BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMADE PUEBLA ESCUELA DE BIOLOGÍA PROTOCOLO DE TESIS: ANÁLISIS BIOINFORMÁTICO DE PREDICCIÓN PARA BLANCOS CELULARES DE MICRORNAS VIRALES. PRESENTA: Aguilar Sosa Saúl TUTOR DE TESIS: DR. Mauricio Salcedo Vargas INTRODUCCION El RNA ya no puede ser clasificado como el ribosomal, mensajero y transferente (rRNA, mRNA, tRNA); ahora un numero diferente de moléculas de RNA han sido caracterizadas, las cuales están relacionadas en la regulación de una variedad de procesos celulares solo como una parte de partículas de ribonucleoproteinas (RNPs), pequeños RNAs nucleares (snRNAs), pequeños RNAs nucleolares (snoRNAs) y microRNAs (miRNAs), los cuales han revolucionado la forma de observar las maquinarias moleculares y celulares. Se predice ahora que tanto del 40 al 50% de mRNAs del mamífero podrían regularse a nivel traducción por los miRNAs y que del 50 al 60% de alternativamente empalmados, por pre-mRNAs de mamífero pueden estar un proceso que involucra a los snRNAs críticamente, para formar un gran número de proteínas diferentes. (1) Los microRNAs son pequeños RNAs de cadena simple de aproximadamente (+/-) 22 nucleótidos que han sido localizados en invertebrados, vertebrados y plantas(2). Los microRNAs son pequeños RNAs que en organismos inferiores juegan importantes roles en la regulación del desarrollo y en la expresión de genes, formando típicamente duplex imperfectos con blancos en el RNA mensajero inhibiendo la traducción de proteínas o decrementado la estabilidad del transcrito (5)(9). Las predicciones computacionales, apoyadas por la evidencia experimental, indican que los miRNAs regulan un fragmento grande de genes en metazoarios demostrando tener funciones adicionales solo encontradas en vertebrados(9). Los microRNAs se han clasificado como transcritos de las regiones intergenicas, pero recientes experimentos en la clonación a larga escala en el genoma han demostrado que los microRNAs pueden ser derivados de los intrones. Una significante proporción de microRNAs es codificada en los intrones de proteínas codificadas por genes, probablemente expresándose en sincronización con ellas. Una poca cantidad de microRNAs ha sido mapeada y codificada en los exones de proteínas codificadas por genes.(11) Los microRNAs son localizados en o cerca de los sitios frágiles y predisponen inestabilidad en el DNA en células cancerosas, existiendo una correlación entre la posible localización de específicos microRNAs y los genes HOX. Pueden tener una función de regulación positiva y negativa en los genes y participar en procesos esenciales como: proliferación celular, muerte celular durante el desarrollo, metabolismo graso, factores de trascripción, factores de secreción, receptores y transportadores (2)(4). La expresión aberrante de miRNAs se relaciona a las enfermedades como el cáncer. Un reciente estudio los niveles de expresión globales de los microRNAs en varios cánceres indican que los patrones de expresión de los microRNAs son generalmente más útiles que los perfiles del ARN mensajero para clasificar los tumores (8). La expresión de los microRNAs sirve para dar una clasificación a los tumores existentes en el humano. Hasta el momento se han identificado más de 300 microRNAs en el humano, probablemente llegando hasta 1000 (3)(9). Los MicroRNAs se han implicado recientemente en la relación existente entre el hospedero y el patógeno en las infecciones virales jugando un rol importante en la patogénesis viral. Los estudios de las interacciones hospedero - patógeno a niveles de microRNA apenas están iniciando, recientemente ha surgido el interés en informes existentes en donde se está explorando la posibilidad de observar y analizar un mayor numero de virus patogénicos en el humano (7). En recientes estudios muestran que los virus generan su propia rutas para obtener microRNAs propios activando la expresión de genes específicos. Los virus son patógenos intracelulares obligados que se encuentran asociados con muchas enfermedades en plantas y animales. La supervivencia exitosa de los virus crucialmente depende de su habilidad de explotar la maquinaria de células hospederas y para inactivar los mecanismos innatos de defensa, tales como el interferon y respuestas de apoptosis. Los microRNAs virales han sido descritos en células y en infecciones como: Herpes Virus Simples, Epstein - Barr Virus (EBV), Citomegalovirus Humano (HCMV), Herpes Virus Sarcoma de Kaposi (KSHV), Herpes Virus Murin 68 (MHV 68), Virus del Simio 40 (SV40), Virus de inmunodeficiencia Adquirida (VIH) y otros poliomavirus(6). Los microRNAs son transcribidos por ARN Polimerasa II como microRNAs primarios (pri-miRNAs), los cuales tienen centenares o miles de nucleótidos de longitud. Éstos pri-miRNAs se procesan entonces por las enzimas Drosha o Pasha (DGCR8 en los humanos) localizadas en el núcleo de la célula para producir estabilidad termodinámica a las estructuras horquilla conocidas como premicroRNAs (los pre-miRNAs) de aproximadamente 70 nucleótidos. Estos pre- microRNAs son exportados al citoplasma por RAM GTP y Exportina -5 formando un heterodimero. Los pre-miRNAs son procesados por la RNAasa III Dicer para formar los dúplex de 18–23 pb. La digestión por Dicer es seguida por la liberación del miRNA maduro o del siRNA. Estos pasos procesados mediante la ruta de los siRNA (ARN pequeños de interferencia), la cadena con baja estabilidad en el extremo 5’ final (la cadena guía) es preferencialmente seleccionada de la doble cadena, la cual compone a el microRNA y a su cadena complementaria para ser asociado con el Complejo de Silenciamiento de ARN Inducido (RISC) mediante los sitios de unión PAZ en donde la cola del pre-MIRNA se unirá y PIWI en donde se lleva a cabo la inhibición de la región del dominio de unión de la RNasa III/dcRNA de Dicer (4)(11) (ver Fig1). Algunos miRNAs pueden ser blancos de transcritos de microRNAs virales después de que el virus entran en las células, y estos miRNAs hospederos parecen tener un papel variado en los virus involucrados. En el hígado, el miR – 122a humano induce la replicación del Virus de la hepatitis C mediante el blanco para la región 5’ no codificante. Esto indica que los microRNAs humanos pueden regular el ciclo de vida de los virus en el hospedero (13) (ver Fig 2). Fig 1. Biogénesis de un microRNA Fig 1. MIRNAS interactúan con los blancos del mRNA en virus y células hospederas. Los microRNAs puede controlar y tener aproximadamente hasta (+/-) 200 transcritos blancos directa o indirectamente para múltiples genes y muchos microRNAs pueden controlar un simple transcrito blanco, funcionando como una red regulatoria compleja (6). Los blancos de los microRNAs incluyen proteínas de señalización, enzimas y factores de transcripción (TFs) y así sucesivamente. La diversidad y abundancia de los blancos de los miRNAs ofrece un nivel enorme de posibilidades de combinación y sugieren que los miRNAs y sus blancos parecen formar una compleja red regulatoria entrelazándose con otras redes celulares tales como las redes de señalización de la transducción. Sin embargo, es incierto como los miRNAs podrían orquestar su regulación de redes de señalización celular y cómo la regulación de estas redes podrían contribuir a las funciones biológicas de los miRNAs. (12) Los miRNAs regulan negativamente sus blancos mediante dos formas: Dependiendo en el grado de complementariedad entre el miRNA y el blanco. Primero, los miRNAs con los cuales se une la complementariedad perfecta o casi perfecta de las secuencias de proteínas codificantes del mRNA induciendo RNAmediado por la ruta de interferencia (RNAi). Brevemente, las transcripciones del mRNA son degradadas por los ribonucleasas en el miRNA-asociado, el complejo de silenciamiento multiproteico (miRISC), el cual resulta de la degradación de los mRNAs blanco. Este mecanismo de el gen miRNA-mediado por silenciamiento se encuentra comúnmente en plantas, pero miRNA-dirigido a el mRNA degradado ha sido también observado y ocurre en mamíferos. Sin embargo, la mayoría los miRNAs animales utilizan un segundo mecanismo de la regulación del gene que no implica la degradación de su mRNA blancos. Estos miRNAs ejercen su efectos reguladores atando un sitio complementario imperfecto dentro de las regiones 3` no traductoras (UTRs) de sus mRNA blancos, y ellos reprimen la expresión del blanco-gene post-transcripcionalmente, al parecer en el nivel de la traducción, a través del RISC (Complejo de Silenciamiento de ARN Inducido) el cual es similar, o posiblemente idéntico con, es el único que se utiliza para la ruta RNAi. Constante con el control de la traducción, los miRNAs que utilizan este mecanismo reducen los niveles de la proteína de sus genes blanco, pero de los niveles del mRNA de estos genes apenas son afectados. Sin embargo, resultados recientes indican que los miRNAs con los cuales se comparte solamente la complementariedad parcial sus blancos pueden también inducir la degradación del mRNA, pero es confuso si la inhibición de la traducción precede a la desestabilización de los genes blanco en estos casos (4). La base de datos miRBase tiene la información de genes miRNAs y sus miRNAS blancos. miRNAMap es una información comprensiva almacenada para los miRNAs y sus blancos en genomas de humanos, ratón, rata y perro. Además, varios programas para la predicción de blancos fueron diseñados previamente (TargetScan, miRanda y RNAhybrid ) son comúnmente usados para determinar los sitios de hibridación energéticamente mas favorables para realizar la predicción de blancos (13). Argonaute es una base de datos en donde se pueden observar resultados tales como el origen de un microRNA, cual es el gen hospedero o gen blanco codificado, en que tejidos son expresados, a que familia de microRNA pertenece, cual es la función que tiene un determinado microRNA (9). FatiGO puede buscar miles de genes de los organismos diferentes (actualmente humano, ratón, Drosophila, gusano, la levadura, así como los genes cuyas proteínas están incluidas en la base de datos de Swissprot), y puede usar diferentes identificadores de Genes que se encuentran en Centro Nacional de Información Biotecnológica (NBCI) teniendo su dirección en Internet en: (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) que contiene herramientas como: (GenBank ID, BLAST, PUB MED, OMIM) o en otros identificadores de genes como ENSEMBL, systematic name, Swissprot/TrEMBL, usando tablas de correspondencia entre genes y sus correspondientes términos de Ontología de Genes (OG) (14)(15). Se han usado las estrategias de Bioinformática recientemente para identificar los miRNAs potenciales predichos en la base de varias secuencias y características estructurales. Sin embargo, las tales predicciones del gen blanco no pueden apuntar a todos los miRNAs legítimos, sobre todo aquéllos que no son filogenéticamente conservados, y todas en las predicciones en silico requieren una aprobación experimental independiente (10). ANTECEDENTES . (Rossi et al, 2007) Han estudiado la distribución genomica de distancias entre los blancos de los microRNAs mostrando una optima baja regulación, cooperación y eficacia cuando se encuentran separados por una distancia de 13 a 35 nt (16). (Rehmsmeier et al, 2004) Realizaron un predictor de blancos ( RNA hybrid ) que predice múltiples sitios de unión de microRNAs en RNAs blancos grandes. En general, el programa encuentra los sitios de hibridación enérgicamente más favorables de un ARN pequeño en un ARN grande realizando una predicción de los blancos de los microRNAs de Drosophila y sus secuencias codificantes tomando en cuenta el mínimo de energía libre, en las hibridaciones Intramoleculares, es decir, apareamientos de bases entre los nucleótidos blanco o entre nucleótidos de microRNAs no se permiten, en una aproximación de los múltiples sitios de unión y el calculo de blancos ortólogos eficaces en estudios comparativos de múltiples organismos. Para los blancos grandes, la complejidad de tiempo de el algoritmo es lineal en la longitud del blanco, por lo tanto, se pueden investigar muchos blancos largos en un tiempo corto (17) (Majoros y Ohler, 2007) Realizaron una predicción de los sitios blancos que pueden ser afectados por la poliadenilacion alternativa, efectuándose eventos que cambian la secuencia 3'UTR, demostrando que dos tercios de los genes blanco tienen 3'UTRs alternativas, siendo el 40 % de sitios blancos predichos localizados en los segmentos de UTR alternativos. Realizaron tres clases basadas en si el sitio blanco cae dentro del constitutivo y/o el segmento alternativo UTRs, y examinaron la distribución espacial de los blancos predichos en UTR alternativas, existiendo una fuerte preferencia para los blancos que son localizados en la junto al codon de paro y los sitios de poliadenilación (18) (Thadani1 y Tammi, 2006) Realizaron un programa ( MicroTar ), una herramienta predictora de blancos de microRNAs animales basada en la complementariedad y termodinámica de datos de microRNAs blancos. El algoritmo usado predice la energía libre de el mRNA y el establecido heterodimero mRNA-Mirna implicando una adherencia a la accesibilidad del mRNA 3'UTR. MicroTar no cuenta en la conservación evolutiva con blancos funcionales disueltos, y puede predecir ambos blancos conservados y no conservados. MicroTar logra la sensibilidad buena que previamente informó las predicciones cuando fueron probadas en tres datasets distintos de interacciones del Mirna-blanco experimentalmente, siendo verificadas C. elegans, D. melanogaster y M. Musculus (19) (Burgler y Macdonald, 2005) Demostraron que MovingTargets es un programa de software que permite predecir un set de Mirna blancos que satisfacen un set ajustable de funciones biológicas, identificando la alta-probabilidad de encontrar 83 miRNAs blancos en Drosophila, todos los cuales se adhieren a funciones biológicas estrictas y verificando tres de estas predicciones en las células cultivadas, incluyendo un blanco para el homologo Drosophila let - 7. Además, la flexibilidad de los MovingTargets es iniciada por las funciones biológicas para identificar y validar el blanco microRNAs tramtrack , un gen también conocido que estar sujeto al control dependiente de la traducción en la unión del ARN - proteína Musashi. También demostraron que es una herramienta flexible para la predicción exacta de Mirna los blancos en Drosophila, utilizándose para dirigir una búsqueda genoma - ancho de los microRNAs blancos usando todos los miRNAs de Drosophila y los blancos potenciales, o pueden dirigir una búsqueda enfocada para los blancos del miRNAs de un gen específico. Además, los valores para un set de funciones biológicas fueron usadas para definir a una Mirna el blanco que es ajustable, mientras, el software incorpora las reglas usadas para caracterizar a un microRNA blanco interpretadamente (20) como experimentalmente, determinadamente e (Kruger y Rehmsmeier, 2006) Demostraron que en las redes regulatorias de los microRNAs existen blancos potenciales de alta importancia, RNAhybrid es un método de predicción de blancos que tiene la función de realizar una predicción en línea flexible. Algunas de las características usadas han sido adheridas, entre estas la posibilidad de desaprobar pares de bases G:U en la región inicial., que hace que el programa busque aceleradamente una secuencia inicial de 8 nt. Este programa demuestra la flexibilidad de RNAhybridos de los sitios blancos no – canónicos para miR-241de Caenorhabditis elegans en la 3’UTR de lin – 39 (21). (Rajewsky y Socci, 2004) Desarrollaron un programa, el cual muestra un modelo termodinámico y cinético de mecanismo de reconocimiento de los sitios blancos de los microRNA, aplicado a un set de 78 miRNAs de Drosophila melanogaster y Drosophila pseudoobscura, demostrando que varios tipos de genes patrones que intervienen en el desarrollo del cuerpo tales como hairy y fushi-tarazu son probablemente regulados en la traducción por los microRNAs(22) (Coen et al, 2006) Realizaron un programa para analizar el genoma completo de HSV-1 para secuencias que adoptan una estructura stem-loop y desplegar un patrón de divergencia en los nucleótidos característica en los microRNAs, identificando 11 locis genomicos de HSV-1predichos que codifican 13 miRNAs precursores y 24 miRNAs candidatos(23) (Zhang et al, 2006) diseñaron una maquina de vector de apoyo (SVM) que funciona como un clasificador y predictor para microRNAs genes blancos. Este programa usa una función de base radial al igual que una medida de similitud para las características de SVM, categorizadas por características estructurales, termodinámicas y posiciones de los pares de bases, siendo estas características introducidas para observar el mecanismo de unión de los microRNAs tales como miR-1, miR-124a y miR-373 usando un análisis de Ontología de Genes y revelando la importancia de la unión de bases en las posiciones 4, 5 y 6 en la región 5’ de un microRNA de un experimento de selección de características(24) (Enright et al, 2003) Presentaron un método Computacional para el genoma entero para la predicción de genes miRNAs blanco. Para cada microRNA, los genes blanco son seleccionados en base a tres propiedades: la complementariedad de la secuencia que usa un algoritmo de alineación local en la posición-pesado, las energías libres de los dúplex de ARN-ARN, y la conservación de los sitios blanco en los genomas relacionados. La aplicación de este método al los genomas de Drosophila melanogaster, Drosophila pseudoobscura y Anopheles gambiae identifican a varios cientos genes blanco son regulados potencialmente por uno o más miRNAs conocidos(25) (Enright et al, 2004) Realizaron una predicción para los sitios blanco en 3’ UTR de transcritos del gen humano para todos los 218 miRNAs de mamífero actualmente conocidos. Se informo que existen aproximadamente 2,000 genes humanos con miRNAs sitios blanco conservados en mamíferos y aproximadamente 250 genes humanos conservados como blancos entre los mamíferos y peces. El algoritmo de la predicción perfecciona la complementariedad de la secuencia que usa las reglas de posición-específicas y confía en los requisitos estrictos de conservación de inter - especies. La validación de este método se debe a: los mRNAs están asociados con la proteína X frágil de retraso mental en mamíferos, la sobre expresión de grupos de blancos incluya mRNAs que codifica para los factores de la transcripción, los componentes de la maquinaria de los miRNAs, y otras proteínas involucradas en la regulación de la traducción, así como los componentes de la maquinaria de la ubiquitina, representando los nuevos loops a en la regulación del gen(26). (SÆTROM, SNØVE JR., y SÆTROM, 2005) Presentaron un nuevo algoritmo para la predicción de microRNA blancos llamado TargetBoost, mostrando que el algoritmo es estable e identifica más blancos verdaderos que otros algoritmos existentes. TargetBoost usa el aprendizaje de la máquina en un set de blancos de microRNAs validados en organismos inferiores para crear secuencias pesadas que capturen las características de unión entre los microRNAs y sus blancos. Los algoritmos existentes les exigen a candidatos que tengan: (1) la complementariedad casi perfecto entre el fin del microRNAs '5’ y sus blancos; (2) la estabilidad del duplex termodinámicamente debe estar relativamente alta; (3) los múltiples sitios en los blancos 3’ UTR ; y (4) la conservación evolucionaría del blanco entre las especies. La mayoría de los algoritmos usan primero uno de los dos pasos en estos casos, y usan los tres otros como los filtros para mejorar la especificidad del método. TargetBoost es favorable para usar la estabilidad del duplex y los pasos para la complementariedad de la secuencia y se encuentra en la herramienta Web: http://www.interagon.com/demo/ (27). (Zhang et al, 2006) realizaron un programa para la predicción de microRNAs potenciales con una secuencia de 60–150 nt usando un modelo probabilistico de coaprendizaje, identificando clusters y no clusters de microRNAs, microRNAs conservados y no conservados en varias especies que permiten la identificación de microRNAs conocidos y no conocidos. ProMiR II integra evidencia de: energía libre, radio G/C, marcador de la conservación y la entropía de las secuencias candidatas para tener una predicción controlable de microRNAs en genomas de ratón y humano(28). HIPOTESIS Existen pocos trabajos realizados para obtener la secuenciación de microRNAs virales y demostrar sus posibles sitios de unión a blancos celulares. Por lo tanto, si se tienen bases de datos que pueden predecir los blancos celulares de una secuencia de un microRNA viral, en donde se tiene un algoritmo que lea la secuencia de 3’ a 5’ en donde se propondrá obtener las bases complementarias (miRNA – miRNA Blanco). Pero si no se logra el objetivo planeado, entonces se propone la hipótesis alterna en donde se diseñe un programa que pueda leer la secuencia de un determinado microRNA viral de 5’ a 3’, para saber y determinar cual sera la base de datos que nos indique cual es el mejor algoritmo. JUSTIFICACION La importancia de este estudio radica en que los componentes de la maquinaria de los microRNAs virales están implicados en procesos de tumorigenesis, lo cual nos hace buscar un software que nos indique todos los datos precisos de la secuencia de los microRNAs virales, el nombre del microRNA a estudiar, si existe una expresión de este microRNA viral, el gen que va a activar o a inhibir, la ubicación cromosomica del microRNA, el blanco donde va a actuar en la célula y la enfermedad que se va a generar mediante el software Visual C ++. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Realizar un análisis bioinformático de predicción para blancos celulares de microRNAs virales. OBJETIVOS PARTICULARES Realizar un Blast en http://www.interagon.com/demo para obtener la predicción de los blancos celulares de las secuencias de los microRNAs virales. Desarrollar un programa en lenguaje de programación Visual C ++ que nos permita manejar y manipular bases de datos de las secuencias de microRNAs virales y los datos obtenidos de http://www.interagon.com/demo para observar y mostrar el posible sitio de unión entre el microRNA y su blanco celular. Mostrar la ubicación cromosomica del microRNA y la posible enfermedad que se origine. CRONOGRAMA DE TESIS MES ACTIVIDAD AGOSTO TESIS 13 DE AGOSTO AL Consultar diferentes bases de datos que realicen la 17 DE AGOSTO predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. 20 DE AGOSTO AL Consultar diferentes bases de datos que realicen la 24 DE AGOSTO predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. 27 DE AGOSTO Consultar diferentes bases de datos que realicen la AL 31 DE AGOSTO predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. SEMANA1 SEMANA 2 SEMANA 3 CRONOGRAMA DE TESIS MES ACTIVIDAD SEPTIEMBRE TESIS 3 DE SEPTIEMBRE AL Consultar diferentes bases de datos que realicen la SEMANA1 7 DE SEPTIEMBRE predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. SEMANA 2 10 DE SEPTIEMBRE AL Consultar diferentes bases de datos que realicen la 14 DE SEPTIEMBRE predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. 17 DE SEPTIEMBRE AL Consultar diferentes bases de datos que realicen la 21 DE SEPTIEMBRE predicción y búsqueda de Blancos de microRNAs virales. 24 DE SEPTIEMBRE AL Creación de las bases de datos e información que serán 28 DE SEPTIEMBRE utilizadas en el programa Visual Fox Pro SEMANA 3 SEMANA 4 CRONOGRAMA DE TESIS MES ACTIVIDAD OCTUBRE TESIS 1 DE OCTUBRE AL Creación de las bases de datos e información que 5 DE OCTUBRE serán utilizadas en el programa Visual Fox Pro 8 DE OCTUBRE AL Creación de las bases de datos e información que 12 DE OCTUBRE serán utilizadas en el programa Visual Fox Pro 15 DE OCTUBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la Discusión 19 DE OCTUBRE y Conclusiones. 22 DE OCTUBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la Discusión 26 DE OCTUBRE y Conclusiones. SEMANA1 SEMANA 2 SEMANA 3 SEMANA 4 CRONOGRAMA DE TESIS MES ACTIVIDAD NOVIEMBRE TESIS 5 DE NOVIEMBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la 9 DE NOVIEMBRE Discusión y Conclusiones. 12 DE NOVIEMBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la 16 DE NOVIEMBRE Discusión y Conclusiones. 19 DE NOVIEMBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la 23 DE NOVIEMBRE Discusión y Conclusiones. 26 DE NOVIEMBRE AL Ordenar los Resultados obtenidos, realizar la 30 DE NOVIEMBRE Discusión y Conclusiones. SEMANA1 SEMANA 2 SEMANA 3 SEMANA 4 Revisión Final de la Tesis y Entrega del Escrito de la Tesis CRONOGRAMA DE TESIS MES ACTIVIDAD DICIEMBRE TESIS 3 DE DICIEMBRE AL Revisión Final de la Tesis y Entrega del Escrito 7 DE DICIEMBRE de la Tesis SEMANA1 BIBLIOGRAFIA 1.- Presutti C. , Rosati J. , Vincenti S. and Nasi S. Non coding RNA and brain. BMC Neuroscience 2006, 7(Suppl 1):S5. 2.- Adrián C. G., Sevignani C., Dumitru C. 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