The pathogenic species of trypanosomatids, including Trypanosoma brucei, T. cruzi, and Leishmania spp, cause serious human as well as animal diseases, with a very high incidence and mortality rate if untreated. Although the genome sequences of several trypanosomatids have been known for several years, many aspects of gene function and gene regulation are still unclear in these organisms. Most importantly, the lack of similarity between the majority of their genes and characterized genes of other organisms has limited our understanding of the gene functions in trypanosomatids. Not only the functions of many genes are unknown, the factors that are involved in their regulation are mostly uncharacterized. Trypanosomatids primarily rely on post-transcriptional programs for regulation of gene expression, and transcriptional regulation is of least importance. The genomes of these organisms harbour a large number of RNA-binding proteins with potential role in regulating mRNA stability and translation; however, the sequence specificity of these RNA-binding proteins and their function is mostly unknown. The focus of this thesis is on development of new methods for homology-independent functional characterization of genes in trypanosomatids, and deciphering the programs that are involved in their regulation. First, I describe a novel universal relationship between codon usage and gene function, and show the utility of this relationship for functional characterization of genes in various organisms, including trypanosomatids. This relationship most probably points to the role of codon usage in dynamic regulation of protein expression in different conditions, and helps the cell to adapt to new environments and conditions by synchronously regulating proteins with required functions. Then, I introduce a computational approach for identification of function-specific cis-acting regulatory elements, and demonstrate the utility of this approach for identification of potential regulatory elements in trypanosomatids, as well as for prediction of gene function based on the flanking regulatory sequences. I also show that combination of cis-regulatory elements and codon usage is a strong predictor of gene function in trypanosomatids. In addition to these methods, which can identify biological processes and pathways, a new method for identification of protein molecular functions based on short sequence signatures is introduced in this thesis. I show that this new method is able to identify function-specific protein short motifs that present functional sites on proteins, and demonstrate the utility of these motifs in predicting protein molecular function in trypanosomatids. In addition to these sequence-based approaches, I also explore the possibility of predicting trypanosomatid gene functions based on co-expression. I present the first co-expression network of T. brucei, which is constructed by combining several microarray datasets from different studies, and use it for predicting new components of several essential pathways in this organism. This analysis suggested the presence of a conserved post-transcriptional regulatory network in trypanosomatids, which encouraged us to develop a novel framework for identification of regulatory programs with high network-level conservation across multiple species. This framework revealed an extensive set of conserved regulatory programs in trypanosomatids, many of which could be validated using available expression datasets as well as our microarray profiles of chemical perturbations. The studies described here contribute significantly to functional annotation of genes in trypanosomatids, and identify the regulatory mechanisms that govern gene expression in these organisms. Furthermore, the introduced methods can be used for functional annotation of many uncharacterized genes and identification of gene regulatory programs in virtually all organisms with available genome sequences. / Les espèces pathogènes de l'ordre des trypanosomatida, incluant Trypanosoma brucei, T. cruzi, et différentes espèces de Leishmania sont responsables de sérieuses maladies humaines et animales, avec une très forte incidence et taux de mortalité élevé lorsque non soignées. Bien que les génomes de plusieurs trypanosomatida soient disponibles depuis plusieurs années, de nombreux aspects de la fonction et de la régulation génique restent inexplorés chez ces organismes. Les trypanosomatida se reposent principalement sur des mécanismes post-transcriptionels pour la régulation de l'expression génique, et la régulation de la transcription n'a que peu d'importance. Les génomes de ces organismes hébergent un grand nombre de protéine se liant à l'ARN avec des rôles potentiels dans la régulation de la stabilité et de la traduction des ARNm. Néanmoins, les séquences spécifiques de ces protéines se liant à l'ARN et leurs fonctions restent principalement méconnues. L'objectif de cette thèse se situe au niveau du développement de nouvelles méthodes indépendantes de l'homologie pour permettre la caractérisation fonctionnelles de gènes chez les trypanosomatida, et de déchiffrer les mécanismes impliqués dans cette régulation. Premièrement, je décris une nouvelle relation universelle entre l'utilisation des codons et la fonction génique, et montre l'utilité de cette relation pour la caractérisation de gènes dans divers organismes, incluant les trypanosomatida. Cette relation pointe probablement vers un rôle de l'utilisation des codons dans la régulation dynamique de l'expression protéique sous diverses conditions, et aide la cellule à s'adapter à de nouveaux environnements et conditions en synchronisant la régulation des protéines avec les fonctions requises. J'ai introduis une approche computationnelle pour l'identification d'éléments cis-régulateurs fonction-spécifiques et démontré l'utilité de cette approche pour l'identification d'éléments régulateurs potentiels chez les trypanosomatida, ainsi que pour la prédiction de fonctions géniques basées sur les séquences régulatrices flanquantes. En plus de ces méthodes, qui peuvent identifier biologiquement des phénomènes et des voies métaboliques, une nouvelle procédure pour l'identification des fonctions moléculaires des protéines, basée sur de courtes signatures de séquences, est introduite dans cette thèse. Outre cette approche basée sur les séquences, j'explore également la possibilité de prédire la fonction de certains gènes des trypanosomatida en me basant sur la co-expression. Je présente le premier réseau de co-expression de T. brucei, élaboré en combinant plusieurs jeux de données de microarray provenant de différentes études, et les utilise pour prédire de nouveaux éléments de multiples voies métaboliques essentielles dans cet organisme. Cette analyse suggère la présence de réseaux post-transcriptionels conservés chez les trypanosomatida, ce qui nous encourage à mettre au point un nouveau cadre expérimental pour l'identification de mécanismes régulateurs avec un fort niveau de conservation au sein de multiples espèces. Ce cadre expérimental a révélé une somme importante de mécanismes régulateurs conservés chez les trypanosomatida, dont beaucoup pourraient êtres validés en utilisant des données d'expression disponibles ainsi qu'avec des profils de perturbations chimiques de microarrays. Les études décrites ici contribuent significativement à l'annotation génique fonctionnelle chez les trypanosomatida, et permet d'identifier des mécanismes de régulation qui gouvernent l'expression génique de ces organismes. De plus, les méthodes introduites peuvent être utilisée pour l'annotation fonctionnelle de nombreux gènes non-caractérisés et l'identification de programmes de régulation génique dans virtuellement n'importe quel organisme dont le génome est disponible.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106493 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Shateri Najafabadi, Hamed |
| Contributors | Reza Salavati (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Institute of Parasitology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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