Role of insulin and insulin-like peptides in bone formation: identification of bone-specific target genes and regulatory mechanisms, and characterization of the insulin-mimetic effect of vanadium

Tese de Doutoramento em Biologia, Especialidade em Biologia Molecular, Universidade do Algarve, 2008

Detection of mineralized structures in very early stages of development of Marine Teleostei using a modified Alcian blue-Alizarin red double staining technique for bone and cartilage

We have developed a procedure for staining cartilage and bone in fish larvae as small as 2 mm (notochord length), for which standard alcian blue/alizarin red procedures did not give positive and/or consistent results. Small calcified structures only 100-200 pm in length can be clearly visualized. The method is suitable for both ontogenic studies during early stages of skeletal development in most marine fishes (e.g., Sparus aurata L., Solea senegalensis Kaup), whose larvae at hatching are often only a few millimeters long and for detecting skeletal abnormalities in small larvae. This procedure can also be used for specimens that have been preserved in 1000/0 ethanol for up to two years.

Evolution of matrix and bone gamma-carboxyglutamic acid proteins in vertebrates

The evolution of calcified tissues is a defining feature in vertebrate evolution. Investigating the evolution of proteins involved in tissue calcification should help elucidate how calcified tissues have evolved. The purpose of this study was to collect and compare sequences of matrix and bone γ-carboxyglutamic acid proteins (MGP and BGP, respectively) to identify common features and determine the evolutionary relationship between MGP and BGP. Thirteen cDNAs and genes were cloned using standard methods or reconstructed through the use of comparative genomics and data mining. These sequences were compared with available annotated sequences (a total of 48 complete or nearly complete sequences, 28 BGPs and 20 MGPs) have been identified across 32 different species (representing most classes of vertebrates), and evolutionarily conserved features in both MGP and BGP were analyzed using bioinformatic tools and the Tree-Puzzle software. We propose that: 1) MGP and BGP genes originated from two genome duplications that occurred around 500 and 400 million years ago before jawless and jawed fish evolved, respectively; 2) MGP appeared first concomitantly with the emergence of cartilaginous structures, and BGP appeared thereafter along with bony structures; and 3) BGP derives from MGP. We also propose a highly specific pattern definition for the Gla domain of BGP and MGP. Previous Section Next Section BGP1 (bone Gla protein or osteocalcin) and MGP (matrix Gla protein) belong to the growing family of vitamin K-dependent (VKD) proteins, the members of which are involved in a broad range of biological functions such as skeletogenesis and bone maintenance (BGP and MGP), hemostasis (prothrombin, clotting factors VII, IX, and X, and proteins C, S, and Z), growth control (gas6), and potentially signal transduction (proline-rich Gla proteins 1 and 2). VKD proteins are characterized by the presence of several Gla residues resulting from the post-translational vitamin K-dependent γ-carboxylation of specific glutamates, through which they can bind to calcium-containing mineral such as hydroxyapatite. To date, VKD proteins have only been clearly identified in vertebrates (1) although the presence of a γ-glutamyl carboxylase has been reported in the fruit fly Drosophila melanogaster (2) and in marine snails belonging to the genus Conus (3). Gla residues have also been found in neuropeptides from Conus venoms (4), suggesting a wider prevalence of γ-carboxylation.

Identification of genes regulated by mir-363*, a regulator of bone marrow endothelial cell properties

As células estaminais hematopoiéticas residem na medula óssea e possuem capacidade para se auto-renovar e dar origem a todos os tipos de células sanguíneas. O endotélio da medula óssea é constituído por células endoteliais de medula óssea (BMEC) e compreende dois nichos com funções distintas: o nicho osteoblástico e o nicho vascular. O nicho osteoblásctico proporciona condições para a quiescência de células estaminais hematopoiéticas, enquanto no nicho vascular ocorre proliferação e diferenciação das mesmas. Quando ocorre um desequilíbrio na expressão de genes que codificam para proteínas envolvidas na mobilização de células do nicho osteoblástico para o nicho vascular – factores angiócrinos – ocorre uma desestabilização do microambiente medular, que se pode traduzir num processo tumoral. Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de RNAs não codificantes, de cadeia simples, que regula a expressão génica. Os miRNAs são sequências endógenas de RNA que possuem entre 19 e 25 nucleótidos de tamanho. Os miRNAs são reguladores da expressão genica, induzindo o silenciamento a nível da pós-transcrição, através da sua ligação com uma sequência específica para a qual possuem afinidade, na região 3’ não traduzida (3’ UTR) dos seus mRNA alvo, conduzindo à inibição da tradução ou à sua degradação. Os miRNAs estão envolvidos na regulação de genes de diversas vias afectando processos fundamentais como hematopoiese, apoptose, proliferação celular e tumorigénese. Os níveis de expressão dos miRNAs estão alterados no cancro, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Os perfis dos níveis de expressão de vários miRNAs foram estudados, tendo-se verificado que se alteram durante o processo de carcinogénese, podendo actuar directamente como supressores de tumor ou como oncogenes, sendo neste caso denominados de oncomirs. Apesar do miR-363* estar envolvido na regulação da expressão de genes que regulam propriedades das células endoteliais e medula óssea, os genes sobre os quais exerce a sua função ainda não foram identificados.O objectivo do presente estudo é a identificação dos genes directamente regulados pelo miR-363* (genes alvo) e a sua relevância para a disfunção medular e a sua caracterização nos síndromes mielodisplásicos. A estratégia usada baseou-se na redução ou aumento forçados dos níveis de miR-363* em células endoteliais e subsequente análise da expressão génica através de microarrays de cDNA do genoma humano. A redução do miR-363* vai implicar o aumento da expressão dos seus genes alvo, assim como o aumento dos níveis do miR-363* vai induzir a degradação e consequente redução dos seus genes alvos. A intersecção dos dados gerados através do estudo da expressão com bases de dados que possuem algoritmos para previsão de genes alvo directos dos miRNAs (miRBase e MicroCosm Targets) permitiu restringir os genes a analisar a sete genes, nomeadamente BST1, ESAM, FCER1G, IKBKG, SELE, THBS3 e TIMP1. A interacção directa destes candidatos a alvos directos do miR-363* foi posteriormente validada. Para tal, as 3’UTR dos genes foram clonadas num vector que contém o gene da luciferase. Uma vez as clonagens realizadas, efectuaram-se ensaios funcionais em células endoteliais, nomeadamente HUVEC, nas quais se co-transfectaram os vectores gerados, anti-miRs ou pre-miRs (para diminuir ou aumentar o nível de miRNA) e o plasmídeo controlo da Renilla para normalização dos ensaios de luciferase. A variação da luminescência obtida em presença do aumento ou redução do miR-363* deu uma forte indicação da regulação directa do miR-363* nesses alvos. No entanto, a confirmação desta interacção directa foi efectuada através de ensaios de mutagénese, nos quais de induziram mutações na 3’UTR nos locais de ligação do miRNA, seguidos dos ensaios funcionais como acima descritos. Esta estratégia sugere que o TIMP1, inibidor da metaloprotease-9 (MMP-9), é regulado directamente pelo miR-363*. Adicionalmente, os níveis de expressão dos alvos directos do miR-363* foram estudados em 17 amostras de aspirados de medula óssea de doentes com síndromes mielodisplásicos. Os síndromes mielodisplásicos são caracterizados como um grupo heterogéneo de condições, que apresentam citopenias (produção deficiente de eritrócitos, leucócitos e/ou megacariócitos) e medula óssea displástica e hipercelular. A escalonagem dos doentes foi feita de acordo com o sistema de prognóstico IPSS elaborado pela Organização Mundial de Saúde, e que consiste numa tabela de risco de progressão de síndromes mielodisplásicos para leucemia mielóide aguda (LMA) e que agrupa os doentes em baixo risco – que compreende os níveis baixo e intermédio 1 – e em alto risco – que compreende os níveis intermédio 2 e alto. Dos genes regulados pelo miR-363*, o destacam-se o TIMP1, estando aumentando em doentes com mau prognóstico, e o THBS3 que apresenta um aumento nos doentes com prognóstico intermédio. Em suma, os estudos realizados permitiram a identificação de genes regulados pelo miR-363* e contribuiram para o conhecimento de como o miR-363* contribui para a disfunção medular, particularmente em síndromes mielodisplásicos, pela desregulação das propriedades endoteliais.

Identification and molecular characterization of bone-related micrornas: functional implications

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2014

Cloning of the Bone Gla Protein gene from the teleost fish Sparus aurata (gilthead seabream). Molecular organization, developmental appearance and evolutionary implications

Tese de Doutoramento, Biologia Molecular, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve, 2001