Identificació i caracterització funcional dels complexes proteics dels receptors BRL1 i BRL3 en el teixit vascular d’Arabidopsis Thaliana

Els esteroids juguen papers clau en el creixement I el desenvolupament d’eucariotes multicel•lulars. En plantes, aquestes hormones, anomenades Brassinosteroides (BRs), estan involucrades en una gran varietat de processos biològics essencials per a les plantes. S’han descrit anteriorment dos receptors de BRs del tipus Leucine Rich Repeat Receptor Like Kinase LRR-RLK, BRASSINOSTEROID RECEPTOR LIKE 1 i 3 (BRL1 i BRL3 respectivalemt) que són homòlegs al receptor principal BRI1 i són necessaris pel desenvolupament vascular. Tot i que els principals components de la senyal ja han estat identificats pel seu homòleg més pròxim, el receptor BRI1, els complexes de BRL1 i BRL3 juntament amb els candidats co-receptors així com els components de la ruta de senyalització encara no han sigut identificats. Per tal d’entendre millor la funció molecular d’aquests receptors de BRs en la planta aquesta tesis doctoral planteja dues aproximacions: com a primera aproximació, vaig realitzar un estudi fenotípic del desenvolupament del teixit vascular a la planta model Arabidopsis thaliana (Arabidopsis). Disposant d'una amplia bateria de mutants de síntesis de la hormona i senyalització del receptor BRI1, vam analitzar quantitativament el seu patró vascular a la tija d'Arabidopsis. Vam establir els paràmetres en les plantes silvestres [Col-0 wild type, (WT)] i els vam analitzar a tots i cadascun dels mutants. Això conjuntament amb una col•laboració amb la Dr. Marta Ibañes, física de la Universitat de Barcelona que va construir un model matemàtic per simular la formació del patró vascular ens va permetre el•laborar una hipòtesis que vam demostrar experimentalment i va ser publicada a la revista PNAS. Posteriorment vam observar que les plantes knock-out d'aquests dos receptors BRL1 y BRL3 a diferència de BRI1, no tenien cap fenotip obvi en el teixit vascular de la planta adulta. Així, a continuació, per entendre quina necessitat té la planta de disposar de tres receptors tant altament homòlegs que poden percebre la mateixa hormona, vam utilitzar una aproximació bioquímica en col•laboració amb el Prof. de Vries de la Universitat de Wageningen (Holanda) per tal de purificar els complexes dels receptors in vivo i els seus interactors. Això ens ha permès entendre millor el paper funcional d'aquests receptors en la planta. Els resultats d’aquests experiments estan resumits en un article en preparació que aviat estarà en revisió.

Avaluació de l’ estat ambiental de la Riera d’Aubi i propostes de millora

Aquest projecte pretén desenvolupar una proposta d’índexs ambientals per a l’avaluació de l’estat ecològic de la riera de l’Aubi; avaluar l’estat ambiental, classificar els diferents trams, identificar els punts crítics i definir les propostes de millora ambiental per a la riera d’Aubi. La riera de l’ Aubi es troba entre els termes municipals de Mont-ras, Palafrugell i Palamós, a les comarques del Baix Empordà i Gironès

A new efficient approach to the direct restricted active space self-consistent field method

An implicitly parallel method for integral-block driven restricted active space self-consistent field (RASSCF) algorithms is presented. The approach is based on a model space representation of the RAS active orbitals with an efficient expansion of the model subspaces. The applicability of the method is demonstrated with a RASSCF investigation of the first two excited states of indole

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Understanding the two-component sensing System of virulent bacteria

Report for the scientific sojourn carried out at the l’ Institute for Computational Molecular Science of the Temple University, United States, from 2010 to 2012. Two-component systems (TCS) are used by pathogenic bacteria to sense the environment within a host and activate mechanisms related to virulence and antimicrobial resistance. A prototypical example is the PhoQ/PhoP system, which is the major regulator of virulence in Salmonella. Hence, PhoQ is an attractive target for the design of new antibiotics against foodborne diseases. Inhibition of the PhoQ-mediated bacterial virulence does not result in growth inhibition, presenting less selective pressure for the generation of antibiotic resistance. Moreover, PhoQ is a histidine kinase (HK) and it is absent in animals. Nevertheless, the design of satisfactory HK inhibitors has been proven to be a challenge. To compete with the intracellular ATP concentrations, the affinity of a HK inhibidor must be in the micromolar-nanomolar range, whereas the current lead compounds have at best millimolar affinities. Moreover, the drug selectivity depends on the conformation of a highly variable loop, referred to as the “ATP-lid, which is difficult to study by X-Ray crystallography due to its flexibility. I have investigated the binding of different HK inhibitors to PhoQ. In particular, all-atom molecular dynamics simulations have been combined with enhanced sampling techniques in order to provide structural and dynamic information of the conformation of the ATP-lid. Transient interactions between these drugs and the ATP-lid have been identified and the free energy of the different binding modes has been estimated. The results obtained pinpoint the importance of protein flexibility in the HK-inhibitor binding, and constitute a first step in developing more potent and selective drugs. The computational resources of the hosting institution as well as the experience of the members of the group in drug binding and free energy methods have been crucial to carry out this work.

Esfingolipids i senyal•lització cel.lular: l'(E)-2-hexadecenal com a possible lípid bioactiu

L’esfingosina-1-fosfat (S1P) és un lípid bioactiu amb funcions crucials en la biologia cel•lular. Entre aquestes, la seva activitat mitogènica i citoprotectora són les més estudiades. L’S1P és catabolitzada intracel•lularment mitjançant l’esfingosina-1-fosfat liasa (SGPL1) per generar (E)-2-hexadecenal i fosforiletanolamina. L’objectiu d’aquest projecte és explorar si l’(E)-2-hexadecenal és realment un catabòlit innocu o bé si, pel seu caràcter acceptor de Michael, és capaç de reaccionar amb pèptids o proteïnes específics. Aquesta interacció podria traduïr-se en funcions biològiques determinades, algunes de les quals són possiblement atribuïdes a l’esfingosina-1-fosfat com a tal. Per poder explorar el potencials adductes proteïcs amb l’aldehid, s’han emprat, sobre cèl•lules HeLa que sobreexpressen SGPL1, sondes anàlegs a esfingosina i esfinganina (i els seus derivats fosforil•lats) que presenten una funció azida en la posició omega de la cadena esfingoide. Aquestes, mitjançant química click sense coure, s’han fet reaccionar amb una molècula que presenta un dibenzociclooctí unit a biotina DBCObiotina). Després d’aïllar les proteïnes així biotinilades amb una reïna d’estreptavidina, aquestes es van separar per electroforesi. Les bandes proteïques observades es van extreure del gel i es van digerir amb tripsina, per posteriorment analitzar els pèptids per MALDI-TOF, el que permetria l’identificació de proteïnes a partir de “peptide mass fingerprinting”. Lamentablement, a la fi d’aquest contracte, encara no s’ha pogut identificar cap proteïna que s’uneixi a l’aldehid alliberat per la reacció de l’esfingosina-1- fosfat liasa. No obstant, durant aquest temps s’ha millorat el mètode per detectar aquests adductes proteïcs. Per això, si la recerca continua en aquesta línia, properament es podria saber amb certesa si existeixen o no aquestes interaccions covalents entre determinades proteïnes i l’(E)-2-hexadecenal.

Estudi teòric de nanotubs de nitrur de bor d'interès biomèdic

La integració dels materials biocompatibles en la nanotecnologia ha permès aquesta àrea tenir aplicacions en els camps de la biologia i la medicina, un fet que ha donat lloc a l'aparició de la nanobiotecnologia. La gran majoria d'aquestes aplicacions es basen en un aspecte fonamental: la interacció que es dóna entre els constituents biològics (normalment proteïnes) i els materials biocompatibles. Els nanotubs de carboni presenten una citotoxicitat inherent, mentre que els de nitrur de bor (BNNTs), isòsters amb els de carboni, són inherentment no-citotòxics i mostren una afinitat natural per les proteïnes. En aquesta memòria es presenten els resultats obtinguts de la interacció de BNNTs amb constituents bàsics biomoleculars (molècules que representen grups funcionals i aminoàcids) en absència de solvent mitjançant tècniques de modelatge i càlculs químic-quàntics amb tractament periòdic realitzats amb el codi CRYSTAL09. En primer lloc, s'ha trobat que els mètodes DFT basats en el GGA donen valors de band gap excessivament baixos (2.7 - 4.6 eV) comparat amb el valor experimental (5.5 eV), mentre que el funcional híbrid B3LYP dóna bons valors de band gap, el més acurat essent un BNNT amb índex (9,0), (5.4 eV). S'ha determinat que la interacció de BNNTs amb molècules pot venir guiat per: i) interaccions datives amb el B; ii) enllaç d'H amb el N; iii) interaccions pi-stacking. Les dues primeres forces d'interacció es veuen afavorides en BNNTs de radi petit, els quals interaccionen molt favorablement amb molècules polars, mentre que les terceres es veuen afavorides en BNNTs de radi gran, els quals interaccionen molt favorablement amb sistemes aromàtics o que continguin dobles enllaços. S'ha estudiat la interacció de BNNTs(6,0) amb molècules que contenen grups funcionals presents en residus aminoàcids i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual indica que tenen la major interacció aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-N(molècula), seguit d’aquelles molècules que poden establir interaccions de tipus pi-stacking, i acabant amb aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-O(molècula). Per últim s'ha estudiat la interacció de BNNTs amb diferents aminoàcids (glicina, lisina, àcid glutàmic i fenilalanina) i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual està d'acord amb les tendències observades per les molècules que contenen grups funcionals de residus aminoàcids.

Identificació de marcadors biològics amb potencial per a l’optimització sensorial i tecnològica de la carn de porc i pernil curat

L’aplicació de tecnologies innovadores per a l’anàlisi de la qualitat (proteòmica) i per al processat de productes carnis (envasament actiu i altes pressions hidrostàtiques) amb la finalitat d’optimitzar la qualitat i la seguretat de productes carnis llestos per al consum fou evaluat. Els resultats obtinguts amb l’anàlisi proteòmic van permetre la detecció de pèptids/ proteïnes candidats a marcadors proteics de la qualitat dels lloms i dels pernils. La detecció d’aquests marcadors a la matèria primera (llom i pernil fresc) ajudaria a predir la qualitat final dels productes carnis processats (llom cuit i pernil curat), i proporcionaria una eina per al control de la qualitat de la carn de porc. No obstant, la validació del paper d’aquestes proteïnes a la qualitat final dels productes carnis és necessària abans de poder-los considerar marcadors proteics. Per altra banda, es va estudiar la possiblitat de millorar la seguretat alimentària de llonganissa sense sal afegida obtinguda amb el procés QDS® process a través l’ús de tecnologies innovadores (envasament actiu i altes pressions hidrostàtiques). La llonganissa sense sal afegida no va permetre el creixement de L. monocytogenes. No obstant, el patogen seria capaç de sobreviure durant la vida útil del producte en cas de recontaminació. L’envasament antimicrobià amb la inclusió de nisina com a antimicrobià natural es pot considerar un mètode efectiu per a millorar la seguretat de la llonganissa estudiada. L. monocytogenes va sobreviure al tractament d’alta pressió hidrostàtica (600 MPa, 5 min, 12ºC) gràcies a les característiques del producte de baixa activitat d’aigua i presència de lactat a la seva formulació. Per aquest motiu, la APH no es consideraria un tractament apropiat per a reduir la presència de L. monocytogenes en aquest tipus de producte.

Whole genome analysis of p38 SAPK-mediated gene expression upon stress

Background: Cells have the ability to respond and adapt to environmental changes through activation of stress-activated protein kinases (SAPKs). Although p38 SAPK signalling is known to participate in the regulation of gene expression little is known on the molecular mechanisms used by this SAPK to regulate stress-responsive genes and the overall set of genes regulated by p38 in response to different stimuli.Results: Here, we report a whole genome expression analyses on mouse embryonic fibroblasts (MEFs) treated with three different p38 SAPK activating-stimuli, namely osmostress, the cytokine TNFα and the protein synthesis inhibitor anisomycin. We have found that the activation kinetics of p38α SAPK in response to these insults is different and also leads to a complex gene pattern response specific for a given stress with a restricted set of overlapping genes. In addition, we have analysed the contribution of p38α the major p38 family member present in MEFs, to the overall stress-induced transcriptional response by using both a chemical inhibitor (SB203580) and p38α deficient (p38α-/-) MEFs. We show here that p38 SAPK dependency ranged between 60% and 88% depending on the treatments and that there is a very good overlap between the inhibitor treatment and the ko cells. Furthermore, we have found that the dependency of SAPK varies depending on the time the cells are subjected to osmostress. Conclusions: Our genome-wide transcriptional analyses shows a selective response to specific stimuli and a restricted common response of up to 20% of the stress up-regulated early genes that involves an important set of transcription factors, which might be critical for either cell adaptation or preparation for continuous extra-cellular changes. Interestingly, up to 85% of the up-regulated genes are under the transcriptional control of p38 SAPK. Thus, activation of p38 SAPK is critical to elicit the early gene expression program required for cell adaptation to stress.

A bi-dimensional genome scan for prolificacy traits in pigs shows the existence of multiple epistatic QTL

Background: Prolificacy is the most important trait influencing the reproductive efficiency of pig production systems. The low heritability and sex-limited expression of prolificacy have hindered to some extent the improvement of this trait through artificial selection. Moreover, the relative contributions of additive, dominant and epistatic QTL to the genetic variance of pig prolificacy remain to be defined. In this work, we have undertaken this issue by performing one-dimensional and bi-dimensional genome scans for number of piglets born alive (NBA) and total number of piglets born (TNB) in a three generation Iberian by Meishan F2 intercross. Results: The one-dimensional genome scan for NBA and TNB revealed the existence of two genome-wide highly significant QTL located on SSC13 (P < 0.001) and SSC17 (P < 0.01) with effects on both traits. This relative paucity of significant results contrasted very strongly with the wide array of highly significant epistatic QTL that emerged in the bi-dimensional genome-wide scan analysis. As much as 18 epistatic QTL were found for NBA (four at P < 0.01 and five at P < 0.05) and TNB (three at P < 0.01 and six at P < 0.05), respectively. These epistatic QTL were distributed in multiple genomic regions, which covered 13 of the 18 pig autosomes, and they had small individual effects that ranged between 3 to 4% of the phenotypic variance. Different patterns of interactions (a × a, a × d, d × a and d × d) were found amongst the epistatic QTL pairs identified in the current work.Conclusions: The complex inheritance of prolificacy traits in pigs has been evidenced by identifying multiple additive (SSC13 and SSC17), dominant and epistatic QTL in an Iberian × Meishan F2 intercross. Our results demonstrate that a significant fraction of the phenotypic variance of swine prolificacy traits can be attributed to first-order gene-by-gene interactions emphasizing that the phenotypic effects of alleles might be strongly modulated by the genetic background where they segregate.

Tandem chimeric transcription as a means to increase protein diversity in the human genome

The “one-gene, one-protein” rule, coined by Beadle and Tatum, has been fundamental to molecular biology. The rule implies that the genetic complexity of an organism depends essentially on its gene number. The discovery, however, that alternative gene splicing and transcription are widespread phenomena dramatically altered our understanding of the genetic complexity of higher eukaryotic organisms; in these, a limited number of genes may potentially encode a much larger number of proteins. Here we investigate yet another phenomenon that may contribute to generate additional protein diversity. Indeed, by relying on both computational and experimental analysis, we estimate that at least 4%–5% of the tandem gene pairs in the human genome can be eventually transcribed into a single RNA sequence encoding a putative chimeric protein. While the functional significance of most of these chimeric transcripts remains to be determined, we provide strong evidence that this phenomenon does not correspond to mere technical artifacts and that it is a common mechanism with the potential of generating hundreds of additional proteins in the human genome.

A comparison of random sequence reads versus 16S rDNA sequences for estimating the biodiversity of a metagenomic library

The construction of metagenomic libraries has permitted the study of microorganisms resistant to isolation and the analysis of 16S rDNA sequences has been used for over two decades to examine bacterial biodiversity. Here, we show that the analysis of random sequence reads (RSRs) instead of 16S is a suitable shortcut to estimate the biodiversity of a bacterial community from metagenomic libraries. We generated 10,010 RSRs from a metagenomic library of microorganisms found in human faecal samples. Then searched them using the program BLASTN against a prokaryotic sequence database to assign a taxon to each RSR. The results were compared with those obtained by screening and analysing the clones containing 16S rDNA sequences in the whole library. We found that the biodiversity observed by RSR analysis is consistent with that obtained by 16S rDNA. We also show that RSRs are suitable to compare the biodiversity between different metagenomic libraries. RSRs can thus provide a good estimate of the biodiversity of a metagenomic library and, as an alternative to 16S, this approach is both faster and cheaper.

A short motif in Drosophila SECIS Binding Protein 2 provides differential binding affinity to SECIS RNA hairpins

Selenoproteins contain the amino acid selenocysteine which is encoded by a UGA Sec codon. Recoding UGA Sec requires a complex mechanism, comprising the cis-acting SECIS RNA hairpin in the 3′UTR of selenoprotein mRNAs, and trans-acting factors. Among these, the SECIS Binding Protein 2 (SBP2) is central to the mechanism. SBP2 has been so far functionally characterized only in rats and humans. In this work, we report the characterization of the Drosophila melanogaster SBP2 (dSBP2). Despite its shorter length, it retained the same selenoprotein synthesis-promoting capabilities as the mammalian counterpart. However, a major difference resides in the SECIS recognition pattern: while human SBP2 (hSBP2) binds the distinct form 1 and 2 SECIS RNAs with similar affinities, dSBP2 exhibits high affinity toward form 2 only. In addition, we report the identification of a K (lysine)-rich domain in all SBP2s, essential for SECIS and 60S ribosomal subunit binding, differing from the well-characterized L7Ae RNA-binding domain. Swapping only five amino acids between dSBP2 and hSBP2 in the K-rich domain conferred reversed SECIS-binding properties to the proteins, thus unveiling an important sequence for form 1 binding.

Lifespan extension by calorie restriction relies on the Sty1 MAP kinase stress pathway

Either calorie restriction, loss of function of the nutrient-dependent PKA or TOR/SCH9 pathways, or activation of stress defences improves longevity in different eukaryotes. However, the molecular links between glucose depletion, nutrient-dependent pathways and stress responses are unknown. Here we show that either calorie restriction or inactivation of nutrient-dependent pathways induces life-span extension in fission yeast, and that such effect is dependent on the activation of the stress-dependent Sty1 MAP kinase. During transition to stationary phase in glucose-limiting conditions, Sty1 becomes activated and triggers a transcriptional stress program, whereas such activation does not occur under glucose-rich conditions. Deletion of the genes coding for the SCH9-homologue Sck2 or the Pka1 kinases, or mutations leading to constitutive activation of the Sty1 stress pathway increase life span under glucose-rich conditions, and importantly such beneficial effects depend ultimately on Sty1. Furthermore, cells lacking Pka1 display enhanced oxygen consumption and Sty1 activation under glucose-rich conditions. We conclude that calorie restriction favours oxidative metabolism, reactive oxygen species production and Sty1 MAP kinase activation, and this stress pathway favours life-span extension.

Design and evaluation of a panel os single-nucleotide polymorphisms in microRNA genomic regions for association studies in human disease

MicroRNAs (miRNA) are recognized posttranscriptional gene repressors involved in the control of almost every biological process. Allelic variants in these regions may be an important source of phenotypic diversity and contribute to disease susceptibility. We analyzed the genomic organization of 325 human miRNAs (release 7.1, miRBase) to construct a panel of 768 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) covering approximately 1 Mb of genomic DNA, including 131 isolated miRNAs (40%) and 194 miRNAs arranged in 48 miRNA clusters, as well as their 5-kb flanking regions. Of these miRNAs, 37% were inside known protein-coding genes, which were significantly associated with biological functions regarding neurological, psychological or nutritional disorders. SNP coverage analysis revealed a lower SNP density in miRNAs compared with the average of the genome, with only 24 SNPs located in the 325 miRNAs studied. Further genotyping of 340 unrelated Spanish individuals showed that more than half of the SNPs in miRNAs were either rare or monomorphic, in agreement with the reported selective constraint on human miRNAs. A comparison of the minor allele frequencies between Spanish and HapMap population samples confirmed the applicability of this SNP panel to the study of complex disorders among the Spanish population, and revealed two miRNA regions, hsa-mir-26a-2 in the CTDSP2 gene and hsa-mir-128-1 in the R3HDM1 gene, showing geographical allelic frequency variation among the four HapMap populations, probably because of differences in natural selection. The designed miRNA SNP panel could help to identify still hidden links between miRNAs and human disease.