SMART, a simple modular architecture research tool: Identification of signaling domains

Accurate multiple alignments of 86 domains that occur in signaling proteins have been constructed and used to provide a Web-based tool (SMART: simple modular architecture research tool) that allows rapid identification and annotation of signaling domain sequences. The majority of signaling proteins are multidomain in character with a considerable variety of domain combinations known. Comparison with established databases showed that 25% of our domain set could not be deduced from SwissProt and 41% could not be annotated by Pfam. SMART is able to determine the modular architectures of single sequences or genomes; application to the entire yeast genome revealed that at least 6.7% of its genes contain one or more signaling domains, approximately 350 greater than previously annotated. The process of constructing SMART predicted (i) novel domain homologues in unexpected locations such as band 4.1-homologous domains in focal adhesion kinases; (ii) previously unknown domain families, including a citron-homology domain; (iii) putative functions of domain families after identification of additional family members, for example, a ubiquitin-binding role for ubiquitin-associated domains (UBA); (iv) cellular roles for proteins, such predicted DEATH domains in netrin receptors further implicating these molecules in axonal guidance; (v) signaling domains in known disease genes such as SPRY domains in both marenostrin/pyrin and Midline 1; (vi) domains in unexpected phylogenetic contexts such as diacylglycerol kinase homologues in yeast and bacteria; and (vii) likely protein misclassifications exemplified by a predicted pleckstrin homology domain in a Candida albicans protein, previously described as an integrin.

Adjoint modular Galois representations and their Selmer groups

In the last 15 years, many class number formulas and main conjectures have been proven. Here, we discuss such formulas on the Selmer groups of the three-dimensional adjoint representation ad(φ) of a two-dimensional modular Galois representation φ. We start with the p-adic Galois representation φ0 of a modular elliptic curve E and present a formula expressing in terms of L(1, ad(φ0)) the intersection number of the elliptic curve E and the complementary abelian variety inside the Jacobian of the modular curve. Then we explain how one can deduce a formula for the order of the Selmer group Sel(ad(φ0)) from the proof of Wiles of the Shimura–Taniyama conjecture. After that, we generalize the formula in an Iwasawa theoretic setting of one and two variables. Here the first variable, T, is the weight variable of the universal p-ordinary Hecke algebra, and the second variable is the cyclotomic variable S. In the one-variable case, we let φ denote the p-ordinary Galois representation with values in GL2(Zp[[T]]) lifting φ0, and the characteristic power series of the Selmer group Sel(ad(φ)) is given by a p-adic L-function interpolating L(1, ad(φk)) for weight k + 2 specialization φk of φ. In the two-variable case, we state a main conjecture on the characteristic power series in Zp[[T, S]] of Sel(ad(φ) ⊗ ν−1), where ν is the universal cyclotomic character with values in Zp[[S]]. Finally, we describe our recent results toward the proof of the conjecture and a possible strategy of proving the main conjecture using p-adic Siegel modular forms.

Congruences between modular forms: Raising the level and dropping Euler factors

We discuss the relationship among certain generalizations of results of Hida, Ribet, and Wiles on congruences between modular forms. Hida’s result accounts for congruences in terms of the value of an L-function, and Ribet’s result is related to the behavior of the period that appears there. Wiles’ theory leads to a class number formula relating the value of the L-function to the size of a Galois cohomology group. The behavior of the period is used to deduce that a formula at “nonminimal level” is obtained from one at “minimal level” by dropping Euler factors from the L-function.

Modular organization of intrinsic connections associated with spectral tuning in cat auditory cortex

Many response properties in primary auditory cortex (AI) are segregated spatially and organized topographically as those in primary visual cortex. Intensive study has not revealed an intrinsic, anatomical organizing principle related to an AI functional topography. We used retrograde anatomic tracing and topographic physiologic mapping of acoustic response properties to reveal long-range (≥1.5 mm) convergent intrinsic horizontal connections between AI subregions with similar bandwidth and characteristic frequency selectivity. This suggests a modular organization for processing spectral bandwidth in AI.

Modular construction for function of a ribonucleoprotein enzyme: the catalytic domain of Bacillus subtilis RNase P complexed with B.subtilis RNase P protein

The bacterial RNase P holoenzyme catalyzes the formation of the mature 5′-end of tRNAs and is composed of an RNA and a protein subunit. Among the two folding domains of the RNase P RNA, the catalytic domain (C-domain) contains the active site of this ribozyme. We investigated specific binding of the Bacillus subtilis C-domain with the B.subtilis RNase P protein and examined the catalytic activity of this C-domain–P protein complex. The C-domain forms a specific complex with the P protein with a binding constant of ∼0.1 µM. The C-domain–P protein complex and the holoenzyme are equally efficient in cleaving single-stranded RNA (∼0.9 min–1 at pH 7.8) and substrates with a hairpin–loop 3′ to the cleavage site (∼40 min–1). The holoenzyme reaction is much more efficient with a pre-tRNA substrate, binding at least 100-fold better and cleaving 10–500 times more efficiently. These results demonstrate that the RNase P holoenzyme is functionally constructed in three parts. The catalytic domain alone contains the active site, but has little specificity and affinity for most substrates. The specificity and affinity for the substrate is generated by either the specificity domain of RNase P RNA binding to a T stem–loop-like hairpin or RNase P protein binding to a single-stranded RNA. This modular construction may be exploited to obtain RNase P-based ribonucleoprotein complexes with altered substrate specificity.

A modular misexpression screen in Drosophila detecting tissue-specific phenotypes.

Genetic screens in Drosophila have lead to the discovery of many genes important for patterning and signal transduction in diverse organisms. Traditionally, the phenotypic effects of loss-of-function mutations are analyzed. As an alternative way to link genes and function, I have developed a versatile misexpression screen in Drosophila, the first such screen in higher eukaryotes. The screen identifies genes that, when over- or misexpressed in a pattern of interest, give a specific phenotype or modulate an existing mutant phenotype. It is based on Gal4 transactivation of a mobile enhancer and promoter that "targets" random endogenous genes for expression. The modular design of the screen allows directed expression in any temporal or spatial pattern. When activated in the developing eye, 4% of target inserts gave dominant phenotypes. One insertion was in the gene encoding Ras GTPase-activating protein; its overexpression phenotype was strongly enhanced by a mutation in Ras1. Thus, biologically relevant phenotypes and genetic interactions are identified using this method. The screen is a powerful new tool for developmental genetics; similar approaches can also be developed for other organisms.

Modular cis-regulatory organization of developmentally expressed genes: two genes transcribed territorially in the sea urchin embryo, and additional examples.

The cis-regulatory systems that control developmental expression of two sea urchin genes have been subjected to detailed functional analysis. Both systems are modular in organization: specific, separable fragments of the cis-regulatory DNA each containing multiple transcription factor target sites execute particular regulatory subfunctions when associated with reporter genes and introduced into the embryo. The studies summarized here were carried out on the CyIIIa gene, expressed in the embryonic aboral ectoderm and on the Endo16 gene, expressed in the embryonic vegetal plate, archenteron, and then midgut. The regulatory systems of both genes include modules that control particular aspects of temporal and spatial expression, and in both the territorial boundaries of expression depend on a combination of negative and positive functions. In both genes different regulatory modules control early and late embryonic expression. Modular cis-regulatory organization is widespread in developmentally regulated genes, and we present a tabular summary that includes many examples from mouse and Drosophila. We regard cis-regulatory modules as units of developmental transcription control, and also of evolution, in the assembly of transcription control systems.

Integração morfológica e modularidade em crânios das espécies do grupo Rhinella granulosa

Os conceitos e métodos provindos das teorias de integração morfológica e de genética quantitativa formam o arcabouço teórico para o estudo da evolução de estruturas complexas, compostas de múltiplos caracteres que interagem entre si. Nesse trabalho, utilizamos o crânio como modelo de estrutura complexa e estudamos sua diversificação nas espécies de sapo do grupo Rhinella granulosa. As perguntas do trabalho foram: (1) A organização da (co)variação é similar entre as espécies?; (2) A organização da (co)variação é modular nas espécies, conforme expectativas baseadas em desenvolvimento ou função?; (3) Fatores externos, como filogenia e clima, estruturam a similaridade no padrão de covariação entre as espécies?; (4) A diversificação da morfologia média do crânio se deu por deriva ou seleção natural?; (5) A divergência na morfologia média do crânio está associada à variação climática entre as espécies?; e finalmente (6) Restrições evolutivas atuaram na divergência entre as espécies? Os espécimes foram escaneados e validamos o uso de imagens 3D para a mensuração de 21 distâncias lineares. Os crânios das espécies foram representados como matrizes fenotípicas (P) de covariância e de correlação entre as distâncias. A similaridade entre as P das espécies é alta. As P de todas as espécies se conformam a um padrão modular compatível com interações funcionais entre ossos. As diferenças entre as P concentram-se no rostro e são associadas a diferenças no clima entre as espécies. Detectamos sinal de seleção natural nos nós mais basais da filogenia e variação local no crânio está associada à variação na sazonalidade da chuva entre as espécies. Restrições evolutivas atuaram na diversificação do crânio das espécies, defletindo as respostas evolutivas para tamanho. Concluímos que tanto seleção estabilizadora e direcional, conectadas à variação climática, quanto restrições evolutivas atuaram na diversificação do crânio das espécies

Deriva genética de caracteres quantitativos em milho

A obtenção de genótipos superiores no melhoramento de plantas depende da existência de variabilidade genética. A existência de coleções de germoplasma representativas e a utilização de um tamanho adequado de amostra são fundamentais para a preservação das frequências alélicas e genotípicas, diminuindo a perda de variabilidade genética e postergando o aparecimento dos efeitos da deriva genética. Assim, teve-se como objetivo avaliar os efeitos da deriva genética em caracteres quantitativos em subpopulações de milho. Este estudo foi realizado a partir das populações originais BR-105 e BR-106, das quais 10 subpopulações foram obtidas em cada um dos cinco ciclos sucessivos de amostragem com tamanho efetivo reduzido, totalizando 50 subpopulações para cada população original, as quais foram posteriormente autofecundadas, gerando um nível a mais de endogamia. Os tratamentos foram constituídos de 10 amostras da população original sem autofecundação, 10 amostras com autofecundação, 50 subpopulações obtidas da população original e 50 subpopulações autofecundadas, totalizando 120 tratamentos para cada população, avaliados separadamente. Utilizou-se o delineamento em blocos casualizados no esquema de parcelas subdivididas em faixas hierárquico, em quatro ambientes com duas repetições por ambiente. Os caracteres avaliados foram produção de grãos (PG), prolificidade (PROL), comprimento e diâmetro de espigas (CE e DE), número de fileiras por espiga (NFE), número de grãos por fileira (NGF), altura de planta e espiga (AP e AE), florescimento masculino e feminino (FM e FF) e número de ramificações do pendão (NRP). Foram estimados os efeitos da deriva genética entre as médias das subpopulações nos dois níveis de endogamia e os efeitos da depressão por endogamia nas subpopulações dentro dos ciclos. Posteriormente, realizaram-se análises de regressão linear para as subpopulações nos dois níveis de endogamia, separadamente, e em conjunto. Foi verificada uma grande variação nas médias das subpopulações ao longo dos ciclos, indicando que a deriva genética causou diferenciação entre as mesmas e que estas se diferenciaram das populações originais. Detectaram-se efeitos significativos da deriva genética nas populações não autofecundadas para todos os caracteres avaliados, em maior número para PG, já que este caráter é mais sensível à deriva genética por possuir maior grau de dominância que os demais. Houve diminuição no número de estimativas de deriva significativas para as populações autofecundadas, incluindo mudanças na magnitude e no sinal das mesmas em relação às populações não autofecundadas. Para as estimativas de depressão por endogamia, os caracteres PG, NGF, FM e FF apresentaram maior quantidade de estimativas significativas que os demais. Para a maioria dos caracteres, a regressão linear explicou a maior parte da variação encontrada com o aumento dos coeficientes de endogamia. As populações BR-105 e BR-106, por terem estruturas genéticas distintas, apresentaram performances diferentes quanto aos efeitos da deriva genética. Enfim, como a deriva genética interfere na integridade genética das populações, torna-se importante considerar seus efeitos na coleta e manutenção dos bancos de germoplasma e nas populações utilizadas no melhoramento genético de plantas.

Reconocimiento óptico de caracteres mediante imágenes en contadores de gas

La gran evolución a lo largo de este tiempo sobre dispositivos móviles y sus características, así como las vías de conexión de alta velocidad 3G/4G, han logrado dar un giro a los planteamientos económicos empresariales consiguiendo que se replanteen los costes de sus infraestructuras tradicionales, involucrando las nuevas tecnologías en su nueva estructura económica y consiguiendo invertir menos recursos humanos en el proceso de producción. Este proyecto propone una solución real para la empresa Madrileña Red de Gas. Mientras el proyecto de contadores inteligentes se termina de concretar y desarrollar, es necesario disponer de un método que automatice la lectura de los contadores analógicos mediante el procesamiento de una imagen digital a través de una aplicación informática que sea capaz de determinar el código de identificación del contador así como la lectura del consumo actual. Para la elaboración del método desarrollado se han utilizado conceptos propios de Visión por Computador y de Aprendizaje Automático, más específicamente tratamiento de imágenes y reconocimiento óptico de caracteres, mediante la aplicación de métodos en el ámbito de dichas disciplinas.

COMPENDIUM: una herramienta de generación de resúmenes modular

En este artículo presentamos COMPENDIUM, una herramienta de generación de resúmenes de textos modular. Esta herramienta se compone de un módulo central con cinco etapas bien diferenciadas: i) análisis lingüístico; ii) detección de redundancia; iii) identificación del tópico; iv) detección de relevancia; y v) generación del resumen, y una serie de módulos adicionales que permiten incrementar las funcionalidades de la herramienta permitiendo la generación de distintos tipos de resúmenes, como por ejemplo orientados a un tema concreto. Realizamos una evaluación exhaustiva en dos dominios distintos (noticias de prensa y documentos sobre lugares turísticos) y analizamos diferentes tipos de resúmenes generados con COMPENDIUM (mono-documento, multi-documento, genéricos y orientados a un tema). Además, comparamos nuestro sistema con otros sistemas de generación de resúmenes actuales. Los resultados que se obtienen demuestran que la herramienta COMPENDIUM es capaz de generar resúmenes competitivos para los distintos tipos de resúmenes propuestos.

Integration of modular process simulators under the Generalized Disjunctive Programming framework for the structural flowsheet optimization

The optimization of chemical processes where the flowsheet topology is not kept fixed is a challenging discrete-continuous optimization problem. Usually, this task has been performed through equation based models. This approach presents several problems, as tedious and complicated component properties estimation or the handling of huge problems (with thousands of equations and variables). We propose a GDP approach as an alternative to the MINLP models coupled with a flowsheet program. The novelty of this approach relies on using a commercial modular process simulator where the superstructure is drawn directly on the graphical use interface of the simulator. This methodology takes advantage of modular process simulators (specially tailored numerical methods, reliability, and robustness) and the flexibility of the GDP formulation for the modeling and solution. The optimization tool proposed is successfully applied to the synthesis of a methanol plant where different alternatives are available for the streams, equipment and process conditions.

La enseñanza de robótica en el Máster en Automática y Robótica mediante un robot modular

Este trabajo muestra cómo se realiza la enseñanza de robótica mediante un robot modular y los resultados educativos obtenidos en el Máster Universitario en Automática y Robótica de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. En el artículo se describen los resultados obtenidos con el uso de este robot modular tanto en competencias genéricas como específicas, en las enseñanzas de electrónica, control y programación del Máster. En este artículo se exponen los objetivos de aprendizaje para cada uno de ellos, su aplicación a la enseñanza y los resultados educativos obtenidos. En los resultados del estudio, cabe destacar que el alumno ha mostrado mayor interés y ha fomentado su aprendizaje autónomo. Para ello, el robot modular se construyó con herramientas para fomentar este tipo de enseñanza y aprendizaje, tales como comunicaciones interactivas para monitorizar, cambiar y adaptar diversos parámetros de control y potencia del robot.

Desarrollo de un robot modular para la enseñanza en el Máster en Automática y Robótica

Este trabajo presenta el diseño, construcción y programación de un robot modular para el desarrollo tanto de competencias genéricas como específicas, en las enseñanzas de electrónica, control y programación del Master de Automática y Robótica de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. En este trabajo se exponen los diferentes módulos propuestos, así como los objetivos de aprendizaje para cada uno de ellos. Uno de los factores más importantes a destacar en el presente estudio es el posible desarrollo de la creatividad y el aprendizaje autónomo. Para ello, se desarrollará especialmente un módulo de comunicación por bluetooth que servirá para monitorizar, cambiar y adaptar on-line diversos parámetros de control y potencia del robot. Además, dicha herramienta se ha introducido como parte de la metodología en las asignaturas del Máster de Electromecánica y Sistemas de Control Automático. En esta memoria se mostrarán los distintos resultados obtenidos durante y en la finalización de este trabajo.

Flora boreali-americana, sistens caracteres plantarum quas in America septentrionali collegit et detexit Andreas Michaux.

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