Identification of Genes Modulating Mitochondrial Biogenesis in Caenorhabditis elegans

Since Altmann recognized ubiquitously distributed "bioblasts" in 1890, understanding of mitochondria has evolved from "elementary organisms" living inside cells and carrying out vital functions, over the Harman's "free radical theory" in 1956, to one of the driving forces of aging and cause of multiple associated diseases impacting society today. While a tremendous amount of work has contributed to the understanding of mitochondrial biology in different model organisms, the precise molecular mechanisms of basic mitochondrial function have yet to be deciphered. By employing an RNA interference mediated screen in Caenorhabditis elegans, we identified two transcription factors: SPTF-3, a member of Sp1 family, and an uncharacterized, nematode specific W04D2.4. We propose that both proteins modulate expression of many genes with regard to mitochondrial function including mitochondrial single-stranded binding protein encoded by mtss-1, whose promoter was used as transcriptional reporter in the screen. Further, RNA sequencing data indicate that W04D2.4 indirectly regulates expression of mitochondrial DNA via control of genes functionally related to mitochondrial replication and translation machineries. We also demonstrate that from all interventions targeting cytosolic translation, MTSS-1 levels are elevated only upon knockdown of genes encoding cytosolic ribosomal proteins. Reduction of ribosomes leads to increased sptf-3 translation, most likely in an internal ribosome entry side (IRES) mediated manner, eventually inducing mtss-1 expression. Moreover, we identify a novel role for SPTF-3 in the regulation of mitochondrial unfolded stress response (UPRmt) activation, but not endoplasmatic reticulum or oxidative stress responses. Taken together, this study identifies two transcription factors previously not associated with mitochondrial biogenesis and UPRmt in C. elegans, establishing a basis for further investigation of mito-nuclear interactions.

A SUBSET OF 3´ TO 5´ EXORIBONUCLEASES ARE THE PRIMARY ENZYMES RESPONSIBLE FOR THE DEGRADATION OF PGPG IN CYCLIC DI-GMP SIGNALING

Bis-(3´-5´)-cyclic dimeric guanosine monophosphate, or cyclic di-GMP (c-di-GMP) is a ubiquitous bacterial second messenger that regulates processes such biofilm formation, motility, and virulence. C-di-GMP is synthesized by diguanylate cyclases (DGCs), while phosphodiesterases (PDE-As) end signaling by linearizing c-di-GMP to 5ʹ-phosphoguanylyl-(3ʹ,5ʹ)-guanosine (pGpG), which is then hydrolyzed to two GMPs by previously unidentified enzymes termed PDE-Bs. To identify the PDE-B responsible for pGpG turnover, a screen for pGpG binding proteins in a Vibrio cholerae open reading frame library was conducted to identify potential pGpG binding proteins. This screen led to identification of oligoribonuclease (Orn). Purified Orn binds to pGpG and can cleave pGpG to GMP in vitro. A deletion mutant of orn in Pseudomonas aeruginosa was highly defective in pGpG turnover and accumulated pGpG. Deletion of orn also resulted in accumulation c-di-GMP, likely through pGpG-mediated inhibition of the PDE-As, causing an increase in c-di-GMP-governed auto-aggregation and biofilm. Thus, we found that Orn serves as the primary PDE-B enzyme in P. aeruginosa that removes pGpG, which is necessary to complete the final step in the c-di-GMP degradation pathway. However, not all bacteria that utilize c-di-GMP signaling also have an ortholog of orn, suggesting that other PDE-Bs must be present. Therefore, we asked whether RNases that cleave small oligoribonucleotides in other species could also act as PDE-Bs. NrnA, NrnB, and NrnC can rapidly degrade pGpG to GMP. Furthermore, they can reduce the elevated aggregation and biofilm formation in P. aeruginosa ∆orn. Together, these results indicate that rather than having a single dedicated PDE-B, different bacteria utilize distinct RNases to cleave pGpG and complete c-di-GMP signaling. The ∆orn strain also has a growth defect, indicating changes in other regulatory processes that could be due to pGpG accumulation, c-di-GMP accumulation, or another effect due to loss of Orn. We sought to investigate the genetic pathways responsible for these growth defect phenotypes by use of a transposon suppressor screen, and also investigated transcriptional changes using RNA-Seq. This work identifies that c-di-GMP degradation intersects with RNA degradation at the point of the Orn and the functionally related RNases.

Mortalités de moules bleues dans les Pertuis Charentais: description et facteurs liés – MORBLEU

Depuis 2014, des surmortalités anormales affectent les cheptels mytilicoles tant adultes que juvéniles avec des mortalités massives pouvant atteindre 100% (Béchemin et al. 2015). Les objectifs généraux de ce projet sont d’identifier des facteurs potentiellement corrélés avec les mortalités de moules observées dans les Pertuis Charentais: facteurs environnementaux biotiques, abiotiques et hydrodynamiques) et facteurs intrinsèques aux animaux (traits d'histoire de vie, qualité cytogénétique et physiologie). Après une introduction bibliographique complète, différentes questions sont ici abordées. 1. Historique des mortalités 2014-2015 ? Grâce { différentes sources d’information nous avons pu retracer les évènements de mortalités de 2014 et 2015 et valider l’échantillonnage réalisé en 2015 dans Morbleu (au niveau temporel et spatial). 2. Les mortalités 2014 et 2015 sont-elles exceptionnelles ? Existe-t-il un lien avec les fluctuations environnementales ? Pour cela, nous avons porté un regard rétrospectif sur 15 années de données acquises dans les réseaux portés par Ifremer afin de définir un niveau de mortalité « anormale » et d’explorer de potentiels liens avec les fluctuations environnementales. Nous avons pu observer que (1) les épisodes de mortalités de 2014 et 2015 peuvent être qualifiés d’exceptionnels, (2) ils sont survenus dans des conditions climatiques plutôt chaudes et pluvieuses associées à des indices de diversité phytoplanctoniques bas (nombre de taxons et équilibre quantitatif entre ces taxons). 3. Dans quelles conditions les mortalités de moules sont-elles survenues en 2015 ? Nous présentons ici dispositif mis en place sur nos 4 sites ateliers (Filière, Boyard, Eperon et Loix) et l’ensemble des échantillons et mesures collectées (environnement abiotique ou biotique, ou connectivité hydrodynamique des masses d’eaux). Cette action de recherche a nécessité 16 campagnes et aboutit à la bancarisation de 805 échantillons, certains prévelés au cours des mortalités observées sur les animaux déployés. Les mortalités observées en 2015 sont survenues dans un contexte environnemental abiotique différent de celui observé en 2014 (absence de dessalure comparable à celles observées en 2014, différence dans la contribution relative des fleuves aux masses d’eau). Néanmoins, les conditions hydrodynamiques et la connectivité entre les sites du Pertuis Breton et les côtes vendéennes sont quant à elle comparables entre ces 2 années. 4. Quelle(s) ont été la(les) espèce(s) ou population(s) de moules affectée(s) ? Différentes espèces et populations étant présentes sur les côtes française, nous avons cherché à préciser les ascendances génétiques sur des animaux moribonds et vivants prélevés (MORBLEU et mortalité déclarées MYTILOBS-2). Pour 99% d’entre eux, les animaux analysés ont pu être affiliés au fond génétique M. edulis européen du Golf de Gascogne. Toutefois la présence d’ascendance trossulus sur certains individus est à considérer. Avec les marqueurs utilisés, aucune différence génétique entre les animaux moribonds et survivants n’a pas être observée, les mortalités touchant certains hybrides edulis/galloprovincialis en proportion identique à celle de M. edulis. 5. Quelle était la qualité cytogénétique des animaux en 2015 ? Pourrait-il exister un lien avec les mortalités observées ? Nous avons échantillonné des animaux prélevés sur 7 sites mytilicoles avant et après la mortalité de l’année 2015. Les analyses de la qualité cytogénétique de ces animaux est toujours en cours. 6. Ces animaux étaient-ils dans des conditions physiologiques particulières ? des échantillons de moules vivantes, collectés avant, après et au cours des mortalités, sur des sites impactés et peu/pas impactés ont été analysés par une approche transcriptomique à haut débit (RNA-seq). L’échantillonnage 2015 ayant été tardif dans l’année (prélèvements jusqu’en juillet 2015), la réalisation de l’approche transcriptomique a été retardée. Le traitement des données de séquençage est encore en cours d’analyse. Ainsi cette année nous a permis (1) de confronter les données environnementales à 15 années de mesures, (2) de mettre en place un dispositif et d’échantillonner au cours d’un épisode de mortalité, (3) de préciser le fond génétique des animaux affectés. Cependant les prélèvements ayant été tardifs, de nombreuses analyses sont encore en cours de traitement.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Shaping the Dicot Fruit: Molecular and Genomic Approaches to Fruit Development

The fruit is one of the most complex and important structures produced by flowering plants, and understanding the development and maturation process of fruits in different angiosperm species with diverse fruit structures is of immense interest. In the work presented here, molecular genetics and genomic analysis are used to explore the processes that form the fruit in two species: The model organism Arabidopsis and the diploid strawberry Fragaria vesca. One important basic question concerns the molecular genetic basis of fruit patterning. A long-standing model of Arabidopsis fruit (the gynoecium) patterning holds that auxin produced at the apex diffuses downward, forming a gradient that provides apical-basal positional information to specify different tissue types along the gynoecium’s length. The proposed gradient, however, has never been observed and the model appears inconsistent with a number of observations. I present a new, alternative model, wherein auxin acts to establish the adaxial-abaxial domains of the carpel primordia, which then ensures proper development of the final gynoecium. A second project utilizes genomics to identify genes that regulate fruit color by analyzing the genome sequences of Fragaria vesca, a species of wild strawberry. Shared and distinct SNPs among three F. vesca accessions were identified, providing a foundation for locating candidate mutations underlying phenotypic variations among different F. vesca accessions. Through systematic analysis of relevant SNP variants, a candidate SNP in FveMYB10 was identified that may underlie the fruit color in the yellow-fruited accessions, which was subsequently confirmed by functional assays. Our lab has previously generated extensive RNA-sequencing data that depict genome-scale gene expression profiles in F. vesca fruit and flower tissues at different developmental stages. To enhance the accessibility of this dataset, the web-based eFP software was adapted for this dataset, allowing visualization of gene expression in any tissues by user-initiated queries. Together, this thesis work proposes a well-supported new model of fruit patterning in Arabidopsis and provides further resources for F. vesca, including genome-wide variant lists and the ability to visualize gene expression. This work will facilitate future work linking traits of economic importance to specific genes and gaining novel insights into fruit patterning and development.

Análisis transcripcional de la vía de secreción y metabolismo del metanol durante la producción de una proteína heteróloga en Pichia pastoris

La levadura metilotrófica Pichia pastoris es de gran importancia industrial principalmente en la producción de proteínas heterólogas. En un estudio reciente se emplearon cinco factores ambientales para definir condiciones de cultivo a nivel de bioreactor que condujeron a altos (CM) y bajos (CP) niveles de la producción extracelular de una fitasa recombinante en una cepa Muts de P. pastoris. Los resultados de este estudio mostraron que bajo las condiciones CM, la demanda y consumo de O2 y de metanol fueron más altos y condujeron a valores más altos en la velocidad específica de crecimiento (μ), biomasa (2.7 veces), niveles de producción de fitasa extracelular (5.5 veces) y rendimientos (Yp/x) que en CP. Con el fin de comprender los mecanismos de regulación transcripcional que afectan a la fisiología de P. pastoris por la sobre-producción de la proteína recombinante y las condiciones de cultivo, en este trabajo se realizó un análisis de expresión diferencial de genes (DGE) empleando la tecnología de secuenciación masiva de mRNA (RNAseq) de la cepa Muts de P. pastoris crecida bajo las condiciones CM y CP reportadas previamente. Además se validaron los resultados del estudio de DGE mediante RT-qPCR. Resultados: La expresión de 4,950 genes, el 93% de los genes totales anotados, fueron detectados. Se sub- y sobre-expresaron 350 y 413 genes respectivamente en CM respecto a CP. En CM vs CP se sobre-expresaron significativamente términos relacionados con la biosíntesis de aminoácidos, biosíntesis de nucleósidos de purina, regulación de la traducción, glicosilación de proteínas y mitosis, indicando una mayor actividad anabólica en CM. La transcripción del gen heterólogo y de los genes de la ruta de desasimilación del metanol no mostraron diferencias entre ambas condiciones de cultivo y fue inducida en metanol. Sin embargo las enzimas claves (DAS1 y DAS2) de la ruta de asimilación del metanol se sobre-expresaron significativamente en CM vs CP, indicando que CM está favorecida la producción de biomasa y la generación de energía a través de esta vía, explicando los valores más altos para la μ y biomasa obtenidos en CM respecto a CP. De 110 genes analizados involucrados en la vía de secreción, 20 se sobre-expresaron en CM vs CP, la sobre-expresión de estos genes indicaron que bajo las condiciones de CM, se presenta una mayor actividad transcipcional de los genes implicados en el transporte y translocación hacia el RE (15%), genes implicados en el plegamiento de proteínas en RE (25%), así como genes relacionados en el procesamieto de las proteínas a través del RE (30%) y Golgi (35%) que permitieron un estado fisiológico favorable para la secreción de la proteína heteróloga. De los 44 genes relacionados con el estrés en RE durante la secreción, en CM vs CP se sobre-expresaron genes UPR indicando, que bajo condiciones de CM, se promueve la expresión de genes relacionados con el plegamiento de proteínas y probablemente se evita el acumulamiento de proteínas mal plegadas. La sub-expresión de todos los genes relacionados con autofagia, es uno de los factores que podría explicar la menor actividad proteolítica observada en CM. Finalmente se observó una correlación entre los métodos de RNA-seq y RTqPCR (r2=0.7). Conclusiones: El análisis de la DGE señala que los factores ambientales en CM condujeron a la regulación de la expresión de genes del proceso de secreción y genes relacionados al estrés en RE durante la secreción que condujeron a valores de Yp/x, más altos en CM que en CP y no se atribuyen a una expresión diferencial del gen heterólogo. La regulación de la ruta del metanol hacia la asimilación y una mejor respuesta de adaptación al estrés en CM condujeron a un mayor crecimiento y producción de biomasa en CM que en CP.

Epigenetics and alternative splicing

Dissertação de Mestrado, Oncobiologia: Mecanismos Moleculares do Cancro, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Flower abscission and fruit set on table grapes (Vitis vinifera L.): unraveling physiological and molecular mechanisms

Doutoramento em Engenharia Agronómica - Instituto Superior de Agronomia - UL

Functional characterisation of putative Cis-Regulatory Risk Loci for breast cancer

Dissertação de Mestrado, Qualidade em Análises - Erasmus Mundus, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Comparative survey of the relative impact of mRNA features on local ribosome profiling read density

Ribosome profiling (Ribo-seq), a promising technology for exploring ribosome decoding rates, is characterized by the presence of infrequent high peaks in ribosome footprint density and by long alignment gaps. Here, to reduce the impact of data heterogeneity we introduce a simple normalization method, Ribo-seq Unit Step Transformation (RUST). RUST is robust and outperforms other normalization techniques in the presence of heterogeneous noise. We illustrate how RUST can be used for identifying mRNA sequence features that affect ribosome footprint densities globally. We show that a few parameters extracted with RUST are sufficient for predicting experimental densities with high accuracy. Importantly the application of RUST to 30 publicly available Ribo-seq data sets revealed a substantial variation in sequence determinants of ribosome footprint frequencies, questioning the reliability of Ribo-seq as an accurate representation of local ribosome densities without prior quality control. This emphasizes our incomplete understanding of how protocol parameters affect ribosome footprint densities.

Genes diferencialmente expressos no músculo Longissimus dorsi de novilhos nelore divergentes para eficiência bruta.

2016

Re-analysis of cryoEM data on HCV IRES bound to 40S subunit of human ribosome integrated with recent structural information suggests new contact regions between ribosomal proteins and HCV RNA

In this study, we combine available high resolution structural information on eukaryotic ribosomes with low resolution cryo-EM data on the Hepatitis C Viral RNA (IRES) human ribosome complex. Aided further by the prediction of RNA-protein interactions and restrained docking studies, we gain insights on their interaction at the residue level. We identified the components involved at the major and minor contact regions, and propose that there are energetically favorable local interactions between 40S ribosomal proteins and IRES domains. Domain II of the IRES interacts with ribosomal proteins S5 and S25 while the pseudoknot and the downstream domain IV region bind to ribosomal proteins S26, S28 and S5. We also provide support using UV cross-linking studies to validate our proposition of interaction between the S5 and IRES domains II and IV. We found that domain IIIe makes contact with the ribosomal protein S3a (S1e). Our model also suggests that the ribosomal protein S27 interacts with domain IIIc while S7 has a weak contact with a single base RNA bulge between junction IIIabc and IIId. The interacting residues are highly conserved among mammalian homologs while IRES RNA bases involved in contact do not show strict conservation. IRES RNA binding sites for S25 and S3a show the best conservation among related viral IRESs. The new contacts identified between ribosomal proteins and RNA are consistent with previous independent studies on RNA-binding properties of ribosomal proteins reported in literature, though information at the residue level is not available in previous studies.

SplicerAV: a tool for mining microarray expression data for changes in RNA processing.

BACKGROUND: Over the past two decades more than fifty thousand unique clinical and biological samples have been assayed using the Affymetrix HG-U133 and HG-U95 GeneChip microarray platforms. This substantial repository has been used extensively to characterize changes in gene expression between biological samples, but has not been previously mined en masse for changes in mRNA processing. We explored the possibility of using HG-U133 microarray data to identify changes in alternative mRNA processing in several available archival datasets. RESULTS: Data from these and other gene expression microarrays can now be mined for changes in transcript isoform abundance using a program described here, SplicerAV. Using in vivo and in vitro breast cancer microarray datasets, SplicerAV was able to perform both gene and isoform specific expression profiling within the same microarray dataset. Our reanalysis of Affymetrix U133 plus 2.0 data generated by in vitro over-expression of HRAS, E2F3, beta-catenin (CTNNB1), SRC, and MYC identified several hundred oncogene-induced mRNA isoform changes, one of which recognized a previously unknown mechanism of EGFR family activation. Using clinical data, SplicerAV predicted 241 isoform changes between low and high grade breast tumors; with changes enriched among genes coding for guanyl-nucleotide exchange factors, metalloprotease inhibitors, and mRNA processing factors. Isoform changes in 15 genes were associated with aggressive cancer across the three breast cancer datasets. CONCLUSIONS: Using SplicerAV, we identified several hundred previously uncharacterized isoform changes induced by in vitro oncogene over-expression and revealed a previously unknown mechanism of EGFR activation in human mammary epithelial cells. We analyzed Affymetrix GeneChip data from over 400 human breast tumors in three independent studies, making this the largest clinical dataset analyzed for en masse changes in alternative mRNA processing. The capacity to detect RNA isoform changes in archival microarray data using SplicerAV allowed us to carry out the first analysis of isoform specific mRNA changes directly associated with cancer survival.