The Evolution of Function in the Rab family of Small GTPases

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Computational Biology.

Cellular reprogramming strategies for degenerative disorders involving the retinal pigment epithelium

RESUMO: A reprogramação celular permite que uma célula somática seja reprogramada para outra célula diferente através da expressão forçada de factores de transcrição (FTs) específicos de determinada linhagem celular, e constitui uma área de investigação emergente nos últimos anos. As células somáticas podem ser experimentalmente manipuladas de modo a obter células estaminais pluripotentes induzidas (CEPi), ou convertidas directamente noutro tipo de célula somática. Estas descobertas inovadoras oferecem oportunidades promissoras para o desenvolvimento de novas terapias de substituição celular e modelos de doença, funcionando também como ferramentas valiosas para o estudo dos mecanismos moleculares que estabelecem a identidade celular e regulam os processos de desenvolvimento. Existem várias doenças degenerativas hereditárias e adquiridas da retina que causam deficiência visual devido a uma disfunção no tecido de suporte da retina, o epitélio pigmentar da retina (EPR). Uma destas doenças é a Coroideremia (CHM), uma doença hereditária monogénica ligada ao cromossoma X causada por mutações que implicam a perda de função duma proteína com funções importantes na regulação do tráfico intracelular. A CHM é caracterizada pela degenerescência progressiva do EPR, assim como dos foto-receptores e da coróide. Resultados experimentais sugerem que o EPR desempenha um papel importante na patogénese da CHM, o que parece indicar uma possível vantagem terapêutica na substituição do EPR nos doentes com CHM. Por outro lado, existe uma lacuna em termos de modelos in vitro de EPR para estudar a CHM, o que pode explicar o ainda desconhecimento dos mecanismos moleculares que explicam a patogénese desta doença. Assim, este trabalho focou-se principalmente na exploração das potencialidades das técnicas de reprogramação celular no contexto das doenças de degenerescência da retina, em particular no caso da CHM. Células de murganho de estirpe selvagem, bem como células derivadas de um ratinho modelo de knockout condicional de Chm, foram convertidos com sucesso em CEPi recorrendo a um sistema lentiviral induzido que permite a expressão forçada dos 4 factores clássicos de reprogramação, a saber Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc. Estas células mostraram ter equivalência morfológica, molecular e funcional a células estaminais embrionárias (CES). As CEPi obtidas foram seguidamente submetidas a protocolos de diferenciação com o objectivo final de obter células do EPR. Os resultados promissores obtidos revelam a possibilidade de gerar um valioso modelo de EPR-CHM para estudos in vitro. Em alternativa, a conversão directa de linhagens partindo de fibroblastos para obter células do EPR foi também abordada. Uma vasta gama de ferramentas moleculares foi gerada de modo a implementar uma estratégia mediada por FTs-chave, seleccionados devido ao seu papel fundamental no desenvolvimento embrionário e especificação do EPR. Conjuntos de 10 ou menos FTs foram usados para transduzir fibroblastos, que adquiriram morfologia pigmentada e expressão de alguns marcadores específicos do EPR. Adicionalmente, observou-se a activação de regiões promotoras de genes específicos de EPR, indicando que a identidade transcricional das células foi alterada no sentido pretendido. Em conclusão, avanços significativos foram atingidos no sentido da implementação de tecnologias de reprogramação celular já estabelecidas, bem como na concepção de novas estratégias inovadoras. Metodologias de reprogramação, quer para pluripotência, quer via conversão directa, foram aplicadas com o objectivo final de gerar células do EPR. O trabalho aqui descrito abre novos caminhos para o estabelecimento de terapias de substituição celular e, de uma maneira mais directa, levanta a possibilidade de modelar doenças degenerativas da retina com disfunção do EPR numa placa de petri, em particular no caso da CHM.---------------ABSTRACT: Cellular reprogramming is an emerging research field in which a somatic cell is reprogrammed into a different cell type by forcing the expression of lineage-specific transcription factors (TFs). Cellular identities can be manipulated using experimental techniques with the attainment of pluripotency properties and the generation of induced Pluripotent Stem (iPS) cells, or the direct conversion of one somatic cell into another somatic cell type. These pioneering discoveries offer new unprecedented opportunities for the establishment of novel cell-based therapies and disease models, as well as serving as valuable tools for the study of molecular mechanisms governing cell fate establishment and developmental processes. Several retinal degenerative disorders, inherited and acquired, lead to visual impairment due to an underlying dysfunction of the support cells of the retina, the retinal pigment epithelium (RPE). Choroideremia (CHM), an X-linked monogenic disease caused by a loss of function mutation in a key regulator of intracellular trafficking, is characterized by a progressive degeneration of the RPE and other components of the retina, such as the photoreceptors and the choroid. Evidence suggest that RPE plays an important role in CHM pathogenesis, thus implying that regenerative approaches aiming at rescuing RPE function may be of great benefit for CHM patients. Additionally, lack of appropriate in vitro models has contributed to the still poorly-characterized molecular events in the base of CHM degenerative process. Therefore, the main focus of this work was to explore the potential applications of cellular reprogramming technology in the context of RPE-related retinal degenerations. The generation of mouse iPS cells was established and optimized using an inducible lentiviral system to force the expression of the classic set of TFs, namely Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc. Wild-type cells, as well as cells derived from a conditional knockout (KO) mouse model of Chm, were successfully converted into a pluripotent state, that displayed morphology, molecular and functional equivalence to Embryonic Stem (ES) cells. Generated iPS cells were then subjected to differentiation protocols towards the attainment of a RPE cell fate, with promising results highlighting the possibility of generating a valuable Chm-RPE in vitro model. In alternative, direct lineage conversion of fibroblasts into RPE-like cells was also tackled. A TF-mediated approach was implemented after the generation of a panoply of molecular tools needed for such studies. After transduction with pools of 10 or less TFs, selected for their key role on RPE developmental process and specification, fibroblasts acquired a pigmented morphology and expression of some RPE-specific markers. Additionally, promoter regions of RPE-specific genes were activated indicating that the transcriptional identity of the cells was being altered into the pursued cell fate. In conclusion, highly significant progress was made towards the implementation of already established cellular reprogramming technologies, as well as the designing of new innovative ones. Reprogramming into pluripotency and lineage conversion methodologies were applied to ultimately generate RPE cells. These studies open new avenues for the establishment of cell replacement therapies and, more straightforwardly,raise the possibility of modelling retinal degenerations with underlying RPE defects in apetri dish, particularly CHM.

Cross-presentation by WASp deficient B cells and dendritic cells

The immune system comprises of different cell types whose role is to protect us against pathogens. This thesis investigates a very important mechanism for our organism protection in a specific disorder: cross-presentation in Wiskott-Aldrich Syndrome (WAS). WAS is caused by loss-of-function mutations in the cytoskeletal regulator WASp and WAS patients suffer from eczema, thrombocytopenia, and immunodeficiency. X-linked neutropenia (XLN) is caused by gain-of-function mutations in WASp and XLN patients suffer from severe congenital neutropenia and immunodeficiency. This thesis was focused on the role of B and T lymphocytes and dendritic cells (DCs). This work will be divided into two main topics: 1) In the first part I studied the capacity of B cells to take up, degrade and present antigen. Moreover I studied the capacity of B cells to induce T cell proliferation. 2) In the second part, I studied T cell proliferation induced by dendritic cells. To increase our understanding about this mechanism, additional experiments were performed, including acidification capacity of CD8+ and CD8- DCs, reactive oxygen species (ROS) production since it is directly connected to acidification. These assays were measured by flow cytometry. Localization of Rac1 and Rac2 GTPases was assessed by confocal microscopy. Proliferation, acidification and ROS production assays were performed also with cells from X-linked neutropenia (XLN) mice. From this study we concluded that B cells cannot induce CD8+ T cell proliferation however they take up and present antigen. Moreover I have shown that increased cross-presentation by WASp KO DCs with ovalbumin is associated with decreased capacity to acidify endosomal compartment; and WASp KO CD8- DCs have increased Rac2 localization to the phagosome. XLN dendritic cells have similar acidification and ROS production capacity than wildtype cells. In conclusion, our data suggests that WASp regulates antigen processing and presentation in DCs.

Design of switched-capacitor filters using low gain amplifiers

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Development of population-specific function assessment intrument in Lebanon

RESUMO: Contexto: O funcionamento tem sido reconhecido como um dos principais indicadores de resultados para avaliar se as pessoas beneficiam das intervenções destinadas a melhorar a sua saúde mental. O funcionamento refere-se à forma como um indivíduo consegue responder às suas tarefas e solicitações, dos seus familiares e da sua comunidade, de acordo com os requisitos do local e a cultura em que vive (eg, tarefa de cozinhar e limpar para as mulheres em algumas culturas ). O funcionamento é altamente dependente da cultura - por isso, tem sido recomendado o desenvolvimento de medidas de funcionamento específicas de cada cultura. Desenvolver localmente os instrumentos de medida evita problemas de adequação, associados com a adaptação de instrumentos ocidentais. Embora os instrumentos criados desta forma sejam específicos de um meio cultural, eles são simultaneamente "transculturais", no sentido em que cada um se refere às tarefas mais importantes para a população local . Esta abordagem mostrou-se útil para investigadores e agências de ajuda (eg, ONGs) que trabalham em países não-ocidentais . Este estudo descreve o trabalho da agência International Medical Corps (IMC) na criação e validação de um questionário de funcionamento específico nas dimensões cultura e gênero, no Líbano, destinado a avaliar eventuais melhorias em pessoas que receberam intervenções de para problemas de saúde mental, a nível dos cuidados primários de saúde. Método: O instrumento foi desenvolvido usando um método que é uma alternativa à abordagem existente de adaptação de instrumentos ocidentais a outras culturas e situações; esta abordagem é rápida e exequível, tendo já demonstrado ser útil no desenvolvimento de instrumentos válidos e fidedignos. Inicialmente, foi solicitado que as pessoas identificassem, de uma lista livre, as tarefas mais importantes para cuidar de si próprias, da sua família e da sua comunidade; as tarefas identificadas foram posteriormente usadas como base para um instrumento de avaliação de funcionamento culturalmente válido. A partir daqui, foram desenvolvidos questionários específicos da comunidade em questão, posteriormente testados no terreno nas vertentes da validade (de conteúdo, facial e de constructo) e da fiabilidade (teste-reste e inter-entrevistadores). Resultados. O estudo resultou na criação e validação de um questionário de funcionamento específico de cultura e gênero capaz de medir efectivamente a capacidade de execução de tarefas importantes do quotidiano,como parte da avaliação de resultados levada a cabo por profissionais da CSP previamente treinados na identificação, suporte e encaminhamento de pessoas com problemas de saúde mental no Líbano. Conclusão. Neste trabalho descreve-se o desenvolvimento de um questionário de funcionamento específico de cultura e gênero, orientado para a avaliação de resultados, num contexto mais lato de um sistema abrangente de avaliação e monitorização de um serviço comunitário. --------------ABSTRACT: Background. Functioning has been recognized as one of the most important key outcomes to assess whether people benefit from interventions aimed to improve their mental health. Functioning refers to how well na individual can complete the tasks and demands for themselves, their family, and their community which are required by them depending on the setting and the culture they live in (e.g. task of cooking and cleaning for women in some cultures). Functioning is highly dependent on culture. Therefore, it has been recommended to develop culture-specific measures of function. Developing instruments locally avoids the problems of limited local relevance and appropriateness associate with adapting western instruments. Although each instrument created in this way is culturally bound, they are “cross cultural” in the sense that each refers to the tasks most important to local people. This approach proves useful for both researchers and aid agencies working in non-western countries. This study describes International Medical Corps’ (IMC) work in Lebanon to create and validate a culture and gender specific functioning questionnaire to assess improvements in people who received treatment interventions for mental health problems at the primary health care (PHC) level. Method. The measure was developed using a method that is an alternative to the existing approach of adapting western function instruments to other cultures and situations; an approach which has been demonstrated as rapid, feasible and which can yield valid and reliable instruments. Function was assessed by first asking local people what tasks are important to care for themselves, their family and their community using free listing, then using these tasks as the basis for a culturally valid function assessment instrument. Community specific function questionnaires based on these tasks were then created, and field-tested for validity using content, face and construct validity methods, and also field tested for reliability using inter-rater and test retest reliability methods. Results. The study resulted in the creation and validation of a culture and gender specific functioning questionnaire that would effectively measure the ability to do tasks important to daily existence, as part of assessing client level outcomes where PHC providers were trained in the identification, management and referral of people with mental health problems in Lebanon. Conclusion. The paper describes a successful pilot for developing culture and gender specific functioning questionnaires that evaluate client level outcomes as part of a more comprehensive system for monitoring and evaluation of community based case management supports and services.

Signal transduction pathways involving the hypertension-related WNK1 and WNK4 protein kinases

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Biologia, na especialidade de Genética Molecular, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Phage display as a tool for development of novel therapeutics for breast cancer

Phage display technology is a powerful platform for the generation of highly specific human monoclonal antibodies (Abs) with potential use in clinical applications. Moreover, this technique has also proven to be a reliable approach in identifying and validating new cancer-related targets. For scientific or medical applications, different types of Ab libraries can be constructed. The use of Fab Immune libraries allows the production of high quality and affinity antigen-specific Abs. In this work, two immune human phage display IgG Fab libraries were generated from the Ab repertoire of 16 breast cancer patients, in order to obtain a tool for the development of new therapeutic Abs for breast cancer, a condition that has great impact worldwide. The generated libraries are estimated to contain more than 108 independent clones and a diversity over 90%. Libraries validation was pursued by selection against BSA, a foreign and highly immunogenic protein, and HER2, a well established cancer target. Preliminary results suggested that phage pools with affinity for these antigens were selected and enriched. Individual clones were isolated, however, it was not possible to obtain enough data to further characterize them. Selection against the DLL1 protein was also performed, once it is a known ligand of the Notch pathway, whose deregulation is associated to breast cancer, making it an interesting target for the generation of function-blocking Abs. Selection resulted in the isolation of a clone with low affinity and Fab expression levels. The validation process was not completed and further effort will have to be put in this task in the future. Although immune libraries concept implies limited applicability, the library reported here has a wide range of use possibilities, since it was not restrained to a single antigen but instead thought to be used against any breast cancer associated target, thus being a valuable tool.

Design of a low-voltage CMOS RF receiver for energy harvesting sensor node

In this thesis a CMOS low-power and low-voltage RF receiver front-end is presented. The main objective is to design this RF receiver so that it can be powered by a piezoelectric energy harvesting power source, included in a Wireless Sensor Node application. For this type of applications the major requirements are: the low-power and low-voltage operation, the reduced area and cost and the simplicity of the architecture. The system key blocks are the LNA and the mixer, which are studied and optimized with greater detail, achieving a good linearity, a wideband operation and a reduced introduction of noise. A wideband balun LNA with noise and distortion cancelling is designed to work at a 0.6 V supply voltage, in conjunction with a double-balanced passive mixer and subsequent TIA block. The passive mixer operates in current mode, allowing a minimal introduction of voltage noise and a good linearity. The receiver analog front-end has a total voltage conversion gain of 31.5 dB, a 0.1 - 4.3 GHz bandwidth, an IIP3 value of -1.35 dBm, and a noise figure lower than 9 dB. The total power consumption is 1.9 mW and the die area is 305x134.5 m2, using a standard 130 nm CMOS technology.

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.