Estudis estructurals dels canvis conformacionals de les E3 ubiquitin lligases per RMN

L'estudi a nivell molecular de la ruta de senyalització activada per TGF-B té un impacte notable en el panorama actual donada la seva implicació en processos autoimmunitaris i carcinogènics. D'altra banda, l'elucidació a nivell estructural dels mecanismes moleculars que permeten a les ubiquitin lligases de tipus E3 marcar específicament llurs dianes per a la degradació proteosòmica - entre d'altres - resulta fonamental donada la seva importància pel que fa al control sobre el turnover proteic a nivell intracel•lular. En aquest projecte es pretén elucidar els mecanismes d'activació i catlàlisi de les ubiquitin lligases E3 tipus HECT Smurf1 i Nedd4L al mateix temps que se n'estudia la implicació en la regulació dels agents missatgers de la ruta del TGF-B. Així, la tasca es divideix en tres sub-projectes els quals se centren en a) l'estudi de la interacció d'aquestes lligases amb llurs dianes; b) l'elucidació del mecanisme d'activació i c) del de catàlisi d'aquests enzims. Per tal d'assolir aquests objectius ens servim principalment dels avantatges que ens aporta la Ressonància Magnètica Nuclear i altres tècniques biofísiques, principalment la ITC. Durant el temps que he gaudit de la beca FI, m'he centrat principalment en la preparació de pèptids per SPPS, llur purificació per HPLC i caracterització per MS i RMN. Aquests pèptids representen diferents patrons de fosforilació de certes dianes de les lligases esmentades, de manera que han estat emprats per a l'estudi d'interaccions proteïna-proteïna per ITC i RMN. M'he iniciat doncs en l'ús d'aquestes tècniques. D'altra banda, també he preparat mostres protèiques mitjançant l'ús de sistemes d'expressió bacterians basats en E.coli, incloent l'amplificació i clonació del gen que codifica per la proteïna d'interés així com la seva expressió, purificació i caracterització per MS i RMN.

Splitting statistical potentials into meaningful scoring functions: testing the prediction of near-native structures from decoy conformations

Background: Recent advances on high-throughput technologies have produced a vast amount of protein sequences, while the number of high-resolution structures has seen a limited increase. This has impelled the production of many strategies to built protein structures from its sequence, generating a considerable amount of alternative models. The selection of the closest model to the native conformation has thus become crucial for structure prediction. Several methods have been developed to score protein models by energies, knowledge-based potentials and combination of both.Results: Here, we present and demonstrate a theory to split the knowledge-based potentials in scoring terms biologically meaningful and to combine them in new scores to predict near-native structures. Our strategy allows circumventing the problem of defining the reference state. In this approach we give the proof for a simple and linear application that can be further improved by optimizing the combination of Zscores. Using the simplest composite score () we obtained predictions similar to state-of-the-art methods. Besides, our approach has the advantage of identifying the most relevant terms involved in the stability of the protein structure. Finally, we also use the composite Zscores to assess the conformation of models and to detect local errors.Conclusion: We have introduced a method to split knowledge-based potentials and to solve the problem of defining a reference state. The new scores have detected near-native structures as accurately as state-of-art methods and have been successful to identify wrongly modeled regions of many near-native conformations.

Topological comparison of methods for predicting transcriptional cooperativity in yeast

Background: The cooperative interaction between transcription factors has a decisive role in the control of the fate of the eukaryotic cell. Computational approaches for characterizing cooperative transcription factors in yeast, however, are based on different rationales and provide a low overlap between their results. Because the wealth of information contained in protein interaction networks and regulatory networks has proven highly effective in elucidating functional relationships between proteins, we compared different sets of cooperative transcription factor pairs (predicted by four different computational methods) within the frame of those networks. Results: Our results show that the overlap between the sets of cooperative transcription factors predicted by the different methods is low yet significant. Cooperative transcription factors predicted by all methods are closer and more clustered in the protein interaction network than expected by chance. On the other hand, members of a cooperative transcription factor pair neither seemed to regulate each other nor shared similar regulatory inputs, although they do regulate similar groups of target genes. Conclusion: Despite the different definitions of transcriptional cooperativity and the different computational approaches used to characterize cooperativity between transcription factors, the analysis of their roles in the framework of the protein interaction network and the regulatory network indicates a common denominator for the predictions under study. The knowledge of the shared topological properties of cooperative transcription factor pairs in both networks can be useful not only for designing better prediction methods but also for better understanding the complexities of transcriptional control in eukaryotes.

Predicting cancer involvement of genes from heterogeneous data

Background: Systematic approaches for identifying proteins involved in different types of cancer are needed. Experimental techniques such as microarrays are being used to characterize cancer, but validating their results can be a laborious task. Computational approaches are used to prioritize between genes putatively involved in cancer, usually based on further analyzing experimental data. Results: We implemented a systematic method using the PIANA software that predicts cancer involvement of genes by integrating heterogeneous datasets. Specifically, we produced lists of genes likely to be involved in cancer by relying on: (i) protein-protein interactions; (ii) differential expression data; and (iii) structural and functional properties of cancer genes. The integrative approach that combines multiple sources of data obtained positive predictive values ranging from 23% (on a list of 811 genes) to 73% (on a list of 22 genes), outperforming the use of any of the data sources alone. We analyze a list of 20 cancer gene predictions, finding that most of them have been recently linked to cancer in literature. Conclusion: Our approach to identifying and prioritizing candidate cancer genes can be used to produce lists of genes likely to be involved in cancer. Our results suggest that differential expression studies yielding high numbers of candidate cancer genes can be filtered using protein interaction networks.

Prediction of enzyme function by combining sequence similarity and protein interactions

Background: A number of studies have used protein interaction data alone for protein function prediction. Here, we introduce a computational approach for annotation of enzymes, based on the observation that similar protein sequences are more likely to perform the same function if they share similar interacting partners. Results: The method has been tested against the PSI-BLAST program using a set of 3,890 protein sequences from which interaction data was available. For protein sequences that align with at least 40% sequence identity to a known enzyme, the specificity of our method in predicting the first three EC digits increased from 80% to 90% at 80% coverage when compared to PSI-BLAST. Conclusion: Our method can also be used in proteins for which homologous sequences with known interacting partners can be detected. Thus, our method could increase 10% the specificity of genome-wide enzyme predictions based on sequence matching by PSI-BLAST alone.

Biana: a software framework for compiling biological interactions and analyzing networks

Background: The analysis and usage of biological data is hindered by the spread of information across multiple repositories and the difficulties posed by different nomenclature systems and storage formats. In particular, there is an important need for data unification in the study and use of protein-protein interactions. Without good integration strategies, it is difficult to analyze the whole set of available data and its properties.Results: We introduce BIANA (Biologic Interactions and Network Analysis), a tool for biological information integration and network management. BIANA is a Python framework designed to achieve two major goals: i) the integration of multiple sources of biological information, including biological entities and their relationships, and ii) the management of biological information as a network where entities are nodes and relationships are edges. Moreover, BIANA uses properties of proteins and genes to infer latent biomolecular relationships by transferring edges to entities sharing similar properties. BIANA is also provided as a plugin for Cytoscape, which allows users to visualize and interactively manage the data. A web interface to BIANA providing basic functionalities is also available. The software can be downloaded under GNU GPL license from http://sbi.imim.es/web/BIANA.php.Conclusions: BIANA's approach to data unification solves many of the nomenclature issues common to systems dealing with biological data. BIANA can easily be extended to handle new specific data repositories and new specific data types. The unification protocol allows BIANA to be a flexible tool suitable for different user requirements: non-expert users can use a suggested unification protocol while expert users can define their own specific unification rules.

Proteïna C-Reactiva com a marcador biològic de Dehiscència d’Anastomosi en Cirurgia Colo-rectal electiva

Estudi prospectiu de 208 pacients intervinguts de Cirurgia Colo-Rectal electiva amb anastomosi. L’objectiu és avaluar el valor de la monitorització de la Proteïna C-Reactiva (PCR) com a marcador biològic precoç de Dehiscència d’Anastomosi. La disminució de la PCR entre el segon i el cinquè dia del postoperatori de més del 39% té un valor predictiu negatiu del 97%, pel què pensem que hauria de ser una eina a tenir en compte en un protocol de fast-track. La PCR ha demostrat ser un paràmetre més fiable que els paràmetres de resposta inflamatòria sistèmica (recompte leucocitari, freqüència cardíaca, freqüència respiratòria i temperatura).

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.

Regulación de la expresión del microRNA miR-21 por la proteína ZAP-70 en células de leucemia linfática crónica

La leucemia linfática crónica (LLC) está asociada a factores biológicos como la expresión de la proteína ZAP-70 y la expresión aberrante del miR-21. OBJETIVOS: Determinar la expresión de miR-21 en líneas celulares B y en células primarias de LLC y su asociación con la expresión de ZAP-70 en la LLC. MATERIAL Y MÉTODOS: Análisis de la expresión de miR-21 en la línea celular transfectada con ZAP-70 y en células de LLC. RESULTADOS: Se observó mayor expresión de miR-21 en las células con ZAP-70 tras estimulación del BCR y una correlación positiva entre la expresión de miR-21 y la de ZAP-70.

Valoració de la suplementació proteica en el residents d'un geriàtric que presenten baixos nivells de proteïna sèrica

El percentatge de població major de 65 anys ha anat augmentant de forma considerable en els últims anys en tots els països desenvolupats. A Espanya, es preveu que a l'any 2020 aquest grup de població suposarà el 20% de la població total, amb un augment dels majors de 85 anys. Per a fer una correcta avaluació nutricional d'aquest grup poblacional cal conèixer els canvis fisiològics que es produeixen durant el procés d'envelliment, entre els quals trobem la disminució de la massa muscular magra (sarcoénia), que fins i tot pot anar acompanyada d'un excés de la massa grassa (obesitat sarcopénica).

Caracterización funcional de las HERC ubiquitina ligasas en modelos in vivo

La família de proteïnes HERC contenen dos dominis característics: HECT i RLD (RCC1-like). Proteïnes amb dominis HECT funcionen com ubiquitina ligasas i proteïnes amb dominis RLD actuen com a reguladors de GTPases. En humans, la família HERC està formada per sis membres: les gegants (HERC1-2) i les petites (HERC3-6). HERC1 va ser la primera a identificar-se, conté dos dominis RLD (RLD1 i RLD2) i ha estat implicada en tràfic de membrana, proliferació i creixement cel.lular per les seves interaccions amb clatrina, M2-piruvat quinasa i tuberina (TSC2). Aquí es descriu la caracterització del ratolí "rescat" d'una mutació espontània i recessiva anomenada tambaleante, que causa una degeneració progressiva de les cèl.lules de Purkinje amb atàxia severa, un creixement reduït i una menor supervivència. Aquest rescat va ser realitzat amb un transgèn de cDNA de HERC1 humà i demostra que HERC1 és el responsable del fenotip oscil.lant. Hem generats animals knock-outs de HERC1 que no expressen el extremo ubiquitina ligasa de la proteïna, i que no mimetitzen el fenotip tambaleante. La resposta de MEFs de tambaleante a insulina tampoc mimetitza l'activació reduïda dels substrats de mTOR, ni l'autofàgia observats en l'animal tambaleante. Els nostres resultats suggereixen que HERC1 podria estar implicada en la regulació de la biogènesi ribosomal. Aquestes observacions contribueixen a la caracterització funcional de la ubiquitina ligasa HERC1 i demostren un paper fins ara desconegut de HERC1 en creixement i neurodegeneració.

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.

Implicaciones del uso de fuentes exógenas de fitasa sobre los rendimientos productivos y valor nutricional de las dietas en aves. Repercusiones medioambientales

En los últimos años, y debido a un aumento de las producciones intensivas de cerdos y aves en el marco de la UE, se han desarrollado muchos estudios intentando minimizar el impacto contaminante del exceso de nitrógeno y fósforo que las deyecciones de estos animales producen en el medio ambiente. La disminución del contenido de N procedente de las deyecciones se ha abordado con diferentes estrategias nutricionales (formulación con aminoácidos disponibles, mejora de la utilización de la proteína con diferentes enzimas, etc.). El fósforo es un mineral imprescindible para el crecimiento de los animales, debido a su influencia en el ciclo energético, en la formación de huesos y como regulador de la ingesta. El fósforo presente en los vegetales (base de la alimentación de las aves) se encuentra básicamente formando el ácido fítico, muy poco asimilable por los animales. Por tal motivo, se suplementan las dietas con fósforo inorgánico, a menudo en exceso, que en parte revierte al medio ambiente, dando lugar a problemas medioambientales en áreas de gran concentración de producciones intensivas de animales. En la ultima década se ha estudiado el efecto que la incorporación de la enzima fitasa produce en el aumento de la biodisponibilidad del fósforo fítico (Kornegay et al., 1996), con lo que se reduce la cantidad de fósforo inorgánico añadido a las dietas y, por tanto, la disminución del fósforo excretado. Se ha descrito que la incorporación de este enzima produce ademas mejoras de la disponibilidad de otros minerales (calcio, zinc, cobre, hierro, etc.) (Broz et al., 1994; Schoner et al., 1991; Roberson and Edwards, 1994; Yi et al., 1997; Sebastian et al., 1996), pero dependientes del nivel de calcio y de vitamina D3 (Qian et al., 1996; Qian et al., 1997; Edwards, 1993; Lei et al., 1994), y de la fuente de fibra (Ravindran et al. 1995). También se han descrito mejoras en la digestibilidad de la proteína y los aminoácidos (Yi et al., 1996a; Mroz et al., 1994) , aunque en este campo existe cierta controversia, ya que la respuesta depende de la cantidad y procedencia del ácido fitico de la dieta (O’Dell and Boland, 1976). Sin embargo, casi todos los ensayos se han realizado con dietas a base de maíz-soja, en tanto que a nivel de la UE cada vez más se utilizan otro tipo de ingredientes para las raciones (trigo, cebada, girasol, guisantes, subproductos, etc.). Algunos de estos ingredientes se caracterizan por tener una actividad fitasa endógena nada despreciable (Eeckout and De Paepe, 1994) que, en general, no se ha tenido en cuenta, pero que puede verse afectada en los procesos de granulación. Por otro lado, los efectos beneficiosos de la adición de fitasa a las dietas parecen ser, en ocasiones, más importantes en los aumentos de consumo y mejores índices de conversión que en los derivados de la propia liberación del fósforo, es decir, en los llamados “side effects”, (básicamente, mejora de parámetros productivos, del valor de energía de las dietas, de la utilización de diversos minerales, y de la proteína), aunque existe una gran controversia en algunos de estos efectos. Existen muy pocos estudios sobre el papel de la fibra y otros hidratos de carbono en la actuación de estos enzima (interacción positiva o negativa).