Derivation of human embryonic stem cells at the center for regenerative medicine in Barcelona

We report here the legislative issues related toembryo research and human embryonic stem cell (hESC)research in Spain and the derivation of nine hESC lines atthe Center of Regenerative Medicine in Barcelona. You canfind the information for obtaining our lines for researchpurposes at blc@cmrb.eu.

Critical Behavior and Axis Defining Symmetry Breaking in Hydra Embryonic Development

The formation of a hollow cellular sphere is often one of the first steps of multicellular embryonic development. In the case of Hydra, the sphere breaks its initial symmetry to form a foot-head axis. During this process a gene, ks1, is increasingly expressed in localized cell domains whose size distribution becomes scale-free at the axis-locking moment. We show that a physical model based solely on the production and exchange of ks1-promoting factors among neighboring cells robustly reproduces the scaling behavior as well as the experimentally observed spontaneous and temperature-directed symmetry breaking.

The t-SNAREs syntaxin 1 and SNAP-25 are present on organelles that participate in synaptic vesicle recycling

Syntaxin 1 and synaptosome-associated protein of 25 kD (SNAP-25) are neuronal plasmalemma proteins that appear to be essential for exocytosis of synaptic vesicles (SVs). Both proteins form a complex with synaptobrevin, an intrinsic membrane protein of SVs. This binding is thought to be responsible for vesicle docking and apparently precedes membrane fusion. According to the current concept, syntaxin 1 and SNAP-25 are members of larger protein families, collectively designated as target-SNAP receptors (t-SNAREs), whose specific localization to subcellular membranes define where transport vesicles bind and fuse. Here we demonstrate that major pools of syntaxin 1 and SNAP-25 recycle with SVs. Both proteins cofractionate with SVs and clathrin-coated vesicles upon subcellular fractionation. Using recombinant proteins as standards for quantitation, we found that syntaxin 1 and SNAP-25 each comprise approximately 3% of the total protein in highly purified SVs. Thus, both proteins are significant components of SVs although less abundant than synaptobrevin (8.7% of the total protein). Immunoisolation of vesicles using synaptophysin and syntaxin specific antibodies revealed that most SVs contain syntaxin 1. The widespread distribution of both syntaxin 1 and SNAP-25 on SVs was further confirmed by immunogold electron microscopy. Botulinum neurotoxin C1, a toxin that blocks exocytosis by proteolyzing syntaxin 1, preferentially cleaves vesicular syntaxin 1. We conclude that t-SNAREs participate in SV recycling in what may be functionally distinct forms.

Disruption of embryonic blood-CSF barrier in chick embryos reveals the actual importance of this barrier to control E-CSF composition and homeostasis in early brain development

In vertebrates, early brain development takes place at the expanded anterior end of the neural tube. After closure of the anterior neuropore, the brain wall forms a physiologically sealed cavity that encloses embryonic cerebrospinal fluid (E-CSF), a complex and protein-rich fluid that is initially composed of trapped amniotic fluid. E-CSF has several crucial roles in brain anlagen development. Recently, we reported the presence of transient blood-CSF barrier located in the brain stem lateral to the ventral midline, at the mesencephalon and prosencephalon level, in chick and rat embryos by transporting proteins, water, ions and glucose in a selective manner via transcellular routes. To test the actual relevance of the control of E-CSF composition and homeostasis on early brain development by this embryonic blood-CSF barrier, we block the activity of this barrier by treating the embryos with 6-aminonicotinamide gliotoxin (6-AN). We demonstrate that 6-AN treatment in chick embryos blocks protein transport across the embryonic blood-CSF barrier, and that the disruption of the barrier properties is due to the cease transcellular caveolae transport, as detected by CAV-1 expression cease. We also show that the lack of protein transport across the embryonic blood-CSF barrier influences neuroepithelial cell survival, proliferation and neurogenesis, as monitored by neurepithelial progenitor cells survival, proliferation and neurogenesis. The blockage of embryonic blood-CSF transport also disrupts water influx to the E-CSF, as revealed by an abnormal increase in brain anlagen volume. These experiments contribute to delineate the actual extent of this blood-CSF embryonic barrier controlling E-CSF composition and homeostasis and the actual important of this control for early brain development, as well as to elucidate the mechanism by which proteins and water are transported thought transcellular routes across the neuroectoderm, reinforcing the crucial role of E-CSF for brain development.

The embryonic blood-CSF barrier has molecular elements for specific glucose transport and for the general transport of molecules via transcellular routes.

In vertebrates, early brain development takes place at the expanded anterior end of the neural tube, which is filled with embryonic cerebrospinal fluid (E-CSF). We have recently identified a transient blood-CSF barrier that forms between embryonic days E3 and E4 in chick embryos and that is responsible for the transport of proteins and control of E-CSF homeostasis, including osmolarity. Here we examined the presence of glucose transporter GLUT-1 as well the presence of caveolae-structural protein Caveolin1 (CAV-1) in the embryonic blood-CSF barrier which may be involved in the transport of glucose and of proteins, water and ions respectively across the neuroectoderm. In this paper we demonstrate the presence of GLUT-1 and CAV-1 in endothelial cells of blood vessels as well as in adjacent neuroectodermal cells, located in the embryonic blood-CSF barrier. In blood vessels, these proteins were detected as early as E4 in chick embryos and E12.7 in rat embryos, i.e. the point at which the embryonic blood-CSF barrier acquires this function. In the neuroectoderm of the embryonic blood-CSF barrier, GLUT-1 was also detected at E4 and E12.7 respectively, and CAV-1 was detected shortly thereafter in both experimental models. These experiments contribute to delineating the extent to which the blood-CSF embryonic barrier controls E-CSF composition and homeostasis during early stages of brain development in avians and mammals. Our results suggest the regulation of glucose transport to the E-CSF by means of GLUT-1 and also suggest a mechanism by which proteins are transported via transcellular routes across the neuroectoderm, thus reinforcing the crucial role of E-CSF in brain development.

GLUT2-mediated glucose uptake and availability are required for embryonic brain development in zebrafish

Glucose transporter 2 (GLUT2; gene name SLC2A2) has a key role in the regulation of glucose dynamics in organs central to metabolism. Although GLUT2 has been studied in the context of its participation in peripheral and central glucose sensing, its role in the brain is not well understood. To decipher the role of GLUT2 in brain development, we knocked down slc2a2 (glut2), the functional ortholog of human GLUT2, in zebrafish. Abrogation of glut2 led to defective brain organogenesis, reduced glucose uptake and increased programmed cell death in the brain. Coinciding with the observed localization of glut2 expression in the zebrafish hindbrain, glut2 deficiency affected the development of neural progenitor cells expressing the proneural genes atoh1b and ptf1a but not those expressing neurod. Specificity of the morphant phenotype was demonstrated by the restoration of brain organogenesis, whole-embryo glucose uptake, brain apoptosis, and expression of proneural markers in rescue experiments. These results indicate that glut2 has an essential role during brain development by facilitating the uptake and availability of glucose and support the involvement of glut2 in brain glucose sensing.

Most of the Abundant Protein Fractions of Embryonic Cerebrospinal Fluid are Produced Out of the Brain Anlagen

The microenvironment of the central nervous system is important for neuronal function and development. During the early stages of embryo development the cephalic vesicles are filled by embryonic cerebrospinal fluid, a complex fluid containing different protein fractions, which contributes to the regulation of the survival, proliferation and neurogenesis of neuroectodermal stem cells. The protein content of embryonic cerebrospinal fluid from chick and rat embryos at the start of neurogenesis has already been determined. Most of the identified gene products are thought to be involved in the regulation of developmental processes during embryogenesis. However, due to the crucial roles played by embryonic cerebrospinal fluid during brain development, the embryological origin of the gene products it contains remains an intriguing question. According to the literature most of these products are synthesised in embryonic tissues other than the neuroepithelium. In this study we examined the embryological origin of the most abundant embryonic cerebrospinal fluid protein fractions by means of slot-blot analysis and by using several different embryonic and extraembryonic protein extracts, immunodetected with polyclonal antibodies. This first attempt to elucidate their origin is not based on the proteins identified by proteomic methods, but rather on crude protein fractions detected by SDS-PAGE analysis and to which polyclonal antibodies were specifically generated. Despite some of the limitations of this study, i.e. that one protein fraction may contain more than one gene product, and that a specific gene product may be contained in different protein fractions depending on post-translational modifications, our results show that most of the analysed protein fractions are not produced by the cephalic neuroectoderm but are rather stored in the egg reservoir; furthermore, few are produced by embryo tissues, thus indicating that they must be transported from their production or storage sites to the cephalic cavities, most probably via embryonic serum. These results raise the question as to whether the transfer of proteins from these two embryo compartments is regulated at this early developmental stage.

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.

Estudi de l'organogènesi del sistema reproductor de la cabra de mar (Maja brachydactyla) i efecte dels factors ambientals sobre la reproducció en captivitat

Diferents aspectes de la reproducció de la cabra de mar Maja brachydactyla s’han estudiat amb l’objectiu d’obtenir coneixements bàsics i aplicats al cultiu en captivitat d’aquesta espècie de gran interès comercial i aqüícola. L’anatomia interna de l’aparell reproductor masculí, el procés d’espermatogènesi, amb especial èmfasi amb la formació de l’acrosoma, i l’estructura i organització l’espermatozoide s’han descrit amb tècniques microscòpiques avançades. El desenvolupament de les gònades durant els primeres fases del desenvolupament post- embrionari (fases larvàries i primer cranc juvenil) han estat descrites mitjançant la quantificació de l’expressió del gen vasa, el qual és expressat específicament per les cèl•lules de la línia germinal. Aquests coneixements són bàsics per a la comprensió del paper dels mascles en la la reproducció i la seva aplicació posterior en condicions de captivitat. La reproducció en captivitat s’ha estudiat amb una sèrie d’experiments amb l’objectiu de determinar la quantitat, pes sec i composició bioquímica proximal de les larves acabades d’eclosionar en condicions de captivitat i l’efecte de les condicions ambientals, com ara el fotoperíode i la salinitat, sobre aquests paràmetres. Aquests experiments demostren què es poden obtenir larves de la cabra de mar en condicions de captivitat què podrien ser utilitzades per a la producció i l’efecte sobre la reproducció del fotoperíode i salinitat.

Análisis comparativo de tres técnicas de derivación de células madre

Las células madre embrionarias (Embryonic Stem Cells; ESC) son células pluripotentes que presentan la capacidad de dividirse indefinidamente a la vez que mantienen la habilidad para diferenciarse a cualquier tipo celular. Aunque de manera rutinaria se derivan a partir de la masa celular interna de embriones en estadio de blastocisto, también pueden derivarse a partir de embriones en estadios precompactacionales y de embriones reconstruidos por procesos de transferencia nuclear. Debido a que durante el desarrollo embrionario temprano, momento en el que se derivan las ESC, tienen lugar profundos cambios de metilación en el genoma, tanto la derivación como el cultivo se consagran como técnicas que pueden alterar los patrones de metilación en genes regulados por impronta genómica. Con el objetivo de analizar la estabilidad epigenética de embriones preimplantacionales y ESC murinas, en este trabajo se ha optimizado un protocolo de anàlisis de los niveles de metilación mediante pirosecuenciación. Para ello se han seleccionado tres genes regulados por impronta genómica (H19/Igf2, Snrpn and Peg3), dos genes relacionados con el mantenimiento de pluripotencia en ESC (Oct4, Nanog y Sox2) y dos genes marcadores de diferenciación temprana (Cdx2 y Gata6). Nuestros resultados muestran que algunos grupos de embriones preimplantacionales presentan una hipo e hipermetilación en las regiones diferencialmente metiladas (Differentially Methylated Regions, DMRs) de los genes Snrpn y Peg3. Además, la línea de ESC analizada presentó anomalías en los tres genes regulados por impronta genómica. No obstante, el hecho de que esta línea fuera inestable a nivel cariotípico no permite establecer una relación entre el cultivo in vitro o la técnica de derivación y la inestabilidad epigenética demostrada. Por todo esto, parece pertinente analizar tanto la integridad epigenética como la estabilidad cromosómica de ESC antes de proceder a realizar ensayos clínicos en humanos.

Spermatogenesis of the Spider Crab Maja brachydactyla (Decapoda: Brachyura)

This study describes spermatogenesis in a majid crab (Maja brachydactyla) using electron microscopy and reports the origin of the different organelles present in the spermatozoa. Spermatogenesis in M. brachydactyla follows the general pattern observed in other brachyuran species but with several peculiarities. Annulate lamellae have been reported in brachyuran spermatogenesis during the diplotene stage of first spermatocytes, the early and mid-spermatids. Unlike previous observations, a Golgi complex has been found in midspermatids and is involved in the development of the acrosome. The Golgi complex produces two types of vesicles: light vesicles and electron-dense vesicles. The light vesicles merge into the cytoplasm, giving rise to the proacrosomal vesicle. The electron-dense vesicles are implicated in the formation of an electron-dense granule, which later merges with the proacrosomal vesicle. In the late spermatid, the endoplasmic reticulum and the Golgi complex degenerate and form the structures–organelles complex found in the spermatozoa. At the end of spermatogenesis, the materials in the proacrosomal vesicle aggregate in a two-step process, forming the characteristic concentric three-layered structure of the spermatozoon acrosome. The newly formed spermatozoa from testis show the typical brachyuran morphology.

Sperm Ultrastructure of the Spider Crab Maja brachydactyla (Decapoda: Brachyura)

This study describes the morphology of the sperm cell of Maja brachydactyla, with emphasis on localizing actin and tubulin. The spermatozoon of M. brachydactyla is similar in appearance and organization to other brachyuran spermatozoa. The spermatozoon is a globular cell composed of a central acrosome, which is surrounded by a thin layer of cytoplasm and a cup-shaped nucleus with four radiating lateral arms. The acrosome is a subspheroidal vesicle composed of three concentric zones surrounded by a capsule. The acrosome is apically covered by an operculum. The perforatorium penetrates the center of the acrosome and has granular material partially composed of actin. The cytoplasm contains one centriole in the subacrosomal region. A cytoplasmic ring encircles the acrosome in the subapical region of the cell and contains the structures-organelles complex (SO-complex), which is composed of a membrane system, mitochondria with few cristae, and microtubules. In the nucleus, slightly condensed chromatin extends along the lateral arms, in which no microtubules have been observed. Chromatin fibers aggregate in certain areas and are often associated with the SO-complex. During the acrosomal reaction, the acrosome could provide support for the penetration of the sperm nucleus, the SO-complex could serve as an anchor point for chromatin, and the lateral arms could play an important role triggering the acrosomal reaction, while slightly decondensed chromatin may be necessary for the deformation of the nucleus.

Avaluació de la teratogènia in vitro mitjançant el cultiu d’embrions sencers (WEC)

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Charité - Universitätsmedizin Berlin, Alemanya, entre novembre i desembre del 2007. En aquest treball es presenta el protocol a seguir per a dur a terme el cultiu d’embrions sencers in vitro (Whole Embryo Culture, WEC). Amb aquest protocol es pretén implementar la tècnica del WEC en el laboratori de la Unitat de Toxicologia de la Facultat de Farmàca (UB), seguint la metodologia apresa durant l’estada i deixant per escrit tots els passos seguits i el material i la metodologia concreta de cadascun d’ells. En el WEC es cultiven embrions de rata de 9.5 dies durant 48h en ampolles rotatòries en un medi líquid i amb una fase gasosa controlats. Durant el cultiu, tenen lloc dos processos principals: el plegament de l’embrió i l’organogènesi. Els embrions durant els dos dies que dura el cultiu es pleguen en els plans transversal i sagital, passant d’un embrió pla a un altre de cilíndric en forma de “C”. En aquest període, a més, es produeixen importants processos d’organogènesi com la neurulació, la formació de la cresta neural, dels somites, dels vasos sanguinis - el cor inclòs- i de la sang. Es comencen a formar la placoda nasal, la vesícula oftàlmica, la vesícula òtica, les extremitats superiors i inferiors i la cua. En la memòria adjunta es descriuen amb detall els processos d'aparellament dels animals, preparació del material i del medi de cultiu, el procés d'aïllament del embrions en el dia 9.5, les condicions de cultiu i l'avaluació dels embrions en el dia 11.5. Finalment es presenten resultats d'embrions en situació control amb un correcte desenvolupament i es mostra com, al final de l'estada, es va aconseguir el cultiu d’embrions control amb un desenvolupament correcte i estadísticament sense diferències respecte als diferents paràmetres mesurats en comparació amb els embrions control de la Charité-Universitätsmedizin de Berlin.

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.

Influence of the in vivo deregulation of the expression of ntrk3 (trkc) on cortical development of a murine model of panic/anxiety disorder

Alteracions durant el desenvolupament cerebral produirien canvis en la connectivitat neuronal i la bioquímica cel•lular que podrien resultar en una disfunció cognitiva i/o emocional, desembocant a trastorns psiquiàtrics. Les neurotrofines intervenen en els processos del neurodesenvolupament i en la funcionalitat del cervell adult i, conseqüentment, serien bons candidats com a factors de predisposició en diverses malalties mentals. S’ha suggerit la implicació del receptor de la neurotrofina 3, TrkC, en el trastorn de pànic. Nosaltres proposem que la sobreexpressió del gen NTRK3 (TrkC) és un mediador comú dels desencadenants genètics i ambientals d’aquest trastorn. Concretament, la seva desregulació podria produir canvis estructurals i funcionals a l’escorça cerebral dels pacients pel seu paper durant l’establiment dels circuïts corticals i la neuroplasticitat a l’adult, probablement esdevenint elements de predisposició a patir atacs de pànic. Els objectius principals d’aquest treball han estat: 1/determinar la contribució específica del gen NTRK3 a les alteracions de l’escorça cerebral observades en pacients, utilitzant un model murí modificat genèticament (TgNTRK3), i 2/analitzar l’impacte específic de la sobreexpressió de NTRK3 sobre la corticogènesi durant estadis embrionaris o postnatals estudiant la neurogènesi i la neuritogènesi. Els resultats indiquen que la sobreexpressió de NTRK3 als ratolins produeix una reducció del gruix de l’escorça frontal, recapitulant la hipofrontalitat dels pacients, que comportaria una menor inhibició dels nuclis subcorticals del sistema límbic com l’amígdala, i alteracions citoarquitectòniques a l’escorça prefrontal medial que recolzen la hipòtesi del seu mal funcionament. Tanmateix, els ratolins TgNTRK3 presenten canvis estructurals a l’escorça somatosensorial, suggerint que el processament de la informació sensorial podria estar alterat, el que encara no s’ha explorat en pacients. La sobreexpressió de NTRK3 també afecta la neuritogènesi en cultius primaris corticals i modifica la resposta de les neurones a l’estimulació amb neurotrofines. Per tant, el fenotip cortical adult dels TgNTRK3 podria dependre d’alteracions durant la corticogènesi.