Search

Orientadores: Michel Georges Albert Vincentz, Renato Vicentini dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: O sequenciamento de um número crescente de genomas completos tem transformado a biologia. Mais especificamente, no campo da biologia evolutiva, tem se tornado possível endereçar perguntas centrais sobre o funcionamento ultimato dos mecanismos de transformação genética, com potencial impacto em todos os campos da biologia, assim como na filosofia. Esta tese está dividida em dois aspectos importantes da evolução de genomas: o processo de duplicação e fixação de genes duplicados, que é a base do surgimento de famílias multigênicas, e a evolução de redes de regulação, que determinam as relações de causalidade nos processos celulares. Os dois aspectos se relacionam à evolução da complexidade, tanto no que tange o conteúdo gênico dos seres vivos quanto nas interações mecanistica entre os genes via seus produtos (RNAs e proteínas basicamente). No primeiro aspecto abordamos a evolução de dois mecanismos biológicos que depende da ação integrada entre proteínas de famílias distintas: o mecanismo de síntese e degradação do polissacarídeo de parede celular xiloglucano, e o ciclo das chaperonas calreticulina/calnexina envolvidas no controle de qualidade de proteínas sintetizadas no retículo endoplasmático. Nossos trabalhos mostraram que uma forma primordial de xiloglucano, mais simples, surgiu antes da conquista do meio terrestre pela linhagem das plantas, ao contrário do que se imaginava, e que o ciclo calreticulina/calnexina é produto da subfuncionalização em eucariotos basais de uma chaperona ancestral, além do surgimento de funções específicas na família da calreticulina em plantas terrestres. O interesse em evolução de famílias multigênicas nos levou a desenvolver um método (Phylexpress) para análise de ortologia em larga escala, bem como permitir a integração de dados de expressão na tentativa de entender a dinâmica evolutiva da expressão gênica em famílias multigênicas. Utilizamos nosso método para revisitar o conteúdo gênico dos ESTs públicos de cana-de-açúcar, como prova de conceito, numa análise comparativa com o proteoma predito de sorgo. Nossos resultados mostram uma cobertura em termos de ortólogos para apenas ~58% do proteoma predito de sorgo em contrates com estimativas anteriores, com métodos mais simples, que chegaram a 90% do proteoma hipotético de cana. Para abordar a dinâmica evolutiva de redes de regulação, realizamos medições, em escala genômica, das alterações nos níveis de mRNAs de plântulas de sorgo e arroz em resposta a tratamentos de curta duração (2hrs) com sinais exógenos de ABA (hormônio vegetal) e dos açúcares glicose e sacarose. Utilizamos dados públicos e experimentalmente comparáveis de Arabidopsis thaliana em resposta aos mesmos sinais para realizar comparações que revelassem respostas conservadas ou divergentes entre ortólogos. Além disso, buscamos entender a dinâmica evolutiva das respostas transcricionais num contexto de duplicação gênica em famílias multigênicas, onde há diversos genes potencialmente redundantes do ponto de vista bioquímico/estrutural. Nossa abordagem sugere que redes de regulação gênica em eucariotos complexos evoluem majoritariamente de forma neutra, pois parecem apresentar uma taxa de divergência constante, que independe da rede (disparada por cada um dos diferentes sinais) e das espécies envolvidas. Nossos dados são complementares e potencialmente confirmadores de modelos recentes de evolução não-adaptativa em redes de regulação gênica. Concluímos que a evolução da complexidade em sistemas biológicos está parcialmente ligada à diminuição da eficiência da seleção, causada majoritariamente por números populacionais efetivos restritivos presentes nas linhagens de eucariotos complexos (vertebrados e plantas terrestres) Abstract: The availability of complete sequences of a growing number of genomes is transforming biology. More specifically, in the field of evolutionary biology, it became possible to address central questions on the ultimate mechanisms underlying genetic changes. It has a broad impact on biology and philosophy as well. This thesis deals with two important aspects of genome evolution: the process of gene duplication and fixation of duplicated genes, which is the basis of the origins of multigenic families, and the evolution of genetic regulatory networks that determines the causality of the cellular processes. Both aspects are related to the evolution of complexity regarding the gene content of living forms and the mechanistic interaction between the gene products (mainly RNAs and proteins). In the first aspect we studied the evolution of two biological mechanisms depending on the integrated function of proteins from distinct families. The mechanism of synthesis and remobilization of xyloglucan, a plant cell wall polysaccharide, and the calreticulin/calnexin cycle of protein folding that takes place in the endoplasmic reticulum. Our work showed that a primordial form of xyloglucan already existed before the land conquest by plants. We propose that the calreticulin/calnexin cycle is the product of subfuncionalization of an ancestral eukaryotic chaperone, and plants evolved specific calreticulin functions due to gene duplication. Our interest in the evolution of multigenic families impelled the development of Phylexpress, a method dedicated to large-scale orthology analyses. It can integrate expression data in the context of multigenic families with the goal of understand the evolutionary dynamics of gene expression. We used Phylexpress to revisit the gene content of the publicly available sugarcane ESTs as a proof of concept. Our results showed that the ESTs sampled orthologs for just ~58% of the predict sorghum proteome, in contrast with previous estimations acconting for 90% of the hypotethical sugarcane proteome. In order to approach the evolutionary dynamics of regulatory networks, we measured global changes in gene expression of sorghum and rice plantlets in response to short-term treatments (2hrs) with exogenous ABA (plant hormone) and the sugars glucose and sucrose. We took public data from comparable experiments using Arabidopsis thaliana in order to unravel conserved and divergent responses across orthologs. Furthermore, we analyzed the evolutionary change in transcriptional responses in a context of gene duplications in multigenic families, leading to a set of potentially redundant genes in terms of biochemical/structural properties. Our approach suggests that gene regulatory networks in complex eukaryotes evolve mainly neutrally, in a constant rate that is independent of the analyzed network (triggered by each one of the signals) and the species. Our data is complementary and potentially confirmatory of recent models of nonadaptive evolution in regulatory networks. We concluded that the evolution of the complexity in biological systems is partially connected to the attenuation of the efficiency, mainly due to low effective population sizes present in the lineages that gave rise to complex eukaryotes (vertebrates and land plants) Doutorado Genética Vegetal e Melhoramento Doutor em Genética e Biologia Molecular

Orientadores: Laura Maria Mariscal Ottoboni, Renato Vicentini dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A mineração é um importante setor econômico brasileiro que envolve grande concentração de capital e está em constante crescimento. A drenagem de mina é a principal perturbação ambiental causada pelas diferentes etapas de mineração e compromete a qualidade do solo, da água superficial e subterrânea e, consequentemente, toda a biodiversidade. A drenagem consiste em uma solução percolante rica em metais pesados, ferro e enxofre. Apesar de suas caracteristicas extremas, a drenagem de mina fornece um ambiente favorável para o crescimento de diversos micro-organismos os quais podem ser usados em tecnologias como a biorremediação, a biolixiviação e outras aplicações. Neste trabalho, foi realizado o pirosequenciamento do gene rRNA 16S de seis amostras de solo em um canal de drenagem neutra de mina e seis amostras de solo ao lado do canal para avaliar diferenças na composição, estrutura e diversidade das comunidades bacterianas desses ambientes na mina de cobre do Sossego, Brasil. Os parâmetros químicos, as análises de similaridade ANOSIM, escalonamento multidimensional não métrico (MDS) e a comparação entre os índices de diversidade revelaram uma diferença entre as amostras de solo e drenagem em termos de composição e estrutura da comunidade, mas não em riqueza de espécies. Análises estatísticas mostraram que o filo Deinococcus/Thermus, especialmente o gênero Meiothermus, foi em grande parte responsável pelas diferenças entre as comunidades, e foi positivamente associado com a presença de cobre e outros metais pesados nas amostras ambientais. Outros parâmetros importantes que influenciaram a diversidade e composição bacteriana foram os elementos potássio, sódio, níquel e zinco, bem como o pH. Análises estatísticas e da microbiota núcleo da comunidade bacteriana da drenagem revelaram que a comunidade variou ao longo do canal de escoamento em estrutura e diversidade de espécies. A comunidade da drenagem apresentou uma OTU (Unidade Taxonômica Operacional) generalista, identificada como Meiothermus e nenhuma OTU especialista foi encontrada. A microbiota da drenagem é basicamente formada por bactérias heterotróficas, com gupos resistentes a metais e à sal e com potencial para a degradação de diversos compostos xenobióticos, além de apresentar grupos bacterianos ainda pouco caracterizados. A comunidade bacteriana do solo, assim como a comunidade da drenagem, também variou ao longo do canal. Foram encontradas duas OTUs generalistas e duas OTUs especialistas. A microbiota do solo é basicamente formada por bactérias heterotróficas, com alguns grupos resistentes a metais. No entanto, grande parte da microbiota núcleo desse ambiente permanece pouco caracterizada. Os resultados obtidos contribuem para a compreensão da diversidade bacteriana em solos impactados por drenagem neutra de mina, e demonstram que os metais pesados têm um papel importante na formação da comunidade microbiana nesse tipo de ambiente Abstract: Mining is an important and constantly growing Brazilian economic sector that involves large investiments. Mine drainage is an important environmental disturbance caused by the different steps of the mining and compromises the quality of soil, surface water, and underground water bodies, hence affecting the biodiversity. Mine drainage consists in a percolating solution that is rich in heavy metals, iron and sulfur. Despite the extreme characteristics, the mine drainage provides a favorable environment for many microorganisms that can be used in bioremediation, bioleaching and others applications. In this work, a pyrosequencing approach of the 16S rRNA gene, of six soil samples from a neutral drainage channel and six soil samples next to the channel, was used to evaluate differences in composition, structure, and diversity of bacterial communities at the Sossego¿s copper mine in Brazil. The chemical parameters, the analyses of similarity ANOSIM, non-metric multidimensional scaling and the comparison of the diversity indices revealed differences between the drainage and the soil samples in composition and structure of the microbial community, but not in their species richness. The statistical analysis showed that the phylum Deinococcus/Thermus, especially the Meiothermus genus, was in large part responsible for the differences observed between the communities, and was positively associated with the presence of copper and other heavy metals in the environmental samples. Other important parameters that influenced the bacterial diversity and composition were the elements potassium, sodium, nickel and zinc, as well as the pH. Statistical analysis of the Shannon index and the analysis of the core microbiota of the drainage¿s bacterial community revealed that it changed along the flow channel in structure and diversity. The community of the drainage presented one generalist OTU (Operational Taxonomic Unit), identified as Meiothermus and no specialist OTU was founded. The microbiota of the drainage was basically formed by heterotrophic bacteria, with groups resistant to metals and salt and with the potential for degradation of a large number of xenobiotic compounds. Bacterial groups poorly characterized were also identified. Analyses of the soil samples revealed a heterogeneous bacterial community. Two generalist OTUs and two specialist OTUs were found. The soil microbiota was basically formed by heterotrophic bacteria, with some groups resistant to metals, however, much of the core microbiota of that environment remains poorly characterized. These findings contribute to the understanding of bacterial diversity in soils impacted by neutral mine drainage, and demonstrate that heavy metals play an important role in shaping the microbial community in mine environments Mestrado Genética de Microorganismos Mestra em Genética e Biologia Molecular

Orientadores: Marcelo Alves da Silva Mori, Renato Vicentini dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A obesidade é uma doença epidêmica com graves complicações à saúde. O recrutamento de adipócitos beges no tecido adiposo branco - um fenômeno denominado browning - resulta em uma termogênese induzida e gasto energético aumentado, representando uma intervenção promissora no combate à obesidade e doenças relacionadas. Dados da literatura sugerem que algumas células imunes residentes no tecido adiposo, quando estimuladas pelo frio, por exemplo, podem promover o recrutamento de adipócitos beges. Os miRNAs também foram implicados na regulação da adipogênese e na manutenção da identidade funcional dos adipócitos marrons / beges. Camundongos AdicerKO com nocauteamento adipócito-específico da enzima DICER - uma enzima responsável pelo processamento de miRNA ¿apresentam um fenótipo de lipodistrofia parcial associado à redução de marcadores de adipócitos marrons / beges e resistência à insulina. Diante dessas observações, o objetivo desse estudo foi investigar como a presença de DICER em adipócitos maduros pode modular o perfil inflamatório local do tecido adiposo e, consequentemente, a diferenciação de adipócitos beges. Nossos dados mostraram que a falta de DICER em adipócitos altera a população de macrófagos M1 residentes no tecido adiposo subcutâneo de camundongos AdicerKO jovens, resultando em um ambiente pró-inflamatório antes de qualquer outra alteração fisiopatológica ou morfológica no tecido adiposo. Consistentemente, demonstramos que a ausência de DICER em adipócitos altera o metabolismo energético e a biossíntese de diversos lipídeos que podem estar contribuindo para a reprogramação de macrófagos e o aumento da produção da citocina pró-inflamatória IL-1?. Fortalecendo essa comunicação entre macrófagos e adipócitos, observamos em um sistema de co-cultura que macrófagos limitam a indução de Ucp1 em adipócitos beges, aparentemente via DICER. Esse fenômeno pode indicar um novo mecanismo pelo qual DICER em adipócitos medeiam a inflamação de indivíduos com doenças metabólicas, como obesidade e diabetes Abstract: Obesity is an epidemic disease with severe health complications. The recruitment of beige adipocytes into white adipose tissue - a phenomenon called browning - results in induced thermogenesis and increased energy expenditure, representing a promising intervention to treat the disease and its complications. Published data suggest that some immune cells residing in adipose tissue, when stimulated by cold, for example, can promote the recruitment of beige adipocytes. The miRNAs were also implicated in the regulation of adipogenesis and maintenance of brown/beige adipocytes. AdicerKO mice, DICER knockout specific in adipocytes - an enzyme responsible for miRNA processing - have a partial lipodystrophy phenotype associated with the reduction of brown/beige adipocyte markers and insulin resistance. Consistent with these observations, the objective of this study is to track possible molecules capable of establishing such communications. Our data indicate that the absence of DICER in adipocytes alters the macrophages resident population in subcutaneous adipose tissue of young mice, resulting in a proinflammatory environment before any other pathophysiological or morphological alterations in adipose tissue. Consistently, we showed that the lack of DICER in adipocytes alters energy metabolism and the biosynthesis of several lipids that may contribute to reprogramming macrophages to enhance the production of IL-1?, a proinflammatory cytokine. We observed in a co-culture system that macrophages limit the Ucp1 induction in beiges adipocytes, possibly via DICER, establishing the communication between macrophages and adipocytes. This phenomenon may indicate a new mechanism of DICER in adipocytes mediating inflammation in individuals with metabolic diseases, such as obesity and diabetes Doutorado Imunologia Doutora em Genética e Biologia Molecular FAPESP 2016/12294-7; 2019/10592-9 CAPES 001

Orientador: Renato Vicentini dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) corresponde por cerca de 75% do açúcar produzido no mundo e possui grande potencial bioenergético. Os ritmos diel, ou diurnos, resultam da interação do relógio circadiano com fatores ambientais, como dia e noite, e são fundamentais na sincronia entre respostas do relógio e condições ambientais, como fotoperíodos. Carboidratos e expressão gênica são regulados pelo diel e oscilam durante o dia, em resposta a fotoperíodos. Muito se sabe sobre ritmos em Arabidopsis, porém estudos em cana-de-açúcar ainda são escassos. Neste trabalho plantas de cana foram submetidas a fotoperíodos de dia regular (RD, 12h12h luz/escuro) e curto (SD, 08h/16h) com coletas durante um dia. Foram medidas as concentrações de sacarose, açúcares redutores e totais, pectina, hemicelulose e celulose, além de análise transcriptômica via RNA-seq. SD influenciou o acúmulo de sacarose e dos componentes de parede, mas não o crescimento das plantas. A concentração de sacarose permaneceu estável durante o SD e aumentou em 44% de noite. Observou-se um mecanismo fonte-dreno irregular em SD para compensar a falta do período de luz e garantir um mínimo de sacarose para armazenamento. Em SD concentrações de pectina, hemicelulose e celulose oscilaram durante as 24h, enquanto em RD ficaram relativamente estáveis. Pectina e hemicelulose do colmo aumentaram concentrações do dia para a noite e diminuíram em folhas, enquanto celulose do colmo aumentou 38% do dia para a noite. Análise transcriptômica detectou 7.211 e 9.493 transcritos rítmicos em RD e SD. Os picos de fases em SD encontraram-se dentro da noite, ante na transição dia-noite em RD. Genes do relógio foram identificados e diferenças de fase e amplitude foram observadas para os homólogos e para ortólogos em outras espécies. Grupos funcionais relacionados a características de interesse comercial tiveram a maioria das fases na transição dia-noite em RD, porém no meio da noite em SD. Houve enriquecimento de famílias de fatores de transcrição envolvidas com metabolismo de açúcares nos picos de fases em SD. Também foram encontrados 1.198 long non-coding RNAs (lncRNAs) rítmicos e demonstrada conservação com outras gramíneas. Outros 1.453 e 2.201 genes órfãos de cana foram reportados oscilando em RD e SD. Transcritos rítmicos foram organizados em rede de co-expressão com 11.335 membros, sendo 1.176 lncRNAs, ligados a outros 3.622 transcritos, totalizando 42% da rede. Sub-redes com genes do relógio como isca; e com transcritos mais conectados e com maior amplitude dentro dos grupos funcionais foram funcionalmente similares. Este estudo trouxe dados sobre oscilação de açúcares solúveis em resposta a um dia curto e também demonstrou que componentes de parede podem ser realocados em tais condições, sugerindo influência do fotoperíodo na regulação do gerenciamento do acúmulo e consumo de carboidratos em cana-de-açúcar e demonstrando uma forma de adaptação a SD. O diel influencia na expressão gênica rítmica em cana-de-açúcar e padrões diferentes puderam ser observados. Entender a dinâmica de síntese e degradação de carboidratos, e como é o controle a nível molecular pode ser uma importante ferramenta aos programas de melhoramento visando aumentar biomassa e produção Abstract: Sugarcane (Saccharum spp.) comprises around 75% of the worldwide sugar production and has a bioenergetic potential. Diel, or diurnal, rhythms arise from the interaction within the circadian clock and environmental factors, such as day and night and are fundamental for the synchrony with circadian clock outputs and environmental conditions, such as photoperiods. Carbohydrates and gene expression are diel regulated and oscillate during the day in response to photoperiods. There are plenty of data from Arabidopsis rhythms, however little is known from sugarcane. In this study sugarcane plants were subjected to regular (RD, 12h12h light/dark) and short-day (SD, 08h16h) and leaves harvested within one day. Measurements on concentrations of sucrose, reducing and total sugars, pectin, hemicelluloses and cellulose were as well as the transcriptomic analyses via RNA-seq. SD has influenced sucrose and cell wall components accumulation, but not plant growth. Sucrose concentration kept stable during the day and increased 44% in the night in SD. An abnormal source-sink mechanism was present to alleviate the smaller light period and ensure a reasonable level of sucrose for storage. In SD concentrations of pectin, hemicelluloses and cellulose oscillated during the 24h while in RD they maintained relatively stable. Culm pectin and hemicelluloses increased from day to night and decreased in the leaves, meanwhile culm cellulose increased 38% from the day to the night. Transcriptomic analyses have detected 7.211 and 9.493 rhythmic transcripts in RD and SD. Phase peaks in SD were found inside the night while in RD in the day-night transition. Clock genes were identified, and phase and amplitude differences were found within homologs and orthologs in other species. Phases from functional groups related to commercial characteristics were mostly present at the day-night transition in RD but inside the night in SD. There was enrichment of transcription factors families involved with sugars metabolism in those peaks in SD. A total of 1.198 rhythmic long non-coding RNAs (lncRNAs) was found and conservation with other grasses was shown. Other 1.453 and 2.201 sugarcane orphan genes were reported as oscillating in RD and SD. Rhythmic transcripts were organized in a co-expression network composed by 11.335 members, from those 1.176 lncRNAs, which were connected to other 3.622 transcripts, representing 42% of the network. Sub-networks were made with clock genes as bait; and the most connected and higher amplitude transcripts from the functional groups, and both were functionally similar. This study reported data on soluble sugars oscillation in response to a short-day and also demonstrated that cell wall components can reallocate in such condition, suggesting photoperiod influence on regulation of how plants manage accumulation and consumption of carbohydrates in sugarcane meaning an adaptational response to SD. Diel influence in sugarcane rhythmic gene expression and different patterns could be reported. Understanding the dynamics of the synthesis and degradation of carbohydrates as well as the molecular control may be an interesting tool for breeding programs aiming yield and biomass increasing Doutorado Genética Vegetal e Melhoramento Doutor em Genética e Biologia Molecular CNPQ 140976/2013-2 CAPES

Orientadores: Marcelo Mendes Brandão, Renato Vicentini dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: Spodoptera frudiperda (JE Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) é uma praga de grande importância agrícola. Isso acontece, principalmente, devido a ser um inseto polífago. Utiliza como fonte de alimento algumas culturas de grande relevância para a indústria como milho, arroz e algodão. Essa espécie é dividida em duas raças que não se distinguem morfologicamente. Porém apresentam padrões de comportamento, preferência alimentar e desenvolvimento distintos quando alimentadas em diferentes hospedeiros. Insetos e plantas têm tido um longo processo de interações e coevolução que afetam organismos em níveis desde bioquímica básica até genética de populações. Suas defesas têm sido articuladas no tempo e espaço por redes regulatórias altamente complexas que são moduladas através de outras vias de sinalização. Essas respostas integradas levam a um padrão de expressão gênica característico que resulta em alterações em cada organismo. Herbívoros dependem das proteases digestivas para degradar proteínas em peptídeos e aminoácidos essenciais para a biossíntese de suas proteínas funcionais e estruturais. Inibidores de proteases produzidos pela planta são sua principal defesa contra herbivoria. Insetos podem contornar esses efeitos deletérios. Um dos maiores objetivos da biologia de sistemas tem sido integrar informações de diversos bancos de dados e modelá-los através de técnicas de matemática e estatística para entender e predizer o comportamento de células e organismos sob determinadas condições. Este trabalho objetivou inferir redes de regulação de genes responsáveis pela diferenciação dos padrões de expressão gênica nos processos de digestão de duas raças, arroz e milho, de S. frugiperda. Para isso, foram utilizadas estratégias de obtenção de redes incluindo redes de coexpressão, redes de coexpressão ponderada e redes bayesianas. Além disso, a expressão desses genes foi relacionada com caracteres fenotípicos. Foi possível obter uma visão geral das relações entre os genes dos transcriptoma das raças milho e arroz de S. frugiperda quando alimentadas por cinco tipos de dieta, sendo elas dieta artificial, milho, arroz, algodão e algodão rico em gossipol. A rede de coexpressão total do transcriptoma apresentou um padrão característico de redes biológicas. Isso permitiu estudar o comportamento da rede aplicando propriedades já descritas para esse tipo de rede. Foram identificados genes com alto número de ligações que podem ter papel-chave. A rede ficou dividida em duas porções. Uma dessas porções é mais robusta e apresenta genes de resposta mais lenta. Pode-se sugerir que são genes de housekeeping. Genes diferencialmente expressos ficaram agrupados numa mesma região da rede. A rede foi dividida em aglomerados de genes mais correlacionados. Foram identificados genes que têm relação direta com peptidases e suas funções. Trinta e dois genes exclusivos da raça milho e quatro da raça arroz estão ligados diretamente às peptidases. Peptidases da mesma classe ficaram próximas na rede. As peptidases fazem um grande número de ligações. Foi mostrado como é o comportamento da expressão gênica da rede das peptidases em cada raça sob cada dieta. A rede de coexpressão ponderada permitiu observar como grupos de genes mais relacionados podem influenciar as características fenotípicas. As redes bayesianas permitiram relacionar como cada uma das variáveis fenotípicas e dietas se relacionam com genes específicos. Houve diferença dos padrões de expressão gênica nas redes bayesianas com relação a raça e dieta. Isso permitiu identificar genes mais expressos em cada raça, dieta e o comportamento deles na rede Abstract: Spodoptera frudiperda (JE Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) is a pest of great agricultural importance. This happens mainly because it is a polyphagous insect. It uses as food source some crops of great relevance for the industry like maize, rice and cotton. This species is divided into two races that are not morphologically distinguishable. However, they present distinct patterns of behavior, food preference and development when fed on different hosts. Insects and plants have had a long process of interactions and coevolution affecting organisms at levels ranging from basic biochemistry to population genetics. Their defenses have been articulated in time and space by highly complex regulatory networks that are modulated through other signaling pathways. These integrated responses lead to a characteristic pattern of gene expression that results in changes in each organism. Herbivores rely on digestive proteases to degrade proteins in peptides and essential amino acids for the biosynthesis of their functional and structural proteins. Inhibitors of proteases produced by the plant are its main defense against herbivory. Insects can overcome these deleterious effects. One of the major goals of systems biology has been to integrate information from various databases and model them through math and statistical techniques to understand and predict the behavior of cells and organisms under certain conditions. This work aimed to infer the regulation networks of genes responsible for the differentiation of gene expression patterns in the digestion processes of two strains, rice and corn, of S. frugiperda. For this, network strategies were used including coexpression networks, weighted coexpression networks and Bayesian networks. In addition, the expression of these genes was related to phenotypic characters. It was possible to obtain an overview of the relationships between the transcriptome genes of the corn and rice S. frugiperda strains when fed on five types of diets: artificial diet, corn, rice, cotton and cotton rich in gossypol. The total co-expression network of the transcriptome presented a characteristic pattern of biological networks. This allowed to study the behavior of the network applying properties already described for this type of network. We have identified genes with high number of interactions that plays a key role. The network was divided into two portions. One of these portions is more robust and has slower response genes. One might suggest that they are housekeeping genes. Differentially expressed genes were grouped in the same region of the network. The network was divided into clusters of more correlated genes. Genes that have a direct relationship with peptidases and their functions have been identified. Thirty-two genes unique to the corn strain and four genes unique to rice strain are linked directly to the peptidases. Peptidases of the same class were nearby in the network. The peptidases make a large number of interactions. The behavior of the gene expression of the peptidase network in each strain under each diet was shown. The weighted coexpression network allowed to observe how groups of more related genes can influence the phenotypic characteristics. The Bayesian networks allowed to relate how each of the phenotypic variables and diets relate to specific genes. There were differences in gene expression patterns in the Bayesian networks with respect to strain and diet. This allowed to identify more expressed genes in each strain, diet and their behavior in the network Doutorado Bioinformática Doutora em Genética e Biologia Molecular CNPQ 140909/2013-3

Orientador: Renato Vicentini dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: Em vista das mudanças climáticas, estão previstas mudanças no regime pluviométrico de todo o globo, causando seca em determinadas regiões e aumento de chuvas em outras. Nesse sentido, plantas de grande interesse comercial como a cana-de-açúcar devem ser alvo de pesquisas em busca de maior produtividade e de maiores condições de adaptação frente às futuras alterações do clima. É sabido que os microrganismos que se desenvolvem próximos à raiz das plantas, ou na chamada rizosfera, podem influenciar o crescimento e desenvolvimento destas através de uma variedade de mecanismos, como por exemplo a promoção da mobilização de nutrientes, aumento da absorção de minerais, estímulo ao crescimento vegetal e supressão de patógenos. Dessa forma, esse estudo utilizou métodos de bioinformática para analisar os dados gerados no sequenciamento em larga escala do metatranscriptoma da rizosfera de cana-de-açúcar submetida ao estresse hídrico. Ademais, foi caracterizado o perfil taxonômico e funcional da microbiota ativa, além de ter-se caracterizado a expressão gênica diferencial induzida pelo estresse hídrico e, finalmente, foram geradas redes de co-expressão gênica a partir dos dados obtidos. A montagem de novo do metatranscriptoma resultou em 316.958 contigs a partir dos quais foram preditas 405.547 ORFs. As análises da composição taxonômica do metatranscriptoma revelaram uma predominância dos filos Proteobacteria (52,2%), Actinobacteria (15,1%) e Bacteroidetes (10,6%). Os quatro gêneros mais abundantes que tiveram abundância relativa aumentada após a aplicação do estresse hídrico foram Actinomadura, Dongia, Sphingomonas e Vulgatibacter. A anotação funcional no SEED foi capaz de anotar 208.816 transcritos (51.5%) em 40 categorias funcionais diferentes. As categorias funcionais que apresentaram maior abundância no SEED foram aquelas responsáveis por processos essenciais dos micro-organismos, como por exemplo metabolismo de carboidratos, proteínas, aminoácidos, vitaminas e RNA. Foram descobertas três categorias do SEED com aumento de abundância após a aplicação do estresse hídrico, sendo elas relacionadas a degradação de proteínas para obtenção de energia (degradação de arginina e ornitina) e enzimas oxirredutases atuantes na cadeia respiratória aeróbia (succinato desidrogenase) e em processos fermentativos (cetoisovalerato oxirredutase). A análise da expressão gênica diferencial resultou em 43.716 transcritos diferencialmente expressos e demonstrou que foram down-regulados termos GO relacionados a regulação da respiração celular, biogênese de ribossomo, dobramento de proteína, endocitose, resposta ao estresse e tradução. Por outro lado, os principais termos GO enriquecidos nos transcritos up-regulados foram catabolismo de benzoato, montagem de flagelo e síntese de tRNA de pseudouridina. Além disso, foi gerada uma rede de co-expressão gênica a partir dos transcritos diferencialmente expressos que foi composta por 582 clusters e, através das análises dessa rede, pode-se observar que com a aplicação do estresse hídrico, houve um aumento da expressão de transcritos relacionados, por exemplo a auto proteólise, degradação de ácidos nucléicos e transporte de sideróforos. Os resultados obtidos nesse trabalho auxiliam na compreensão da diversidade taxonômica e funcional da rizosfera de cana-de-açúcar e os efeitos causados pelo estresse hídrico. Finalmente, este trabalho pode servir de base para o desenvolvimento de aplicações para o conhecimento aqui gerado, visando a adaptação e aumento da produtividade da cana-de-açúcar frente às previstas mudanças climáticas globais Abstract: In view of climate changes, the pluviometric regime of the whole globe is expected to change, causing drought in certain regions and rainfall increase in others. In this sense, plants of great commercial interest such as sugarcane should be the subject of research in porsue of greater productivity and better adaptation conditions in the face of future climate changes. It is known that microorganisms that develop near the root of plants, or in the so-called rhizosphere, can influence the growth and development of plants through a variety of mechanisms, such as promoting the mobilization of nutrients, increasing mineral absorption, stimulating plant growth and suppressing pathogens. Thus, this study used bioinformatics methods to analyze data generated in large-scale sequencing of the sugarcane rhizosphere metatranscriptome subjected to water stress. In addition, the taxonomic and functional profile of the active microbiota was characterized, the differential gene expression induced by water stress was revealed, and finally, co-expression gene networks were generated from the data obtained. De novo assembly of the metatranscriptome resulted in 316,958 contigs from which 405,547 ORFs were predicted. The analysis of the taxonomic composition of the metatranscriptome revealed a predominance of the phyla Proteobacteria (52,2%), Actinobacteria (15,1%) and Bacteroidetes (10,6%). The four most abundant genera that had increased relative abundance after application of water stress were Actinomadura, Dongia, Sphingomonas and Vulgatibacter. The functional annotation in SEED was able to annotate 208,816 transcripts (51.5%) in 40 different functional categories. The functional categories that presented greater abundance in SEED were those responsible for essential microorganism¿s processes, such as carbohydrate, protein, amino acids, vitamins and RNA metabolism. Three SEED categories with an increase in abundance after the application of water stress were discovered, being related to the degradation of proteins to obtain energy (degradation of arginine and ornithine) and oxidizing enzymes acting in the aerobic respiratory chain (succinate dehydrogenase) and in fermentation processes (ketoisovalerate oxirreductase). Analysis of differential gene expression resulted in 43,716 differentially expressed transcripts and demonstrated that GO terms related to regulation of cellular respiration, ribosome biogenesis, protein folding, endocytosis, stress response and translation were down-regulated. On the other hand, the major GO terms enriched in up-regulated transcripts were benzoate catabolism, flagellum assembly, and pseudouridine tRNA synthesis. In addition, a gene co-expression network was generated from the differentially expressed transcripts which was composed of 582 clusters and, through the analyzes of this network, it could be observed that with the application of water stress, there was an increase in the expression of transcripts related to, for example, auto proteolysis, degradation of nucleic acids and transport of siderophores. The results obtained in this work help to understand the taxonomic and functional diversity of sugarcane rhizosphere and the effects caused by water stress. Finally, this work can be used as a basis for the development of applications for the knowledge generated here, aiming to adapt and increase the productivity of sugarcane in anticipation of global climate change Mestrado Bioinformática Mestre em Genética e Biologia Molecular FAPESP 2016/08994-3

Orientadores: Laura Maria Mariscal Ottoboni, Renato Vicentini dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: Várias pesquisas buscam compreender a diversidade e distribuição das comunidades microbianas na drenagem de mina, porém poucos estudos visam avaliar os genomas presentes em ambientes de mineração de cobre, sobretudo em relação a drenagem neutra e a pilha de minério que a forma. Assim, avaliações metagenômicas, de duas amostras de solos contaminados com drenagem neutra de mina e três amostras de solos de pilha de cobre, foram realizadas para identificação de genes e rotas metabólicas de interesse biotecnológico, industrial e ambiental. Todas as amostras analisadas foram obtidas na mina do Sossego e, as análises químicas das amostras apresentaram pH alcalino e grandes teores de cobre e níquel. A anotação taxonômica dos metagenomas apresentou predominância de sequências associadas aos filos Proteobacteria e Actinobacteria. Diferentemente de metagenomas de outras minas, os metagenomas da mina do Sossego revelaram maior porcentagem de sequências relacionadas ao filo Cyanobacteria. As análises estatísticas dos cinco metagenomas revelaram que as amostras de pilha de cobre estão enriquecidas com genes que codificam proteínas envolvidas no metabolismo de lipídeos, as quais estão relacionadas com a obtenção de carbono e nitrogênio. A metagenômica comparativa dos metagenomas do presente trabalho com trinta e um metagenomas disponíveis em banco de dados revelou maior quantidade de genes codificando proteínas associadas à tolerância ao cobre, subtilisinas ativas em pH alcalino e proteínas envolvidas na estabilidade celular, o que sugeriu que a microbiota já está adaptada a mina do Sossego. A busca por genes para tolerância a metais mostrou que a microbiota possui mecanismos comuns para lidar com diferentes metais e a reconstrução do metabolismo de enxofre indicou que ela é capaz de oxidar e reduzir compostos de enxofre, o que possui importância industrial e ambiental. Os metagenomas apresentaram genes que codificam proteínas para degradação de compostos aromáticos e a reconstrução das rotas metabólicas da degradação de xenobióticos evidenciou a presença de genes que codificam proteínas envolvidas no catabolismo de fenol e benzeno e na produção de catecol. Dois genomas, pertencentes aos gêneros Geitlerinema (Cyanobacteria) e Meiothermus (Deinococcus-Thermus), foram recuperados dos metagenomas. Ambos os genomas possuem genes para hidrólise de diferentes fontes de carboidratos, obtenção de nitrogênio e resistência a antibióticos. A genômica comparativa dos genomas da Geitlerinema e Meiothermus revelou diversos genes para transposases e tolerância ao cobre, sugerindo a adaptação desses micro-organismos à mina do Sossego. Os resultados obtidos nesse trabalho auxiliam na compreensão da diversidade funcional em solos impactados por drenagem neutra de mina e da pilha de minério de cobre, gerando informações até então inexistentes em bancos de dados. Além disso, os metagenomas revelaram genes e rotas metabólicas de interesse industrial e ambiental Abstract: Many investigations seek to understand the diversity and distribution of the microbial communities in the mine drainage, but few studies aim to assess the genomes present in the copper mine environments, especially in the neutral drainages and the ore pile that generates them. Thus, in this work, metagenomic evaluations, from two soil samples contaminated with neutral mine drainage and three samples from copper pile soil, were carried out to identify genes and metabolic pathways of biotechnological, industrial and environmental interest. All the samples were obtained in the Sossego mine, and their chemical analysis showed an alkaline pH and large contents of copper and nickel. The taxonomic annotation of the metagenomes showed a predominance of sequences associated with the phyla Proteobacteria and Actinobacteria. Differently from the metagenomes of other mines, the Sossego mine metagenomes revealed higher percentage of sequences related to the phylum Cyanobacteria. The statistical analyzes of the five metagenomes showed that the samples from copper pile soils are enriched with genes that encode proteins involved in the lipid metabolism, and are related to the acquisition of carbon and nitrogen. The comparative analyses of the metagenomes of this study with thirty-one metagenomes available in databases revealed higher amounts of protein-coding genes associated with tolerance to copper, active subtilisin at alkaline pH and proteins involved in the cell stability, which suggest that the microbiota is adapted to the Sossego mine. The search for metal tolerance genes showed that the microbiota has common mechanisms to deal with different metals and the reconstruction of the sulfur metabolism pathway indicated that the microorganisms are capable to oxidize and reduce sulfur compounds, which has industrial and environmental importance. The metagenomes revealed genes that encode proteins for the degradation of aromatic compounds and the reconstruction of the xenobiotic degradation pathways showed genes involved in the catabolism of phenol and benzene, and in the cathecol production. Two genomes, belonging to the Geitlerinema (Cyanobacteria) and Meiothermus (Deinococcus-Thermus) genus, were recovered from the metagenomes. They presented genes related to the hydrolysis of different sources of carbohydrate, acquisition of nitrogen and antibiotic resistance. The comparative genomics of the recovered Geitlerinema and Meiothermus revealed several genes for transposase and tolerance to copper, suggesting the adaptation of these microorganisms to the Sossego mine environment. The results obtained in this study help to understand the functional diversity in soils impacted by neutral mine drainage and copper ore pile, generating information that did not exist in databases. Furthermore, the metagenomes revealed genes and metabolic pathways of industrial and environmental interest Mestrado Genética de Microorganismos Mestre em Genética e Biologia Molecular FAPESP 2013/03382-1 CNPQ

Orientador: Renato Vicentini dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: Recentemente, a análise de dados de genômica comparativa, buscando elucidar melhor a hipótese nula de modelos evolutivos, i.e. evolução neutra, originou uma nova teoria que eleva o tamanho populacional como principal fator evolutivo. Populações pequenas estão sujeitas a forte influência de deriva genética, o que causa o aumento da entropia do genoma. A complexidade genômica, leia-se conteúdo de sequencias informativas, como genes, é então um subproduto do aumento da entropia e a seleção teria então um papel secundário, sobretudo como moduladora do processo evolutivo. Assumindo este modelo, a emergência e degeneração de transcritos linhagem-específicos estão submetidas primariamente a evolução neutra. A transcrição pervasiva, sobretudo em linhagens germinais, é o agente causal do nascimento de genes e a fixação destes, frente ao reduzido tamanho populacional de eucariotos multicelulares, como as plantas Saccarum officinarum e Sorghum bicolor, ocorre por deriva genética. A inserção de novos genes, que são inicialmente neutros ou levemente deletérios, em redes funcionais ainda é pouco compreendida. A integração se torna gradativamente mais robusta com a evolução individual destes loci. Neste contexto, este estudo buscou identificar genes codificadores e não-codificadores de proteínas de recente emergência em cana-de-açúcar e sorgo a fim de se elucidar a hipótese de que sua arquitetura gênica e integração em redes biológicas apresentam padrões evolutivos comuns. Para isso, realizamos a identificação de lncRNAs de cana a partir de bancos de cDNA, o que permitiu a caracterização da expressão desses transcritos contrastando seis variedades distintas. Em decorrência da disponibilidade do genoma de sorgo, a identificação de genes linhagem-específicos codificadores e não codificadores pode ser resolvida com maior precisão. Pudemos determinar uma correlação entre a sua arquitetura gênica e integração nas redes biológicas e sua idade relativa. Apesar da correlação encontrada, o efeito mais forte observado em transcritos não codificadores revelam outros fatores que devem estar influenciando sua evolução. Levantamos a hipótese de que o evento de tradução possa elevar a eficiência da seleção negativa sobre o transcrito emergente, o que resultaria no turnover mais acentuado de lincRNAs e maior conservação de genes linhagem-específicos Abstract: Recently, comparative genomics studies, aiming to better elucidate the null hypothesis of models of evolution, i. e. the neutral evolution, originate a new theory that elects the population size as the main factor acting in evolution. Small populations are subject to stronger influence of genetic drift, which raises genomic entropy. Genomic complexity, which means the information content in genome, such as genes, is a byproduct of the high entropy levels and selection would then display a secondary role, mainly as a modulator of the evolutionary process. Assuming this model, the emergence and degeneration of lineage-specific transcripts are primarily subject to neutral evolution. The pervasive transcription, especially in germinal cell lines, is the causal agent of birth of genes and their fixation, in face to the reduced population size of multicellular eukaryotes, as Saccarum officinarum and Sorghum bicolor plant species, is ruled by genetic drift. The integration of new genes, initially neutral or weakly deleterious, in functional networks is still poorly understood. The integration becomes more robust with the individual historical evolutionary path of these loci. In this context, this study aimed identify protein coding and noncoding genes of recent emergence in in sugarcane and sorghum to elucidate the hypothesis that the gene architecture and integration in biological networks display common patterns of evolution. We then identified sugarcane lncRNAs from public cDNA databases that allowed us to characterize the expression of these transcripts in six different contrasting varieties of sugarcane. As sorghum bicolor genome is available, the identification of lineage-specific coding and noncoding could be done to a higher resolution. We could then determine a correlation between gene architecture and network integration with its relative age. Despite the correlation observed, a stronger effect seen in noncoding transcripts reveals other factors that may be influencing their evolution. We propose the hypothesis that the translation event may increase negative selection efficiency over the emerging transcript, what would result in the stronger turnover of lincRNAs and higher conservation levels of coding lineage-specific genes Mestrado Bioinformática Mestre em Genética e Biologia Molecular

Orientador: Renato Vicentini dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A cana-de-açúcar é uma das mais importantes plantas cultivadas no Brasil, que é o maior produtor e exportador mundial. Seu valor econômico é devido principalmente a sua capacidade de estocar sacarose nos colmos. Os padrões de expressão gênica podem regular processos de desenvolvimento da planta e influenciar no acúmulo de sacarose em tecidos de reserva. A regulação desses padrões ocorre através de complexos sistemas de interações entre muitos genes e seus produtos, resultando em uma complexa rede de regulação gênica. Modelos gráficos probabilísticos têm sido amplamente utilizados para inferência e representação dessas redes. Dentre eles, as redes bayesianas são o principal por ser considerado o método mais flexível e também requererem um número reduzido de parâmetros para a descrição do modelo. Sendo assim, este estudo utilizou a metodologia de redes bayesianas para inferência de interações regulatórias entre genes de metabolismo e sinalização de sacarose a partir de dados de expressão gênica, obtidos através de microarrays, disponíveis no Gene Expression Omnibus (GEO). As redes foram obtidas através de softwares para inferência de redes e então analisadas quanto aos genes que as compõem e padrões de expressão. Os genes foram agrupados em clusters considerando-se seus padrões de coexpressão. Os genes mais representados no cluster da enzima sacarose fosfato sintase (SPS) em cana são genes de relacionados à tradução, ligação ao DNA e genes de função desconhecida, enquanto os menos representados são de fotossíntese, resposta a hormônios, e outros eventos metabólicos. A rede do cluster da SPS apresentou sete genes principais (hubs) que aparentam ter um importante papel dentro do cluster. Foi obtida também uma rede considerando genes selecionados em estudos com experimentos de microarrays previamente publicados. Uma dessas redes possui 136 genes e apresentou 6 genes principais, sendo que a maioria deles é de fotossíntese. Na rede considerando genes diferencialmente expressos nesses experimentos (265 genes), genes que pertencem à mesma categoria funcional tenderam a sofrer regulação por um único gene em comum, formando grupos de funções semelhantes em cada hub Abstract: Sugarcane is one of the most important plants cultivated in Brazil which is the world's largest producer and exporter. Its economic yield is mainly due to its high sucrose content. The patterns of gene expression may regulate processes of plant development and influence the accumulation of sucrose by storage tissues. The regulation of these patterns occurs through complex systems of interactions between many genes and their products, resulting in a complex gene regulatory network. Probabilistic graphical models have been widely used for inference and representation of these networks. Among them, Bayesian networks are the main for being considered to be the most flexible method and also requiring a reduced number of parameters to the model description. Then, this work has used the Bayesian network methodology for inference of regulatory interactions between signaling and sucrose metabolism genes from gene expression data, obtained from microarrays, available on Gene Expression Omnibus (GEO). Networks were generated by networks inference softwares, and then analyzed observing their composing genes and expression patterns. The genes were grouped considering their coexpression patterns. The most represented genes in the sacarose phosphate syntase (SPS) cluster are related with translation, DNA biding and unknown function genes while the least represented are of photosynthesis, hormone response and other metabolic events. The SPS cluster network presented 7 main hubs that seem to play an important role in the cluster. It was also obtained a network considering genes selected from studies with microarray experiments previously published. One of these gene networks has 136 genes and it presented 6 main genes, being the most of them are from photosynthesis. In the network considering differential expressed in this experiments, genes that are from the same functional category tended to suffer regulation for one unique common gene, forming groups of genes with similar function on each hub Mestrado Genética Vegetal e Melhoramento Mestra em Genética e Biologia Molecular