Cellular responses to genome mistranslation

Low level protein synthesis errors can have profound effects on normal cell physiology and disease development, namely neurodegeneration, cancer and aging. The biology of errors introduced into proteins during mRNA translation, herein referred as mistranslation, is not yet fully understood. In order to shed new light into this biological phenomenon, we have engineered constitutive codon misreading in S. cerevisiae, using a mutant tRNA that misreads leucine CUG codons as serine, representing a 240 fold increase in mRNA translational error relative to typical physiological error (0.0001%). Our studies show that mistranslation induces autophagic activity, increases accumulation of insoluble proteins, production of reactive oxygen species, and morphological disruption of the mitochondrial network. Mistranslation also up-regulates the expression of the longevity gene PNC1, which is a regulator of Sir2p deacetylase activity. We show here that both PNC1 and SIR2 are involved in the regulation of autophagy induced by mistranslation, but not by starvation-induced autophagy. Mistranslation leads to P-body but not stress-granule assembly, down-regulates the expression of ribosomal protein genes and increases slightly the selective degradation of ribosomes (ribophagy). The study also indicates that yeast cells are much more resistant to mistranslation than expected and highlights the importance of autophagy in the cellular response to mistranslation. Morpho-functional alterations of the mitochondrial network are the most visible phenotype of mistranslation. Since most of the basic cellular processes are conserved between yeast and humans, this study reinforces the importance of yeast as a model system to study mistranslation and suggests that oxidative stress and accumulation of misfolded proteins arising from aberrant protein synthesis are important causes of the cellular degeneration observed in human diseases associated to mRNA mistranslation.

Evolution and functional relevance of Ataxin-3 paralogues

O gene ataxin-3 (ATXN3; 14q32.1) codifica uma proteína expressa ubiquamente, envolvida na via ubiquitina-proteassoma e na repressão da transcrição. Grande relevância tem sido dada ao gene ATXN3 após a identificação de uma expansão (CAG)n na sua região codificante, responsável pela ataxia mais comum em todo o mundo, SCA3 ou doença de Machado-Joseph (DMJ). A DMJ é uma doença neurodegenerativa, autossómica dominante, de início tardio. O tamanho do alelo expandido explica apenas uma parte do pleomorfismo da doença, evidenciando a importância do estudo de outros modificadores. Em doenças de poliglutaminas (poliQ), a toxicidade é causada por um ganho de função da proteína expandida; no entanto, a proteína normal parece ser, também, um dos agentes modificadores da patogénese. O gene ATXN3 possui dois parálogos humanos gerados por retrotransposição: ataxin-3 like (ATXN3L) no cromossoma X, e LOC100132280, ainda não caracterizado, no cromossoma 8. Estudos in vitro evidenciaram a capacidade da ATXN3L para clivar cadeias de ubiquitina, sendo o seu domínio proteolítico mais eficiente do que o domínio da ATXN3 parental. O objetivo deste estudo foi explorar a origem e a evolução das retrocópias ATXN3L e LOC100132280 (aqui denominadas ATXN3L1 e ATXN3L2), assim como testar a relevância funcional de ambas através de abordagens evolutivas e funcionais. Deste modo, para estudar a divergência evolutiva dos páralogos do gene ATXN3: 1) analisaram-se as suas filogenias e estimou-se a data de origem dos eventos de retrotransposição; 2) avaliaram-se as pressões seletivas a que têm sido sujeitos os três parálogos, ao longo da evolução dos primatas; e 3) explorou-se a evolução das repetições CAG, localizadas em três contextos genómicos diferentes, provavelmente sujeitos a diferentes pressões seletivas. Finalmente, para o retrogene que conserva uma open reading frame (ORF) intacta, ATXN3L1, analisou-se, in silico, a conservação dos locais e domínios proteicos da putativa proteína. Ademais, para este retrogene, foi estudado o padrão de expressão de mRNA, através da realização de PCR de Transcriptase Reversa, em 16 tecidos humanos. Os resultados obtidos sugerem que dois eventos independentes de retrotransposição estiveram na origem dos retrogenes ATXN3L1 e ATXN3L2, tendo o primeiro ocorrido há cerca de 63 milhões de anos (Ma) e o segundo após a divisão Platirrínios-Catarrínios, há cerca de 35 Ma. Adicionalmente, outras retrocópias foram encontradas em primatas e outros mamíferos, correspondendo, no entanto, a eventos mais recentes e independentes de retrotransposição. A abordagem evolutiva mostrou a existência de algumas constrições selectivas associadas à evolução do gene ATXN3L1, à semelhança do que acontece com ATXN3. Por outro lado, ATXN3L2 adquiriu codões stop prematuros que, muito provavelmente, o tornaram num pseudogene processado. Os resultados da análise de expressão mostraram que o gene ATXN3L1 é transcrito, pelo menos, em testículo humano; no entanto, a optimização final da amplificação específica dos transcriptos ATXN3L1 permitirá confirmar se a expressão se estende a outros tecidos. Relativamente ao mecanismo de mutação inerente à repetição CAG, os dois parálogos mostraram diferentes padrões de evolução: a retrocópia ATXN3L1 é altamente interrompida e pouco polimórfica, enquanto a ATXN3L2 apresenta tratos puros de (CAG)n em algumas espécies e tratos hexanucleotídicos de CGGCAG no homem e no chimpanzé. A recente aquisição da repetição CGGCAG pode ter resultado de uma mutação inicial de CAG para CGG, seguida de instabilidade que proporcionou a expansão dos hexanucleótidos.Estudos futuros poderão ser realizados no sentido de confirmar o padrão de expressão do gene ATXN3L1 e de detetar proteína endógena in vivo. Adicionalmente, a caracterização da proteina ataxina-3 like 1 e dos seus interatores moleculares poderá povidenciar informação acerca da sua relevância no estado normal e patológico.

Variabilidade genómica de Citrus tristeza virus e transformação genética de Citrus aurantium L. com vista à obtenção de resistência

Tese de dout., Biologia, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2003

The role of lymphotoxin-B receptor signaling in t-cell acute lymphoblastic leukemia development

Dissertação de mest., Ciências Biomédicas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Insights into molecular and cellular events involved in normal and pathological vertebral development and fusion using zebrafish as model organism

The vertebral column and its units, the vertebrae, are fundamental features, characteristic of all vertebrates. Developmental segregation of the vertebral bodies as articulated units is an intrinsic requirement to guarantee the proper function of the spine. Whenever these units become fused either during development or postsegmentation, movement is affected in a more or less severe manner, depending on the number of vertebrae affected. Nevertheless, fusion may occur as part of regular development and as a physiological requirement, like in the tetrapod sacrum or in fish posterior vertebrae forming the urostyle. In order to meet the main objective of this PhD project, which aimed to better understand the molecular and cellular events underlying vertebral fusion under physiological and pathological conditions, a detailed characterization of the vertebral fusion occurring in zebrafish caudal fin region was conducted. This showed that fusion in the caudal fin region comprised 5 vertebral bodies, from which, only fusion between [PU1++U1] and ural2 [U2+] was still traceable during development. This involved bone deposition around the notochord sheath while fusion within the remaining vertebral bodies occur at the level of the notochord sheath, as during the early establishment of the vertebral bodies. A comparison approach between the caudal fin vertebrae and the remaining vertebral column showed conserved features such as the presence of mineralization related proteins as Osteocalcin were identified throughout the vertebral column, independently on the mineralization patterns. This unexpected presence of Osteocalcin in notochord sheath, here identified as Oc1, suggested that this gene, opposing to Oc2, generally associated with bone formation and mature osteoblast activity, is potentially associated with early mineralization events including chordacentrum formation. Nevertheless, major differences between caudal fin region and anterior vertebral bodies considering arch histology and mineralization patterns, led us to use RA as an inductive factor for vertebral fusion, allowing a direct comparison of equivalent structures under normal and fusion events. This fusion phenotype was associated with notochord sheath ectopic mineralization instead of ectopic perichordal bone formation related with increased osteoblast activity, as suggested in previous reports. Additionally, alterations in ECM content, cell adhesion and blood coagulation were discussed as potentially related with the fusion phenotype. Finally, Matrix gla protein, upregulated upon RA treatment and shown to be associated with chordacentrum mineralization sites in regular development, was further described considering its potential function in vertebral formation and pathological fusion. Therefore with this work we propose zebrafish caudal fin vertebral fusion as a potential model to study both congenital and postsegmentation fusion and we present candidate factors and genes that may be further explored in order to clarify whether we can prevent vertebral fusion.

Study of influence of regulatory polymorphisms of expression in development of breast cancer

The human genome has millions of genetics variants that can affect gene expression. These variants are known as cis-regulatory variants and are responsible for intra-species phenotypic differences and individual susceptibility to disease. One of the diseases affected by cis-regulatory variants is breast cancer. Breast cancer is one of the most common cancers, with approximately 4500 new cases each year in Portugal. Breast cancer has many genes mutated and TP53 has been shown to be relevant for this disease. TP53 is one of the most commonly mutated genes in human cancer and it is involved in cell cycle regulation and apoptosis. Previous work by Maia et al has shown that TP53 has differential allelic expression (DAE), which suggests that this gene may be under the influence of cis-regulatory variants. Also, its DAE pattern is totally altered in breast tumours with normal copy number. We hypothesized that cis-regulatory variants affecting TP53 may have a role in breast cancer development and treatment. The present work aims to identify the cis-regulatory variants playing a role in TP53 expression, using in silico, in vitro and in vivo approaches. By bioinformatic tools we have identified candidate cis-regulatory variants and predicted the possible transcription factor binding sites that they affect. By EMSA we studied DNA-protein interactions in this region of TP53. The in silico analysis allowed us to identified three candidate cis-regulatory SNPs which may affect the binding of seven transcription factors. However, the EMSA experiments have not been conclusive and we have not yet confirmed whether any of the identified SNPs are associated with gene expression control of TP53. We will carry out further experiments to validate our findings.

Synthesis and evaluation of polymer nanoparticles for delivery in RPE cells

Ocular pathologies are among the most debilitating medical conditions affecting all segments of the population. Traditional treatment options are often ineffective, and gene therapy has the potential to become an alternative approach for the treatment of several pathologies. Methacrylate polymers have been described as highly biocompatible and are successfully used in medical applications. Due to their cationic nature, these polymers can be used to form polyplexes with DNA for its delivery. This work aims to study the potential of PDMAEMA (poly(2-(N,N’-dimethylamino)ethyl methacrylate)) as a non viral gene delivery system to the retina. The first part of this work aimed to study the potential for gene delivery of a previously synthesized PDMAEMA polymer of high molecular weight (354kDa). In the second part, we synthesized by RAFT a PDMAEMA with a lower molecular weight (103.3kDa) and similarly, evaluated its ability to act as a gene delivery vehicle. PDMAEMA/DNA polyplexes were prepared at 5, 7.5, 10, 12.5 and 20 nitrogen/phosphorous (N/P) ratio for the 354kDa PDMAEMA and at 5 and 7.5 for the 103.3kDa PDMAEMA. Dynamic light scattering and zeta potential measurements confirmed the nanosize and positive charge of polyplexes for all ratios and for both polymers. Both high and low Mw PDMAEMA were able to efficiently complex and protect DNA from DNase I degradation. Their cytotoxicity was evaluated using a non-retinal cell line (HEK293) and a retinal pigment epithelium (RPE) cell line (D407). We have found that cytotoxicity of the free polymer is concentration and time dependent, as expected, and negligible for all the concentrations of the PDMAEMA-DNA polyplexes. Furthermore, for the concentrations to be used in vivo, the 354kDa PDMAEMA showed no signs of inflammation upon injection in the intravitreal space of C57BL/6 mice. The transfection efficiency, as evaluated by fluorescence microscopy and flow cytometry, showed that the D407 retinal cells were transfected by polyplexes of both high and low Mw PDMAEMA, but with varied efficiency, which was dependent on the N/P ratio. Althogether, these results suggest that PDMAEMA is a feasible candidate for non-viral gene delivery to the retina, and this work constitutes the basis of further studies to elucidate the bottleneck in transfection and further optimization of the material.

Molecular structure and functional analysis of runx3 in zebrafish

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, 2014

Identification of novel molecular determinants of tissue mineralization in fish

The identification of genes involved in signaling and regulatory pathways, and matrix formation is paramount to the better understanding of the complex mechanisms of bone formation and mineralization, and critical to the successful development of therapies for human skeletal disorders. To achieve this objective, in vitro cell systems derived from skeletal tissues and able to mineralize their extracellular matrix have been used to identify genes differentially expressed during mineralization and possibly new markers of bone and cartilage homeostasis. Using cell systems of fish origin and techniques such as suppression subtractive hybridization and microarray hybridization, three genes never associated with mechanisms of calcification were identified: the calcium binding protein S100-like, the short-chain dehydrogenase/reductase sdr-like and the betaine homocysteine S-methyltransferase bhmt3. Analysis of the spatial-temporal expression of these 3 genes by qPCR and in situ hybridization revealed: (1) the up-regulation of sdr-like transcript during in vitro mineralization of gilthead seabream cell lines and its specificity for calcified tissues and differentiating osteoblasts; (2) the up-regulation of S100-like and the down-regulation of bhmt3 during in vitro mineralization and the central role of both genes in cartilaginous tissues undergoing endo/perichondral mineralization in juvenile fish. While expression of S100-like and bhmt3 was restricted to calcified tissues, sdr-like transcript was also detected in soft tissues, in particular in tissues of the gastrointestinal tract. Functional analysis of gene promoters revealed the transcriptional regulation of the 3 genes by known regulators of osteoblast and chondrocyte differentiation/mineralization: RUNX2 and RAR (sdr-like), ETS1 (s100-like; bhmt3), SP1 and MEF2c (bhmt3). The evolutionary relationship of the different orthologs and paralogs identified within the scope of this work was also inferred from taxonomic and phylogenetic analyses and revealed novel protein subfamilies (S100-like and Sdr-like) and the explosive diversity of Bhmt family in particular fish groups (Neoteleostei). Altogether our results contribute with new data on SDR, S100 and BHMT proteins, evidencing for the first time the role for these three proteins in mechanisms of mineralization in fish and emphasized their potential as markers of mineralizing cartilage and bone in developing fish.

The impact of the phytopathogen Pectobacterium carotovorum in Drosophila melanogaster development

Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Avaliação do envolvimento das bombas de efluxo na fármaco-resistência ao Praziquantel em Schistosoma Mansonii

O Praziquantel (PZQ) é o fármaco de primeira linha no tratamento da schistosomose, com alta taxa de cura e sem efeitos secundários significativos. Têm sido reportados cada vez mais casos de resistência ou de aumento de tolerância a este fármaco, aumentando as preocupações de emergência de estirpes resistentes ao PZQ. O Verapamil, um bloqueador de canais de cálcio, inibe o fluxo de fármaco activo e tem sido descrito como um bom inibidor das glicoproteínas-P (P-gp), sendo, por isso, utilizado em diversos estudos de fármaco-resistência. No laboratório de Helmintologia da Unidade de Ensino e Investigação em Parasitologia Médica do Instituto de Higiene e Medicina Tropical, foi seleccionada uma linha de S. mansoni, resistente a 800 mg/Kg de PZQ, após pressão de fármaco constante e crescente ao longo de vários ciclos. Para confirmar a existência de diferenças polimórficas entre a estirpes sensível e resistente de S. mansoni, extraiu-se o DNA de parasitas adultos de ambas as estirpes de S. mansoni e analisou-se por Random Amplified Polymorphic DNAPolymerase Chain Reaction (RAPD-PCR). As diferenças polimórficas entre a estirpe sensível e a resistente foram observadas e calculou-se o coeficiente de similaridade (Dice’s coefficient). Após confirmar a existência de polimorfismos entre as duas estirpes, a atividade das bombas de efluxo foi avaliada em ambas as estirpes. A avaliação foi realizada num ensaio de acumulação usando o composto Brometo de Etídio na presença e ausência de Verapamil. O papel das bombas de efluxo na resistência ao PZQ, foi ainda investigado comparando a resposta dos parasitas da estirpe sensível e resistente ao fármaco na ausência e na presença de diferentes doses de Verapamil, em cultura in vitro. Os resultados obtidos foram reforçados comparando os níveis e expressão do gene SmMDR2 em ambas as estirpes isogénicas por Real-Time PCR (qPCR). A estirpe resistente de S. mansoni, necessitou de concentrações mais elevadas de inibidor quando comparada com a estirpe sensível para obter níveis significativos de fluorescência de Brometo de Etídio. A cultura in vitro mostrou uma dose letal de PZQ mais elevada na estirpe resistente do que na estirpe sensível na ausência de Verapamil. Na presença de Verapamil houve uma redução na dose letal de PZQ nos machos de ambas as estirpes, sendo esta redução mais acentuada nos machos da estirpe resistente. As fêmeas não mostraram alterações significativas na dose letal de PZQ na presença e ausência e inibidor. Os resultados foram reforçados pela observação dos níveis do gene SmMDR2, onde os machos da estirpe resistente mostraram ter os maiores níveis de expressão e pelo aumento de expressão nos machos de ambas as estirpes após exposição ao PZQ. As fêmeas de ambas as estirpes não tiveram diferenças significativas na expressão do gene após exposição ao PZQ e as fêmeas da estirpe resistente tiveram mostraram ter os níveis de expressão do gene SmMDR2 mais baixos entre os machos e fêmeas de ambas as estirpes. Os resultados obtidos neste trabalho mostraram que os machos da estirpe resistente têm maior atividade de bombas de efluxo do que os machos da estirpe sensível e que as bombas P-gp estão envolvidas na resposta e no aumento de tolerância dos machos de S. mansoni ao PZQ.

Transformação genética em cevada por bombardeamento de partículas

A presente Tese de Doutorado objetivou: (1) definir um método eficiente de transformação genética, por bombardeamento de partículas, para a obtenção de plantas transgênicas de cultivares brasileiras de cevada e (2) identificar gene(s) codificante(s) de quitinase(s) potencialmente capaz(es) de conferir resistência ao fungo patogênico de cevada Bipolaris sorokiniana. Culturas de calos obtidos a partir de escutelos imaturos das cultivares Brasileiras de cevada MN-599 e MN-698 (Cia. de Bebidas das Américas, AMBEV) foram bombardeadas com partículas de tungstênio e avaliadas quanto à expressão do gene repórter gusA através de ensaios histoquímicos de GUS e quanto ao efeito dos bombardeamentos na indução estruturas embriogênicas e regeneração de plantas. As condições de biobalística analisadas incluíram a região promotora regulando a expressão de gusA, tipo e pressão de gás hélio de dois aparelhos de bombardeamento, distância de migração das partículas, número de tiros e a realização de pré e pós-tratamento osmótico dos tecidos-alvo. No presente trabalho foram obtidos um número bastante alto de pontos azuis por calo, a indução de calos embriogênicos e embriões somáticos em uma freqüência de até 58,3% e a regeneração de 60 plantas, sendo 43 de calos bombardeados. As melhores condições observadas foram o promotor e primeiro íntron do gene Adh de milho (plasmídeo pNGI), o aparelho de bombardeamento “ Particle Inflow Gun” (PIG) utilizando-se a distância de migração de partículas de 14,8 cm, dois tiros disparados por placa e a realização de tratamento osmótico dos explantes com 0,2 M de manitol e 0,2 M de sorbitol 4-5 horas antes e 17-19 horas depois dos bombardeamentos. Das 43 plantas obtidas de calos bombardeadas, 3 apresentaram atividade de GUS na base das suas folhas. A utilização de primers sintéticos definidos a partir de genes de quitinases descritos na literatura em PCRs resultou na amplificação de dois fragmentos de aproximadamente 700 e 500 pb a partir de DNA total das cvs. MN-599 e MN-698 de cevada e um fragmento, com aproximadamente 500 pb, a partir do DNA total do isolado A4c de Trichoderma sp. Estes fragmentos foram purificados dos géis de agarose e diretamente seqüenciados de forma manual e automática. Os fragmentos de 700 e 500 pb amplificados do genoma da cultivar MN-599 foram identificados como genes de quitinases de cevada e o fragmento de 500 pb do isolado A4c de Trichoderma sp. não apresentou homologia com seqüências conhecidas de quitinases depositadas no EMBL/GenBank. A utilização de novos pares de primers, representando seqüências conservadas de quitinases do fungo Metarhizium anisopliae, resultou na amplificação de 3 fragmentos a partir do DNA total do isolado A4b de Trichoderma sp., que estão sendo purificados para realização de seqüenciamento.

Expression of the sigma35 and cry2AB genes involved in Bacillus thuringiensis virulence

Muitos genes estão envolvidos nos mecanismos de esporulação da bactéria Bacillus thuringiensis. A regulação e expressão desses genes resultam em uma produção massiva da proteína Cry, responsável pela morte das larvas de muitos insetos. Neste trabalho monitorou-se a expressão de genes de Bacillus thuringiensis, ao longo de três fases de seu desenvolvimento. Foram construídos macroarrays de DNA dos genes selecionados, cujas seqüências estão disponibilizadas no GenBank. Estes genes foram hibridizados com cDNAs obtidos de B. thuringiensis kurstaki HD-1. As sondas de cDNA foram sintetizadas a partir da transcrição reversa do RNA da bactéria, extraído durante as fases de crescimento logarítmico, estacionária e esporulativa, marcadas com 33PadCTP. A expressão diferencial encontrada foi significativa para dois genes de B.thuringiensis, um relacionado aos fatores sigma (sigma35) e outro ao gene cry (cry2Ab). Detectaram-se diferenças entre as médias de expressão do fator sigma e do gene cry2Ab. Os valores máximos de expressão diferencial foram obtidos para o gene codificador do fator sigma35 na fase log e na fase esporulativa. Na análise de médias observou-se expressão do gene cry2Ab apenas na fase log; no entanto, de forma bem mais baixa quando comparado com a expressão de sigma35, nas três fases.

Prospecção de genes associados ao processo de floração em tomateiro.

Flowering is a process marked by switch of shoot apical meristem to floral meristem, and it involves a complex regulation by endogenous and environmental factors. Analyses of key flowering genes have been carried out primarily in Arabidopsis thaliana and have provided a foundation for understanding the underlying molecular genetic mechanisms controlling different aspects of floral development. Several homologous have been found in other species, but for crops species such as tomatoes this process is not well known. The aim of this work was to use the genetic natural variation associated to the flowering process and use molecular tools such as subtractive libraries and real time PCR in order to identify and analyze the expression from genes that may be associated to flowering in these two species: L. esculentum cv Micro-Tom and L. pimpinellifolium. Our results showed there were identified many genes related to vegetative and possibly to the flowering process. There were also identified many sequences that were unknown. We ve chosen three genes to analyze the expression by real time PCR. The histone H2A gene gave an expression higher in L. pimpinellifolium, due to this the expression of this gene may be associated to flowering in this specie. It was also analyzed the expression of an unknown gene that might be a key factor of the transition to flowering, also in L. pimpinellifolium. For the elongation factor 1-α expression, the expression results were not informative, so this gene may have a constitutive expression in vegetative and flowering state. The results observed allowed us to identify possible genes that may be related to the flowering process. For further results it will be necessary a better characterization of them.

Sequencing and expression analysis of hepcidin mRNA in donkey (Equus asinus) liver

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)