Insights into molecular and cellular events involved in normal and pathological vertebral development and fusion using zebrafish as model organism

The vertebral column and its units, the vertebrae, are fundamental features, characteristic of all vertebrates. Developmental segregation of the vertebral bodies as articulated units is an intrinsic requirement to guarantee the proper function of the spine. Whenever these units become fused either during development or postsegmentation, movement is affected in a more or less severe manner, depending on the number of vertebrae affected. Nevertheless, fusion may occur as part of regular development and as a physiological requirement, like in the tetrapod sacrum or in fish posterior vertebrae forming the urostyle. In order to meet the main objective of this PhD project, which aimed to better understand the molecular and cellular events underlying vertebral fusion under physiological and pathological conditions, a detailed characterization of the vertebral fusion occurring in zebrafish caudal fin region was conducted. This showed that fusion in the caudal fin region comprised 5 vertebral bodies, from which, only fusion between [PU1++U1] and ural2 [U2+] was still traceable during development. This involved bone deposition around the notochord sheath while fusion within the remaining vertebral bodies occur at the level of the notochord sheath, as during the early establishment of the vertebral bodies. A comparison approach between the caudal fin vertebrae and the remaining vertebral column showed conserved features such as the presence of mineralization related proteins as Osteocalcin were identified throughout the vertebral column, independently on the mineralization patterns. This unexpected presence of Osteocalcin in notochord sheath, here identified as Oc1, suggested that this gene, opposing to Oc2, generally associated with bone formation and mature osteoblast activity, is potentially associated with early mineralization events including chordacentrum formation. Nevertheless, major differences between caudal fin region and anterior vertebral bodies considering arch histology and mineralization patterns, led us to use RA as an inductive factor for vertebral fusion, allowing a direct comparison of equivalent structures under normal and fusion events. This fusion phenotype was associated with notochord sheath ectopic mineralization instead of ectopic perichordal bone formation related with increased osteoblast activity, as suggested in previous reports. Additionally, alterations in ECM content, cell adhesion and blood coagulation were discussed as potentially related with the fusion phenotype. Finally, Matrix gla protein, upregulated upon RA treatment and shown to be associated with chordacentrum mineralization sites in regular development, was further described considering its potential function in vertebral formation and pathological fusion. Therefore with this work we propose zebrafish caudal fin vertebral fusion as a potential model to study both congenital and postsegmentation fusion and we present candidate factors and genes that may be further explored in order to clarify whether we can prevent vertebral fusion.

Age and growth of the bigeye thresher shark, Alopias superciliosus, from the pelagic longline fisheries in the tropical northeastern Atlantic Ocean, determined by vertebral band counts

The bigeye thresher, Alopias supercilious, is commonly caught as bycatch in pelagic longline fisheries targeting swordfish. Little information is yet available on the biology of this species, however. As part of an ongoing study, observers sent aboard fishing vessels have been collecting set of information that includes samples of vertebrae, with the aim of investigating age and growth of A. supercilious. A total of 117 specimens were sampled between September 2008 and October 2009 in the tropical northeastern Atlantic, with specimens ranging from 101 to 242 cm fork length (FL) (176 to 407 cm total length). The A. supercilious vertebrae were generally difficult to read, mainly because they were poorly calcified, which is typical of Lamniformes sharks. Preliminary trials were carried out to determine the most efficient band enhancement technique for this species, in which crystal violet section staining was found to be the best methodology. Estimated ages in this sample ranged from 2 to 22 years for females and 1 to 17 years for males. A version of the von Bertalanffy growth model (VBGF) re-parameterised to estimate L(0), and a modified VBGF using a fixed L(0) were fitted to the data. The Akaike information criterion (AIC) was used to compare these models. The VBGF produced the best results, with the following parameters: L(inf) = 293 cm FL, k = 0.06 y(-1) and L(0) = 111 cm FL for females; L(inf) = 206 cm FL, k = 0.18 y(-1) and L(0) = 93 cm FL for males. The estimated growth coefficients confirm that A. supercilious is a slow-growing species, highlighting its vulnerability to fishing pressure. It is therefore urgent to carry out more biological research to inform fishery managers more adequately and address conservation issues.

Age and growth of the smooth hammerhead shark, Sphyrna zygaena, in the Eastern Equatorial Atlantic Ocean, using vertebral sections

The smooth hammerhead shark Sphyrna zygaena (Sphyrnidae) is regularly caught as bycatch in pelagic longline fisheries, but is one of the least studied of all pelagic sharks. Recently, ICCAT (International Commission for the Conservation of Atlantic Tunas) issued recommendations underlining the need for more studies on the life history parameters of this and other pelagic shark species. To this end, the age and growth of S. zygaena were studied in the Eastern Equatorial Atlantic Ocean, in an area where growth parameters were not yet available for this species. Data from 139 specimens, caught between June and September 2009, ranging in size from 136 to 233 cm fork length (FL), were analysed. Preliminary trials were carried out to assess the most efficient growth band enhancement technique. These indicated that sectioning the vertebrae into 500 μm sections followed by staining with crystal violet produced the best results. Growth models were fitted using the traditional von Bertalanffy growth equation and a modification of this equation using a known size at birth. Growth models were compared using the Akaike information criterion (AIC). The von Bertalanffy growth equation seemed to be the most adequate model to describe growth in this species, with resulting growth parameters of L inf = 272 cm FL, k = 0.06 year for males and L inf = 285 cm FL, k = 0.07 year for females. In the first four years of life, S. zygaena grows 25 cm per year on average, but its growth slows down in later life. Future stock assessment models should incorporate these age and growth parameters for species management and conservation.

Amino acid requirements of white seabream (Diplodus sargus) larvae: effects on growth and performance

Tese dout., Aquacultura, Universidade do Algarve, 2008

Endocrine regulation of extracellular matrix proteins in calcified tissue in teleost fish

Tese dout., Biologia, Universidade do Algarve, 2005

A construção social da educação não-formal: novos paradigmas da sociedade do conhecimento - a competência como uma construção social

Disssertação de mest., Ciências da Educação e da Formação (Sociologia da Educação e da Formação), Faculdade de Ciências Humanas e Sociais, Univ. do Algarve, 2010

Biogeoquímica do manganês, ferro, cobre e cádmio em sedimentos da Ria Formosa

A Ria Formosa é uma laguna costeira de características mesotidais, situada na costa Sul de Portugal, que apresenta pronunciadas variações sazonais de temperatura e radiação luminosa. As extensas zonas intertidais desta laguna são inundadas pela maré duas vezes por dia ficando, por isso, também sujeitas a flutuações semidiurnas de temperatura, pressão e radiação luminosa. Estas condições podem afectar os equilíbrios físico-químicos existentes no sedimento. Foi elaborado um esquema de amostragem de sedimentos em suspensão e de fundo em diversos locais da zona intertidal da Ria Formosa em duas escalas de tempo distintas: (a) uma escala sazonal, com o objectivo de estudar a influência das variações anuais de temperatura e os mecanismos por si desenvolvidos na composição elementar dos sedimentos; (b) ao longo de alguns minutos durante a inundação dos sedimentos pela água da maré, com objectivo de estudar o efeito da maré nos equilíbrios físico-químicos existentes no interior do sedimento. Nos sedimentos recolhidos sazonalmente foi medida a temperatura, o pH e o potencial redox, determinado o conteúdo em matéria orgânica e os teores de Al, Si, Mn, Fe, Cu e Cd na fracção sólida. Na água intersticial foram determinadas as concentrações de Mn(II), Fe, Cu e Cd totais dissolvidos. Nas amostras de água intersticial colhidas durante a inundação dos sedimentos foram determinadas as concentrações de Cl-, Mn(II), Fe(II), Fe(III), Cu e Cd totais dissolvidos. A variação do teor de cloretos na água intersticial indicou que a inundação dos sedimentos intertidais pela maré causa infiltração da água através da superfície do sedimento e movimentos de água intersticial no seu interior. Estes movimentos de fluídos ocorreram preferencialmente nas camadas de maior permeabilidade. As alterações ao equilíbrio dinâmico da água intersticial foram mais intensas nos primeiros 28 minutos de inundação, diminuindo ao longo do tempo. Os processos físicos acima referidos provocaram a exportação de Mn(II), Fe(III), Cu e Cd totais dissolvidos da água intersticial para a coluna de água e simultaneamente induziram a oxidação das espécies reduzidas de manganês e de ferro. O Mn(II) foi oxidado a Mn(IV) na camada superficial dos sedimentos e, também, exportado para a coluna de água. A oxidação do Fe(II) a Fe(III) ocorreu, por sua vez, no interior do sedimento numa curta escala de tempo (<7 min.), saindo para a coluna de água uma pequena porção de Fe(III). Estas alterações, provocadas pela inundação dos sedimentos intertidais, mascararam eventuais variações sazonais das concentrações de Mn e Fe na fracção intersticial dos sedimentos. Os perfis de Cu e Cd totais dissolvidos na água intersticial mostraram a existência de várias zonas de mobilização nos primeiros 4 cm de sedimento. A mobilização de Cu não apresentou uma variação sazonal enquanto que as concentrações de Cd mostraram um incremento no Verão. Neste período, o cálculo de fluxos difusivos indicou uma intensificação dos processos de transferência destes metais através da interface sedimento-água relativamente aos existentes no interior do sedimento. Os fluxos difusivos de Cu foram uma ordem de grandeza inferiores ao transporte advectivo associado à inundação pela maré, enquanto que para o Cd as estimativas dos fluxos difusivos e do transporte advectivo foram comparáveis. Em suma, os resultados obtidos mostraram que a distribuição destes elementos na água intersticial é reflexo do regime de transporte-reacção induzido pela inundação dos sedimentos intertidais, sendo para o Fe mais importantes os processos de reacção, enquanto que para o Mn, Cu e Cd os transportes advectivos são mais rápidos do que as reacções. Com base nestes resultados é proposto um modelo para os ciclos de Mn, Fe, Cu e Cd nas zonas intertidais de lagunas costeiras.

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.

Development of a Piggybac based direct reprogramming system for derivation of integration free induced pluripotent stem cells

Induced pluripotent stem cells (iPSc) have great potential for applications in regenerative medicine, disease modeling and basic research. Several methods have been developed for their derivation. The original method of Takahashi and Yamanaka involved the use of retroviral vectors which result in insertional mutagenesis, presence in the genome of potential oncogenes and effects of residual transgene expression on differentiation bias of each particular iPSc line. Other methods have been developed, using different viral vectors (adenovirus and Sendai virus), transient plasmid transfection, mRNA transduction, protein transduction and use of small molecules. However, these methods suffer from low efficiencies; can be extremely labor intensive, or both. An additional method makes use of the piggybac transposon, which has the advantage of inserting its payload into the host genome and being perfectly excised upon re-expression of the transposon transposase. Briefly, a policistronic cassette expressing Oct4, Sox2, Klf4 and C-Myc flanked by piggybac terminal repeats is delivered to the cells along with a plasmid transiently expressing piggybac transposase. Once reprogramming occurs, the cells are re-transfected with transposase and subclones free of tranposon integrations screened for. The procedure is therefore very labor intensive, requiring multiple manipulations and successive rounds of cloning and screening. The original method for reprogramming with the the PiggyBac transposon was created by Woltjen et al in 2009 (schematized here) and describes a process with which it is possible to obtain insert-free iPSc. Insert-free iPSc enables the establishment of better cellular models of iPS and adds a new level of security to the use of these cells in regenerative medicine. Due to the fact that it was based on several low efficiency steps, the overall efficiency of the method is very low (<1%). Moreover, the stochastic transfection, integration, excision and the inexistence of an active way of selection leaves this method in need of extensive characterization and screening of the final clones. In this work we aime to develop a non-integrative iPSc derivation system in which integration and excision of the transgenes can be controlled by simple media manipulations, avoiding labor intensive and potentially mutagenic procedures. To reach our goal we developed a two vector system which is simultaneously delivered to original population of fibroblasts. The first vector, Remo I, carries the reprogramming cassette and GFP under the regulation of a constitutive promoter (CAG). The second vector, Eneas, carries the piggybac transposase associated with an estrogen receptor fragment (ERT2), regulated in a TET-OFF fashion, and its equivalent reverse trans-activator associated with a positive-negative selection cassette under a constitutive promoter. We tested its functionality in HEK 293T cells. The protocol is divided in two the following steps: 1) Obtaining acceptable transfection efficiency into human fibroblasts. 2) Testing the functionality of the construct 3) Determining the ideal concentration of DOX for repressing mPB-ERT2 expression 4) Determining the ideal concentration of TM for transposition into the genome 5) Determining the ideal Windows of no DOX/TM pulse for transposition into the genome 6) 3, 4 and 5) for transposition out of the genome 7) Determination of the ideal concentration of GCV for negative selection We successfully demonstrated that ENEAS behaved as expected in terms of DOX regulation of the expression of mPB-ERT2. We also demonstrated that by delivering the plasmid into 293T HEK cells and manipulating the levels of DOX and TM in the medium, we could obtain puromycin resistant lines. The number of puromycin resistant colonies obtained was significantly higher when DOX as absent, suggesting that the colonies resulted from transposition events. Presence of TM added an extra layer of regulation, albeit weaker. Our PCR analysis, while not a clean as would be desired, suggested that transposition was indeed occurring, although a background level of random integration could not be ruled out. Finally, our attempt to determine whether we could use GVC to select clones that had successfully mobilized PB out of the genome was unsuccessful. Unexpectedly, 293T HEK cells that had been transfected with ENEAS and selected for puromycin resistance were insensitive to GCV.