New insights into cellular prion protein (PrPc) functions: the 'ying and yang' of a relevant protein.

The conversion of cellular prion protein (PrPc), a GPI-anchored protein, into a protease-K-resistant and infective form (generally termed PrPsc) is mainly responsible for Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSEs), characterized by neuronal degeneration and progressive loss of basic brain functions. Although PrPc is expressed by a wide range of tissues throughout the body, the complete repertoire of its functions has not been fully determined. Recent studies have confirmed its participation in basic physiological processes such as cell proliferation and the regulation of cellular homeostasis. Other studies indicate that PrPc interacts with several molecules to activate signaling cascades with a high number of cellular effects. To determine PrPc functions, transgenic mouse models have been generated in the last decade. In particular, mice lacking specific domains of the PrPc protein have revealed the contribution of these domains to neurodegenerative processes. A dual role of PrPc has been shown, since most authors report protective roles for this protein while others describe pro-apoptotic functions. In this review, we summarize new findings on PrPc functions, especially those related to neural degeneration and cell signaling.

New insights into cellular prion protein (PrPc) functions: the 'ying and yang' of a relevant protein.

The conversion of cellular prion protein (PrPc), a GPI-anchored protein, into a protease-K-resistant and infective form (generally termed PrPsc) is mainly responsible for Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSEs), characterized by neuronal degeneration and progressive loss of basic brain functions. Although PrPc is expressed by a wide range of tissues throughout the body, the complete repertoire of its functions has not been fully determined. Recent studies have confirmed its participation in basic physiological processes such as cell proliferation and the regulation of cellular homeostasis. Other studies indicate that PrPc interacts with several molecules to activate signaling cascades with a high number of cellular effects. To determine PrPc functions, transgenic mouse models have been generated in the last decade. In particular, mice lacking specific domains of the PrPc protein have revealed the contribution of these domains to neurodegenerative processes. A dual role of PrPc has been shown, since most authors report protective roles for this protein while others describe pro-apoptotic functions. In this review, we summarize new findings on PrPc functions, especially those related to neural degeneration and cell signaling.

Resum de la tasca realitzada al Center Biomedical Engineering (CBE) del Massachussets Institute of Technology (MIT). Juliol-Agost 2005

Estudi elaborat a partir d’una estada al Center Biomedical Engineering (CBE) del Massachussets Institute of Technology (MIT), durant els mesos de juliol i agost del 2005. S’investiga una metodologia amb l’objectiu d’obtenir biomaterials que puguin actuar de bastida en la interfície os/cartílag, afavorint la diferenciació i creixement cel·lular de cartílag ossificat que pugui actuar d’unió entre l’articulació i l’os. S’experimenta una metodologia per a establir quins són els péptids afavoridors de la formació de teixit ossi utilitzats en materials d’hidroxiapatita. Es conclou que la tecnologia desenvolupada permet disposar d’una plataforma per assajar l’estudi del signaling sobre cèl·lules embrionàries, que permeti desenvolupar materials amb més capacitat diferenciadora.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.

Self-Renewing Human Bone Marrow Mesenspheres Promote Hematopoietic Stem Cell Expansion.

Strategies for expanding hematopoietic stem cells (HSCs) include coculture with cells that recapitulate their natural microenvironment, such as bone marrow stromal stem/progenitor cells (BMSCs). Plastic-adherent BMSCs may be insufficient to preserve primitive HSCs. Here, we describe a method of isolating and culturing human BMSCs as nonadherent mesenchymal spheres. Human mesenspheres were derived from CD45- CD31- CD71- CD146+ CD105+ nestin+ cells but could also be simply grown from fetal and adult BM CD45--enriched cells. Human mesenspheres robustly differentiated into mesenchymal lineages. In culture conditions where they displayed a relatively undifferentiated phenotype, with decreased adherence to plastic and increased self-renewal, they promoted enhanced expansion of cord blood CD34+ cells through secreted soluble factors. Expanded HSCs were serially transplantable in immunodeficient mice and significantly increased long-term human hematopoietic engraftment. These results pave the way for culture techniques that preserve the self-renewal of human BMSCs and their ability to support functional HSCs.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.

Microglial cells in astroglial cultures: a cautionary note

Primary rodent astroglial-enriched cultures are the most popular model to study astroglial biology in vitro. From the original methods described in the 1970's a great number of minor modifications have been incorporated into these protocols by different laboratories. These protocols result in cultures in which the astrocyte is the predominant cell type, but astrocytes are never 100% of cells in these preparations. The aim of this review is to bring attention to the presence of microglia in astroglial cultures because, in my opinion, the proportion of and the role that microglial cells play in astroglial cultures are often underestimated. The main problem with ignoring microglia in these cultures is that relatively minor amounts of microglia can be responsible for effects observed on cultures in which the astrocyte is the most abundant cell type. If the relative contributions of astrocytes and microglia are not properly assessed an observed effect can be erroneously attributed to the astrocytes. In order to illustrate this point the case of NO production in activated astroglial-enriched cultures is examined. Lipopolysaccharide (LPS) induces nitric oxide (NO) production in astroglial-enriched cultures and this effect is very often attributed to astrocytes. However, a careful review of the published data suggests that LPS-induced NO production in rodent astroglial-enriched cultures is likely to be mainly microglial in origin. This review considers cell culture protocol factors that can affect the proportion of microglial cells in astroglial cultures, strategies to minimize the proportion of microglia in these cultures, and specific markers that allow the determination of such microglial proportions.

Promoter DNA Hypermethylation and Gene Repression in Undifferentiated Arabidopsis Cells

Maintaining and acquiring the pluripotent cell state in plants is critical to tissue regeneration and vegetative multiplication. Histone-based epigenetic mechanisms are important for regulating this undifferentiated state. Here we report the use of genetic and pharmacological experimental approaches to show that Arabidopsis cell suspensions and calluses specifically repress some genes as a result of promoter DNA hypermethylation. We found that promoters of the MAPK12, GSTU10 and BXL1 genes become hypermethylated in callus cells and that hypermethylation also affects the TTG1, GSTF5, SUVH8, fimbrin and CCD7 genes in cell suspensions. Promoter hypermethylation in undifferentiated cells was associated with histone hypoacetylation and primarily occurred at CpG sites. Accordingly, we found that the process specifically depends on MET1 and DRM2 methyltransferases, as demonstrated with DNA methyltransferase mutants. Our results suggest that promoter DNA methylation may be another important epigenetic mechanism for the establishment and/or maintenance of the undifferentiated state in plant cells.

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.

L'aprenentatge basat en problemes en models híbrids de docència-aprenentatge

La Facultat de Ciències de la Salut i de la Vida ha utilitzat des de 2004 la metodologia d'aprenentatge basat en problemes (en endavant ABP) com a mètode docent en els seus estudis de Biologia. En aquest període hem après algunes de les claus de l'aplicació del mètode en els nostres estudis. En primer lloc, cal disposar d'elements formatius que afavoreixin la formació dels tutors que participin en el projecte. Per assolir aquest objectiu hem dissenyat un portal on els nostres professors poden disposar de materials útils per a la seva activitat, així com de documents que permetin entendre millor el que suposa l'ABP. En segon lloc, el projecte tenia l'objectiu de dissenyar i avaluar activitats que permetessin integrar les pràctiques de laboratori en la lògica de la resolució de problemes pròpia de l'ABP. En aquest sentit vam dissenyar dues activitats en el tercer curs de la llicenciatura que anomenaren aprenentatge basat en el laboratori (ABL). Per aquest motiu es van dissenyar problemes que tinguessin una primera part de resolució a l'aula en grup de tutoria i una segona que obligués els estudiants a realitzar experiments de laboratori dirigits a entendre i resoldre les qüestions plantejades al grup de tutoria. L'ABL-1 fou un projecte de biologia cel·lular i destinat a aprofundir en els mecanismes implicats en els fenòmens de diferenciació dels miòcits. L'ABL-2 era un projecte conjunt dels professors de Fisiologia vegetal, Bioestadística i Microbiologia. En aquest cas es desitjava que els estudiants plantegessin la resolució a un problema que suposava la manipulació genètica de cèl·lules vegetals per fer possible que produïssin una substància específica, l'escopolamina. Finalment els estudiants havien d'escriure un article original com a projecte final de cada ABL. Els resultats dels dos anys d'experimentació han esta altament satisfactoris, d'acord amb les enquestes completades per alumnes i professors.

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