of the expression by the presence of antibiotics CTX and CFE. We observed auto-regulation of the operon by the protein encoded by the CC1640 gene (BlaI), which was confirmed by EMSA assays. The presence of BlaR inhibits the binding of the BlaI protein to the promoter, suggesting that both BlaI/BlaR regulate the CC1640 gene promoter. In silico analyses for the TTACGNNCGTAA consensus, located on CC1640 promoter, identified this sequence in promoter regions of other genes. Relative expression analyses indicate that the genes CC1568, CC1230 and CC2661 are regulated by the BlaI protein, suggesting that BlaI regulates the expression of other genes, possibly involved in <font face=\"Symbol\">b-lactamic antibiotics response. <font face=\"Symbol\">b-galactosidase activity assays of the intergenic region CC2720-CC2721 showed that it does not possess promoter activity, and a RT-PCR analysis confirmed that the genes CC2720-CC2721 are co-transcribed and belong to the CC2720-CC2725 operon. The expression of the operon showed significant induction in the presence of Cd2+, moderate induction in the presence of Zn2+ and Co2+, and a slight induction in the presence of Ni2+. The expression of the CC2388-CC2390 operon is highly induced in the presence of nickel and cobalt, not induced by cadmium and moderately induced by zinc. The <font face=\"Symbol\">DCC2724 strain is not sensitive to zinc, cobalt or nickel. The <font face=\"Symbol\">DCC2390 strain is sensitive to cobalt, slightly sensitive to nickel and not sensitive to zinc, and both strains are sensitive to cadmium. A double mutant was constructed, as well as a complemented strain, and results suggest that these are two efflux systems with distinct metal responses.

Atualmente, as cepas de S. cerevisiae utilizadas na produção industrial de álcool combustível no Brasil são leveduras diplóides que metabolizam a sacarose através da sua hidrolise extracelular pela invertase periplasmática, seguida pelo transporte para o interior da célula das moléculas de glicose e frutose formadas, e posterior metabolização pela glicólise. Neste trabalho, utilizando técnicas de engenharia genética e posteriores cruzamentos, foram desenvolvidas cepas diplóides de S. cerevisiae capazes de consumir este açúcar por meio da sua captação direta pelo transportador codificado pelo gene AGT1, e hidrólise intracelular pela invertase citoplasmática codificada por uma versão modificada do gene SUC2. Estas modificações permitiram alcançar um rendimento 10% maior na produção de etanol, além de aumentar a velocidade de consumo da sacarose e diminuir a quantidade de açúcares residuais ao final do processo. Estes resultados abrem novos horizontes para tornar a produção de etanol no Brasil mais eficiente. / Currently, the S. cerevisiae strains used in industrial production of fuel alcohol in Brazil are diploid yeasts that of metabolize sucrose through its extracellular hydrolysis by the periplasmic invertase, followed by the transport of the formed glucose and fructose into the cells, and further metabolism through glycolysis. In this study, utilizing genetic engineering techniques and further crosses, diploid strains of S. cerevisiae were developed that are able to consume this sugar through its direct uptake by the transporter encoded by the AGT1 gene, and intracellular hydrolysis by the cytoplasmic invertase encoded by a modified version of the SUC2 gene. These modifications allowed achieving a 10% higher yield in the production of ethanol, besides increasing the sucrose consumption rate and decreasing the amount of residual sugars at the end of the process. These results open new horizons to turn ethanol production in Brazil more efficient.

Saccharomyces cerevisiae é o organismo de escolha para produção de etanol combustível, apresentando-se adaptadas ao ambiente hostil das dornas de fermentação. Adaptações como floculação, formação de espuma e de biofilme são características fenotípicas indesejáveis ao processo brasileiro. Por isso, a pronta identificação destas características faz-se necessária no intuito de minimizar perdas de rendimento e diminuir o custo da produção. Sabe-se que proteínas codificadas pela família de genes FLO estão relacionadas a estes fenótipos, os quais são regulados pela proteína Flo8p, a qual possui papel fundamental na apresentação destas características fenotípicas indesejáveis. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo analisar o fenótipo e o comportamento metabólico, relacionando-os com a regulação via Flo8p. Os resultados obtidos revelam o papel fundamental de Flo8p na regulação positiva destes fenótipos em linhagem isolada do ambiente industrial (FT02). Verificou-se uma forte tendência da participação do gene FLO11 na formação de espuma, via Flo8p. Além disso, através da deleção do FLO8 da linhagem FT02, observou-se a influência positiva de Flo8p na floculação e hidrofobicidade celular, filamentação e poder invasivo. / Saccharomyces cerevisiae is the chosen organism for fuel ethanol production, presenting adapted to the hostile environment of the fermentation vats. Adaptations like flocculation, d foam formation and biofilm are undesirable phenotypes for the Brazilian process. Hence, the early identification of these characteristics is necessary to minimize yield losses and lower the production cost. Proteins codified by FLO gene family are related with these phenotypes, which are positively regulated by Flo8p protein, showing fundamental role in the expression of the undesirable phenotypes. So, the present work aimed to analyze the phenotypes and the metabolic behavior of an industrial strain isolated directly from Brazilian ethanol production process (FT02), relating them with the Flo8p regulation. Our results showed that the Flo8p plays a fundamental role in the regulation of these characteristics in the industrial strain FT02. We also verified a strong tendency of the FLO11 gene participation in the foam formation, by Flo8p. Moreover, by FLO8 deletion in FT02 strain, we could identify the positive influences of the Flo8p in flocculation and cellular hydrophobicity, filamentation and invasive growth.

Submitted by Hiolanda Rêgo (hiolandarego@gmail.com) on 2014-10-22T18:26:12Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_ICS_ Daiane Mendes Carvalho.pdf: 2848139 bytes, checksum: 2996209ff7e3bed29850ce444ef4c0d3 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-22T18:26:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_ICS_ Daiane Mendes Carvalho.pdf: 2848139 bytes, checksum: 2996209ff7e3bed29850ce444ef4c0d3 (MD5) / FAPESB / A Corynebacterium pseudotuberculosis é um patógeno intracelular facultativo de elevada importância veterinária por ser capaz de infectar diferentes animais de produção, incluindo equinos, bovinos e pequenos ruminantes. A pesquisa recente por determinantes moleculares de virulência em diversos agentes patogênicos tem dedicado atenção às proteínas reguladoras da expressão gênica. Os fatores sigma alternativos da RNA polimerase bacteriana proporcionam um meio de regular rapidamente a expressão gênica em resposta a várias mudanças do ambiente extracelular. Nesse contexto, o presente estudo avaliou a expressão diferencial dos fatores sigma alternativos presentes no genoma da bactéria C. pseudotuberculosis durante contato com fatores do hospedeiro, utilizando duas estratégias experimentais, in vivo e in vitro. Ovinos foram infectados experimentalmente com uma linhagem virulenta desta bactéria, punções aspirativas foram realizadas nos linfonodos nos tempos 5, 15 e 30 dias após a infecção. Duas condições diferentes de crescimento: cultura controle, em meio Infusão Cérebro-Coração e cultura que mimetiza o crescimento no hospedeiro, Soro Fetal Bovino, foram estudadas. Curvas de crescimento bacteriano nos dois meios foram realizadas através de contagens bacterianas por monitoramento da DO595nm e citometria de fluxo. RNA total foi extraído das amostras de punção aspirativa e das culturas quando atingiram a densidade de 107 células/mL. Os cDNAs gerados por transcrição reversa in vitro foram submetidos a ensaios de PCR quantitativa em tempo real para a quantificação relativa dos transcritos de nove genes: sigA, sigB, sigC, sigD, sigE, sigH, sigK, sigM e 16S rDNA. Os genes sigA e 16S rDNA foram utilizados como normalizadores da reação de PCR quantitativo, mas foi observado que o 16S rDNA não se apresentou como um bom gene normalizador neste estudo. Assim, surgiu a necessidade de realizar um estudo com normalizadores. Foram analisados resultados de RNAseq da linhagem 1002 da C. pseudotuberculosis, em três condições; estresse osmótico, acidez e choque térmico. Desse modo, de 19 genes selecionados a partir estudos de normalizadores em outros gêneros, nessas condições, apenas os genes dnaG, rpoC, gyrA, gyrB, efp, rpoB, fusA e atpA cumpriram os critérios definidos para serem considerados como bons genes normalizadores. Foram analisados a expressão desses 8 genes em duas condições de cultivo, através da técnica de RT-qPCR. O NormFinder sugeriu o gyrA e fusA como os genes normalizadores mais adequados. Não foi possível analisar a expressão dos genes codificadores de fatores sigma das amostras da estratégia in vivo, devido à baixa concentração de RNA bacteriano das amostras de punção aspirativa. Foi possível detectar alterações nas expressões de vários genes codificadores de fatores sigma nas condições estudadas in vitro. O gene codificador do fator SigD foi o que apresentou maior ativação durante o crescimento bacteriano em Soro Fetal Bovino. Os resultados obtidos pelo presente trabalho sugerem o envolvimento do fator SigD na resposta adaptativa de C. pseudotuberculosis durante crescimento em meio que mimetiza o crescimento no hospedeiro. Após a predição de genes regulados pelo SigD foi possível observar que este fator regula a expressão de genes associados a resposta ao choque térmico, como as proteínas chaperonas, sugerindo assim a importância deste fator, sendo possivelmente importante durante o processo da infecção.

The discovery of the non-coding RNA (ncRNA) has been primarily focused on the genomes of eukaryotes and pathogenic bacteria. In vibrios, all that is known up to now regarding ncRNAs involves V. cholerae N16961 e V. campbellii ATCC BAA-1116. In this study, ncRNA candidate genes were identified in the genomes of V. campbellii ATCC BAA-1116, V. alginolyticus 40B, V. communis 1DA3 e V. mimicus VM573. V. alginolyticus 40B and V. campbellii ATCC BAA-1116 are abundant in brazilian corals, whereas V. mimicus VM573 is a toxic strain (carrying the Vibrio pathogenicity island) atypical to this species. In order to identify the ncRNAs in silico, the tools Infernal and Rfam database were used. Perl programs were developed in the present work. The Infernal tool and the Rfam database are based on the Covariance Model (CM), a special case of Stochastic Context Free Grammars (SCFG). Up to 38 ncRNAs were identified per species. They were classified into seven classes according to their regulatory function and/or structural (1. riboswitches, 2. modulators of protein activity, 3. RNA's antisensus of trans action, 4. RNA's antisensus of cis action, 5. ribonucleoproteins, 6. regulation by transcription termination and 7. unknown classification). The most abundant group was the riboswitch, whereas the less abundant group was the ribonucleoprotein. This work demonstrated that the ncRNAs show a great diversity in functional classes, possibly associated with the regulation of different cellular processes in vibrios, including regulation of pathogenicity. / A descoberta de RNA não-codificante (ncRNA) tem focado principalmente nos genomas de eucariontes e de bactérias patogênicas. Em vibrios, o que se conhece até o momento sobre ncRNAs envolve V. cholerae N16961 e V. campbellii ATCC BAA-1116. Neste estudo, são identificados genes candidatos de ncRNAs no genoma de V. campbellii ATCC BAA-1116, V. alginolyticus 40B, V. communis 1DA3 e V. mimicus VM573. V. alginolyticus 40B e V. campbellii ATCC BAA-1116 são abundantes em corais brasileiros, enquanto que V. mimicus VM573 é uma linhagem toxigênica (CT e TCP positiva) atípica desta espécie. Para identificar os ncRNAs através de análise in silico foram utilizadas ferramentas já disponíveis (Infernal e a base de dados Rfam) e programas em Perl desenvolvidos no presente trabalho. A ferramenta Infernal e a base de dados Rfam são baseados em modelo de covariância (CM), um caso especial de gramáticas estocásticas livres de contexto (SCFG). Foram identificados até 38 ncRNAs por espécie, os quais foram classificados em sete classes de acordo com sua função regulatória e /ou estrutural (riboswitches, moduladores da atividade de proteínas, RNAs antisenso de ação trans, RNAs antisenso de ação cis, ribonucleoproteinas, regulação por término de transcrição e classificação desconhecida). O grupo mais abundante foi o riboswitch, enquanto que o grupo menos abundante foi o ribonucleoproteina. Este trabalho demonstrou que os ncRNAs apresentam uma ampla diversidade de classes funcionais, estando possivelmente associados com a regulação de diferentes processos celulares em vibrio, incluindo a regulação da patogenicidade.