Systems biology applied to the study of papaya fruit ripening: the influence of ethylene / Biologia de sistemas aplicada ao estudo do amadurecimento de mamões: a influência do etileno

Fruit ripening is a biochemical process that results in flavor, odor, texture, and color suitable for human consumption, in addition to providing access to important nutrients. Although ripening promotes sensory and nutritional increases in fruits, there is also an increased susceptibility to physical damage, as is the case with papaya. These transformations occur due to changes in gene expression patterns at different stages of maturity, whose control and coordination result from the combined action of plant hormones, especially ethylene. As the action of this hormone in the regulation of gene expression is still elusive, this dissertation sought to address the global analysis of the transcriptome in an overview study of molecular processes involved in the ripening of ethylene-treated and non-treated papaya. Transcription factors related to ethylene synthesis and signaling had increased activity towards exogenous-ethylene treatment. Consequently, ethylene-induced enzymes had their coding genes differentially expressed, like genes related to the synthesis of carotenoids, linalool, and vitamins, which increase color, aroma, and antioxidant activity, respectively. Metabolic pathways related to the synthesis of sugars were suppressed while genes encoding the enzyme responsible for sucrose synthesis maintained a basal expression, showing that the accumulation of sugars occurs before the ripening process. The firmness of the peel and pulp of the fruits were strongly influenced by the treatment with ethylene and by the time of the experiment, suffering the action of numerous enzymes related to the degradation of the cell wall. The main enzyme responsible for softening the pulp was polygalacturonase, together with the activity of other pectinases and cellulases. In contrast to the need for the pre-climacteric action of pectate lyase and pectinesterase reported in other fleshy fruits, such as tomatoes and strawberries, papaya did not show a significant difference in their expression. The meta-analysis of several papaya ripening transcriptomes confirmed the expression profile observed in the previous RNA-seq, besides providing statistical enrichment to the biological narratives. Finally, the present study gathered a range of robust information on the gene regulation of the papaya ripening process, which opens possibilities for future approaches to transcriptomic analysis and validates the use of papaya as a model for such studies

O amadurecimento de frutos é um processo bioquímico que resulta em sabor, odor, textura e cor adequados para o consumo humano, além de propiciar o acesso a nutrientes importantes. Apesar do amadurecimento promover incrementos sensoriais e nutricionais nos frutos, ocorre também um aumento da suscetibilidade a danos físicos, como é o caso do mamão. Essas transformações ocorrem devido às alterações nos padrões de expressão gênica nos diferentes estádios de amadurecimento, cujo controle e coordenação decorrem da ação combinada de hormônios vegetais, principalmente do etileno. Como a ação deste hormônio na regulação da expressão gênica ainda é elusiva, a presente dissertação buscou abordar a análise global do transcriptoma em um amplo estudo dos processos moleculares envolvidos no amadurecimento de mamões tratados e não tratados com etileno. Os fatores de transcrição relacionados com a síntese e a sinalização do etileno tiveram sua atividade aumentada perante o tratamento exógeno com etileno. Consequentemente, as enzimas reguladas por esse hormônio tiveram seus genes de codificação expressos diferencialmente, como foi o caso de genes relacionados à síntese de carotenoides, linalool e vitaminas, que atuam no aumento da cor, aroma e atividade antioxidante, respectivamente. Vias metabólicas relacionadas com à síntese de açúcares foram reprimidas enquanto genes codificantes da enzima responsável pela síntese de sacarose mantiveram uma expressão basal, evidenciando que o acúmulo de açúcares ocorre antes do processo de amadurecimento. A firmeza da casca e da polpa dos frutos foram fortemente influenciadas pelo tratamento com etileno e pelo tempo de experimento, sofrendo ação de inúmeras enzimas relacionadas com a degradação da parede celular. A principal enzima responsável pelo amolecimento da polpa foi a poligalacturonase, em conjunto com a atividade de outras pectinases e celulases. Em contraste com a necessidade da ação pré-climatérica da pectato liase e da pectinesterase relatada em outras frutas carnosas, como tomates e morangos, o mamão não apresentou uma diferença significativa na expressão das mesmas. A meta-análise de diversos transcriptomas do amadurecimento do mamão reafirmaram o perfil de expressão observado no RNA-seq, além de prover enriquecimento estatístico às narrativas biológicas. Por fim, o presente estudo reuniu uma gama de informações robustas sobre a regulação gênica do processo de amadurecimento do mamão papaia, o que abrange a possibilidade para futuras abordagens de análise transcriptomica e valida o uso do mamão como modelo para tais estudos

Analysis of the transcriptional regulatory mechanisms mediated by microRNAs in Metabolic Syndrome / Análise dos mecanismos regulatórios transcricionais mediados por microRNAs na Síndrome Metabólica

Metabolic Syndrome (MetS) is a combination of diseases interrelated and associated with increased mortality and risk of cardiovascular events. Among the elucidated molecular mechanisms of MetS, there are several genes regulated by miRNAs - small non-coding RNAs. A large number of transcriptomic studies in public databases integrated with new analysis methods can generate new insights. Therefore, this study aimed to identify circulating miRNAs and their target genes in MetS using a Systems Biology approach. For this, we used GEO-NCBI to download and analyse 26 microarray transcriptome studies of MetS and obesity. After preprocessing, the data underwent differential expression (LIMMA method), gene co-expression (CEMiTool), and enrichment (GSEA, Reactome) analyses. We retrieved a gene expression signature for subcutaneous adipose tissue (SAT) for obese individuals that included 291 consistent differentially expressed genes (DEG). This signature had a positive normalized enrichment score (NES) for adaptive immune system activation responses, and negative NES for metabolic pathways. The consensus co-expression network of SAT revealed 3 communities (CM) of densely interconnected genes. These CMs had a high number of up regulated genes and a consistent positive NES among the studies. The co-expressed genes of these 3 CMs were related to neutrophil degranulation, infiltration of immune system cells, and inflammatory processes. Also, a small brazillian cohort (6 individuals with MetS and 6 controls) underwent a seric miRNA profiling using PCR array. From the 222 miRNAs detected in serum, the differential expression analysis identified 4 upregulated miRNAs (miR-30c-5p, miR-421, miR-542-5p and miR-574) in MetS patients (p<0.01). The integrative miRNAs-mRNAs analysis revealed that the circulating upregulated miRNAs had 12 targets in the SAT, 3 targets in the liver; and no targets in the muscle and blood. Many of these target genes are known modulators of proinflammatory pathways. In conclusion, the use of Systems Biology in the analysis of gene networks and circulating miRNAs identified some potential molecular and pathophysiological mechanisms of the Metabolic Syndrome. The circulating miRNAs identified in this study are potential biomarkers and/or therapeutic targets. However, further studies are needed to validate these miRNAs and their target mRNA

A Síndrome Metabólica (MetS) é um conjunto de doenças inter-relacionadas e associadas ao aumento de mortalidade e risco de eventos cardiovasculares. Entre os mecanismos moleculares elucidados da MetS, existem muitos genes regulados por miRNAs - RNAs pequenos não codificadores. O grande número de estudos transcriptômicos em banco dados públicos integrado a novos métodos de análise podem gerar novas descobertas. Deste modo, o objetivo deste estudo foi identificar miRNAs circulantes e genes alvos na MetS usando a abordagem de Biologia de Sistemas. Para isso, GEO-NCBI foi usado para obter e analisar 26 estudos de transcriptoma por microarray de MetS e obesidade. Após o pré-processamento, realizamos análises de expressão diferencial (método LIMMA), co-expressão gênica (CEMiTool), e enriquecimento (GSEA, Reactome). Identificamos uma assinatura de expressão gênica do tecido adiposo subcutâneo (SAT) de indivíduos obesos, composta por 291 genes consistentemente diferencialmente expressos (DEG). Essa assinatura teve um escore de enriquecimento normalizado (NES) positivo para ativação de respostas do sistema imune adaptativo, e NES negativo para vias de metabolismo. A rede consenso de co-expressão do SAT revelou 3 comunidades (CM) de genes densamente interconectadas. Essas CMs continham muitos genes regulados positivamente e com consistência de NES positivo entre os estudos. Os genes co-expressos dessas 3 comunidades pertenciam a vias de a degranulação de neutrófilos, infiltração de células do sistema imune e processos inflamatórios. Além disso, uma pequena coorte brasileira (6 indivíduos com MetS e 6 controles) foi submetida à dosagem sérica de miRNAs por PCR array. Dos 222 miRNAs detectados no soro, a análise de expressão diferencial identificou 4 miRNAs regulados positivamente (miR-30c-5p, miR-421, miR-542-5p e miR-574) nos pacientes com MetS (p<0.01). A análise integrativa miRNAs-mRNAs revelou que osmiRNAs circulantes superexpressos tinham 12 alvos no SAT, 3 alvos no fígado; e nenhum alvo no músculo e no sangue. Muitos desses alvos são moduladores de vias ró-inflamatórias. Em conclusão, a utilização da Biologia de Sistemas na análise de redes gênicas e miRNAs circulantes identificou alguns potenciais mecanismos moleculares e fisiopatológicos da Síndrome Metabólica. Os miRNAs circulantes identificados neste trabalho são potenciais biomarcadores e/ou alvos terapêuticos. Entretanto, mais estudos são necessários para validar esses miRNAs e seus mRNAs alvos