Cholesterol transport from late endosomes to the Golgi regulates t-SNARE trafficking, assembly, and function

Cholesterol regulates plasma membrane (PM) association and functioning of syntaxin-4 and soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein 23 (SNAP23) in the secretory pathway. However, the molecular mechanism and cellular cholesterol pools that determine the localization and assembly of these target membrane SNAP receptors (t-SNAREs) are largely unknown. We recently demonstrated that high levels of annexin A6 (AnxA6) induce accumulation of cholesterol in late endosomes, thereby reducing cholesterol in the Golgi and PM. This leads to an impaired supply of cholesterol needed for cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) to drive Golgi vesiculation and caveolin transport to the cell surface. Using AnxA6-overexpressing cells as a model for cellular cholesterol imbalance, we identify impaired cholesterol egress from late endosomes and diminution of Golgi cholesterol as correlating with the sequestration of SNAP23/syntaxin-4 in Golgi membranes. Pharmacological accumulation of late endosomal cholesterol and cPLA2 inhibition induces a similar phenotype in control cells with low AnxA6 levels. Ectopic expression of Niemann-Pick C1 (NPC1) or exogenous cholesterol restores the location of SNAP23 and syntaxin-4 within the PM. Importantly, AnxA6-mediated mislocalization of these t-SNAREs correlates with reduced secretion of cargo via the SNAP23/syntaxin-4¿dependent constitutive exocytic pathway. We thus conclude that inhibition of late endosomal export and Golgi cholesterol depletion modulate t-SNARE localization and functioning along the exocytic pathway.

Cholesterol and Fatty Acids Regulate Dynamic Caveolin Trafficking through the Golgi Complex and between the Cell Surface and Lipid Bodies

Caveolins are a crucial component of plasma membrane (PM) caveolae but have also been localized to intracellular compartments, including the Golgi complex and lipid bodies. Mutant caveolins associated with human disease show aberrant trafficking to the PM and Golgi accumulation. We now show that the Golgi pool of mainly newly synthesized protein is detergent-soluble and predominantly in a monomeric state, in contrast to the surface pool. Caveolin at the PM is not recognized by specific caveolin antibodies unless PM cholesterol is depleted. Exit from the Golgi complex of wild-type caveolin-1 or -3, but not vesicular stomatitis virus-G protein, is modulated by changing cellular cholesterol levels. In contrast, a muscular dystrophy-associated mutant of caveolin-3, Cav3P104L, showed increased accumulation in the Golgi complex upon cholesterol treatment. In addition, we demonstrate that in response to fatty acid treatment caveolin can follow a previously undescribed pathway from the PM to lipid bodies and can move from lipid bodies to the PM in response to removal of fatty acids. The results suggest that cholesterol is a rate-limiting component for caveolin trafficking. Changes in caveolin flux through the exocytic pathway can therefore be an indicator of cellular cholesterol and fatty acid levels.

Cholesterol transport from late endosomes to the Golgi regulates t-SNARE trafficking, assembly, and function

Cholesterol regulates plasma membrane (PM) association and functioning of syntaxin-4 and soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein 23 (SNAP23) in the secretory pathway. However, the molecular mechanism and cellular cholesterol pools that determine the localization and assembly of these target membrane SNAP receptors (t-SNAREs) are largely unknown. We recently demonstrated that high levels of annexin A6 (AnxA6) induce accumulation of cholesterol in late endosomes, thereby reducing cholesterol in the Golgi and PM. This leads to an impaired supply of cholesterol needed for cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) to drive Golgi vesiculation and caveolin transport to the cell surface. Using AnxA6-overexpressing cells as a model for cellular cholesterol imbalance, we identify impaired cholesterol egress from late endosomes and diminution of Golgi cholesterol as correlating with the sequestration of SNAP23/syntaxin-4 in Golgi membranes. Pharmacological accumulation of late endosomal cholesterol and cPLA2 inhibition induces a similar phenotype in control cells with low AnxA6 levels. Ectopic expression of Niemann-Pick C1 (NPC1) or exogenous cholesterol restores the location of SNAP23 and syntaxin-4 within the PM. Importantly, AnxA6-mediated mislocalization of these t-SNAREs correlates with reduced secretion of cargo via the SNAP23/syntaxin-4¿dependent constitutive exocytic pathway. We thus conclude that inhibition of late endosomal export and Golgi cholesterol depletion modulate t-SNARE localization and functioning along the exocytic pathway.

Cholesterol regulates Syntaxin 6 trafficking at the TGN-endosomal boundaries

Inhibition of cholesterol export from late endosomes causes cellular cholesterol imbalance, including cholesterol depletion in the trans-Golgi network (TGN). Here, using Chinese hamster ovary (CHO) Niemann-Pick type C1 (NPC1) mutant cell lines and human NPC1 mutant fibroblasts, we show that altered cholesterol levels at the TGN/endosome boundaries trigger Syntaxin 6 (Stx6) accumulation into VAMP3, transferrin, and Rab11-positive recycling endosomes (REs). This increases Stx6/VAMP3 interaction and interferes with the recycling of αVβ3 and α5β1 integrins and cell migration, possibly in a Stx6-dependent manner. In NPC1 mutant cells, restoration of cholesterol levels in the TGN, but not inhibition of VAMP3, restores the steady-state localization of Stx6 in the TGN. Furthermore, elevation of RE cholesterol is associated with increased amounts of Stx6 in RE. Hence, the fine-tuning of cholesterol levels at the TGN-RE boundaries together with a subset of cholesterol-sensitive SNARE proteins may play a regulatory role in cell migration and invasion.

Desenvolupament d'hidrogels superficials que contenen motius d'adhesió cel·lular

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Departament d’Enginyeria Química del Massachusetts Institute of Technology entre abril i octubre del 2006. S’ha dissenyat i sintetitzat uns nous films polimèrics, amb aplicacions en l’àmbit de l’enginyeria de teixits, utilitzant la tècnica anomenada iCVD (initiated Chemical Vapor Deposition), prèviament desenvolupada pel grup receptor. Es tracta d’uns hidrogels superficials de gruix controlable, que incorporen un monòmer fluorat, el qual s’havia estudiat extensament en el grup d’origen. Aquest monòmer es caracteritza per reaccionar molt fàcilment amb pèptids, de manera que aquests queden units covalentment a la superfície. Diferents estratègies pel desenvolupament d’aquests copolímers han estat avaluades, tant des del punt de vista purament sintètic com de la pròpia aplicació. Les condicions de polimerització han estat optimitzades i els hidrogels s’han caracteritzat químicament per tècniques espectroscòpiques (FTIR, XPS), i físicament per angle de contacte i el·lipsometria. D’aquesta manera, s’ha estudiat la capacitat dels hidrogels d’absorbir aigua i alhora augmentar el seu gruix, depenent de la quantitat d’agent reticulant introduït i de la incorporació del nou monòmer. A continuació, s’han optimitzat les condicions de reacció d’aquestes superfícies amb pèptids que incorporen una molècula fluorescent, la qual permet detectar fàcilment per microscòpia de fluorescència si la reacció ha tingut lloc. Una vegada la plataforma ha estat posada a punt, s’han iniciat assajos cel·lulars tant amb fibroblasts embriònics de ratolí com amb cèl·lules humanes umbilicals. Els resultats preliminars suggereixen una morfologia diferent de les cèl·lules segons si es cultiven sobre films modificats amb pèptids que promouen l’adhesió cel·lular o sobre les seves seqüències permutades no actives. Però, el més interessant és que també s’han observat certes diferències depenent si els films contenen el component hidrogel o no, fet que suggeriria un paper actiu d’aquests noves superfícies en el comportament cel·lular.

Nano-electro-mechanical in dynamical cellular processes

Report for the scientific sojourn carried out at the Department of Structure and Constituents of Matter during 2007.The main focus of the work was on phenomena related to nano-electromechanical processes that take place on a cellular level. Additionally, it has also been performed independent work related to charge and energy transfer in bio molecules, energy transfer in coupled spin systems as well as electrodynamics of nonlinear metamaterials.

Projectes d’autoaprenentatge de Biologia Cel·lular a la Llicenciatura de Medicina

Aquest projecte de MQD ha permès realitzar una sèrie d’experiències diverses i valuoses que han apuntat formes alternatives en la docència de la Biologia Cel·lular i l’aprenentatge de l'estudiant de la llicenciatura o del grau de medicina. En base a la valoració qualitativa del grau de satisfacció dels usuaris i en un estudi antitatiu de la seva opinió, considerem que ha estat experiències molt vàlides que afavoreixen que l’alumne participi de forma més activa en la seva formació. La principal dificultat observada ha estat o millor dit serà, l’aplicació de les experiències desenvolupades, de forma obligatòria i generalitzada, a tots els alumnes, sobretot als de 1er curs, donat que es tracta d’un grup molt nombrós (més de 300 alumnes). De totes maneres l’experiència adquirida ha estat molt favorable. Les activitats desenvolupades es continuen aplicant i es continuaran aplicant en el nou pla de medicina. Una aplicació perllongada en cursos successius afavorirà poder extreure’n conclusions de tipus més quantitatiu a més de les apreciacions qualitatives.

La millor comprensió del desenvolupament cardíac i el dany cel•lular en els miòcits ajudarà a definir dianes terapèutiques

En el cor embrional, la senyalització de mort cel•lular apoptòtica iniciada per receptors de mort i les caspases executores 3 i 7 exerceixen un paper important durant el desenvolupament cardíac no relacionat amb la mort cel•lular, i posteriorment són silenciats en l’adult, on les vies independents de caspases estan implicades en la mort cel•lular patològica. Resultats previs del nostre grup han contribuït a entendre com es regula i silencia en el cor l’expressió dels gens de la via apoptòtica depenent de caspases durant el desenvolupament; a més, resultats no publicats demostren que les caspases regulen el procés d’expressió de gens en el cor i, contràriament a la maquinària depenent de caspases, TatD, una nucleasa, ’expressa abundantment al cor postnatal. Es desconeixen les funcions de la senyalització apoptòtica durant el desenvolupament cardíac, tot i que són essencials per al desenvolupament, a més, la senyalització independent de caspases implicada al dany cel•lular en els miòcits només es coneix parcialment, el nostre objectiu és contribuir al coneixement d’ambdós fenòmens. Creiem que les caspases podrien processar proteïnes reguladores de l’expressió de gens musculars alterant la seva activitat, mentre que TatD té un paper rellevant en el dany cel•lular però també en la funció cardíaca normal. Volem caracteritzar la contribució de les caspases 3 i 7 en el desenvolupament cardíac, utilitzant models in vivo (estem finalitzant els creuaments necessaris per a disposar dels animals amb el genotip desitjat) i in vitro (pràcticament hem preparat tot el material i hem optimitzat els protocols per a tirar-ho endavant). També volem caracteritzar la funció de TatD durant el desenvolupament i fisiologia del cor i conèixer-ne la seva funció utilitzant models in vitro i in vivo.

Funcions de les molècules associades a la mielina i la proteïna priònica cel•lular (PrPc) en neurodegeneració (Malaltia d’Alzheimer) i neuroinflamació (Esclerosi Múltiple)

Les proteïnes associades a la mielina (MAIS), Nogo-A, MAG i OMgp, són molècules que presenten una capacitat inhibitòria molt important per el recreixement axonal i la neuroreparació després de lesió. No obstant des de fa anys les seves funcions han estat ampliades i s’han involucrat en diferents processos degeneratius del sistema nerviós o en processos neuroinflamatoris del sistema nerviós central i el perifèric com ara l'Escleresi Múltiple (MS). La base neurobiològica d’indicadors moleculars que són responsables del dany axonal en MS segueixen sense estar plenament descrits. Recentment s’ha publicat que el mecanisme de senyalització Nogo-A pot regir els primers canvis de la desmielinització immunomediada del sistema nerviós central en el model animal de MS, l’encefalomielitis autoimmune experimental (EAE). De la mateixa forma la proteïna priònica cel•lular és una proteïna que s’ha associat majoritàriament a malalties espongiformes, però que recentment s’ha vinculat (no sense controvèrsia) amb la seva possible relació amb la Malaltia d'Alzheimer (AD), ja que seria capaç de reclutar els oligòmers d’Aβ (ADDLs), els quals correlacionen millor amb el grau de demència, i amb els que interacciona directament, actuant així com un possible mediador de la fosforilació de tau en la malaltia. No obstant, les funcions de les MAIS i de la PrPc en aquests models de la malaltia no estan clarament definits i, per altra banda, es desconeixen els mecanismes de senyalització implicats, no descartant de forma clara el component neural i l’immune.

Estabilització del color de la fracció cel·lular de sang de porc deshidratada per atomització

L’ús de colorants alimentaris pot ser controvertit, ja que la seva presència s’associa amb problemes provocats pel seu consum a llarg termini, o perquè es tem que siguin emprats per dissimular deficiències en la qualitat del producte. Aquesta preocupació és una tendència creixent entre els consumidors i ha portat a moltes empreses del sector alimentari a revisar la formulació dels seus productes i substituir, sempre que sigui econòmica i tecnològicament possible, els colorants artificials per colorants naturals. L’hemoglobina procedent de la sang dels escorxadors industrials podria ser una font important de colorant vermell natural degut a les grans quantitats generades diàriament. A més, s' evitaria que anés a parar a les aigües residuals. El seu ús com a colorant vermell natural queda supeditada al fet de trobar alguna substància o sistema capaç de protegir-la de l’oxidació durant el procés de deshidratació i el posterior període d’emmagatzematge ja que l’hemoglobina és poc estable i es poden produir canvis en el seu color. Inicialment l’hemoglobina presenta un color vermell brillant. La seva desoxigenació comporta un canvi a color porpra. I l’oxidació del ferro confereix a la molècula un indesitjable color marró. En l’estudi que aquí es presenta es pretén estabilitzar el color de l’hemoglobina de sang porcina tant durant la seva deshidratació per atomització com durant l’emmagatzematge a temperatura ambient de la pols obtinguda afegint al concentrat d’hemoglobina, prèviament a la deshidratació, combinacions de diferents substàncies que puguin actuar de manera complementària en l’estabilització del ferro hèmic enfront la seva oxidació. L’objectiu d’aquest treball és determinar si la seva combinació amb agents antioxidants comporta una millora en l’estabilització de la forma reduïda de l’hemoglobina tant durant la deshidratació per atomització com durant l’emmagatzematge de la pols a temperatura ambient

De-hyping transmit diversity in modern MIMO cellular systems

A contemporary perspective on the tradeoff between transmit antenna diversity and spatial multi-plexing is provided. It is argued that, in the context of modern cellular systems and for the operating points of interest, transmission techniques that utilize all available spatial degrees of freedom for multiplexingoutperform techniques that explicitly sacrifice spatialmultiplexing for diversity. Reaching this conclusion, however, requires that the channel and some key system features be adequately modeled; failure to do so may bring about starkly different conclusions. As a specific example, this contrast is illustrated using the 3GPP Long-Term Evolution system design.

Estudi de la influència de substàncies en la proliferació cel·lular: el·laboració d'un cultiu cel·lular

 Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2010. L’objectiu principal d'aquest treball de recerca és estudiar la manera com diverses substàncies afecten el creixement cel•lular in vitro. La hipòtesi principal és que algunes substàncies poden tenir un important efecte en el desenvolupament de les cèl•lules, perquè les substàncies modifiquen l'adherència de les cèl•lules a la placa de cultiu. Concretament, en aquest treball s'ha estudiat la possible influència de la poliornitina, el col•lagen i la polilisina en el creixement cel•lular in vitro de cèl•lules PC12 (cèl•lules tumorals de ronyó de rata) i 293 (cèl•lules embrionàries de ronyó humà). Per dur a terme aquest estudi és necessari utilitzar material de laboratori d'un nivell tècnic que sobrepassa els equipaments dels laboratoris dels Centres de Secundària. La cambra de flux laminar, per a poder manipular els cultius de manera estèril, incubadors cel•lulars estèrils i el microscopi invertit són equipaments imprescindibles per a poder treballar amb cultius cel•lulars. El Departament de Bioquímica de la Facultat de Medicina i Infermeria (Universitat de Lleida) ha posat a disposició de l'autor tots aquest equipaments i ha participat directament en la acció tutelar d'aquest estudi. Els resultats d'aquesta recerca han permès confirmar les hipòtesis principals que inicialment s'havien plantejat. S'ha constatat que les substàncies utilitzades tenen efectivament un influència decisiva en el creixement de les cèl•lules estudiades. Inicialment les substàncies utilitzades han afavorit el creixement cel•lular in vitro, exceptuant la polilisina, que ha resultat tòxica per a les cèl•lules 293. Ara bé, si el cultiu sobrecreix i la població sobrepassa un determinat llindar, les cèl•lules inicien la mort per apoptosi.

E2F1 regulates cellular growth by mTOR signaling

During cell proliferation, growth must occur to maintain homeostatic cell size. Here we show that E2F1 is capable of inducing growth by regulating mTORC1 activity. The activation of cell growth and mTORC1 by E2F1 is dependent on both E2F1's ability to bind DNA and to regulate gene transcription, demonstrating that a gene induction expression program is required in this process. Unlike E2F1, E2F3 is unable to activate mTORC1, suggesting that growth activity could be restricted to individual E2F members. The effect of E2F1 on the activation of mTORC1 does not depend on Akt. Furthermore, over-expression of TSC2 does not interfere with the effect of E2F1, indicating that the E2F1-induced signal pathway can compensate for the inhibitory effect of TSC2 on Rheb. Immunolocalization studies demonstrate that E2F1 induces the translocation of mTORC1 to the late endosome vesicles, in a mechanism dependent of leucine. E2F1 and leucine, or insulin, together affect the activation of S6K stronger than alone suggesting that they are complementary in activating the signal pathway. From these studies, E2F1 emerges as a key protein that integrates cell division and growth, both of which are essential for cell proliferation.

Nanotecnologies en mecànica molecular i cel·lular

Algunes nanotècniques recents permeten la manipulació de biomolècules i cèl·lules en escala nanomètrica amb la mesura simultània de la força aplicada amb resolució de piconewtons. Aquestes escales de desplaçament i força, i la possibilitat de treballar en medi líquid, fan que siguin eines molt útils per a l'estudi de les propietats mecàniques de molècules i cèl·lules individuals en condicions fisiològiques. Entre les tècniques més utilitzades es troben el microscopi de força atòmica, les trampes de làser i les microesferes magnètiques. En aquest treball es descriuen els principis de funcionament d'aquestes tècniques en aplicacions biològiques i, en particular, en l'estudi de la mecànica molecular i cel·lular.

Hysteresis and return-point memory in deterministic cellular automata

We have investigated hysteresis and the return-point memory (RPM) property in deterministic cellular automata with avalanche dynamics. The RPM property reflects a partial ordering of metastable states, preserved by the dynamics. Recently, Sethna et al. [Phys. Rev. Lett. 70, 3347 (1993)] proved this behavior for a homogeneously driven system with static disorder. This Letter shows that the partial ordering and the RPM can be displayed as well by systems driven heterogeneously, as a result of its own evolution dynamics. In particular, we prove the RPM property for a deterministic 2D sandpile automaton driven at a central site.