The Evolution of Function in the Rab family of Small GTPases

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Computational Biology.

Factorization by invariant embedding of elliptic problems: circular and star-shaped domains

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Matemática na especialidade de Equações Diferenciais, pela Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e Tecnologia

Ankylosing spondylitis: genomic and functional characterization of candidate genes and their repercussion in clinical practice

RESUMO: Introdução: A espondilite anquilosante (EA) é uma doença inflamatória crónica caracterizada pela inflamação das articulações sacroilíacas e da coluna. A anquilose progressiva motiva uma deterioração gradual da função física e da qualidade de vida. O diagnóstico e o tratamento precoces podem contribuir para um melhor prognóstico. Neste contexto, a identificação de biomarcadores, assume-se como sendo muito útil para a prática clínica e representa hoje um grande desafio para a comunidade científica. Objetivos: Este estudo teve como objetivos: 1 - caracterizar a EA em Portugal; 2 - investigar possíveis associações entre genes, MHC e não-MHC, com a suscetibilidade e as características fenotípicas da EA; 3 - identificar genes candidatos associados a EA através da tecnologia de microarray. Material e Métodos: Foram recrutados doentes com EA, de acordo com os critérios modificados de Nova Iorque, nas consultas de Reumatologia dos diferentes hospitais participantes. Colecionaram-se dados demográficos, clínicos e radiológicos e colhidas amostras de sangue periférico. Selecionaram-se de forma aleatória, doentes HLA-B27 positivos, os quais foram tipados em termos de HLA classe I e II por PCR-rSSOP. Os haplótipos HLA estendidos foram estimados pelo algoritmo Expectation Maximization com recurso ao software Arlequin v3.11. As variantes alélicas dos genes IL23R, ERAP1 e ANKH foram estudadas através de ensaios de discriminação alélica TaqMan. A análise de associação foi realizada utilizando testes da Cochrane-Armitage e de regressão linear, tal como implementado pelo PLINK, para variáveis qualitativas e quantitativas, respetivamente. O estudo de expressão génica foi realizado por Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips. Os genes candidatos foram validados usando qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Resultados: Foram incluídos 369 doentes (62,3% do sexo masculino, com idade média de 45,4 ± 13,2 anos, duração média da doença de 11,4 ± 10,5 anos). No momento da avaliação, 49,9% tinham doença axial, 2,4% periférica, 40,9% mista e 7,1% entesopática. A uveíte anterior aguda (33,6%) foi a manifestação extra-articular mais comum. Foram positivos para o HLA-B27, 80,3% dos doentes. Os haplótipo A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 parece conferir suscetibilidade para a EA, e o A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 parece conferir proteção em termos de atividade, repercussão funcional e radiológica da doença. Três variantes (2 para IL23R e 1 para ERAP1) mostraram significativa associação com a doença, confirmando a associação destes genes com a EA na população Portuguesa. O mesmo não se verificou com as variantes estudadas do ANKH. Não se verificou associação entre as variantes génicas não-MHC e as manifestações clínicas da EA. Foi identificado um perfil de expressão génica para a EA, tendo sido validados catorze genes - alguns têm um papel bem documentado em termos de inflamação, outros no metabolismo da cartilagem e do osso. Conclusões: Foi estabelecido um perfil demográfico e clínico dos doentes com EA em Portugal. A identificação de variantes génicas e de um perfil de expressão contribuem para uma melhor compreensão da sua fisiopatologia e podem ser úteis para estabelecer modelos com relevância em termos de diagnóstico, prognóstico e orientação terapêutica dos doentes. -----------ABSTRACT: Background: Ankylosing Spondylitis (AS) is a chronic inflammatory disorder characterized by inflammation in the spine and sacroiliac joints leading to progressive joint ankylosis and in progressive deterioration of physical function and quality of life. An early diagnosis and early therapy may contribute to a better prognosis. The identification of biomarkers would be helpful and represents a great challenge for the scientific community. Objectives: The present study had the following aims: 1- to characterize the pattern of AS in Portuguese patients; 2- to investigate MHC and non-MHC gene associations with susceptibility and phenotypic features of AS and; 3- to identify candidate genes associated with AS by means of whole-genome microarray. Material and Methods: AS was defined in accordance to the modified New York criteria and AS cases were recruited from hospital outcares patient clinics. Demographic and clinical data were recorded and blood samples collected. A random group of HLA-B27 positive patients and controls were selected and typed for HLA class I and II by PCR-rSSOP. The extended HLA haplotypes were estimated by Expectation Maximization Algorithm using Arlequin v3.11 software. Genotyping of IL23R, ERAP1 and ANKH allelic variants was carried out with TaqMan allelic discrimination assays. Association analysis was performed using the Cochrane-Armitage and linear regression tests as implemented in PLINK, for dichotomous and quantitative variables, respectively. Gene expression profile was carried out using Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips and candidate genes were validated using qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Results: A total of 369 patients (62.3% male; mean age 45.4±13.2 years; mean disease duration 11.4±10.5 years), were included. Regarding clinical disease pattern, at the time of assessment, 49.9% had axial disease, 2.4% peripheral disease, 40.9% mixed disease and 7.1% isolated enthesopathic disease. Acute anterior uveitis (33.6%) was the most common extra-articular manifestation. 80.3% of AS patients were HLA-B27 positive. The haplotype A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 seems to confer susceptibility to AS, whereas A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 seems to provide protection in terms of disease activity, functional and radiological repercussion. Three markers (two for IL23R and one for ERAP1) showed significant single-locus disease associations. Association of these genes with AS in the Portuguese population was confirmed, whereas ANKH markers studied did not show an association with AS. No association was seen between non-MHC genes and clinical manifestations of AS. A gene expression signature for AS was established; among the fourteen validated genes, a number of them have a well-documented inflammatory role or in modulation of cartilage and bone metabolism. Conclusions: A demographic and clinical profile of patients with AS in Portugal was established. Identification of genetic variants of target genes as well as gene expression signatures could provide a better understanding of AS pathophysiology and could be useful to establish models with relevance in terms of susceptibility, prognosis, and potential therapeutic guidance.

Spatial analysis and investigation of fire events occurrences in the Valencian Community, Spain

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Compositional and functional analysis of polycomb target chromatin

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Molecular Biology

Synchronization properties of multi-oscillator circadian systems

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Computational Biology

Usefulness of zebrafish model to assess glomerular and tubular alterations induced by tenofovir

Tenofovir (TFV) is one of the most used antiretroviral drugs. However, it is associated with tubular damage with mitochondria as a possible target. Tubulopathy precedes glomerular dysfunction, thus classic markers of renal function like the glomerular filtration rate (GFR) do not detect early TFV damage. Prediction and management of drug induced renal injury (DIRI) rely on the mechanisms of the drug insult and in optimal animal models to explore it. Zebrafish (Danio rerio) offers unique advantages for assessing DIRI, since the pronephros is structurally very similar to its human counterpart and is fully developed at 3.5 days postfertilization. The main aim of the present work was to evaluate the effects of TFV, as well as its pro-drug, tenofovir disoproxil fumarate (TDF), on the GFR and in mitochondria morphology in tubular cells of zebrafish larvae. Lethality curves were performed to understand the relationship between drug concentration and lethality. LC10 was selected to explore the renal function using the FITC-inulin assay and to analyze the mitochondrial toxicity by electron microscopy on larvae exposed to TDF, TFV, paracetamol and gentamicin (positive controls) or water (negative control). Lethality curves showed that gentamicin was the most lethal drug, followed by TDF, TFV and paracetamol. Gentamicin and paracetamol decreased the GFR, but no differences were found for either TDF or TFV, when compared to controls (%FITC Control = 33±8; %FITC TDF = 35±10; %FITC TFV = 30±10; %FITC Gentamicin = 46±17; %FITC Paracetamol = 83±14). Tubular mitochondria from treated larvae were notably different from non-treated larvae, showing swelling, irregular shapes, decreased mitochondria network, cristae disruption and loss of matrix granules. These results are in agreement with the effects of these drugs in humans and thus, demonstrate that zebrafish larvae can be a good model to assess the functional and structural damage associated with DIRI.

The burden of chronic low back pain in the adult Portuguese population : an epidemiological population-based study under the scope of Epireumapt

RESUMO: Nos países desenvolvidos a lombalgia é a condição músculo-­‐esquelética mais prevalente. Quando evolui para um quadro crónico é responsável por um encargo económico bastante considerável, não só em relação aos indivíduos, mas também para a sociedade. A lombalgia crónica é por isso uma das principais causas de perda de produtividade e de perda de independência económica, nomeadamente através do absenteísmo (ausência do trabalho), do presenteísmo (perda de produtividade no trabalho, devido à capacidade diminuída provocada pela lombalgia) e da incapacidade para trabalhar (invalidez permanente, total ou parcial). Até à data, em Portugal, a prevalência e carga social da lombalgia crónica eram desconhecidas. Até agora não existiam estudos populacionais de grande dimensão sobre este tema. O objetivo principal desta tese foi determinar a prevalência de lombalgia crónica, e também avaliar a carga social que esta tem na população adulta Portuguesa. O trabalho de investigação foi desenvolvido no âmbito do Estudo Epidemiológico de Doenças Reumáticas em Portugal (EpiReumaPt). Este foi o primeiro estudo de larga escala e de base populacional, que determinou a prevalência de doenças reumáticas e músculo-­‐ esqueléticas na população adulta portuguesa. Foi realizado numa amostra aleatória e representativa, de 10.661 indivíduos do Continente, da Região Autónoma dos Açores e da Região Autónoma da Madeira, entre Setembro de 2011 e Dezembro de 2013. Esta tese foi dividida em duas secções. A primeira secção incluiu o detalhe das questões relativas ao desenvolvimento e gestão do EpiReumaPt, constituindo-­‐se como um guia prático sobre como realizar um estudo de base populacional de larga escala, em Portugal. A metodologia detalhada do EpiReumaPt foi também descrita nesta secção e incluiu os objectivos, o desenho do estudo, as características de recrutamento e a preparação de dados para análise. Nesta secção foram ainda descritos os principais resultados do EpiReumaPt. Estes evidenciaram que a lombalgia foi a condição músculo-­‐esquelética com maior prevalência na população adulta portuguesa.A segunda secção desta tese estimou a prevalência da lombalgia crónica ativa na população adulta Portuguesa, e avaliou a carga social esta condição. A lombalgia ativa foi definida com base na dor auto-­‐relatada no dia da entrevista e que persistia há pelo menos 90 dias (independentemente da causa). A lombalgia foi definida como dor na área definida entre a margem inferior das décimas segundas costelas até às pregas glúteas inferiores, com ou sem dor nos membros inferiores. A carga social foi medida tendo em conta os seguintes parâmetros: qualidade de vida, função, consumo de recursos de saúde, consumo de analgésicos e outros fármacos usados no alívio da dor, sintomas de ansiedade e sintomas de depressão. Os resultados mostraram que o consumo de recursos em saúde e a carga social da lombalgia crónica na população adulta Português é significativa. Também a incapacidade causada pela lombalgia crónica,nos indivíduos com idade ativa, é responsável por elevadas taxas de absenteísmo e má qualidade de vida, aos quais acresce o consequente ónus socioeconómico. Esta tese também concluiu que o consumo de analgésicos e outros medicamentos para alívio da dor, na população adulta portuguesa com lombalgia crónica ativa, é relativamente baixa. A maioria destes indivíduos não tomava nenhum medicamento analgésico, independentemente da intensidade da dor. Mesmo os indivíduos que reportaram dor intensa, apenas 4.0% estavam no primeiro degrau da escada analgésica da Organização Mundial de Saúde; 2.3% usavam opióides fracos e 0.03% usavam opióides fortes para controlar a dor (segundo e terceiro degrau da escada analgésica da Organização Mundial da Saúde). O trabalho de investigação também confirmou que a prevalência de sintomas de ansiedade e depressão entre os indivíduos adultos portugueses com lombalgia crónica ativa é elevada. Nestes indivíduos, registou-­‐se um consumo mais elevado de analgésicos e outros medicamentos para alívio da dor, quando comparados com os indivíduos com lombalgia crónica activa sem esses sintomas psicológicos. Os grupos terapêuticos mais utilizados foram os ansiolíticos, sedativos e hipnóticos, os antidepressivos e os anti-­‐inflamatórios não esteróides. A intensidade média da dor reportada foi também maior entre os indivíduos com lombalgia ativa e sintomas de ansiedade e/ou depressão. Também nestes, foi reportada pior função e pior estado de saúde. Em relação ao consumo de recursos de saúde foram encontradas diferenças significativas entre as duas populações: os indivíduos com lombalgia ativa e sintomas psicológicos concomitantes registaram maior número de consultas de psiquiatria de outras especialidades médicas, assim como precisaram de mais apoio domiciliário nos 12 meses prévios à entrevista do EpiReumaPt. Foram também identificados os fatores associados a sintomas isolados de ansiedade, a sintomas isolados de depressão e a sintomas de ansiedade e depressão. Resumindo,esta tese permitiu concluir que a lombalgia crónica é um problema de saúde comum na população adulta portuguesa, contribuindo para um elevado grau de incapacidade e que consequentemente afeta o desempenho laboral e o bem-­‐estar dos indivíduos. A lombalgia crónica é também responsável por um consumo considerável de recursos de saúde. Acresce ainda que os sintomas de ansiedade e depressão são comuns, entre os indivíduos com lombalgia crónica, contribuindo com uma carga social adicional.---------------------------------- ABSTRACT:Low Back Pain(LBP) is the most prevalent of musculoskeletal condition in developed countries.When it becomes chronic, LBP causesan enormous economic burden on individuals and society -­‐ it is one of the leading causes of loss of productivity and economic independence through absenteeism (time off work), presenteeism (lost productivity because of diminished capacity while at work) and work disability (permanent, partial or complete disablement for work purposes). In Portugal the prevalence and burden of LBP and chronic LBP (CLBP) were poorly defined. Until now no large population-­‐based studies have focused on this. The main aim of this thesis was to determine the prevalence of LBP and CLBP, and also to assess the burden of CLBP in the adult rtuguese population. The research work was developed under the scope of EpiReumaPt (the Portuguese Epidemiologic Study of Rheumatic Diseases). EpiReumaPt was the first national large population-­‐based and prevalence study of rheumatic and musculoskeletal diseases (RMD). It was performed among a randomized and representative sample of 10,661 adult Portuguese subjects recruited in Mainland, Azores and Madeira Islands, from September 2011 to December 2013. The first section of this thesis included detailed issues regarding the development and management of EpiReumaPt, and provided a practical guide on how to set-­‐up a large population-­‐based study in Portugal. The detailed methodology of EpiReumaPt, including its objectives,study design,recruitment features,and data preparation for analyses were also described. The main results from EpiReumaPt study were provided in this section and showed that LBP was the musculoskeletal condition with highest prevalence among Portuguese population. The second section of this thesis estimated the prevalence of active CLBP among adult Portuguese population, and assessed the social burden of this condition. Active CLBP was defined based on self-­‐reported pain on the day of the interview, and for most of the time for at least 90 days (independently from cause). LBP was defined as pain in the back area from the lower margin of the twelfth ribs to he lower gluteal folds, with or without pain referred to the lower limbs. Social burden was measured taking into account the following outcomes: quality of life, function, healthcare resources consumption, analgesic and other pain relief drugs intake, anxiety and depression symptoms. Results showed that the healthcare consumption and social burden of CLBP among adult Portuguese population were enormous, and the disability caused by CLBP among subjects in a working age provides high rates of absenteeism (work loss) and poor quality of life, with a consequent socioeconomic burden. This thesis also concluded that analgesic and other pain relief drugs untake among adult Portuguese population with active CLBP was very low. Most of the subjects with active CLBP did not take any analgesic drug regardless pain severity. Even when subjects self-­‐reported severe pain, only 24.0% were in the 1st step of the analgesic ladder,2.3% used weak analgesic opioids and 0.03% used strong opioids (2nd and 3rd step of WHO analgesic ladder, respectively) to control pain . The research work also confirmed that the prevalence of anxiety and depression symptoms among adult Portuguese subjects with active CLBP was high. Regarding pharmacological therapy, the intake of analgesic and other pain relief drugs was higher among subjects with anxiety and/or depression symptoms, when compared with subjects without these psychological symptoms. Anxiolytics, sedatives and hypnotics, antidepressants and NSAIDs intake had higher usage rates among these subjects. The pain severity mean was also higher among this subjects and function and health status was worse. Regarding healthcare resources consumption,significant differences between the two populations were found. Subjects with ctive CLBP and concomitant psychological symptoms had a higher number of psychiatrist and other physician visits. They also needed more home care in the previous 12 months. Factors associated with isolated symptoms of anxiety, depression,and concomitant anxiety and depression symptoms were also identified. Summarizing, we concluded that CLBP is a common health problem among adult Portuguese population contributing to disability and affecting labor performance, and the well being of subjects. it is also responsible for considerable healthcare resource consumption. Anxiety and depression symptoms are common among subjects with CLBP and provided an additional burden among them.

The role of arl13b in cilia length regulation and in zebrafish development

RESUMO: Arl13b é uma importante proteína ciliar, presente em cílios primários e cílios móveis. Ratinhos mutantes para Arl13b têm comprimento dos cílios reduzido e defeitos nos B-túbulos dos cílios. Como consequência destes fenótipos, deficiências na Arl13b originam, em modelos animais, várias doenças congénitas, incluindo problemas no estabelecimento do eixo esquerda-direita, malformações cerebrais e deformações corporais. Nos seres humanos, deficiências na Arl13b levam a uma doença crónica congénita chamada Síndrome de Joubert. Por outro lado, a sobreexpressão de Arl13b origina cílios mais longos, no entanto existe uma ausência da caracterização dos fenótipos celulares e durante o desenvolvimento embrionário. Neste trabalho, quisemos explorar o efeito da sobre-expressão de Arl13b em embriões de peixezebra. Descobrimos que, ao nível ciliar, a sobre-expressão de Arl13b nas células aumenta o comprimento ciliar em cílios primários e móveis, no entanto, a esses cílios falta adequada acetilação da alfa-tubulina no citoesqueleto feito por microtúbulos. Os nossos resultados mostraram que esse efeito é específico de Arl13b sobre-expressão e quando se manipularam as enzimas responsáveis pela acetilação (Mec17) e pela de-acetilação (HDAC6) encontrámos uma sinergia potencial com ambas. Testámos ainda, que o aumento no comprimento ciliar não estava causalmente relacionado com a falta de acetilação, ou seja, os cílios com menos acetilação não eram necessariamente os mais longos. Também mostrámos que a sobre-expressão de Arl13b é capaz de restaurar o comprimento dos cílios em mutantes com cílios curtos e como isso pode ser explorado para um futuro potencial papel terapêutico para Arl13b. Em seguida, foi avaliado o impacto do aumento da quantidade de Arl13b no desenvolvimento embrionário do peixe-zebra. Observou-se que a sobre-expressão de Arl13b apresentava fenótipos muito fracos, quando comparados com a perda de função dos mutantes de Arl13b. Focados no inesperado fenótipo leve no estabelecimento do eixo esquerda-direita abordámos a questão através do estabelecimento de uma colaboração com matemáticos, descobrimos que os cílios mais longos que potencialmente têm a capacidade de movimentar mais fluido são atenuados por amplitudes de batimento menores, e, como resultado, estes longos cílios não prejudicam o movimento do fluido e consequentemente não afetam o estabelecimento dos padrões de esquerda-direita. Sugerimos assim que a Arl13b é um regulador chave, do comprimento ciliar. Descobrimos uma nova interação com as enzimas de acetilação/de-acetilação e levantamos novas hipóteses quanto aos mecanismos moleculares da função da Arl13b. Propomos um novo modelo para o mecanismo molecular da Arl13b na regulação do comprimento dos cílios onde podemos integrar os nossos resultados com os relatados na literatura. Este trabalho adiciona mais conhecimento para o mecanismo de ação da Arl13b e, portanto, fornece uma importante contribuição para o campo da investigação em cílios.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ABSTRACT: Arl13b is an important ciliary protein, present in primary and motile cilia. arl13b-/- mouse mutants have reduced cilia length and cilia B-tubule defects. As a consequence of these phenotypes, Arl13b loss of function animal models suffer from several congenital disorders including left-right problems, brain malformations and body deformations. In humans Arl13b depletion leads to a congenital chronic disease called Joubert Syndrome. On the other hand, overexpressing Arl13b leads to longer cilia but the characterization of the cellular and developmental phenotypes was missing. In this work we explore the effect of Arl13b overexpression in zebrafish embryos. We found that, at the ciliary level, Arl13b overexpression from 1 cell stage produces longer primary and motile cilia, but these cilia lack proper alpha tubulin acetylation of their microtubule cytoskeleton. Our results showed that this effect is specific from Arl13b overexpression and when we manipulated the enzymes responsible for acetylation, Mec17, and de-acetylation, HDAC6, we found a potential synergy of both mec17 knockdown and HDAC6 activity with Arl13b overexpression. We tested that the ciliary increase in length was not causally related to the lack of acetylation, meaning the more de-acetylated cilia were not necessarily the longer ones. We also showed that Arl13b overexpression is able to restore cilia length in short cilia mutants and how that may be explored to a potential future therapeutic role for Arl13b. Next, we evaluated the impact of increasing the amount of Arl13b in zebrafish embryonic development. We observed that Arl13b overexpression presented very mild phenotypes when compared to the loss of function mutants. We focused on the unexpected left-right mild phenotype and by establishing a mathematical modeling collaboration, we found out that the longer cilia generated force was attenuated by smaller beating amplitudes, and as a result, these long cilia were not impairing the cilia generated flow and the establishment of left-right patterning. We suggest that Arl13b is one key cilia length regulator. We disclosed a novel interaction with the acetylation / de-acetylation enzymes and raised new hypothesis as to the mechanisms of Arl13b function. We propose a new model for the Arl13b molecular mechanism of cilia length regulation where we integrate our findings with those reported in the literature. This work adds more knowledge to the Arl13b mechanism of action and therefore provides an important contribution to the cilia research field.