Regulating the pace of the embyo clock: RNA molecules in temporal control of vertebrate development

Abstract

Durante as últimas décadas têm-se estudado com profundidade os mecanismos genéticos que levam ao correto desenvolvimento do embrião vertebrado. Estes mecanismos têm sido estudados especialmente na caraterização da expressão genética nos tecidos e de que modo a sua presença ou ausência se reflete na correta diferenciação de uma célula, no desenvolvimento de um tecido ou órgão e na correta formação do organismo. Contudo para além da localização e intensidade da expressão, uma outra dimensão muito menos explorada é o Tempo. A desregulação temporal da expressão génica pode levar a que os tecidos se diferenciem num momento ou ritmo impróprio, podendo ter consequências graves e levar mesmo à morte do organismo. Um dos processos que evidencia uma periodicidade durante o desenvolvimento, é a somitogénese. À medida que o embrião alonga ao longo do eixo antero-posterior graças à ingressão de células no botão caudal, as células da mesoderme pré-somítica (PSM) anterior formam periodicamente pares de estruturas esféricas transitórias que flanqueiam a notocorda, conhecidas como sómitos. Os sómitos diferenciam-se sendo responsáveis pela formação do esqueleto axial, bem como da musculatura esquelética e a derme das costas. A desregulação temporal da somitogénese, provoca doenças congénitas graves que afetam especialmente a formação das vertebras, como a disostose espondilocostal. Existe um relógio embrionário (EC) subjacente à periodicidade da somitogénese. O EC foi primeiramente descrito por Palmeirim e colegas (1997) no desenvolvimento do embrião de galinha. Este grupo descobriu que o gene hairy1 tem ciclos de expressão na PSM com o mesmo período que a somitogénese, 90 minutos. Posteriormente, este mecanismo foi descoberto noutros organismos e hoje em dia, sabe-se que é conservado em todos os vertebrados. O período EC é específico de cada espécie, sendo, por exemplo, 30 minutos no peixe-zebra, 120 no ratinho e entre 5 e 6 horas no Humano. Sabe-se também que vários genes pertencentes a várias vias de sinalização possuem expressão cíclica. Mais concretamente, pertencentes às vias de Notch, FGF e WNT. Dez anos depois da descoberta do EC, foi descrito que este mecanismo não era exclusivo da PSM. Pascoal e colegas (2007) descobriram que o relógio embrionário estava presente no crescimento do membro da galinha. Mais concretamente, o grupo descreveu que o gene hairy2 tem uma expressão cíclica, apresentando um período de seis horas em vez dos 90 minutos na PSM. O EC é caracterizado por mecanismos de regulação por feedback negativo em que um gene é expresso e traduzido e a proteína vai reprimir a sua própria expressão. Para além disso, o mecanismo é refinado por atrasos em diversas etapas, desde a transcrição, passando pela exportação nuclear do mRNA, pela tradução e terminando na degradação do mRNA e da proteína. Contudo, a regulação do EC, mais propriamente, como é capaz de apresentar diferentes períodos no mesmo organismo, ainda permanece por esclarecer, constituindo a questão central do presente trabalho. Neste trabalho foi explorada a hipótese da regulação da periodicidade do EC em diferentes tecidos ser exercida ao nível das moléculas de RNA. Para abordar esta hipótese, foram aplicadas diversas metodologias experimentais. Em primeiro lugar foram identificados os transcritos produzidos por hairy1 e analisado o seu impacto na segmentação do tronco embrionário (Capítulo 2). Para tal, foi feita uma sobre-expressão de ambos os transcritos identificados na PSM do embrião de galinha. Os nossos resultados indicam que a sobreexpressão do s-hairy1, tal como de hairy1, leva a um atraso no alongamento dos embriões, e a um atraso no início da somitogénese. Neste capítulo, adicionalmente, procurámos aprofundar o conhecimento acerca do relógio embrionário no membro. Estudámos a expressão de hairy1, descobrindo que também cicla com um período de 6 horas no mesênquima distal do membro. A região 3’UTR do mRNA é um dos maiores responsáveis pela regulação do tempo de meia-vida do próprio mRNA. Tendo isso em mente, estudámos os 3’UTRs de três genes centrais do relógio embrionário do peixe-zebra, her1, her7 e deltaC (dlc) (Capítulo 3). No caso de her1 e her7 deletou-se 3’UTR alternativos, contudo os resultados obtidos não revelaram um papel para os 3’UTRs alternativos no funcionamento do EC. No caso do gene dlc, dividiuse o 3’UTR em três regiões de regulação (RR), e procedeu-se à deleção dessas regiões isoladamente, ou em combinação. Quando deletadas RR1, RR2 ou a combinação das duas (RR1&2), não foram detetadas alterações significativas à expressão de dlc. Contudo, quando foram removidas RR3 ou RR2&3 obteve-se uma estabilização da expressão dos genes do EC. Uma avaliação mais aprofundada das deleções RR2 e RR3 revelou que os embriões produziam menos sómitos e mais pequenos, resultado mais notório na deleção RR3. Em ambos os casos também se verificou uma estabilização da expressão de her7. Por último, decidiu-se estudar se os miRNAs podem estar envolvidos na regulação dos períodos do EC (Capítulo 4). Para tal, analisou-se o miRNoma por sequenciação de RNA a partir de três tecidos que apresentam oscilações do EC com diferentes ritmos: PSM determinada (D-PSM), PSM indeterminada (U-PSM) e o domínio distal cíclico do membro superior (DCD). Foram identificados 926 miRNAs conhecidos. Para além disso descobrimos mais 1141 possíveis novos miRNAs em galinha (quase duplicando os que se encontram anotados na base de dados miRBase). Procedemos, posteriormente, a uma análise de expressão diferencial e à validação dos dados por RT-qPCR. Adicionalmente, os miRNAs diferencialmente expressos entre os tecidos foram comparados com os genes negativamente regulados nos mesmos tecidos e procedemos a uma análise de enriquecimento funcional GO e REACTOME. Em suma, utilizando uma nossa estratégia plural para testar a nossa hipótese, levounos a um aprofundar do conhecimentos dos mecanismos que controlam a expressão genética periódica nos tecidos onde o EC opera.Vertebrate embryo body segmentation occurs progressively over time. An embryo clock (EC) characterized by gene expression oscillations underlies somitogenesis periodicity. The EC periodicity is species-specific, i.e., 30 minutes and 90 minutes in zebrafish and chicken, respectively. The EC was also found in chicken forelimb outgrowth, however, with a 6-hour pace. Robust EC gene expression oscillations are built by negative feedback loops, which require tight regulation of mRNA stability. This thesis will present work addressing the hypothesis that alternative transcripts and/or miRNAs may account for different paces of the EC. Different approaches were followed to address this hypothesis: 1) we analyzed the alternative transcripts of the chicken EC hairy1 gene and found that both s-hairy1 and hairy1 overexpression promoted trunk developmental delay. We identified hairy1 gene expression oscillations in the limb bud with a periodicity of 6 hours. 2) Using zebrafish mutants with truncated 3’UTRs in EC mRNAs we found that deletion of the distal portion of the dlc 3’UTR stabilizes EC expression and promotes segmentation alterations. 3) We performed miRNA sequencing (miRNA-Seq) of three chicken embryo tissues: determined PSM (D-PSM), undetermined PSM (U-PSM), and forelimb distal cyclic domain (DCD). We identified 926 known miRNAs and 1141 candidate novel miRNAs not previously described in chicken. Furthermore, a differential expression analysis was conducted, and specific miRNAs were selected for validation and functional analysis. Altogether, by tackling our hypothesis in multiple mechanisms involving RNA regulation, we gave a step further in understanding the temporal control of the EC