Saline Stress Alters the Temporal Patterns of Xylem Differentiation and Alternative Oxidase Expression in Developing Soybean Roots1

We conducted a coordinated biochemical and morphometric analysis of the effect of saline conditions on the differentiation zone of developing soybean (Glycine max L.) roots. Between d 3 and d 14 for seedlings grown in control or NaCl-supplemented medium, we studied (a) the temporal evolution of the respiratory alternative oxidase (AOX) capacity in correlation with the expression and localization of AOX protein analyzed by tissue-print immunoblotting; (b) the temporal evolution and tissue localization of a peroxidase activity involved in lignification; and (c) the structural changes, visualized by light microscopy and quantified by image digitization. The results revealed that saline stress retards primary xylem differentiation. There is a corresponding delay in the temporal pattern of AOX expression, which is consistent with the xylem-specific localization of AOX protein and the idea that this enzyme is linked to xylem development. An NaCl-induced acceleration of the development of secondary xylem was also observed. However, the temporal pattern of a peroxidase activity localized in the primary and secondary xylem was unaltered by NaCl treatment. Thus, the NaCl-stressed root was specifically affected in the temporal patterns of AOX expression and xylem development.

Biomarcatori per il monitoraggio biologico di soggetti esposti ad agenti cancerogeni per il polmone

Riassunto I biomarcatori o “marcatori biologici” svolgono un ruolo fondamentale nel monitoraggio biologico. In questo lavoro ci siamo soffermati sullo studio di biomarcatori di effetto e di esposizione a xenobiotici ambientali. Nel primo caso abbiamo valutato i micro RNA (miRNA) da utilizzare per la diagnosi precoce del tumore al polmone in matrici di facile accesso, quale il CAE e il plasma, utilizzando il miRNA-21, oncogeno, e il miRNA-486, oncosoppressore. I risultati evidenziano una loro capacità di distinguere correttamente i soggetti con tumore polmonare dai soggetti sani, ipotizzando un loro utilizzo a scopo diagnostico. Nella seconda parte del lavoro di tesi sono stati studiati i biomarcatori di esposizione a benzene per valutare gli effetti dell’esposizione a concentrazioni ambientali su bambini residenti in città e a diverso livello di urbanizzazione. Lo studio ha evidenziato una correlazione dose-effetto fra le concentrazioni di benzene e dei suoi metaboliti urinari e un danno ossidativo a livello degli acidi nucleici. Tuttavia, le concentrazioni di benzene urinario non sono influenzate dal grado di industrializzazione, a differenza dell’S-PMA e degli indicatori di stress ossidativo (8-oxodGuo e 8-oxoGuo) che sembrano risentire sia della residenza che del momento del campionamento. Infine abbiamo ricercato possibili biomarcatori di esposizione a vinilcicloesene (VCH), sottoprodotto industriale nella polimerizzazione del 1,3-butadiene, poiché non sono ancora stati proposti BEI di riferimento nonostante i bassi valori di TLV-TWA (0.1 ppm) proposti dall’ACGIH. Nella prima fase del lavoro abbiamo studiato i meccanismi di tossicità del VCH tramite modelli in vitro, testando varie linee cellulari. I risultati evidenziano come la dose reale di VCH sia di molto inferiore a quella nominale per effetto dell’evaporazione. Inoltre, nelle linee cellulari più sensibili si sono evidenziati effetti citostatici, con alterazioni del ciclo cellulare, a differenza dell’esposizione agli epossidi del VCH, il VCD e l’1,2-VCHME, che determinano lisi cellulare con IC50 di 3 ordini di grandezza inferiori a quelli del VCH. La quantificazione dei metaboliti di I fase e di II fase del VCH nelle linee cellulari epatiche ha evidenziato concentrazioni di circa 1000 volte inferiori a quelle del VCH confermando come la sua tossicità sia principalmente dovuta alla produzione degli intermedi epossidici. La trasformazione nei metaboliti di II fase conferma inoltre l’effetto detossificante del metabolismo. La trasferibilità dei risultati ottenuti in vitro su sistemi in vivo fornirà le basi per poter identificare possibili metaboliti da proporre per il monitoraggio biologico di lavoratori esposti a VCH. PAROLE CHIAVE: biomarcatori di effetto e di esposizione, tumore al polmone, miRNA, benzene, vinilcicloesene.

Estudos sobre a organização genômica, evolução e expressão de microRNAs

Os microRNAs (miRNAs) são pequenos RNAs não codificadores de proteínas presentes na maioria dos eucariotos. Esses RNAs regulam a expressão gênica em nível pós-transcricional através do silenciamento de mRNAs-alvo que possuem sítios complementares às suas sequências, atuando em praticamente todos os processos celulares. Embora a estrutura e função dos miRNAs estejam bem caracterizadas, aspectos relacionados à sua organização genômica, evolução e atuação em doenças são tópicos que apresentam enormes lacunas. Nesta tese, utilizamos abordagens computacionais para investigar estes temas em três trabalhos. No primeiro, processamos e integramos um vasto volume de dados publicamente disponíveis referentes aos miRNAs e genes codificadores de proteínas para cinco espécies de vertebrados. Com isso, construimos uma ferramenta web que permite a fácil inspeção da organização genômica dos miRNAs em regiões inter e intragênicas, o acesso a dados de expressão de miRNAs e de genes codificadores de proteínas (classificados em genes hospedeiros e não hospedeiros de miRNAs), além de outras informações pertinentes. Verificamos que a ferramenta tem sido amplamente utilizada pela comunidade científica e acreditamos que ela possa facilitar a geração de hipóteses associadas à regulação dos miRNAs, principalmente quando estão inseridos em genes hospedeiros. No segundo estudo, buscamos compreender como o contexto genômico e a origem evolutiva dos genes hospedeiros influenciam a expressão e evolução dos miRNAs humanos. Nossos achados mostraram que os miRNAs intragênicos surgem preferencialmente em genes antigos (origem anterior à divergência de vertebrados). Observamos que os miRNAs inseridos em genes antigos têm maior abrangência de expressão do que os inseridos em genes novos. Surpreendentemente, miRNAs jovens localizados em genes antigos são expressos em um maior número de tecidos do que os intergênicos de mesma idade, sugerindo uma vantagem adaptativa inicial que pode estar relacionada com o controle da expressão dos genes hospedeiros, e como consequência, expondo-os a contextos celulares e conjuntos de alvos diversos. Na evolução a longo prazo, vimos que genes antigos conferem maior restrição nos padrões de expressão (menor divergência de expressão) para miRNAs intragênicos, quando comparados aos intergênicos. Também mostramos possíveis associações funcionais relacionadas ao contexto genômico, tais como o enriquecimento da expressão de miRNAs intergênicos em testículo e dos intragênicos em tecidos neurais. Propomos que o contexto genômico e a idade dos genes hospedeiros são fatores-chave para a evolução e expressão dos miRNAs. Por fim, buscamos estabelecer associações entre a expressão diferencial de miRNAs e a quimioresistência em câncer colorretal utilizando linhagens celulares sensíveis e resistentes às drogas 5-Fluoruracil e Oxaliplatina. Dentre os miRNAs identificados, o miR-342 apresentou níveis elevados de expressão nas linhagens sensíveis à Oxaliplatina. Com base na análise dos alvos preditos, detectamos uma significativa associação de miR-342 com a apoptose. A superexpressão de miR-342 na linhagem resistente SW620 evidenciou alterações na expressão de genes da via apoptótica, notavelmente a diminuição da expressão do fator de crescimento PDGFB, um alvo predito possivelmente sujeito à regulação direta pelo miR-342.

Análise transcriptômica de miRNAs em pacientes sob dupla terapia de antiagregação

A terapia antiagregante é comumente indicada na prevenção e tratamento de doenças cardiovasculares. A dupla antiagregação com clopidrogrel e ácido acetilsalicílico (AAS) tem sido frequentemente adotada em pacientes com Doença Arterial Coronariana (DAC), mas apresenta ineficácia em uma parcela significativa da população com genótipo de respondedores. Essa falha terapêutica nos leva a questionar se outros mecanismos moleculares podem estar influenciando na resposta a esses fármacos. Recentes estudos sugerem que pequenas sequências de RNA não codificantes denominadas microRNAs (miRNAs) podem estar fortemente relacionadas com resposta ao tratamento fármaco-terapêutico, controlando as proteínas envolvidas na farmacocinética e farmacodinâmica. Entretanto, os principais miRNAs que atuam na dinâmica da resposta medicamentosa ainda não foram bem definidos. O objetivo deste estudo foi avaliar o perfil de miRNAs no sangue total periférico, procurando melhor esclarecer os mecanismos envolvidos na resposta aos antiagregantes plaquetários AAS e clopidogrel. Para isso, selecionou-se pacientes com DAC, os quais apresentavam diferentes respostas à dupla terapia de antiagregação determinadas pelo teste de agregação plaquetária. Baseados nos fenótipos, os perfis de expressão de miRNAs foram comparados entre os valores da taxa de agregação categorizados em tercis (T) de resposta. O grupo T1 foi constituído de pacientes respondedores, o T2 de respondedores intermediários e o T3 de não respondedores. Os perfis de miRNAs foram obtidos após sequenciamento de última geração e os dados obtidos foram analisados pelo pacote Deseq2. Os resultados mostraram 18 miRNAs diferentemente expressos entre os dois tercis extremos. Dentre esses miRNAs, 10 deles apresentaram importantes alvos relacionados com vias de ativação e agregação plaquetária quando analisados pelo software Ingenuity®. Dos 10 miRNAs, 4 deles, os quais apresentaram-se menos expressos no sequenciamento, demonstraram os mesmos perfis de expressão quando analisados pela reação em cadeia pela polimerase quantitativa (qPCR): hsa-miR-423-3p, hsa-miR-744-5p, hsa-miR- 30a-5p e hsa-let-7g-5p. A partir das análises de predição de alvos, pôde-se observar que os quatro miRNAs, quando menos expressos simultaneamente, predizem ativação da agregação plaquetária. Além disso, os miRNAs hsa-miR- 423-5p, hsa-miR-744-5p e hsa-let-7g-5p mostraram correlação com o perfil lipídico dos pacientes que, por sua vez, apresentou influência nos valores de agregação compreendidos no T3 de resposta a ambos os medicamentos. Sendo assim, conclui-se que maiores taxas de agregação plaquetária podem estar indiretamente relacionadas com os padrões de expressão de hsa-miR- 423-3p, hsa-miR-744-5p e hsa-let-7g-5p. Sugere-se que a avaliação do perfil de expressão destes 3 miRNAs no sangue periférico de pacientes com DAC possa predizer resposta terapêutica inadequada ao AAS e ao clopidogrel

Flotação por ar dissolvido aplicado à separação de microalgas cultivadas em fotobiorreator, alimentado com vinhaça pré-tratada físico-quimicamente, com vistas à exploração de seu potencial bioenergético

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores.

Análise do papel da via miR156/SQUAMOSA Promoter-Binding Protein-Like (SPL) na organogênese in vitro a partir de raízes de Arabidopsis thaliana

Os microRNAs (miRNAs) são pequenos RNAs endógenos não codantes de 21-24 nucleotídeos (nt) que regulam a expressão gênica de genes-alvos. Eles estão envolvidos em diversos aspectos de desenvolvimento da planta, tanto na parte aérea, quanto no sistema radicular. Entre os miRNAs, o miRNA156 (miR156) regula a família de fatores de transcrição SQUAMOSA Promoter-Binding Protein-Like (SPL) afetando diferentes processos do desenvolvimento vegetal. Estudos recentes mostram que a via gênica miR156/SPL apresenta efeito positivo tanto no aumento da formação de raízes laterais, quanto no aumento de regeneração de brotos in vitro a partir de folhas e hipocótilos em Arabidopsis thaliana. Devido ao fato de que a origem da formação de raiz lateral e a regeneração in vitro de brotos a partir de raiz principal compartilham semelhanças anatômicas e moleculares, avaliou-se no presente estudo se a via miR156/SPL, da mesma forma que a partir de explantes aéreos, também é capaz de influenciar na regeneração de brotos in vitro a partir de explantes radiculares. Para tanto foram comparados taxa de regeneração, padrão de distribuição de auxina e citocinina, análises histológicas e histoquímicas das estruturas regeneradas em plantas com via miR156/SPL alterada, incluindo planta mutante hyl1, na qual a produção desse miRNA é severamente reduzida. Além disso, foi avaliado o padrão de expressão do miR156 e específicos genes SPL durante a regeneração de brotos in vitro a partir da raiz principal de Arabidopsis thaliana. No presente trabalho observou-se que a alteração da via gênica miR156/SPL é capaz de modular a capacidade de regeneração de brotos in vitro a partir de raiz principal de Arabidopsis thaliana e a distribuição de auxina e citocinina presente nas células e tecidos envolvidos no processo de regeneração. Plantas superexpressando o miR156 apresentaram redução no número de brotos regenerados, além de ter o plastochron reduzido quando comparado com plantas controle. Adicionalmente, plantas contento o gene SPL9 resistente à clivagem pelo miR156 (rSPL9) apresentaram severa redução na quantidade de brotos, além de terem o plastochron alongado. Interessantemente, plantas mutantes hyl1-2 e plantas rSPL10 não apresentaram regeneração de brotos ao longo da raiz principal, mas sim intensa formação de raízes laterais e protuberâncias, respectivamente, tendo essa última apresentado indícios de diferenciação celular precoce. Tomados em conjunto os dados sugerem que o miR156 apresenta importante papel no controle do processo de regeneração de brotos in vitro. Entretanto, esse efeito é mais complexo em regeneração in vitro a partir de raízes do que a partir de cotilédones ou hipocótilos.

Micrornas 9a, 9b, 9c And 315 Regulate Expression Of A Reporter For The Neuronal Microtubule-Associated Protein Futsch/map1b

Fragile X syndrome (FXS) is the most common form of inherited mental retardation in humans. FXS is caused by loss of the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), an important regulator of neuronal mRNA translation. Patients with FXS display cognitive deficits including memory problems. Protein synthesis-dependent long-term changes in synaptic plasticity are involved in the establishment and maintenance of long-term memory. One prevalent theory of FXS pathology predicts that FMRP is required to negatively regulate the translation of important mRNAs at the synapse. We are investigating microRNAs (miRNAs) as a potential regulator of synaptic FMRP-regulated mRNAs that have previously been described as being crucial to the process of synaptic plasticity. The general hypothesis underlying this thesis is that FMRP may negatively regulate the expression of futsch (the Drosophila homologue of the microtubule-associated protein gene MAP1B) via the miRNA pathway. The first step we took in testing this hypothesis was to confirm that futsch is subject to miRNA-mediated translational control. Using in silico target analysis, we predicted that several neuronally expressed miRNAs target the futsch mRNA 3'UTR and repress expression of Futsch protein. Then, using an in vitro luciferase reporter system, we showed that miR-315 and members of the miR-9 family selectively down-regulated futsch reporter translation. We have confirmed by site- directed mutagenesis that the miRNA interaction with the futsch 3'UTR is specific to the miRNA seed region binding site. Interestingly, reduction of FMRP levels by RNAi had no effect on futsch 3'UTR reporter expression. Together, these data suggest regulation of futsch expression by the miRNA pathway might be independent of FMRP activity. However, additional experiments need to be completed to confirm these preliminary results.

Activity-Regulated microRNAs: Modulators of Synaptic Growth at the Drosophila Neuromuscular Junction

It is well established that long-term changes in synaptic structure and function are mediated by rapid activity-dependent gene transcription and new protein synthesis. A growing body of evidence supports the involvement of the microRNA (miRNA) pathway in these processes. We have used the Drosophila neuromuscular junction (NMJ) as a model synapse to characterize activity-regulated miRNAs and their important mRNA targets. Here, we have identified five neuronal miRNAs (miRs-1, -8, -289, -314, and -958) that are significantly downregulated in response to neuronal activity. Furthermore we have discovered that neuronal misexpression of three of these miRNAs (miR-8, -289, and -958) is capable of suppressing new synaptic growth in response to activity suggesting that these miRNAs control the translation of biologically relevant target mRNAs. Putative targets of the activity-regulated miRNAs-8 and -289 are significantly enriched in clusters mapping to functional processes including axon development, pathfinding, and axon growth. We demonstrate that activity-regulated miR-8 regulates the 3'UTR of wingless, a presynaptic regulatory protein involved in the process of activity-dependent axon terminal growth. Additionally, we show that the 3'UTR of the protein tyrosine phosophatase leukocyte antengen related (lar), a protein required for axon guidance and synaptic growth, is regulated by activity-regulated miRNAs-8, -289, and -958 in vitro. Both wg and lar were identified as relevant putative targets for co-regulation based through our functional cluster analysis. One putative target of miR-289 is the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CamKII). While CamKII is not predicted as a target for co-regulation by multiple activity-regulated miRNAs we identified it as an especially pertinent target for analysis in our system for two reasons. First, CamKII has an extremely well characterized role in postsynaptic plasticity, but its presynaptic role is less well characterized and bears further analysis. Second, local translation of CamKII mRNA is regulated in part by the miRNA pathway in an activity-dependent manner in dendrites. We find that the CamKII 3'UTR is regulated by miR-289 in-vitro and this regulation is alleviated by mutating the `seed region' of the miR-289 binding site within the CamKII 3'UTR. Furthermore, we demonstrate a requirement for local translation of CamKII in motoneurons in the process of activity-regulated axon terminal growth.

Electroretinographical and histological study of mouse retina after optic nerve section: a comparison between wild-type and retinal degeneration 1 mice

Background: Retinal ganglion cell death underlies the pathophysiology of neurodegenerative disorders such as glaucoma or optic nerve trauma. To assess the potential influence of photoreceptor degeneration on retinal ganglion cell survival, and to evaluate functionality, we took advantage of the optic nerve section mouse model. Methods: Surviving retinal ganglion cells were double-stained by exposing both superior colliculi to fluorogold, and by applying dextran-tetramethylrhodamine to the injured optic nerve stump. To assess retinal function in wild-type animals, electroretinograms were recorded on the injured eyes and compared with the contralateral. Similar labelling experiments were carried out on retinal degeneration 1 mice. Surviving retinal ganglion cells were counted 21 days after axotomy and compared with wild-type mice. No functional experiments were performed on retinal degeneration 1 animals because they do not develop normal electroretinographical responses. Results: A significant decrease in retinal ganglion cell density was observed 6 days after axotomy in the wild type. Functional studies revealed that, in scotopic conditions, axotomy induced a significant amplitude decrease in the positive scotopic threshold response component of the electroretinogram. Such decrease paralleled cell loss, suggesting it may be an appropriate technique to evaluate functionality. When comparing retinal ganglion cell densities in wild-type and retinal degeneration 1 mice, a significant greater survival was observed on the latter. Conclusions: After optic nerve section, electroretinographical recordings exhibited a progressive decrease in the amplitude of the positive scotopic threshold response wave, reflecting ganglion cell loss. Interestingly, rod degeneration seemed, at least initially, to protect from axotomy-driven damage.

MicroRNAs in pathology and as therapeutic target in gene therapy?

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Blahoslav Hečko. L'uomo, il teorico, il traduttore

Questo elaborato finale riguarda la figura del teorico e traduttore slovacco Blahoslav Hečko. I primi capitoli contengono una breve descrizione della sua vita e delle sue opere sulla teoria della traduzione ("Nehádžte perly sviniam" e "Dobrodružstvo prekladu"). Il resto della tesi si concentra sulla traduzione verso lo slovacco del libro per l'infanzia di Gianni Rodari "Le avventure di Cipollino". La parte più corposa è rappresentata proprio dal commento analitico alla traduzione. Sono stati selezionati cinque capitoli del libro di Rodari in base alla presenza di sfide traduttive particolarmente interessanti e si è prestata particolare attenzione alla resa dei nomi propri, dei modi di dire e dei realia italiani. Nel confrontare il testo originale e la traduzione si è cercato di spiegare le scelte del traduttore attraverso annotazioni grammaticali e approfondimenti di carattere culturale, in alcuni casi sono state avanzate proposte alternative.

Optimized methods for extracting circulating small RNAs from long-term stored equine samples.

Circulating miRNAs in body fluids, particularly serum, are promising candidates for future routine biomarker profiling in various pathologic conditions in human and veterinary medicine. However, reliable standardized methods for miRNA extraction from equine serum and fresh or archived whole blood are sorely lacking. We systematically compared various miRNA extraction methods from serum and whole blood after short and long-term storage without addition of RNA stabilizing additives prior to freezing. Time of storage at room temperature prior to freezing did not affect miRNA quality in serum. Furthermore, we showed that miRNA of NGS-sufficient quality can be recovered from blood samples after >10 years of storage at -80 °C. This allows retrospective analyses of miRNAs from archived samples.

Learning Models of Gene Expression from Synthetic DNA Sequences

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

The evolution of microRNA in primates

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06