Nucella lapillus: imposex transcriptome analysis and phenotypic plasticity

O conhecimento de mecanismos de genómica funcional tem sido maioritariamente adquirido pela utilização de organismos modelo que são mantidos em condições laboratoriais. Contudo, estes organismos não reflectem as respostas a alterações ambientais. Por outro lado, várias espécies, ecologicamente bem estudadas, reflectem bem as interacções entre genes e ambiente mas que, das quais não existem recursos genéticos disponíveis. O imposex, caracterizado pela superimposição de caracteres sexuais masculinos em fêmeas, é induzido pelo tributilestanho (TBT) e trifenilestanho (TPT) e representa um dos melhores exemplos de disrupção endócrina com causas antropogénicas no ambiente aquático. Com o intuito de elucidar as bases moleculares deste fenómeno, procedeu-se à combinação das metodologias de pirosequenciação (sequenciação 454 da Roche) e microarrays (Agilent 4*180K) de forma a contribuir para um melhor conhecimento desta interacção gene-ambiente no gastrópode Nucella lapillus, uma espécie sentinela para imposex. O trancriptoma de N. lapillus foi sequenciado, reconstruído e anotado e posteriormente utilizado para a produção de um “array” de nucleótidos. Este array foi então utilizado para explorar níveis de expressão génica em resposta à contaminação por TBT. Os resultados obtidos confirmaram as hipóteses anteriormente propostas (esteróidica, neuroendócrina, retinóica) e adicionalmente revelou a existência de potenciais novos mecanismos envolvidos no fenómeno imposex. Evidência para alvos moleculares de disrupção endócrina não relacionados com funções reprodutoras, tais como, sistema imunitário, apoptose e supressores de tumores, foram identificados. Apesar disso, tendo em conta a forte componente reprodutiva do imposex, esta componente funcional foi a mais explorada. Assim, factores de transcrição e receptores nucleares lipofílicos, funções mitocondriais e actividade de transporte celular envolvidos na diferenciação de géneros estão na base de potenciais novos mecanismos associados ao imposex em N. lapillus. Em particular, foi identificado como estando sobre-expresso, um possível homólogo do receptor nuclear “peroxisome proliferator-activated receptor gamma” (PPARγ), cuja função na indução de imposex foi confirmada experimentalmente in vivo após injecção dos animais com Rosiglitazone, um conhecido ligando de PPARγ em vertebrados. De uma forma geral, os resultados obtidos mostram que o fenómeno imposex é um mecanismo complexo, que possivelmente envolve a cascata de sinalização envolvendo o receptor retinoid X (RXR):PPARγ “heterodimer” que, até à data não foi descrito em invertebrados. Adicionalmente, os resultados obtidos apontam para alguma conservação de mecanismos de acção envolvidos na disrupção endócrina em invertebrados e vertebrados. Finalmente, a informação molecular produzida e as ferramentas moleculares desenvolvidas contribuem de forma significativa para um melhor conhecimento do fenómeno imposex e constituem importantes recursos para a continuação da investigação deste fenómeno e, adicionalmente, poderão vir a ser aplicadas no estudo de outras respostas a alterações ambientais usando N. lapillus como organismo modelo. Neste sentido, N. lapillus foi também utilizada para explorar a adaptação na morfologia da concha em resposta a alterações naturais induzidas por acção das ondas e pelo risco de predação por caranguejos. O contributo da componente genética, plástica e da sua interacção para a expressão fenotípica é crucial para compreender a evolução de caracteres adaptativos a ambientes heterogéneos. A contribuição destes factores na morfologia da concha de N. lapillus foi explorada recorrendo a transplantes recíprocos e experiências laboratoriais em ambiente comum (com e sem influência de predação) e complementada com análises genéticas, utilizando juvenis provenientes de locais representativos de costas expostas e abrigadas da acção das ondas. As populações estudadas são diferentes geneticamente mas possuem o mesmo cariótipo. Adicionalmente, análises morfométricas revelaram plasticidade da morfologia da concha em ambas as direcções dos transplantes recíprocos e também a retenção parcial, em ambiente comum, da forma da concha nos indivíduos da F2, indicando uma correlação positiva (co-gradiente) entre heritabilidade e plasticidade. A presença de estímulos de predação por caranguejos estimulou a produção de conchas com labros mais grossos, de forma mais evidente em animais recolhidos de costas expostas e também provocou alterações na forma da concha em animais desta proveniência. Estes dados sugerem contra-gradiente em alterações provocadas por predação na morfologia da concha, na produção de labros mais grossos e em níveis de crescimento. O estudo das interacções gene-ambiente descritas acima demonstram a actual possibilidade de produzir recursos e conhecimento genómico numa espécie bem caracterizada ecologicamente mas com limitada informação genómica. Estes recursos permitem um maior conhecimento biológico desta espécie e abrirão novas oportunidades de investigação, que até aqui seriam impossíveis de abordar.

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Molecular reconstruction of a genetic code alteration

The genetic code establishes the rules that govern gene translation into proteins. It was established more than 3.5 billion years ago and it is one of the most conserved features of life. Despite this, several alterations to the standard genetic code have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes, namely in the fungal CTG clade where a unique seryl transfer RNA (tRNACAG Ser) decodes leucine CUG codons as serine. This tRNACAG Ser appeared 272±25 million years ago through insertion of an adenosine in the middle position of the anticodon of a tRNACGA Ser gene, which changed its anticodon from 5´-CGA-3´ to 5´-CAG-3´. This most dramatic genetic event restructured the proteome of the CTG clade species, but it is not yet clear how and why such deleterious genetic event was selected and became fixed in those fungal genomes. In this study we have attempted to shed new light on the evolution of this fungal genetic code alteration by reconstructing its evolutionary pathway in vivo in the yeast Saccharomyces cerevisiae. For this, we have expressed wild type and mutant versions of the C. albicans tRNACGA Ser gene into S. cerevisiae and evaluated the impact of the mutant tRNACGA Ser on fitness, tRNA stability, translation efficiency and aminoacylation kinetics. Our data demonstrate that these mutants are expressed and misincorporate Ser at CUGs, but their expression is repressed through an unknown molecular mechanism. We further demonstrate, using in vivo forced evolution methodologies, that the tRNACAG Ser can be easily inactivated through natural mutations that prevent its recognition by the seryl-tRNA synthetase. The overall data show that repression of expression of the mistranslating tRNACAG Ser played a critical role on the evolution of CUG reassignment from Leu to Ser. In order to better understand the evolution of natural genetic code alterations, we have also engineered partial reassignment of various codons in yeast. The data confirmed that genetic code ambiguity affects fitness, induces protein aggregation, interferes with the cell cycle and results in nuclear and morphologic alterations, genome instability and gene expression deregulation. Interestingly, it also generates phenotypic variability and phenotypes that confer growth advantages in certain environmental conditions. This study provides strong evidence for direct and critical roles of the environment on the evolution of genetic code alterations.

Família e aconselhamento genético: o caso dos cancros hereditários

Os desenvolvimentos associados à medicina genómica e biologia molecular representam novas possibilidades no diagnóstico, tratamento e prevenção de doenças comuns, confrontando indivíduos e famílias com complexos desafios à integração da informação genética na gestão da saúde e nas suas vidas. Este estudo centra-se em famílias com suscetibilidade genética acrescida a cancros hereditários e pretende contribuir para o conhecimento da experiência individual e familiar do aconselhamento oncogenético, incluindo como pode ser contemplada no desenvolvimento de intervenções de apoio psicossocial e na organização dos cuidados de saúde na era (pós)genómica. O processo de investigação incorpora perspetivas da genética psicossocial e da teoria dos sistemas familiares. Engloba metodologias qualitativas de recolha e análise de dados, envolvendo indivíduos, famílias e profissionais de saúde num formato de investigação-ação participativa. Os principais resultados permitem: i) conceptualizar a experiência do aconselhamento oncogenético, através da caracterização das suas implicações instrumentais, emocionais, relacionais e desenvolvimentais para o indivíduo e sistema familiar; ii) conhecer o desenvolvimento, implementação e avaliação de um programa psicoeducativo multifamiliar, enquanto intervenção de apoio psicossocial a indivíduos com suscetibilidade acrescida a cancros hereditários e suas famílias; e iii) integrar a perspetiva dos profissionais de saúde quanto à incorporação de apoio psicossocial na provisão dos serviços oncogenéticos. As conclusões gerais sustentam a importância do aprofundamento da pesquisa sobre o funcionamento familiar face ao aconselhamento e risco oncogenético, e a incorporação de uma orientação familiar nesses serviços. As implicações decorrentes da suscetibilidade acrescida a doenças genéticas impõem uma discussão alargada aos vários agentes envolvidos no planeamento, provisão e utilização dos cuidados de saúde, no sentido do desenvolvimento de serviços atuantes no continuum biopsicossocial indivíduofamília- sistema de saúde-comunidade.

Genotoxicity in humans and indicator species exposed to uranium wastes

Os riscos dos resíduos provenientes da extração do urânio estão associados ao seu conteúdo em metais e radionuclídeos, o que levanta preocupações às autoridades governamentais e à população em geral. As populações humanas e outras espécies animais que vivem em zonas de exploração de urânio poderão estar expostas à radiação através de resíduos e poeiras radioactivase também através de água e alimentos contaminados. A determinação dos riscos deste tipo de contaminantes é feita, principalmente, através da análise química de amostras ambientais, dando-se menos importância à determinação de efeitos biológicos. A determinação de efeitos biológicos causados pela exposição a poluentes, tem-se revelado muito importante para uma avaliação da qualidade ambiental, de modo a providenciar indicações acerca dos efeitos negativos nos seres vivos e também para complementar a informação dada pelas análises químicas de amostras ambientais. Este facto levou ao estabelecimento de biomarcadores, que consistem em respostas biológicas adversas que são específicas de uma exposição a toxinas ambientais, para serem usadas como ferramentas de avaliação da qualidade ambiental. Neste trabalho foram analisadas respostas a nível molecular e celular, em minhocas, ratinhos do campo e humanos, a fim de determinar o risco químico e radiológico dos resíduos provenientes da mina de urânio da Cunha Baixa. Este trabalho teve também como objectivo a clarificação das respostas subjacentes à exposição a metais e radionuclídeos, a fim de permitir o desenvolvimento de potenciais novos biomarcadores moleculares. Durante este trabalho foram efectuados ensaios com minhocas, em que estas foram expostas durante 56 dias a solo contaminado proveniente da mina de urânio da Cunha Baixa, em laboratório e in situ. Durante a exposição foram analisados vários parâmetros, como o crescimento, reprodução, bioacumulação de metais e radionuclídeos, histopatologia, danos no DNA, citotoxicidade e perfil de expressão genética. Para além disso, foram amostrados ratinhos do campo na mina de urânio da Cunha Baixa e numa área de referência para determinação de danos no DNA, níveis de expressão e mutações em genes supressores de tumores e também bioacumulação de metais. Por fim, foram recolhidas amostras de sangue em voluntários saudáveis pertencentes à população da aldeia da Cunha Baixa, para determinação de danos no DNA, imunofenotipagem e quantificação de metais no sangue. Os resultados revelaram que as minhocas assim como os ratinhos do campo foram negativamente afetados pela exposição aos resíduos mineiros em todos os níveis de organização biológica aqui analisados, o que faz destes organismos bons indicadores para a determinação do risco destas áreas contaminadas, evidenciando o potencial risco da exposição a estes contaminantes. Para além disso, o estudo feito à população da Cunha Baixa revelou danos no ADN e diminuição de populações importantes de células imunitárias (nomeadamente linfócitos T e NK), o que poderá resultar da exposição aos resíduos da mina, tornando as pessoas mais susceptíveis ao desenvolvimento de processos de carcinogénese. O presente estudo contribuiu significativamente para a caracterização dos riscos da exposição a resíduos provenientes de minas de urânio abandonadas, evidenciando os seus efeitos negativos a nível molecular e celular, que potencialmente poderão causar instabilidade genómica e aumentar o risco de desenvolvimento de doenças genéticas.

Molecular genomics of a genetic code alteration

The genetic code is not universal. Alterations to its standard form have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes and demolished the dogma of an immutable code. For instance, several Candida species translate the standard leucine CUG codon as serine. In the case of the human pathogen Candida albicans, a serine tRNA (tRNACAGSer) incorporates in vivo 97% of serine and 3% of leucine in proteins at CUG sites. Such ambiguity is flexible and the level of leucine incorporation increases significantly in response to environmental stress. To elucidate the function of such ambiguity and clarify whether the identity of the CUG codon could be reverted from serine back to leucine, we have developed a forced evolution strategy to increase leucine incorporation at CUGs and a fluorescent reporter system to monitor such incorporation in vivo. Leucine misincorporation increased from 3% up to nearly 100%, reverting CUG identity from serine back to leucine. Growth assays showed that increasing leucine incorporation produced impressive arrays of phenotypes of high adaptive potential. In particular, strains with high levels of leucine misincorporation exhibited novel phenotypes and high level of tolerance to antifungals. Whole genome re-sequencing revealed that increasing levels of leucine incorporation were associated with accumulation of single nucleotide polymorphisms (SNPs) and loss of heterozygozity (LOH) in the higher misincorporating strains. SNPs accumulated preferentially in genes involved in cell adhesion, filamentous growth and biofilm formation, indicating that C. albicans uses its natural CUG ambiguity to increase genetic diversity in pathogenesis and drug resistance related processes. The overall data provided evidence for unantecipated flexibility of the C. albicans genetic code and highlighted new roles of codon ambiguity on the evolution of genetic and phenotypic diversity.

Ecological and biotechnological potential of sponge microbiome

Marine sponges harbor microbial communities of immense ecological and biotechnological importance. Recently, they have been focus of heightened attention due to the wide range of biologically active compounds with potential application, particularly, in chemical, cosmetic and pharmaceutical industries. However, we still lack fundamental knowledge of their microbial ecology and biotechnological potential. The development of high-throughput sequencing technologies has given rise to a new range of tools that can help us explore the biotechnological potential of sponges with incredible detail. Metagenomics, in particular, has the power to revolutionize the production of bioactive compounds produced by unculturable microorganisms. It can offer the identification of biosynthetic genes or gene clusters that can be heterologously expressed on a cultivable and suitable host. This review focus on the exploration of the biotechnological potential of sponge-associated microorganisms, and integration of molecular approaches, whose increasing efficiency can play an essential role on achieving a sustainable source of natural products.

Mapeamento genómico de um gene de resistência ao míldio em Brassica oleracea L.

Tese dout., Biologia, Universidade do Algarve, 2006

Polimorfismos nos exões 2 e 3 da O6 - alquilguanina DNA alquiltransferase em populações pacientes e não pacientes do foro oncológico

Dissertação mest., Biotecnologia, Universidade do Algarve, 2010

Estudo do efeito de contaminantes na espécie sentinela, a amêijoa Ruditapes decussatus, por intermédio da análise da expressão proteica: aplicação à monitorização do meio marinho

Tese dout., Ciências e Tecnologias do Ambiente, 2009, Universidade do Algarve

Técnicas biomoleculares no diagnòstico e tipificação em virologia vegetal

Tese de dout., Ciências Agrárias (Protecção de Plantas), Unidade de Ciências e Tecnologias Agrárias, Univ. do Algarve, 1994

Estudo preliminar do efeito supressor de genes do Citrus tristeza virus (CTV) no silenciamento pós-transcripcional em Nicotiana benthamiana

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Exploring an uncommon host-parasite interaction to unveil the uniqueness of Perkinsus sp as a model organism

We report the exploration of some unique metabolic pathways in Perkinsus olseni a marine protist parasite, responsible to significant mortalities in mollusks, especially in bivalves all around the world. In Algarve, south of Portugal carpet shell clam Ruditapes decussatus mortalities can reach up to 70%, causing social and economic losses. The objective of studying those unique pathways, is finding new therapeutic strategies capable of controlling/eliminating P. olseni proliferation in clams. In that sense metabolic pathways, were explored, and drugs affecting these cycles were tested for activity. The first step involved the identification of the genes behind those pathways, the reconstitution of the main steps, and molecular characterization of those genes and later on, the identification of possible targets within the genes studied. Metabolic cycles were screened due to the fact of not being present in host or differ in a critical way, such as the following pathways: shikimate, MEP-­‐ isoprenoids, Leloir cycle for chitin production, purine biosynthesis (unique among protists), the de novo synthesis of folates (absent in metazoa) and some unique genes like, the alternative oxidase (a branch of respiratory chain) and the hypoxia sensor HPH. All those pathways were covered and possible chemical inhibition using therapeutic drugs was tested with positive results. The relation between the common host Ruditapes decussatus and P. olseni was also explored in a dimension not possible some years ago. With the accessibility to second generation sequencers and microarray analysis platforms, genes involved in host defense or parasite virulence and resistance to the host were deciphered, allowing aiming to new targets (mechanisms and pathways), offering new possibilities for the control of Perkinsus in close environments. The thousands of genes, generated by this work, sequenced and analyzed from this commercial valuable clam and for Perkinsus olseni will be an important and value tool for the scientific community, allowing a better understanding of host-­‐parasite interactions, promoting the usage of P. olseni as an emerging model for alveolata parasites.

Filodinâmica do vírus da tristeza dos citrinos: epidemiologia molecular e biologia evolutiva

O Citrus tristeza virus (CTV), responsável por várias doenças em citrinos, é um dos maiores condicionantes da citricultura a nível mundial. Existem diversos isolados de CTV com diferentes características biológicas e moleculares, sendo que os sintomas causados pelo vírus dependem essencialmente do isolado viral e da combinação variedade/porta-enxerto. A implementação de medidas de controlo da doença depende, em grande parte, do tipo de isolados presentes numa dada região. No Capítulo 2, efetuou-se uma análise comparativa entre dois métodos de tipificação de isolados de CTV e verificou-se que a caracterização por PCR assimétrico-ELISA, que considera a existência de sete grupos, é mais adequada à descrição da estrutura genética de CTV. Estes resultados foram complementados com o estudo da dinâmica de colonização de cada grupo filogenético através de um imuno-ensaio in situ (Capítulo 3). Os resultados obtidos sugerem que os isolados de CTV diferem na quantidade de células infetadas e que essa diferença parece estar relacionada com a severidade do isolado. No Capítulo 4, o estudo da variabilidade genómica da região 3’ terminal permitiu verificar que a estrutura de grupos obtida para o gene da proteína da cápside (CP) é extensível a toda a região 3’ terminal que contém os genes mais fortemente implicados na interação com o hospedeiro. A estabilidade da estrutura genética nesta região foi também inferida a partir da pesquisa de eventos de recombinação. Os resultados sugerem uma baixa frequência de recombinação entre isolados de CTV, mesmo em isolados contendo mistura de haplótipos e mantidos há mais de 12 anos no mesmo hospedeiro. Adicionalmente, foi estimada a taxa de evolução de CTV através de um método estatístico Bayesiano (Capítulo 5). Para tal, foram usadas sequências do gene da CP de isolados de diversas regiões do mundo, pertencentes a diferentes grupos filogenéticos e obtidas entre 1990 e 2010. A taxa média de evolução estimada foi de 1,58 X 10-4 substituições nucleotídicas / ano. No geral, os resultados destes dois capítulos mostram que os isolados de CTV mantêm uma elevada estabilidade genética ao longo do tempo. Finalmente, no Capítulo 6, foi estudada a situação epidemiológica de CTV em Portugal continental a partir de isolados de CTV recolhidos no campo, onde se verificou que a maioria das árvores infetadas era composta por isolados de CTV pertencentes ao grupo M, ou seja isolados considerados suaves e que não provocam sintomas severos.

An integrated and comparative approach to genetic selection of the aquaculture species Dicentrarchus labrax

The European sea bass, Dicentrarchus labrax, is one of the most important marine species cultivated in Southern Europe and has not benefited from selective breeding. One of the major goals in the sea bass (D. labrax) aquaculture industry is to understand and control the complexity of growth associated traits. The aim of the methodology developed for the studies reported in the thesis was not only to establish genetic and genomic resources for sea bass, but to also develop a conceptual strategy to efficiently create knowledge in a research environment that can easily be transferred to the aquaculture industry. The strategy involved; i) establishing an annotated sea bass transcriptome and then using it to, ii) identify new genetic markers for target QTL regions so that, iii) new QTL analysis could be performed and marker based resolution of the DNA regions of interest increased, and then iv) to merge the linkage map and the physical map in order to map the QTL confidence intervals to the sea bass genome and identify genes underlying the targeted traits. Finally to test if genes in the QTL regions that are candidates for divergent growth phenotypes have modified patterns of transcription that reflects the modified whole organism physiology SuperSAGE-SOLiD4 gene expression was used with sea bass with high growth heterogeneity. The SuperSAGE contributed to significantly increase the transcriptome information for sea bass muscle, brain and liver and also led to the identification of putative candidate genes lying in the genomic region of growth related QTL. Lastly all differentially expressed transcripts in brain, liver and muscle of the European sea bass with divergent specific growth rates were mapped to gene pathways and networks and the regulatory pathways most affected identified and established the tissue specific changes underlying the divergent SGR. Owing to the importance of European sea bass to Mediterranean aquaculture and the developed genomics resources from the present thesis and from other studies it should be possible to implement genetic selection programs using marker assisted selection.