Origem evolutiva de unidades regulatórias de eucariotos: quem surgiu primeiro, reguladores ou regulados?
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Glória Regina Franco
Rodrigo Juliani Siqueira Dalmolin
Daniela Fiori Gradia
Fábio Fernandes da Rocha Vicente
Rodrigo Juliani Siqueira Dalmolin
Daniela Fiori Gradia
Fábio Fernandes da Rocha Vicente
Resumo
A investigação funcional de genes, RNAs e proteı́nas em larga escala demanda novas estratégias
computacionais para extração de informação relevante. Em procariotos, genes relacionados
a um mesmo efeito biológico estão usualmente localizados em operons. Em eucariotos não
existe a mesma organização, sendo em geral o processo de transcrição independente para cada
gene. Apesar disso, nestes organismos existem unidades funcionais controladas por fatores
de transcrição, denominadas regulons. As relações regulatórias de um regulon podem surgir
ao longo do desenvolvimento de um organismo, em determinado tecido, ou no curso do
processo evolutivo. Descrever a formação de regulons pode contribuir com o entendimento
de como eles atuam em organismos atuais, tais como o controle transcricional em câncer. Neste
estudo investigamos o padrão de origem evolutiva de unidades regulatórias de eucariotos para
responder a seguinte pergunta: quem surgiu primeiro, reguladores ou regulados? Testamos 3
hipóteses concorrentes para explicar a formação de regulons: i) fatores de transcrição e seus
alvos surgiram de maneira independente; ii) fatores de transcrição surgiram previamente aos
seus alvos; iii) fatores de transcrição surgiram posteriormente ao surgimento de seus alvos.
Inferimos regulons em câncer de mama e desenvolvemos um método para estimar a distância
evolutiva entre reguladores e regulados, inferindo o enraizamento evolutivo em uma dada árvore
de espécies. Foram avaliadas 307 regulons, das quais 76 (24,7%) tinham reguladores enraizados
junto com seus alvos, 137 (44,3%) tinham reguladores enraizados antes de seus alvos e 94
(30,6%) tinham reguladores enraizados depois de seus alvos. Esses resultados sugerem cenários
evolutivos que são consistentes com as três hipóteses apresentadas neste estudo. Em seguida,
avaliamos a significância dessas observações e descobrimos que a distribuição geral das raı́zes
evolutivas inferidas dos reguladores precede as raı́zes evolutivas dos alvos (p-valor = 1e-6,
teste de Wilcoxon-Mann-Whitney). Estes resultados sugerem que regulons não somente são
organizados ao redor dos reguladores, como foram formados à partir dos reguladores. Além
disso, a identificação de diferentes histórias evolutivas oferece a oportunidade de explicarmos
aspectos funcionais tais como o padrão de enraizamento evolutivo em uma rede regulatória.
Observamos 4 padrões marcantes: (i) em geral, regulons enraizados em pontos evolutivos
próximos se agrupam; (ii) a maioria dos regulons tem enraizamento evolutivo em (LCA) de
organismos unicelulares; (iii) regulons associados ao desenvolvimento do câncer de mama
são mais recentes; (iv) a maioria dos regulons relacionados a tumores estrogênio positivo e
estrogênio negativo estão enraizados em LCA de metazoários. Estes resultados são consistentes
com um dos principais aspectos do câncer, em que só é possı́vel observar desorganização
tecidual em organismos que possuem um processo de diferenciação celular capaz de formar
tecidos.
Abstract
High-throughput functional analysis of genes, RNAs and proteins demands new computational
strategies in order to extract relevant regulatory information. In prokaryotes, genes related
to the same biological functions are usually located in operons. In eukaryotes, however,
the transcriptional process is organized in a different way, as each gene is independently
transcribed. Despite these differences, functional units controlled by transcription factors
are present in eukaryotes, which are called regulons, and consist of a set of genes whose
activation or repression are under the control of the same transcription factor. The regulatory
relations of a regulon can emerge along the development of an organism, in a certain tissue,
or even during the evolution process. Describing the formation of regulons may contribute
to the understanding of how they act in the extant organisms, such as transcriptional control
in cancer. In this research we investigated the evolutionary patterns of eukaryotic regulatory
units in order to address the following question: who came first, regulators or regulated targets?
Three hypotheses were tested: i) transcription factors and its targets appeared independently; ii)
transcription factors came prior to their targets; iii) transcription factors came after their targets.
We reconstructed regulons from gene expression data and developed a method to estimate
the evolutionary distance between regulators and targets, inferring the point of emergence in
a given species tree. A total of 307 regulatory units were evaluated, of which 76 (24.7%) had
regulators rooted along with their targets, 137 (44.3%) had regulators rooted before their targets,
and 94 (30.6%) had regulators rooted after their targets. These results suggest evolutionary
scenarios that are consistent with the three hypotheses stated in this study. We then assessed
the significance of these observations and found that the overall distribution of the inferred
evolutionary roots of the regulators precedes the evolutionary roots of the targets (p-value =
1e-6, Wilcoxon-Mann-Whitney test). In addition, the identification of different evolutionary
scenarios offers the opportunity to explain functional aspects found in the inferred regulons
for breast cancer. Using a metric that estimates the functional similarity between regulons,
regulatory units were clustered according to a regulatory network, and onto this regulatory
network we mapped the evolutionary roots. Four important patterns were observed: (I) in
general, regulons rooted at near evolutionary distances cluster to each other in the regulatory
network; (ii) most of the regulons are rooted at the LCA of unicellular organisms; (iii) regulons
associated with the development of breast cancer are more recent; (iv) most of the regulons
related with positive/negative estrogen tumors are rooted at the LCA of metazoans. These
results are consistent with one of the main aspects of cancer, in which tissue disarrangement is
only possible in organisms able to form tissues.
Assunto
Bioinformática, Regulon, Eucariotos, Ativação Transcricional
Palavras-chave
Bioinformática, Regulon, Eucariotos., Ativação Transcricional