Long non-coding RNA in thermophilic fungi
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
RNA longos não codificantes em fungos termofílicos
Primeiro orientador
Membros da banca
Cristiane Paula Gomes Calixto
Bruno Silva Andrade
Sara Cuadros Orellana
Rodrigo Juliani Siqueira Dalmolin
Alessandro de Mello Varani
Bruno Silva Andrade
Sara Cuadros Orellana
Rodrigo Juliani Siqueira Dalmolin
Alessandro de Mello Varani
Resumo
Organismos que vivem em ambientes extremos, como aqueles encontrados em altas
temperaturas, sempre despertaram nossa curiosidade na tentativa de compreender quais
mudanças biológicas permitiram esses organismos prosperarem em condições ambientais
extremas.AmaioriadosorganismostermofílicospertenceaosdomíniosBacteriaeArchaea.No
entanto,háumpequenoeinteressantegruponodomínioEukarya,comoosfungostermofílicos,
capazesdesedesenvolveremtemperaturasentre45°Ce60°Cequenãoconseguemcrescer
em temperaturas ordinárias (15°C–25°C).
Recentemente, os RNAs longos não codificantes (lncRNAs) emergiram como
reguladores da expressão gênica, particularmente em resposta ao estresse ambiental. No
entanto, a sua função biológica em organismos que habitam ambientes extremos, como os
fungos termofílicos, permanece pouco compreendida. Neste trabalho, buscamos investigar a
funçãoeosignificadoevolutivodaslncRNAsemfungostermofílicosemesofílicos,comfocoem
suas potenciais contribuições para sua adaptação térmica.
Foi desenvolvido um pipeline computacional para aprimorar a análise de dados de
RNA-seq, identificando lncRNAs estruturalmente idênticos entre replicatas biológicas. Esse
método reduz a variabilidade, ao mesmo tempo, melhorando a confiabilidade da expressão
gênica desses transcritos, proporcionando análisesmaisprecisasdaatividadetranscricionale
minimizandoaexpressãogênicaestocásticaeruídoemdecorrênciadeartefatostécnicos.Em
fungostermofílicos,comoThermothelomycesthermophilus,essaabordagempermitiuobservar
padrõesdeexpressãodistintosentrelncRNAseproteínasdechoquetérmico(HSPs),principais
reguladores das respostas ao estresse celular. E ainda, transcritos estruturalmente idênticos
demonstraram ser uma referência confiável para análises subsequentes, garantindo
comparações estatísticas robustas, considerando ainda, os eventos de splicing alternativo.
Em um estudo comparativo entre o fungo termofílico T. thermophilus e o mesofílico
Chaetomium globosum, identificamos diferenças significativas nos repertórios de lncRNAs
dessesfungos.Ofungotermofílicoexibiuumaquantidade70%maiordelncRNAsintergênicos,
quando comparados com o mesofílico, sugerindo um potencial papel na adaptação desses
organismos. Curiosamente, uma das características dos organismos que prosperam emaltas
temperaturaséareduçãodogenoma,issotambémseaplicaaosfungostermofílicos.Porém,otamanho médiodessestranscritosintergênicospermaneceu,praticamente,idênticoquandose
compara o fungo termofílico e mesofílico, indicando uma possível conservação em sua
estrutura.Alémdisso,foiidentificadoumaumentode,aproximadamente,trêsvezesnonúmero
deisoformasdelncRNAsnofungotermofílicos,particularmenteemregiõesintergênicas,oque
sugere pode sugerir um mecanismo de adaptação ao estresse térmico.
Nossa análise também revelou uma discrepância nos padrões de expressão gênica
entre fungos termofílicos e mesofílicos, sendo que os fungos termofílicos apresentaram mais
transcritos com baixa abundância (TPM), sugerindo uma regulação gênica precisa de genes,
provavelmente uma característica relacionada à temperatura. Essa observação destaca a
importância regulatória dos lncRNAs, que, apesar de sua pouca abundância, desempenham
papeis cruciais na regulação da expressão gênica sob condições extremas. Além disso, a
presença de motifs conservados nessas sequências de lncRNAs termofílicos e mesofílicos,
sugerindoumpapelregulatórioentreessesorganismos,sendoqueessesmotifsprovavelmente
contribuem para a formação da estrutura secundária dasmoléculasdeRNAeinteraçõesdas
mesmas com proteínas.
Também foi analisada a expressão das RNA polimerases (RNAP) I, II e III, que são
críticasparaaregulaçãotranscricionaldeRNAsnãocodificantes.AexpressãodaRNAPIIIfoi
significativamente elevada em fungos termofílicos em todas as temperaturas que esses
organismos foram cultivados, ressaltando a importância desses transcritos no perfil
transcricional do fungo termofílico. Curiosamente, os fungos termofílicos apresentaram
transcritos mais longos de RNAP I e III, sugerindo uma outra possível adaptação evolutiva
relacionadacomoaumentodaeficiênciaeaespecificidadetranscricionalsobcondiçõesdealta
temperatura. Por fim, este trabalho fornece insights sobre os mecanismos moleculares e
regulatórios que sustentam a adaptação térmica em fungos,comfocoparticularnopapeldos
lncRNAs. Além disso,revelaaimportânciaestrutural,funcionaleevolutivadaslncRNAsedas
RNA polimerases nos fungos termofílicos no processo de adaptação desses organismos aos
ambientes extremos.
Abstract
Organismslivinginharshenvironments,suchasthosefoundinhightemperatures,have
always made our sense of curiosity tweak at trying to understand which internal biological
changes make them thrive in extreme environmental conditions. Most thermophilic organisms
arefoundinBacteriaandArchaeadomains.Nonetheless,thereisasmallandinterestinggroup
in Eukarya,suchasthethermophilicfungi,whichareabletodevelopattemperaturesbetween
45°C and 60°C and cannot grow at ordinary temperatures (15°C–25°C).
Long non-coding RNAs (lncRNAs) haverecentlyemergedascriticalregulatorsofgene
expression,particularlyinresponsetoenvironmentalstresses.However,theirroleinorganisms
inhabiting extreme environments, such as thermophilic fungi, remains poorly understood.This
thesis investigates the function and evolutionary significance of lncRNAs in thermophilic and
mesophilic fungi, with a focus on their potential contributions to thermal adaptation.
We developed a computational pipeline designed to enhance RNA-seq analysis by
identifying structurally identical lncRNAs across replicates. This method reduces variability,
improvingthereliabilityofgeneexpressionstudiesbyprovidingmoreaccurateassessmentsof
transcriptionalactivityandminimizingtheinfluenceofstochasticgeneexpressionandtechnical
noise.Inthermophilicfungi,suchasThermothelomycesthermophilus,thisapproachallowedus
toobservedistinctexpressionpatternsbetweenlncRNAsandHeatShockProteins(HSPs),key
regulatorsofcellularstressresponses.Importantly,structurallyidenticaltranscriptswereshown
to act as reliable reference points for downstream analysis, ensuring robust statistical
comparisons while accounting for alternative splicing events.
In a comparative study between the thermophilic T. thermophilus and the mesophilic
Chaetomiumglobosum,weuncoveredsignificantdifferencesinthelncRNArepertoiresofthese
fungi.Thermophilicfungiexhibiteda70%higherquantityofintergeniclncRNAs,suggestingtheir
potential role in temperature adaptation through fine-tuning of gene expression. Interestingly,
despite genome reduction in thermophilic fungi, the median length of intergenic lncRNAs
remainedconsistentbetweenspecies,indicatingconservationinlncRNAstructure.Furthermore,
athreefoldincreaseinthermophiliclncRNAisoforms,particularlyinintergenicregions,pointsto
the potential role of alternative splicing as a mechanism for adapting to thermal stress.Our analysis also revealed a discrepancy in gene expression patterns between
thermophilic and mesophilic fungi, with thermophilic species showing a higher abundance of
transcriptsatlowerTPMvalues,suggestingfineregulationofkeygenesinvolvedintemperature
adaptation. This observation highlights the regulatory importance of lncRNAs, which, despite
their lower abundance, play crucial roles in the regulation of gene expression under extreme
conditions. Additionally, the presence of conserved sequence motifs in both thermophilic and
mesophilic lncRNAs further suggests a shared regulatory role, with these motifs likely
contributing to RNA secondary structure formation and RNA-protein interactions.
We also analyzed the expression of RNA polymerases (RNAP) I, II, and III,whichare
critical for understanding the transcriptional regulation of non-coding RNAs.Theexpressionof
RNAP III was significantly elevated in thermophilic fungi across all tested temperatures,
underscoring the importance of non-coding loci in the thermophilic transcriptional landscape.
Interestingly, thermophilic fungi exhibited longer RNAP I and III transcripts, suggesting
evolutionary adaptations that enhance transcriptional efficiency and specificity under
high-temperature conditions.
Altogether,thisthesisprovidesnovelinsightsintothemolecularmechanismsunderlying
thermal adaptation in fungi with a particularfocusontheroleoflncRNAs.Moreover,itreveals
the structural, functional, and evolutionary significance of lncRNAs and RNA polymerases in
thermophilic fungi, contributing to our understanding of how non-coding transcripts function in
organismal adaptation to extreme environments.
Assunto
Bioinformática, Fungos, RNA Longo não Codificante, Expressão Gênica
Palavras-chave
bioinformatics, mesophilic and thermophilic fungus, transcriptome analysis, long non-coding RNAs, functional genomics
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