Optimização de uma aplicação paralela para simulações de dinâmica molecular

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

The role of complex chromosome translocations in leukemia

Resumo A tumorigénese é um processo de transformação celular que se desenrola tipicamente em várias etapas. Os diferentes níveis de evolução tumoral resultam da acumulação sucessiva de mutações genéticas numa célula normal que lhe conferem uma vantagem selectiva no respectivo meio tecidular. As mutações podem manifestar-se sob a forma de alterações nucleotídicas pontuais ao nível da sequência de DNA, levando a uma desregulação da função proteíca ou à formação de proteínas não-funcionais, ou através de alterações cromossómicas numéricas ou estruturais. Na leucemia, por exemplo, os genes híbridos que resultam de translocações cromossómicas desempenham um importante papel no processo tumorigénico. Estes genes são transcritos sob a forma de um RNA mensageiro de fusão, o qual é traduzido numa proteína híbrida com função oncogénica. Frequentemente, os subtipos de doença leucémica estão associados com translocações cromossómicas que envolvem 2 pontos de quebra recorrentes e específicos. É disto exemplo a leucemia mielóide crónica, em que uma translocação recíproca entre os cromossomas 9 e 22 conduz à formação de um gene de fusão BCR-ABL1. Em diferentes subtipos de doença, existe também uma pequena proporção de casos que apresenta translocações cromossómicas complexas, que envolvem um ou mais pontos de quebra adicionais em outras localizações genómicas além das que estão implicadas na formação dos genes de fusão. Por vezes, os pontos de quebra estão também associados a delecções extensas de material genético que se pensa terem uma função importante na tumorigénese. No entanto, o papel destas regiões genómicas no desenvolvimento tumoral não tem sido um motivo recorrente de estudo. Neste contexto, o objectivo desta dissertação foi o de determinar o potencial papel tumorigénico de alterações génicas adicionais ocorridas nos pontos de quebra de translocações cromossómicas complexas. Para a prossecução do objectivo proposto, foram estudados 5 rearranjos cromossómicos distintos associados com diferentes tipos de doença hematológica maligna, nomeadamente a leucemia linfoblástica aguda de células B (2 casos), leucemia mielóide aguda, neoplasma mieloproliferativo e síndrome mielodisplásico/neoplasma ieloproliferativo, não classificável. O mapeamento dos pontos de quebra foi efectuado utilizando a hibridação fluorescente in situ e diferentes metodologias de biologia molecular, tendo como base a informação inicial da análise citogenética. Em casos seleccionados, o papel dos novos genes candidatos foi avaliado in vitro utilizando modelos de linhas celulares, nomeadamente no que respeita às funções de controlo da proliferação celular e de regulação transcricional. De entre os 5 casos estudados, quatro deles evidenciaram translocações complexas envolvendo 3 cromossomas, nomeadamente t(12;21;5)(p13;q22;q13), t(12;6;15)(p13;p24~25;q22), t(9;11;19)(p22;q23;p13) e t(X;20;16)(p11;q13;q23). No caso remanescente, foi observada uma translocação dicêntrica dic(9;12)(p11;p11) acompanhada de delecções extensas em ambos os pontos de quebra. Nos casos com t(12;21;5) e t(9;11;19) as translocações estavam associadas com a presença de genes de fusão recorrentes, nomeadamente TV6(12p13)-RUNX1(21q22) e TLL(11q23)-MLLT3(9p22), indicando que se tratavam de rearranjos complexos das translocações t(12;21) e t(9;11) associadas com a leucemia linfoblástica aguda de células B e a leucemia mielóide aguda, respectivamente. O papel dos pontos de quebra adicionais foi estudado em detalhe no caso com t(9;11;19). Através da metodologia de long distance inverse-polymerase chain reaction, foram identificados os pontos de quebra na sequência de DNA dos 3 cromossomas envolvidos na translocação. Além dos pontos de quebra nos genes MLL e MLLT3, foi observado que o local de quebra no cromossoma 19 interrompeu a sequência de um novo gene, designado CCDC94,conduzindo à sua haplo-insuficiência nas células com t(9;11;19). Através de ensaios de reverse transcription-polymerase chain reaction verificámos que o gene CCDC94 é expresso ubiquitariamente em tecidos humanos normais. A análise informática da sequência prevista da proteína CCDC94 indicou uma elevada identidade de aminoácidos com a proteína cwf16, envolvida na regulação do ciclo celular da levedura Schizosaccharomyces pombe. Através da clonagem do DNA complementar de CCDC94 em vectores de expressão, e após a transfecção destes em culturas de linhas celulares in vitro, observámos que este gene codifica uma proteína de localização exclusivamente nuclear. A expressão ectópica da proteína CCDC94 diminuiu a progressão do ciclo celular e a proliferação das células em cultura. Inversamente, a supressão do transcrito do gene CCDC94 através de interferência de RNA conduziu a um aumento significativo da proliferação celular, confirmando que CCDC94 regula negativamente a proliferação e a progressão do ciclo celular. Estes resultados mostram que os pontos de quebra adicionais, presentes em translocações cromossómicas complexas em leucemia, podem resultar na haplo-insuficiência de genes controladores dos mecanismos proliferativos, cooperando desta forma com a acção das proteínas de fusão para proporcionar ao clone leucémico uma proliferação celular descontrolada. Nos restantes 3 casos estudados não foram identificados genes de fusão. Ao invés, todos aqueles apresentaram delecções de extensão variável associadas com os pontos de quebra cromossómicos. No caso com t(12;6;15), identificámos uma delecção de 1.2 megabases de DNA na banda 12p13 que resultou na eliminação de 9 genes incluindo ETV6 e CDKN1B. O gene ETV6 codifica um factor de transcrição que é essencial para a formação das diferentes linhagens hematopoiéticas na medula óssea, enquanto CDKN1B é traduzido numa proteína responsável por bloquear a entrada das células na fase G1 do ciclo celular e,consequentemente, por travar a proliferação celular. Neste contexto, os resultados obtidos indicam que a perda simultânea de ETV6 e de CDKN1B, através de uma translocação cromossómica complexa, constituiu uma acção cooperativa na leucemogénese. A mesma noção pode aplicar-se ao caso com dic(9;12), no qual pelo menos 2 genes que codificam para factores de transcrição importantes na linhagem hematopoiética, PAX5 no cromossoma 9 e ETV6 no cromossoma 12, estavam deleccionados como resultado do rearranjo cromossómico. Dado que o factor de transcrição PAX5 regula negativamente a expressão do gene FLT3, que desempenha uma função pró-proliferativa, é expectável que a haplo-insuficiência de PAX5 no caso com dic(9;12) terá tido como consequência uma elevação dos níveis de expressão de FLT3, contribuindo deste modo para uma proliferação celular aumentada. A t(X;20;16) foi identificada num doente com trombocitémia essencial (TE), uma doença que está intimamente relacionada com alterações de vias intracelulares reguladas por citocinas. Neste caso, através da utilização de um array genómico, identificámos a presença de pequenas delecções associadas com os pontos de quebra nos cromossomas 16 e 20. No cromossoma 16 apenas um gene, MAF, estava deleccionado, enquanto no cromossoma 20 a delecção tinha abrangido 3 genes. Dos genes deleccionados, dois deles, NFATC2 (20q13) e MAF (16q23), codificam proteínas que operam como reguladores transcricionais de citocinas hematopoiéticas. Dado que NFATC2 se localiza numa região que constitui um alvo frequente de delecções em neoplasmas ieloproliferativos, incluindo a trombocitémia essencial,efectuámos um estudo detalhado do papel deste gene na proliferação megacariocítica e na regulação da expressão de uma citocina hematopoiética (GM-CSF), implicada na maturação das diferentes linhagens mielóides. Utilizando um modelo de linha celular de trombocitémia essencial, verificámos que a supressão do transcrito do gene NFATC2 in vitro, por interferência de RNA, estava associada com um aumento da proliferação celular. Em concordância, o bloqueio da activação da proteína NFATC2 através de um inibidor específico da sua interacção com a calcineurina, conduziu a um aumento da proliferação celular in vitro. Utilizando a PCR quantitativa em tempo real, detectou-se um aumento da produção do RNA de GM-CSF em ambos os ensaios celulares, indicando que o factor de transcrição NFATC2 pode regular negativamente a expressão de GM-CSF em células de trombocitémia essencial. No geral, estes resultados mostram que a redução dos níveis fisiológicos do transcrito NFATC2, ou a redução da respectiva actividade proteica, estão relacionados com a proliferação de megacariocitos através do aumento da produção de GM-CSF. De acordo com estes resultados, verificámos que as células dos doentes com TE apresentam níveis mais baixos do transcrito NFATC2 do que a população normal. Dado que o factor de transcrição MAF desempenha igualmente um papel como regular transcricional de citocinas, é plausível que a haplo-insuficiência dos genes NFATC2 e MAF, resultante do rearranjo cromossómico complexo t(X;20;16), teve um efeito cooperativo importante na patogénese da trombocitémia essencial através da alteração do padrão normal de expressão das citocinas hematopoiéticas. Em síntese, efectuámos nesta dissertação um estudo citogenético de 4 translocações cromossómicas complexas incluindo t(12;21;5), t(12;6;15), t(9;11;19) e t(X;20;16), e de uma translocação dicêntrica dic(9;12), associadas com diferentes neoplasmas hematológicos. Em casos seleccionados efectuámos também um estudo molecular detalhado das regiões dos pontos de quebra. Esta análise permitiu-nos identificar 2 genes, CCDC94 no cromossoma 19 e NFATC2 no cromossoma 20, cuja haplo-insuficiência pode promover o aumento da proliferação celular das células leucémicas. A partir destes estudos podem ser retiradas 2 noções principais: (i) Os pontos de quebra adicionais, que ocorrem em translocações complexas associadas com a formação de genes de fusão, podem ter como consequência a desregulação de genes controladores da proliferação celular (e.g., CCDC94); (ii) As translocações complexas caracterizadas pela ausência de genes de fusão recorrentes poderão estar preferencialmente associadas com a presença de delecções, envolvendo um ou mais genes, nos pontos de quebra; nestas situações, serão necessários pelo menos 2 genes com funções celulares semelhantes (e.g., NFATC2 e MAF) ou complementares (e.g., ETV6 e CDKN1B) para, quando deleccionados, promoverem de forma cooperativa a leucemogénese. Nestes termos, o modelo de alterações genéticas sequenciais que caracteriza o desenvolvimento do cancro pode ser substituído por um modelo em que vários genes-alvo são simultaneamente desregulados pela formação de uma translocação cromossómica complexa, evitando deste modo a necessidade de ocorrência de alterações genéticas subsequentes.----------------------ABSTRACT: Tumourigenesis is a multistep process which results from the accumulation of successive genetic mutations in a normal cell. In leukemia for instance, recurrent translocations play a part in this process by generating fusion genes which lead to the production of hybrid proteins with an oncogenic role. However, a minor subset of chromosomal translocations referred to as complex or variant involves extra breakpoints at variable genome locations in addition to those implicated in the formation of fusion genes. We aimed to describe in this work the role, if any, of genes located at extra breakpoint locations or which are affected by breakpoint-adjacent deletions through the study of 5 leukemia patients.Two of the patients presented with TV6(12p13)-RUNX1(21q22) and MLL(11q23)- MLLT3(9p22) fusion genes as a result of a t(12;21;5) and a t(9;11;19), respectively. Detailed molecular characterization of the extra breakpoint at chromosome 19 in the latter case revealed that a novel ubiquitously expressed gene, CCDC94, with a potential role in cell cycle regulation, was disrupted by the breakpoint. We demonstrated using in vitro cellular assays that this gene codifies for a nuclear protein which negatively regulates cell cycle progression. These data shows that extra breakpoint locations of complex translocations may result in haplo-insufficiency of critical proliferation genes, thereby cooperating with the generation of hybrid proteins to provide unrestrained cell proliferation. In the other 3 patients there were reakpoint-associated deletions which precluded the formation of putative fusion genes. In a case with a t(12;6;15) we characterized a deletion at 12p13 which eliminated ETV6 and 8 other genes including CDKN1B. These findings indicate that concomitant loss of ETV6 and CDKN1B, which encodes a cyclin-dependent kinase inhibitor responsible for blocking entry of cells into the G1 phase of the cell cycle, acted cooperatively to promote leukemogenic proliferation. The same notion applied to a case with a dic(9;12) in which 2 genes encoding hematopoietic transcription factors - ETV6 and PAX5 (9p13)- were deleted as a result of breakpoint-adjacent deletions. Similarly, we found that 2 transcription factor genes involved in the regulation of cytokine expression, NFATC2 (20q13) and MAF (16q23), were involved in deletions contiguous to the breakpoints in a patient with a t(X;20;16). In vitro suppression of NFATC2 mRNA or inhibiton of NFATC2 protein activity enhanced cell proliferation as a result of an increase in the production of a myeloid-lineage stimulating hematopoietic cytokine, GM-CSF. These results suggest that haplo-insufficiency of NFATC2 and MAF genes had a cooperative effect in inducing cell proliferation as a result of a disregulation of cytokine production. Two main conclusions may be drawn from our studies: (i) In complex translocations associated with the production of fusion genes, additional breakpoints may cooperate in tumourigenesis by targeting genes that control cell proliferation; (ii) In complex translocations associated with small breakpoint-adjacent deletions, at least 2 genes with similar or complementary functions need to be deregulated to promote tumourigenesis.

Avaliação da evolução das características de argamassas de cal aérea com diferentes teores de metacaulino sujeitas a ambientes de diferente humidade relativa

Dissertação para obtenção do grau Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Construção

Molecular aspects of hepatic carcinogenesis

Exogenous agents correlated with hepatocellular carcinoma (HCC) have been identified and well characterized. These agents, including the different viruses that cause chronic hepatitis and cirrhosis, can lead to regenerative nodules and dysplastic nodules/adenomatous hyperplasia. These conditions associated with several molecular alterations of hepatocyte ultimately culminate in hepatocellular carcinoma. Recently, there has been a great progress in the identification of somatic and germinative mutations that may be correlated with the development of HCC, justifying a review on the subject. Hence, the factors involved in the process of hepatic carcinogenesis, such as infection by the hepatitis B and C viruses, with a special focus in the molecular alterations described in recent years are discussed herein, pointing out areas potentially relevant for clinical development.

Gold nanoparticle to antibody conjugates for diagnosis applications: molecular interactions and immunoassay development

Thesis for the Master degree in Structural and Functional Biochemistry

Conventional and molecular typing of Salmonella typhi strains from Brazil

Phenotypic and genotypic characteristics of Salmonella Typhi were studied in 30 strains, isolated in different years, from some areas in Brazil. Conventional typing methods were performed by biochemical tests, Vi phage-typing scheme, and antimicrobial susceptibility test. Molecular typing methods were performed by analysis of plasmid DNA and by random amplified polymorphic DNA (RAPD-PCR). For the latter, an optimization step was performed to ensure the reproducibility of the process in genetic characterization of S. Typhi. The predominance of 76.7% of biotype I (xylose +, arabinose -) was noticed in all studied areas. Three phage types were recognized, with prominence for the phage types A (73.3%) and I+IV (23.3%). All the strains were susceptible to the drugs used. However, 36.7% of the strains contained plasmids, with predominance of the 105 Kb plasmid. RAPD was capable of grouping the strains in 8 genotypic patterns using primer 784, in 6, using primer 787 and in 7, using primer 797. Conventional phenotypic typing methods, as well as the DNA plasmid analysis, presented nonsignificant discriminatory power; however, RAPD-PCR analysis showed discriminatory power, reproducibility, easy interpretation and performance, being considered as a promising alternative typing method for S. Typhi.

Molecular characterization of Dengue viruses type 1 and 2 isolated from a concurrent human infection

In 2001, an autochthonous case of dual viremia, resulting from naturally acquired dengue virus DEN-1 and DEN-2 infections was detected during the dengue outbreak that occurred in Barretos, a city with about 105,000 inhabitants in the North region of São Paulo State. Serotype identification was based on virus isolation to C6/36 mosquito cells culture and immunofluorescence assays using type-specific monoclonal antibodies. The double infection was also confirmed by reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). Comparative analysis of the 240-nucleotide sequences of E/NS1 gene junction region between the genome of DEN-1 and DEN-2 isolates of the corresponding reference Nauru and PR 159S1 strains, respectively, showed some nucleotide differences, mainly silent mutations in the third codon position. Results of maximum likelihood phylogenetic analysis of E/NS1 gene sequences indicated that both genotypes of DEN-1 and DEN-2 viruses recovered from double infection in Barretos belonged to genotypes I and III, respectively.

Molecular typing of dengue virus type 2 in Brazil

Strain typing is a critical tool for molecular epidemiological analysis and can provide important information about the spread of dengue viruses. Here, we performed a molecular characterization of DEN-2 viruses isolated in Brazil during 1990-2000 from geographically and temporally distinct areas in order to investigate the genetic distribution of this serotype circulating in the country. Restriction site-specific polymerase chain reaction (RSS)-PCR presented the same pattern for all 52 Brazilian samples, showing the circulation of just one DEN-2 variant. Phylogenetic analysis using progressive pairwise alignments from 240-nucleotide sequences of the E/NS1 junction in 15 isolates showed that they belong to genotype III (Jamaica genotype).

Phenotypic and molecular characterization of Salmonella Enteritidis strains isolated in São Paulo, Brazil

In São Paulo State, Brazil, the epidemic increase in isolation of Salmonella Enteritidis has been observed since 1994. A total of 105 S. Enteritidis strains (72 from human and 33 from non-human sources) isolated during the period 1975-1995, previously characterized by phage typing, was analyzed by antimicrobial susceptibility, plasmid profile, and ribotyping. Over 70% of the strains were susceptible to all antimicrobial agents tested, however, multiple resistance to antimicrobials was observed among the studied strains, mainly those from hospitalized patients. Phage type 8 (PT-8) was predominant among the strains isolated during the period of 1975-1992, but in the following years, PT-4 was the most frequent phage type identified. Seven different plasmid profiles were detected and 96% of the isolates harbored a plasmid of approximately 36 MDa. Ribotyping discriminated fourteen ribotypes (R1 to R14) among the strains examined. By analysis of dendrogram the strains were included in three groups with similarity level of 60%. The obtained results indicate that, a single ribotype (R11), determined for PT-4 strains isolated from 1993, characterizes the epidemic clone of S. Enteritidis in our region.

ABO System: molecular mimicry of Ascaris lumbricoides

A. lumbricoides has been associated to the ABO System by various authors. The objective was to detect ABO System epitopes in A. lumbricoides of groups O, A, B and AB patients. 28 adult parasites were obtained from children to be used as assay material. The patients ABO blood groups were determined. Extracts of A. lumbricoides [AE] were prepared by surgical remotion of the cuticle and refrigerated mechanical rupture. Agglutination Inhibition (AI) and Hemoagglutination Kinetics (HK) tests were used with the [AE]. Of the 28 [AE], eight belonged to O group patients, 15 to A group, three to B group and the remaining two to AB children. The AI Test showed A epitopes in two [AE] of group A patients and B epitopes in two [AE] of group B patients. The HK Test showed B antigenic determiners in two [AE] of group B patients and in two [AE] of group AB patients as well as A antigenic determiners in one [AE] of A group patient. Of the 28 [AE] studied in both tests B epitopes were detected in all [AE] from B and AB patients and A epitopes in three of the 15 [AE] of group A patients. The experiments carried out suggest that A. lumbricoides might absorb A and B antigens from the host, and/or modify the cuticular carbohydrates expression as a kind of antigenic mimicry.

A evolução da população ao longo do séculoXIX. Uma perspectiva global

pp. 245-284

Synthesis of molecular biomimetics

Biomimetics has paved the way toward new materials and technologies inspired in Nature. Biomolecules and their supramolecular organization have today a leading role in biomimetics, benefiting from the recent advances in nanotechnology. The production of biomimetic materials may be however a difficult task, because Nature does it very well. The use of several building blocks assembled in bottom-up arrangement is without doubt at the core of this process. Such building blocks include different molecules or molecular arrangements, of synthetic or natural origin, such as amino acids, lipids, carbohydrates, nucleic acids, carbon allotropes, dendrimers, or organosilanes, among others. The most common approaches to produce synthetic biomimetic materials are reported herein, with special emphasis to building blocks and their supramolecular arrangement.

Myoglobin-biomimetic electroactive materials made by surface molecular imprinting on silica beads and their use as ionophores in polymeric membranes for potentiometric transduction

Myoglobin (Mb) is among the cardiac biomarkers playing a major role in urgent diagnosis of cardiovascular diseases. Its monitoring in point-of-care is therefore fundamental. Pursuing this goal, a novel biomimetic ionophore for the potentiometric transduction of Mb is presented. It was synthesized by surface molecular imprinting (SMI) with the purpose of developing highly efficient sensor layers for near-stereochemical recognition of Mb. The template (Mb) was imprinted on a silane surface that was covalently attached to silica beads by means of self-assembled monolayers. First the silica was modified with an external layer of aldehyde groups. Then, Mb was attached by reaction with its amine groups (on the external surface) and subsequent formation of imine bonds. The vacant places surrounding Mb were filled by polymerization of the silane monomers 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and propyltrimethoxysilane (PTMS). Finally, the template was removed by imine cleavage after treatment with oxalic acid. The results materials were finely dispersed in plasticized PVC selective membranes and used as ionophores in potentiometric transduction. The best analytical features were found in HEPES buffer of pH 4. Under this condition, the limits of detection were of 1.3 × 10−6 mol/L for a linear response after 8.0 × 10−7 mol/L with an anionic slope of −65.9 mV/decade. The imprinting effect was tested by preparing non-imprinted (NI) particles and employing these materials as ionophores. The resulting membranes showed no ability to detect Mb. Good selectivity was observed towards creatinine, sacarose, fructose, galactose, sodium glutamate, and alanine. The analytical application was conducted successfully and showed accurate and precise results.

Ditopic molecular architectures for the recognition of anionic species

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Chemistry