O gene, uma seqüência de nucleotídeos necessária para a síntese de moléculas funcionais, é transcrito e regulado por um conjunto de processos e fatores extremamente complexos. Entender o momento e o tecido em que os genes são expressos, as isoformas funcionais, as regiões controladoras e os fatores envolvidos na regulação da expressão de cada gene é um dos grandes desafios da biologia molecular moderna. Hoje, com a enorme quantidade de informações de seqüências genômicas e de transcriptomas, aliado ao desenvolvimento de métodos computacionais para agrupar e analisar estes dados em larga escala, o estudo dos fenômenos relacionados à transcrição e regulação gênica está passando por uma revolução. Por exemplo, é possível medir, concomitantemente, a expressão gênica de milhares de genes em diferentes tecidos, assim como identificar diversos fenômenos que atuam nestes genes. Neste trabalho nós desenvolvemos e aplicamos métodos computacionais no estudo de quatro temas envolvendo aspectos chave da transcrição e regulação gênica. No primeiro trabalho, nós abordamos a expressão gênica tecido-específica através do estudo dos genes expressos no cérebro e em dez regiões cerebrais de camundongo. No segundo trabalho, nós identificamos seqüências potencialmente envolvidas no controle da transcrição gênica através do estudo de motivos sobre representados na região promotora dos genes de receptores olfativos. No terceiro trabalho, analisamos o transcriptoma humano quanto a presença de eventos de retenção de intron, um tipo de splicing alternativo. No quarto trabalho, nós abordamos a complexidade do transcriptoma e a regulação da expressão gênica através do estudo de pares de genes senso-antisenso em humanos e camundongos. Em todos os trabalhos, obtivemos resultados que nos permitiram tirar conclusões específicas sobre cada fenômeno estudado e nos mostraram a importância de estudá-los através de uma abordagem em larga escala. Adicionalmente, verificamos que os nossos métodos computacionais foram eficientes e adequados para o estudo da transcrição e regulação gênica em Homo sapiens e Mus musculus. / Genes, nucleotide sequences necessary for the synthesis of functional molecules, are transcribed and regulated by extremely complex cellular and molecular processes. To understand when and in which tissues the genes are expressed, their functional isoforms, control regions and the factors involved in gene regulation is one of major challenges of modern molecular biology. Today, the availability of complete genome sequences and transcriptomes, together with the development of new computational methods allows the study of phenomena related to the transcription and gene regulation in a large scale. For example, it is possible to quantify, concomitantly, gene expression of thousands of genes in different tissues and analyze different aspects of their regulation. In this work we developed and applied computational methods to the study of four key aspects of gene transcription and regulation. In the first study, we addressed tissue specific gene expression through the study of genes that are preferentially expressed in the brain and ten different mouse brain regions. In the second study, we identified sequences that are potentially involved in the control of gene transcription through the study of motifs that are over represented in the promoter region of olfactory receptor genes. In the third study, we browsed the human for the presence of intron retention, a type of alternative splicing. In the fourth study, we addressed the transcriptoma complexity and gene expression regulation through the study of pair of sense-antisense genes in human and mouse. In all studies, our results allowed us to make specific conclusions about each phenomenon analyzed which showed us the importance of a large scale approach. In addition, we verified that our computational methods can be efficiently applied to the study of transcription and gene regulation in Homo sapiens and Mus musculus.

Alternative splicing is the process of producing a variety of transcripts from one and the same gene. This adds further possible variability to gene expression and can in theory mean that one protein coding gene can produce multiple proteins with potentially different functions. Therefore, to understand the function of a gene, alternative splicing must be accounted for. However, this is made more complex by the fact that the existence of different messenger RNA isoforms does not necessarily entail different protein isoforms, which in turn means that an analysis of both the transcripts and final protein is necessary. Far Upstream Element Binding Protein 1 Like 1 (FUBL-1, or C12D8.1) is an RNA binding protein in Caenorhabditis elegans which is believed to take part in gene regulation, and which seemingly interacts within an argonaut effector pathway called ERGO-1. The gene has five proposed isoforms for which there are varying amounts of RNA data but only the first isoform, FUBL-1a has proteomics data available. In other words, different messenger RNA isoforms exist but it is unclear which are translated into protein. In this study, I have looked at fubl-1 and its isoforms to gain further understanding of this protein. This entailed both analysing long read RNA sequencing data to identify messenger RNA isoforms as well as a laboratory analysis of the protein to look for protein isoforms. I found evidence for all isoforms existing as messenger RNAs, and fubl-1a was by far the most highly expressed. In my protein analysis, I found indications of different isoforms, but not conclusive evidence.

Alternatives Spleißen ist ein wesentlicher Mechanismus, um Proteindiversität in Eukaryoten zu gewährleisten. Gewebespezifität sowie entwicklungsrelevante Prozesse werden unter anderem massgeblich davon beeinflusst. Aberrante (alternative) Spleißvorgänge können wiederum zu veränderten Proteinisoformen führen, die verschiedenste Krankheiten wie Krebs verursachen oder zu veränderter Medikamentenwirksamkeit beitragen können. In dieser Arbeit untersuchen wir differentielles Spleißen im Kontext von Krebserkrankungen. Dazu betrachten wir drei Aspekte, die uns wichtig erscheinen. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem systematischen Vergleich verschiedener Methoden für die Detektion von differentiellem Spleißen in Exon-ArrayDaten. Anhand artifizieller und experimentell validierter Daten identifizieren wir Methoden, die über verschiedene Parameterszenarien hinweg robuste Ergebnisse liefern, und ermitteln bestimmte Datenparameter, die die Ergebnisgüte sowie die Qualität der angewandten Methoden beeinflussen. Im zweiten Teil identifizieren wir Spleiß-regulatorischer Proteine, die für die beobachteten Spleissveränderungen zwischen Krebs und einer Kontrolle verantwortlich sein könnten. Zu diesem Zweck stellen wir eine von uns entwickelte Methode basierend auf einem Netzwerkansatz vor. Hierbei werden Spleißfaktoren und differentiell gesplicete Exons in ein Netzwerk integriert und anschliessend anhand der Unterschiede in ihrer Zentralität geordnet. Im dritten Teil analysieren wir die Vergleichbarkeit zweier Datentypen, generiert durch unterschiedliche Technologien, in Bezug auf die Detektion von differentiellem Spleißen. Dazu beziehen wir mehrere Vergleichsebenen mit ein und wenden Methoden an, die für beide Technologien geeignet sind um eine methodenbasierte Beeinträchtigung der Vergleichbarkeit auszuschließen. Die Anwendung unseres Ansatzes auf zwei Datensätze identifiziert ähnliche Trends in der Vergleichbarkeit bei einer sich unterscheidenden Gesamtkonkordanz. / Alternative splicing is a crucial mechanism in eukaryotes, which provides an ample protein diversity that is necessary for maintaining an organism. In contrast, aberrant (alternative) splicing may lead to altered protein isoforms contributing to diseases such as cancer. In this thesis, we study differential splicing in cancer, i.e. splicing changes observed between cancerous and control tissues. We seek to identify methods best suited for the detection of differential splicing, we investigate regulatory factors potentially causal for the splicing changes observed, and we study the comparability of two data types obtained from different technologies with respect to differential splicing detection. The first part of the thesis assesses the performance of methods for detecting differential splicing from exon arrays as existing methods are often of low concordance. We examine global data parameters and their potential influence on results and method performance using artificial and validated experimental data. Overall, our evaluation indicates methods that perform robustly well across artificial and experimental data and identifies parameters impacting result performance. The second part aims at identifying regulatory factors responsible for splicing changes observed between cancer, and healthy tissue. Therefor, we develop a novel, network based approach which first integrates differentially spliced exons with splicing regulatory proteins (splicing factors), using transcriptomics data, and then ranks splicing factors according to their potential involvement in cancer. Third, we compare differential splicing detection based on RNA sequencing and exon array data by developing a multi-level comparison framework using two differential splicing detection methods applicable to both, RNA sequencing and exon array data, to avoid method inherent bias. We apply our multi-level framework to two data sets, leading, despite varying overall concordance, to similar trends in comparability.

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Orientador: Osmar Malaspina / Resumo: As abelhas Apis mellifera africanizadas são consideradas importantes polinizadores no Brasil, uma vez que muitas culturas de alimentos dependem da polinização promovida por esses insetos. No entanto, com o crescimento da produtividade agrícola houve aumento do uso de agrotóxicos para o controle de pragas, os quais podem atingir também insetos não-alvo. Com a ação dos inseticidas como uma das possíveis causadoras da morte massiva desses polinizadores, pesquisas sobre o impacto dos agrotóxicos em abelhas receberam destaque. Diante do exposto, o presente estudo propôs investigar os efeitos de uma dose subletal de tiametoxam (TMX) (0,0227 ng de ingrediente ativo/μl de alimento), importante inseticida da classe dos neonicotinóides, no cérebro e no intestino de Apis mellifera africanizadas, por meio da avaliação da atividade de biomarcadores enzimáticos de exposição e de estresse oxidativo e pela ocorrência de peroxidação lipídica. O nível de estresse celular também foi investigado pela imunomarcação das proteínas de choque térmico HSP70 e HSP90 em conjunto com a detecção de morte celular pelo ensaio de TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling). Os dados mostraram que, no cérebro, o TMX aumentou a atividade de acetilcolinesterase (AChE) em 1, 3 e 5 dias de exposição, enquanto a carboxilesterase (CaE) diminuiu no primeiro dia e a glutationa s-transferase (GST) aumentou no quinto dia. Por sua vez, as enzimas antioxidantes foram menos atuantes no cérebro, se... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Africanized Apis mellifera bees are considered important pollinators in Brazil, since many food crops depend on the pollination by these insects. However, with the growth of agricultural productivity there has been an increase in the use of insecticides for pest control, which also can reach non-target insects. With the action of insecticides as one of the possible causes of the massive death of these pollinators, the studies of the effects of pesticides on bees were highlighted. Given the context, the present study aimed to investigate the effects of a sub lethal dose of thiamethoxam - TMX (0.0227 ng of active ingredient / μl of food), a insecticide of the class of neonicotinoids, in the brain and intestine of Africanized Apis mellifera, through the evaluation of the activity of enzymatic biomarkers of exposure and of oxidative stress and by the occurrence of lipid peroxidation. The level of cell stress was also investigated by the immunostaining of the HSP70 and HSP90 proteins together with the detection of cell death by the TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling) assay. The data showed that, in the brain, TMX increased acetylcholinesterase activity (AChE) at 1, 3 and 5 days of exposure, while carboxylesterase (CaE) decreased on the first day and glutathione s-transferase (GST) increased in the fifth day. On the other hand, antioxidant enzymes were less active in the brain, and only glutathione peroxidase (GPX) showed increased activity on the f... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

O gene do Retardo Mental do X Frágil (FMR1) possui 17 éxons e seu transcrito primário pode sofrer splicing alternativo, havendo, entre outros eventos, possibilidade de exclusão ou inclusão do éxon 12. O produto da expressão do FMR1, a proteína do retardo mental do X frágil (FMRP), possui papéis importantes no sistema nervoso central, atuando como repressora da tradução de RNAm em espinhas dendríticas e controlando a síntese de proteínas envolvidas na função sináptica. Entre dois domínios centrais do tipo KH presentes na FMRP, o segundo (KH-2) é responsável pela interação da proteína aos polissomos. O domínio KH-2 é codificado pelos éxons 9 a 13 do FMR1 e possui a alça variável mais longa já observada entre proteínas humanas, que é codificada pelos éxons 11 e 12. A inclusão do éxon 12 no RNAm do FMR1 causa uma extensão em fase dessa alça variável do KH-2 da FMRP. Estas isoformas apresentam expressão significativa em neurônios cortico-cerebrais e cerebelares do rato, no primeiro mês pós-natal. Este trabalho baseia-se em resultados prévios do grupo de pesquisa, em que se identificaram sequências curtas no íntron 12 do FMR1, com potencial para agir como acentuadores de splicing. Baseando-nos na hipótese de que essas sequências constituem elementos transcritos que se ligam a fatores proteicos do núcleo celular, potencialmente reguladores do splicing do pré-RNAm do FMR1, realizamos ensaios de precipitação por afinidade com extratos nucleares de córtex cerebral de rato e transcritos do loco, biotinilados. Análises por espectrometria de massas revelaram enriquecimento de proteínas nucleares, contendo domínios de ligação a RNA, principalmente aquelas relacionadas à regulação e processamento de pré-RNAm, sobretudo o splicing / Fragile X Mental Retardation 1 gene (FMR1) comprises 17 exons. Its primary transcript is subject to alternative splicing, allowing for the possibility of exon 12 inclusion or skipping, among other events. The product of FMR1 gene expression, fragile X mental retardation protein (FMRP), has important roles in the central nervous system, acting as a translational repressor in dendritic spines, thus controlling the synthesis of proteins involved in synaptic function. FMRP has two central KH domains. One of them (KH-2) is responsible for its interaction with polysomes. The KH-2 domain is encoded by FMR1 exons 9 to 13. It contains the longest variable loop ever observed among human KH-containing proteins, which is encoded by FMR1 exons 11 and 12. Exon-12 inclusion in FMR1 mRNA causes an in-frame extension of FMRP KH-2 domain variable loop. These isoforms appear significantly expressed in cortico-cerebral and cerebellar neurons of the rat in the first month after birth. We have previously identified short sequences within FMR1 intron 12 that may potentially act as splicing enhancers. Our study is based on the hypothesis that those sequences when transcribed should bind to nuclear protein factors that may function as FMR1 exon 12 pre-mRNA splicing regulators. To initiate an experimental approach to test that hypothesis, we conducted affinity precipitation assays with rat cerebral cortex nuclear extracts and biotinylated transcripts. Mass spectrometry analyses disclosed proteins that have been described to be enriched in the cell nucleus, contain RNA-binding domains, and be functionally related to pre-mRNA processing, notably splicing

Em eucariotos, a formação das subunidades ribossomais envolve múltiplos fatores, responsáveis pelas etapas de maturação dos rRNAs e por sua associação a proteínas ribossomais. A via de processamento de pré-rRNA é bastante complexa e inclui várias etapas de modificação de nucleotídeos e clivagens endo- e exonucleolíticas. As modificações de nucleotídeos são dirigidas por snoRNPs, formados por snoRNAs e proteínas, que são divididos em duas classes gerais, de box H/ACA (pseudouridilação) e de box C/D (metilação). Dentre os snoRNP de box C/D está o U3, que embora apresente as seqüências características e se associe a proteínas desse grupo de snoRNPs, não dirige metilações no rRNA, mas sim as clivagens iniciais no pré-rRNA 35S. O snoRNA U3 de Saccharomyces cerevisiae é codificado por dois genes que contêm introns, snR17A e snR17B. Embora a via de montagem do snoRNP U3 ainda não tenha sido determinada com precisão, sabe-se que algumas proteínas do core de box C/D ligam-se ao pré-snoRNA U3 co-transcricionalmente, afetando o splicing e o processamento da extremidade 3´ deste snoRNA. A proteína Cwc24p, cuja caracterização funcional foi o objetivo deste trabalho, foi isolada em nosso laboratório interagindo com Nop17p, um fator de montagem dos snoRNPs de box C/D. Cwc24p possui um domínio RING conservado e foi isolada previamente em um complexo contendo o fator de splicing Cef1p. Os resultados aqui obtidos mostram que, de maneira condizente com os dados de interação, Cwc24p é uma proteína nuclear e sua depleção leva ao acúmulo do pré-snoRNA U3, o que acarreta uma diminuição da velocidade de processamento do pré-rRNA 35S. O modelo aqui proposto prevê o recrutamento de Cwc24p para o pré-snoRNA U3 por Nop17p, onde atua como um fator de eficiência do splicing. Estes resultados levaram à conclusão de que Cwc24p está envolvida no splicing do pré-snoRNA U3, afetando indiretamente o processamento do pré-rRNA. / In eukaryotes, the ribosome biogenesis involves a large number of factors, that are responsible for the rRNAs maturation and for their association with ribosomal proteins. The pre-rRNA processing pathway is very complex and includes many steps of nucleotide modifications and endo- and exonucleolytic cleavage reactions. The nucleotide modifications are directed by snoRNPs that are formed by snoRNAs and proteins, divided in two major groups, of box H/ACA (which direct pseudouridilation), or of box C/D (methylation). Although the snoRNP U3 presents the snoRNA sequences and the proteins characteristics of box C/D class, it is not involved in methylation, but rather in the early cleavages of pre-rRNA 35S. U3 snoRNA is transcribed from two intron-containing genes in yeast, snR17A and snR17B. Although the assembly of the U3 snoRNP has not been precisely determined, at least some of the core box C/D proteins are known to bind pre-U3 cotranscriptionally, thereby affecting splicing and 3\'-end processing of this snoRNA. We identified the interaction between the box C/D assembly factor Nop17p and Cwc24p, a novel yeast RING-finger protein which had been previously isolated in a complex with the splicing factor Cef1p. Here we show that, consistently with the protein interaction data, Cwc24p localizes to the cell nucleus, and its depletion leads to the accumulation of both U3 pre-snoRNAs. U3 snoRNA is involved in the early cleavages of 35S pre-rRNA, and the defective splicing of pre-U3 detected in cells depleted of Cwc24p causes the accumulation of the 35S precursor rRNA. These results led us to the conclusion that Cwc24p is involved in pre-U3 snoRNA splicing, indirectly affecting pre-rRNA processing.

Os fagócitos contêm uma nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADPH) oxidase associada à membrana, que gera superóxido e outros reativos intermediários do oxigênio. Defeitos nesta oxidase em seres humanos resultam na doença granulomatosa crônica (DGC). Mutações próximas aos sítios de splicing que interferem com o processamento do RNA mensageiro, acarretando deleção de um ou mais exons, são cada vez mais freqüentes na literatura científica, nesses casos, os mecanismos moleculares que levam a DGC nem sempre são totalmente esclarecidos, assim como o efeito do IFN-g, seja sobre o processamento da mensagem ou estabilidade dos transcritos. Com base nessas informações o objetivo geral deste trabalho é investigar o efeito do IFN-g sobre a regulação do sistema NADPH oxidase fagocítico humano. Através dos resultados obtidos, não se pode constatar melhora na produção de ânions superóxido após o tratamento com IFN-g em pacientes com defeito de splicing, no entanto detectou-se aumento da expressão do gene CYBB através de PCR convencional e através de real-time PCR além de um aumento na marcação de proteínas do spliceossoma através do FAN. / Phagocytes have a nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase (NADPH) associated to plasmatic membrane that generates superoxide and other oxygen reactive intermediates. Defects on this oxidase in humans result in a disorder called Chronic Granulomatous Disease (CGD). Mutations next to splicing sites that interfere with the mRNA processing leading to deletion of one or more exons, are even more frequent on scientific literature, in these cases, the molecular mechanisms causing CGD are not always completetly clear, as well as the effect of IFN-g on the mRNA processing or on the stability of transcripts. Based on this information our aim is to investigate the effect of IFN-g on the regulation of the human NADPH oxidase phagocyte system.. With the obtained results it wasnt possible to see an increase in anion superoxide production after the IFN-g treatment in patients with splicing defects, however it was detected an increase on the expression of CYBB gene by conventional and real-time PCR besides an increase in the marking of spliceossomal proteins by FAN.

O sistema NADPH oxidase humano é responsável pela geração de reativos intermediários do oxigênio e defeitos neste sistema resultam na Doença Granulomatosa Crônica (DGC). Nesta tese de doutorado, investigamos o efeito do IFN-g sobre eventos pós-transcricionais em pacientes com DGC ligada ao X, ocasionada por defeitos de splicing. Os dados obtidos sugerem que o uso do IFN-g in vitro interfere no processamento da mensagem causando aumento da expressão de transcritos do gene CYBB e NCF1 em células B-EBV de indivíduos sadios e pacientes DGC analisados. Observamos também que o IFN-g dimunui a expressão dos genes THOC4 NONO, SF3A1, SRRM1 e UPF3A e promove aumento de expressão de SRSF10, SNRPA1 e C2 em células B-EBV de paciente X-DGC secundária a defeitos de splicing. Identificamos que o IFN-g e o TNF-α aumentam a expressão das proteínas envolvidas no processo do splicing. Concluímos que o IFN-g aumenta a expressão de genes importantes para uma resposta eficiente do sistema imunológico, incluindo os do sistema NADPH oxidase, além de promover aumento da expressão de genes e de proteínas relacionados ao processo de splicing, que podem estar relacionados aos efeitos benéficos observados no uso do IFN-g em pacientes com DGC ligada ao X, ocasionada por defeitos de splicing. / The human phagocyte NADPH oxidase is responsible for the generation of reactive oxygen intermediates and defects in this system result in Chronic Granulomatous Disease (CGD). In this PhD Thesis, we investigated the effect of IFN-g on post-transcriptional events in normal individuals and patients with X-linked CGD, caused by splicing defects. The obtained data suggests that the use of IFN-g in vitro interferes in the message processing causing an increase of expression of CYBB and NCF1 gene transcripts in B-EBV cells of healthy individuals and analyzed CGD patients. We also observed that IFN-g decreases the expression of THOC4, NONO, SF3A1, SRRM1 and UPF3A, and increases the expression of SRSF10, SNRPA1 and C2 genes in cells from X-CGD patients, due to splicing defects. We identified that IFN-g and TNF-α induce expression of proteins involved in the splicing process. We conclude that IFN-g increases the expression of important genes for an effective immune response, including the NADPH oxidase system genes, and promotes augment of gene and protein expression related to the splicing process, which may be related to the beneficial effects related to the use of IFN-g in CGD patient caused by splicing defects.

Ensaios clínicos observacionais e em animais sugerem que o estrógeno exerça proteção cardiovascular, entretanto existem controvérsias mesmo após estudos randomizados. Tem sido sugerido que existe uma janela de oportunidade terapêutica, teoria timing hypothesis, que analisa o tratamento com estrógeno, iniciado precoce ou tardiamente, em mulheres na pós-menopausa. Avaliamos a função de carótidas de camundongos fêmeas com senescência acelerada (SAMP8) ou resistentes (SAMR1) ovariectomizadas tratadas com estrógeno precoce e tardiamente. Em SAMR1 os tratamentos promoveram vasculoproteção e nas carótidas das SAMP8 o tratamento com início precoce não alterou o efeito da ovariectomia, porém o tratamento com início tardio aumentou a vasoconstrição à fenilefrina, a produção de tromboxano (TXA2) e a expressão proteica do ERα-36kDa, splicing alternativo do receptor clássico ERα-66kDa. Portanto, os efeitos do estrógeno não foram benéficos no envelhecimento, podendo contribuir para o desenvolvimento de doenças cerebrovasculares decorrentes de alteração na circulação cerebral. / Observational clinical trials and animal studies demonstrated that estrogen promote cardiovascular protection. However, there are controversies after randomized clinical trials. It has been suggested that there is a therapeutic window of opportunity timing hypothesis theory , which analyzes the early and late estrogen treatments in postmenopausal women. We evaluated the carotid function in ovariectomized senescence (SAMP8) and resistant (SAMR1) female mice treated with estrogen in mineral oil solution dose of 5 g/kg by subcutaneous injection every three days. In SAMR1 estrogen treatments promoted vasculoprotection. In SAMP8 early-onset estrogen treatment did not change the effect observed in the ovariectomy, however late-onset estrogen treatment increased the vasoconstriction to phenylephrine, the thromboxane production and the protein expression of ERα-36kDa, alternative splicing. Therefore, the effects of estrogen were not beneficial in aging, contributing to the development of cardio and cerebrovascular diseases due to alteration cerebral circulation.