Alterações sistêmicas na assinatura do ciclo celular de pacientes com COVID-19 / Systemic changes in the cell cycle signature of patients with COVID-19

Com base nas perturbações fosfoproteômicas de moléculas associadas ao ciclo celular em células infectadas pelo coronavírus causador da síndrome respiratória aguda grave (SARSCoV)-2, a hipótese de inibidores do ciclo celular como uma terapia potencial para a doença de coronavírus 2019 (COVID-19) foi proposta. No entanto, o cenário das alterações do ciclo celular em COVID-19 permanece inexplorado. Aqui, realizamos uma análise integrativa de sistemas imunológicos de proteoma publicamente disponível (espectrometria de massa) e dados de transcriptoma (sequenciamento de RNA em massa e de célula única [scRNAseq]), com o objetivo de caracterizar mudanças globais na assinatura do ciclo celular de pacientes com COVID-19. Além de módulos de co-expressão de genes significativos enriquecidos associados ao ciclo celular, encontramos uma rede interconectada de proteínas diferencialmente expressas associadas ao ciclo celular (DEPs) e genes (DEGs) integrando dados moleculares de 1.480 indivíduos (974 pacientes infectados por SARS-CoV-2 e 506 controles [controles saudáveis ou indivíduos com outras doenças respiratórias]). Entre esses DEPs e DEGs estão várias ciclinas (CCNs), ciclo de divisão celular (CDCs), quinases dependentes de ciclinas (CDKs) e proteínas de manutenção de minicromossomos (MCMs). Embora os pacientes com COVID-19 compartilhem parcialmente o padrão de expressão de algumas moléculas associadas ao ciclo celular com outras doenças respiratórias, eles exibiram uma expressão significativamente maior de moléculas associadas ao ciclo celular relacionadas à gravidade da doença. Notavelmente, a assinatura do ciclo celular predominou nos leucócitos do sangue dos pacientes, mas não nas vias aéreas superiores. Os dados de scRNAseq de 229 indivíduos (159 pacientes com COVID- 19 e 70 controles) revelaram que as alterações das assinaturas do ciclo celular predominam nas células B, T e NK. Esses resultados fornecem uma compreensão global única das alterações nas moléculas associadas ao ciclo celular em pacientes com COVID-19, sugerindo novas vias putativas para intervenção terapêutica

Based on phosphoproteomics perturbations of cell cycle-associated molecules in severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV)-2-infected cells, the hypothesis of cell cycle inhibitors as a potential therapy for Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has been proposed. However, the landscape of cell cycle alterations in COVID-19 remains mostly unexplored. Here, we performed an integrative systems immunology analysis of publicly available proteome (mass spectrometry) and transcriptome data (bulk and single-cell RNA sequencing [scRNAseq]), aiming to characterize global changes in the cell cycle signature of COVID-19 patients. Beyond significant enriched cell cycle-associated gene co-expression modules, we found an interconnected network of cell cycle-associated differentially expressed proteins (DEPs) and genes (DEGs) by integrating molecular data of 1,480 individuals (974 SARS-CoV- 2 infected patients and 506 controls [either healthy controls or individuals with other respiratory illness]). Among these DEPs and DEGs are several cyclins (CCNs), cell division cycle (CDCs), cyclin-dependent kinases (CDKs), and mini-chromosome maintenance proteins (MCMs). Although COVID-19 patients partially shared the expression pattern of some cell cycleassociated molecules with other respiratory illnesses, they exhibited a significantly higher expression of cell cycle-associated molecules associated with disease severity. Notably, the cell cycle signature predominated in the patients blood leukocytes but not in the upper airways. The scRNAseq data from 229 individuals (159 COVID-19 patients and 70 controls) revealed that the alterations of cell cycle signatures predominate in B, T, and NK cells. These results provide a unique global comprehension of the alterations in cell cycle-associated molecules in COVID-19 patients, suggesting new putative pathways for therapeutic intervention

Application of CRISPR-Cas9 to interrogate novel gene functions in cutaneous melanoma

Melanoma accounts for 3% of skin neoplasms and is the leading cause of death from skin disorders worldwide. The high mortality rate associated with this disease stems from the high capacity of melanoma patients to develop metastases and treatment relapse with inhibitors of the MAPK signaling pathway (such as BRAF inhibitors), commonly used in melanoma therapy. Thus, the investigation of genes involved in the mechanisms of melanoma development is essential for new and more effective therapeutic strategies. Hence, we describe in this thesis two projects involving the genes SIN3B and IRF4 as possible biomarkers for cutaneous melanoma. Initially, through bioinformatics analyses performed by our group, an upregulation of SIN3B was found in metastatic melanomas. This result together with the understanding of SIN3B role in regulating gene expression and oncogenic transformation, prompted us to describe in this thesis some mechanisms by which SIN3B may influence melanoma development. We then sought to characterize the gene function using SIN3B-deleted cells, generated by the CRISPR-Cas9 methodology. Initially, we observed increased SIN3B expression in BRAF-mutant metastatic melanomas, where we noted that the long splicing variant of the gene (NM_001297595.1) was effectively prevalent in melanomas. Subsequently, we designed gRNAs between the exons 2 and 3 of the human SIN3B gene and engineered three knockout clones and three control clones (containing empty lentiCRISPRv2 plasmid) from different melanoma cell lines (SKMEL28, A2058, and A375). Through functional analyses, it was observed that the absence of the gene did not interfere in the proliferation of tumor cells; however, it led to a decrease in invasive properties. These results were verified by Boyden chamber assays and transcriptome analysis (total RNA sequencing of deleted cells), where a decrease in migration and motility pathways was observed. Additionally, a screening of synthetically lethal genes with SIN3B was performed with a genome wide CRISPR library. These results showed that USP7 and STK11 genes, which belong to the FoxO signaling pathway, were essential in SIN3B-depleted melanoma cells. Finally, through a collaborative project with the Wellcome Trust Sanger Institute, previous large-scale sequencing analyses demonstrated that deletion of the IRF4 gene was lethal for melanoma cells. Accordingly, we performed IRF4 silencing in vitro and noticed that the lack of IRF4 promotes cell death and apoptosis, independently of MYC and MITF, known in the literature to be downstream targets of this gene. Therefore, these data suggest that IRF4 plays a vital role in melanoma cell survival. Taken together, both works herein described in this thesis demonstrate how CRISPR-Cas9 can be applied to study the functions and mechanisms of genes involved in melanoma progression, collectively helping in the development of more effective therapeutic strategies for this tumor

O melanoma representa 3% dos tipos de neoplasias cutâneas e é a maior causa das mortes por distúrbios de pele no mundo. A alta taxa de mortalidade associada à essa doença advém da alta capacidade de pacientes com melanoma desenvolverem metástases, e apresentarem recidiva após tratamento com inibidores da via de sinalização MAPK (como da proteína BRAF), comumente utilizados no tratamento de pacientes metastáticos. Assim, a investigação de genes envolvidos nos mecanismos de desenvolvimento do melanoma é primordial para novas estratégias terapêuticas mais efetivas. Dessa forma, descrevemos no presente trabalho dois projetos envolvendo os genes SIN3B e IRF4 como possíveis biomarcadores para melanoma cutâneo. Em análises prévias de bioinformática realizados pelo nosso grupo, SIN3B foi identificado tendo maior expressão em melanomas metastáticos. Além disso, diversos estudos mostraram que o gene está envolvido na regulação da expressão gênica e transformação oncogênica. Dessa forma, descrevemos nessa tese alguns mecanismos pelos quais SIN3B pode influenciar no desenvolvimento do melanoma, através da caracterização funcional de células SIN3B-deletadas pela metodologia CRISPR-Cas9. Inicialmente, observamos aumento na expressão de SIN3B em melanomas metastáticos BRAF-mutados, onde notamos que a variante de splicing longa do gene (NM_001297595.1), era efetivamente prevalente em melanomas. Assim, desenhamos sequências de RNA guias entre os éxons 2 e 3 do gene SIN3B humano e, obtivemos três clones knockout e outros três clones controle (contendo plasmídeo vazio) em diferentes linhagens de melanoma (SKMEL28, A2058 e A375), para caracterização funcional. Observou-se que a ausência do gene não interferiu na proliferação das células tumorais, contudo, acarretou na diminuição de processos invasivos. Esses resultados foram averiguados através de ensaios em câmara de Boyden e análises de transcriptoma (sequenciamento de RNA total das células deletadas), onde notou-se diminuição das vias de migração e motilidade. Adicionalmente, um rastreamento de genes sinteticamente letais com SIN3B foi realizado com uma biblioteca de CRISPR capaz de silenciar todo o genoma. Esses resultados mostraram que os genes USP7 e STK11, ambos pertencentes à via de sinalização de FoxO, são essenciais nas células SIN3B deletadas. Por fim, através de um projeto colaborativo com o Wellcome Trust Sanger Institute, análises prévias de sequenciamento de larga escala demonstraram que a deleção do gene IRF4 era letal para células de melanoma. Dessa forma, realizamos o silenciamento de IRF4 in vitro e notamos que a ausência do gene promove morte celular e apoptose, independentemente de MYC e MITF, conhecidos na literatura por serem alvos downstream do gene. Portanto, esses dados sugerem que IRF4 tem um papel importante na sobrevivência de células de melanoma. Em conjunto, ambos trabalhos descritos nessa tese, demonstram como a metodologia CRISPR-Cas9 pode auxiliar no entendimento de processos importantes para a malignidade do melanoma e contribuir para estratégias terapêuticas mais efetivas para esse tumor