Study of g-quadruplex structures as genetic and epigenetic regulatory elements

Autor: Jara Espejo, Manuel Alexander, 1987
Přispěvatelé: Line, Sergio Roberto Peres, 1963, Scarel-Caminaga, Raquel Mantuaneli, Nagamatsu, Sheila Tiemi, Souza, Ana Paula de, Guimarães, Gustavo Narvaes, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Odontologia de Piracicaba, Programa de Pós-Graduação em Biologia Buco-Dental, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientador: Sergio Roberto Peres Line Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba Resumo: Sequências de DNA e RNA ricas em guaninas podem formar estruturas secundárias denominadas G-quadruplexes. Diferentes estudos têm mostrado que os locais de ocorrência destas estruturas não são aleatórios, mas estão super-representados em regiões regulatórias. De fato, a função regulatória de estruturas G-quadruplex tem sido mostrada em processos biológicos como a replicação, transcrição e o controle do splicing do mRNA. Portanto, os objetivos do presente estudo foram i) Avaliar a associação entre estruturas G-quadruplex e o padrão de metilação das ilhas CpG ii) Analisar o potencial papel de elementos G-quadruplex na seleção dos sítios de metilação de Adenina no contexto do RNA; iii) Estudar a associação entre sequências G-quadruplex no íntron 1 do gene Pax9 e as proporções dentarias em mamíferos; iv) Analisar o perfil de conservação evolutiva dos G-quadruplexes na região codificante do genoma dos primatas. No capítulo I nós mostramos que sítios G-quadruplexes estão fortemente associados com níveis baixos de metilação no contexto das ilhas CpG. Esta associação mostrou ser influenciada pela estabilidade estrutural dos G-quadruplexes, a acessibilidade da cromatina, localização dos G-quadruplexes em relação a ilhas CpG e a distância entre os CpGs e os G-quadruplexes. No capítulo II nós mostramos que os sítios de metilação de Adenina (m6A) colocalizam com regiões formadoras de G-quadruplex no RNA. Esta associação foi maior no contexto do pré-mRNA e mostrou estar super-representada espacialmente próxima ao lado intrônico dos sítios de splicing humanos. No capítulo III nós mostramos que o potencial estrutural de sequências formadoras de G-quadruplex se associa com variações no fenótipo dentário em mamíferos eutérios. Duas regiões, uma delas efetivamente formadora de G-quadruplex, localizadas no começo do íntron 1 do gene Pax9 se correlacionaram significativamente com o comprimento mesiodistal e a área M3/M1 e M2/M1. No capítulo IV nós mostramos que sítios G-quadruplex representam os locais de mais baixa conservação evolutiva quando sequencias codificantes de genes são comparadas entre primatas. A causa da baixa conservação associada a G-quadruplexes poderia ser o potencial deles para induzir inserções, mas não substituições, no DNA codificante de espécies únicas ou evolutivamente próximas. Em síntese, nós demonstramos que os G-quadruplexes são estruturas com potencial regulador durante a definição dos perfis epigenético e epitranscriptômico das células. Também mostramos que G-quadruplexes influenciam a definição do tamanho dos molares, impactando assim a evolução dos padrões dentários em mamíferos. Finalmente mostramos que G-quadruplexes de alta estabilidade caracterizam pontos de baixa conservação no genoma codificante em primatas Abstract: Guanine-rich DNA and RNA molecules can fold into secondary structures named G-Quadruplexes. Their location is strongly biased against important non-coding regulatory regions, which explains the evidence about their association with several biological processes, including DNA replication, transcription, telomere maintenance and RNA splicing. The correct function of G-quadruplexes and associated machinery depends on several factors, being one of the most important the stability of the structure. The aim of this study was to elucidate the potential role of G-quadruplexes in the genetic and epigenetic contexts, and to explore the rules governing this potential influence. In addition, we studied a possible association between the stability of the sequences present in the first intron of Pax9 and the relative size of molar teeth in eutherian mammals. Finally, we analyzed the evolutionary conservation of coding regions populated with G-quadruplexes across primates. The results obtained were included in three scientific articles which are presented as chapters. In chapter I, we characterized the association between G-quadruplex forming sequences and the methylation pattern in the context of CpG islands. Our computational analysis revealed that G-quadruplex sites are strongly associated with low CpG methylation levels. Moreover, the potential stability, chromatin accessibility and distance CpG-to-G-quadruplex influenced this association. In chapter two, we explored the potential association between G-quadruplex forming regions and m6A sites in the context of pre-mRNA and RNA. We found that sites of m6A deposition co-localize with G-quadruplex sites, in particular those capable to fold into two G-tetrads. The colocalization was stronger in the context of pre-mRNA in HEK293 cells and close to the intronic splice sites. In chapter III we showed that the folding energy (Mfe) of two regions, one of them capable to fold into a G-quadruplex, located in the first intron of Pax9 were shown to be significantly associated with the M2/M1 and M3/M1 areas and mesiodistal lengths. The correlations were further increased when the Mfe of the two sequences were added. In chapter IV we applied a transcriptome-wide analysis of the G-quadruplex evolutionary conservation among primate orthologs genes. Strikingly, we found that G-quadruplex sites depict the least conserved coding regions in both DNA and amino acid contexts. Then, we characterized the mutagenic profile at G-quadruplex sites and found that the lack of conservation is based on indel richness. Substitution rates were similar among G-quadruplex and the other analyzed motifs. In summary, we showed that G-quadruplex structures are potential regulators of the genetic and epigenetic profiles. We also demonstrated that Pax9 intronic regions has a role in the evolution of the mammalian dental pattern by influencing the relative size of the molars. Finally, we provide evidence that G-quadruplex forming regions depict the least conserved regions when primate orthologs genes are compared Doutorado Histologia e Embriologia Doutor em Biologia Buco-Dental CAPES 141004/2018-5 CNPQ 88887.364735/2019-00
Databáze: OpenAIRE
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