Ras-association domain of sorting nexin 27 is critical for regulating expression of GIRK potassium channels

G protein-gated inwardly rectifying potassium (GIRK) channels play an important role in regulating neuronal excitability. Sorting nexin 27b (SNX27b), which reduces surface expression of GIRK channels through a PDZ domain interaction, contains a putative Ras-association (RA) domain with unknown function. Deleting the RA domain in SNX27b (SNX27b-DRA) prevents the down-regulation of GIRK2c/GIRK3 channels. Similarly, a point mutation (K305A) in the RA domain disrupts regulation of GIRK2c/GIRK3 channels and reduces H-Ras binding in vitro. Finally, the dominant-negative H-Ras (S17N) occludes the SNX27b-dependent decrease in surface expression of GIRK2c/GIRK3 channels. Thus, the presence of a functional RA domain and the interaction with Ras-like G proteins comprise a novel mechanism for modulating SNX27b control of GIRK channel surface expression and cellular excitability.

A clathrin-dependent pathway leads to KRas signaling on late endosomes en route to lysosomes

Ras proteins are small guanosine triphosphatases involved in the regulation of important cellular functions such as proliferation, differentiation, and apoptosis. Understanding the intracellular trafficking of Ras proteins is crucial to identify novel Ras signaling platforms. In this study, we report that epidermal growth factor triggers Kirsten Ras (KRas) translocation onto endosomal membranes (independently of calmodulin and protein kinase C phosphorylation) through a clathrin-dependent pathway. From early endosomes, KRas but not Harvey Ras or neuroblastoma Ras is sorted and transported to late endosomes (LEs) and lysosomes. Using yellow fluorescent protein¿Raf1 and the Raichu-KRas probe, we identified for the first time in vivo¿active KRas on Rab7 LEs, eliciting a signal output through Raf1. On these LEs, we also identified the p14¿MP1 scaffolding complex and activated extracellular signal-regulated kinase 1/2. Abrogation of lysosomal function leads to a sustained late endosomal mitogen-activated protein kinase signal output. Altogether, this study reveals novel aspects about KRas intracellular trafficking and signaling, shedding new light on the mechanisms controlling Ras regulation in the cell.

Differential regulation of RasGAPs in cancer

Ever since their discovery as cellular counterparts of viral oncogenes more than 25 years ago, much progress has been made in understanding the complex networks of signal transduction pathways activated by oncogenic Ras mutations in human cancers. The activity of Ras is regulated by nucleotide exchange factors (GEFs) and GTPase activating proteins (GAPs), and much emphasis has been put into the biochemical and structural analysis of the Ras/GAP complex. The mechanisms by which GAPs catalyze Ras-GTP hydrolysis have been clarified and revealed that oncogenic Ras mutations confer resistance to GAPs and remain constitutively active. However, it is yet unclear how cells coordinate the large and divergent GAP protein family to promote Ras inactivation and ensure a certain biological response. Different domain arrangements in GAPs to create differential protein-protein and protein-lipid interactions are probably key factors determining the inactivation of the 3 Ras isoforms H-, K-, and N-Ras and their effector pathways. In recent years, in vitro as well as cell- and animal-based studies examining GAP activity, localization, interaction partners, and expression profiles have provided further insights into Ras inactivation and revealed characteristics of several GAPs to exert specific and distinct functions. This review aims to summarize knowledge on the cell biology of RasGAP proteins that potentially contributes to differential regulation of spatiotemporal Ras signaling.

Oncogenic K-Ras segregates at spatially distinct plasma membrane signaling platforms according to its phosphorylation status

Activating mutations in the K-Ras small GTPase are extensively found in human tumors. Although these mutations induce the generation of a constitutively GTP-loaded, active form of K-Ras, phosphorylation at Ser181 within the C-terminal hypervariable region can modulate oncogenic K-Ras function without affecting the in vitro affinity for its effector Raf-1. In striking contrast, K-Ras phosphorylated at Ser181 shows increased interaction in cells with the active form of Raf-1 and with p110α, the catalytic subunit of PI 3-kinase. Because the majority of phosphorylated K-Ras is located at the plasma membrane, different localization within this membrane according to the phosphorylation status was explored. Density-gradient fractionation of the plasma membrane in the absence of detergents showed segregation of K-Ras mutants that carry a phosphomimetic or unphosphorylatable serine residue (S181D or S181A, respectively). Moreover, statistical analysis of immunoelectron microscopy showed that both phosphorylation mutants form distinct nanoclusters that do not overlap. Finally, induction of oncogenic K-Ras phosphorylation - by activation of protein kinase C (PKC) - increased its co-clustering with the phosphomimetic K-Ras mutant, whereas (when PKC is inhibited) non-phosphorylated oncogenic K-Ras clusters with the non-phosphorylatable K-Ras mutant. Most interestingly, PI 3-kinase (p110α) was found in phosphorylated K-Ras nanoclusters but not in non-phosphorylated K-Ras nanoclusters. In conclusion, our data provide - for the first time - evidence that PKC-dependent phosphorylation of oncogenic K-Ras induced its segregation in spatially distinct nanoclusters at the plasma membrane that, in turn, favor activation of Raf-1 and PI 3-kinase.

Anàlisi de l'expressió de gens de proteïnes de cohesió cromosòmica en oòcits humans

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Mount Sinai School Mountain, Estats Units, entre abril i juliol del 2007. Les aneuploïdies cromosòmiques en humans constitueixen un problema genètic amb gran repercussió clínica i social. Afecten un 5% dels embarassos reconeguts clínicament i la seva incidència augmenta amb l’edat materna Les aneuploïdies estan íntimament lligades al procés d’oogènesi, que ha demostrat ser un procés que tendeix encara més a l’error a mesura que la dona envelleix. Estudis recents realitzats en ratolí han demostrat que la deficiència d’una proteïna de cohesió cromosòmica (SMC1b) provoca l’aparició d’aneuploïdies i que augmenta amb l’edat, similarment a la situació en la dona. Fins al moment, però, no hi ha estudis al respecte en l’espècie humana. Durant l’estada es va posar a punt una metodologia per analitzar l’expressió de SMC1b en oòcits humans, amb la finalitat de demostrar si la seva expressió disminueix a mesura que la dona envelleix, i pot explicar l’efecte de l’edat materna sobre la taxa d’aneuploïdies.

Organització nuclear dels gens que codifiquen per a les proteïnes làcties en cèlules epitelials mamàries en diferents estadis de desenvolupament

Estudi realitzat a partir d’una estada al Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), a França, entre 2006 i 2008. En el ultims anys, estudis realitzats en diferents tipus cel•lulars han pogut determinar l’importància de l’organització nuclear en el control i regulació gènica. S’han realizat diferents experiments per tal de determinar si la posició dels gens de les proteïnes làcties en el nucli interfàsic de cel•lules epitelials mamaries és important per regular la seva expressió. Els gens de les proteïnes de la llet s’expressen a la glàndula mamaria durant la lactació en resposta a les hormones lactogèniques (majoritàriament prolactina i glucocorticoids). Mitjançant la tècnica de FISH (fluorescent in situ hibridization) en 3D s’ha caracteritzat la localització nuclear del gens WAP (whey acidic protein) i les caseïnes en cèl•lules epitelials mamaries de ratolí (HC11) cultivades en l’absència i presencia d’hormones lactogèniques. En absència d’hormones, els dos gens estan distribuïts dins del nucli de forma no aleatòria, el gen WAP es troba localitzat en l’interior del nucli, mentre que les caseïnes es troben localitzades prop de la perifèria nuclear. L’estimulació hormonal indueix un canvi significatiu en la distància dels dos gens a la perifèria nuclear. Així mateix, la posició del locus de la caseïna en relació al seu territori cromosòmic (CT) 5 està correlacionada amb la inducció hormonal i per tant amb la seva activació transcripcional, mentre que la posició del gen WAP amb relació al seu CT11 sembla més determinada pel context cromosòmic del gen. Per últim, no s’han trobat diferencies en la localització dels gens en relació a l'heterocromatina del centròmer, descrit com a compartiment repressiu, entre les cèl•lules estimulades amb hormones i les que no. En els dos casos s’ha trobat un gran percentatge de gens que no estan associats als centròmers.

Combinatorial Synthesis and Biological Evaluation of Inhibitors of D-Ala-D-Ala-Ligase

Report for the scientific sojourn carried out at the Max Planck Institut of Molecular Phisiology, Germany, from 2006 to 2008.The work carried out during this postdoctoral stage was focused on two different projects. Firstly, identification of D-Ala D-Ala Inhibitors and the development of new synthethic approaches to obtain lipidated peptides and proteins and the use of these lipidated proteins in biological and biophysical studies. In the first project, new D-Ala D-Ala inhibitors were identified by using structural alignments of the ATP binding sites of the bacterial ligase DDl and protein and lipid kinases in complex with ATP analogs. We tested a series of commercially available kinase inhibitors and found LFM-A13 and Tyrphostine derivatives to inhibit DDl enzyme activity. Based on the initial screening results we synthesized a series of malononitrilamide and salicylamide derivatives and were able to confirm the validity of these scaffolds as inhibitors of DDl. From this investigation we gained a better understanding of the structural requirements and limitations necessary for the preparation of ATP competitive DDl inhibitors. The compounds in this study may serve as starting points for the development of bi-substrate inhibitors that incorporate both, an ATP competitive and a substrate competitive moiety. Bisubstrate inhibitors that block the ATP and D-Ala binding sites should exhibit enhanced selectivity and potency profiles by preferentially inhibiting DDl over kinases. In the second project, an optimized synthesis for tha alkylation of cysteins using the thiol ene reaction was establisehd. This new protocol allowed us to obtain large amounts of hexadecylated cysteine that was required for the synthesis of differently lipidated peptides. Afterwards the synthesis of various N-ras peptides bearing different lipid anchors was performed and the peptides were ligated to a truncated N-ras protein. The influence of this differently lipidated N-ras proteins on the partioning and association of N-Ras in model membrane subdomains was studied using Atomic Force Microscopy.

Síntesi de siRNAs (short interfering RNAs) modificats amb nucleobases 5-metil i 5-propinil pirimidíniques i avaluació de la seva activitat in vitro en cultius cel•lulars i de la seva estabilitat en sèrum humà. Disseny de siRNAs dirigits a la inhibició de l'expressió de mutacions de l'oncogen K-ras.

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Stanford University, EEUU, entre 2007 i 2009. El present projecte es basa 1) en la síntesi de cadenes d'ARN dirigides a la inhibició de l'expressió gènica per un mecanisme d'ARN d'interferència (siRNAs o short interefering RNAs) i 2) en l'avaluació de l'activitat in vitro d'aquests oligonucleòtids en cultius cel•lulars. Concretament, la meva recerca ha estat enfocada principalment a l'estudi de cadenes de siRNA modificades amb nucleobases 5-metil i 5-propinil pirimidíniques. Es tractava d'avaluar l'efecte que exerceixen els factors estèrics en el major groove (solc major) dels siRNAs sobre la seva activitat biològica. En aquest sentit, he dut aterme síntesi de fosforamidits de nucleòsis pirimidínics modificats a la posició C-5 de la nucleobase. A continuació he incorporat aquestes unitats nucleosídiques en cadenes d'ARN emprant un sintetitzador d’ADN/ARN i he estudiat l'estabilitat dels corresponents dúplexs d'ARN mitjançant experiments de desnaturalització tèrmica. Finalment he dut a terme experiments d'inhibició de l'expressió gènica en cèl.lules HeLa per tal d'avaluar l'activitat biològia d'aquests siRNAs modificats. Els resultats d'aquests estudis han posat de manifest que la presència de grups voluminosos com el propinil a l'extrem 5' del dúplex de siRNA (definit per la cadena guia o antisense) influeix de forma molt negativa en la seva activitat biològica. En canvi, grups menys voluminosos com el metil hi influeixen positivament, de manera que algunes de les cadenes sintetitzades han resultat ser més actives que els corresponents siRNAs naturals (wild type siRNAs). A més, aquest tipus de modificació contribueix positivament en l'estabilitat de cadenes de siRNA en sèrum humà. Aquest treball ha estat publicat (Terrazas, M.; Kool, E.T. "Major Groove Modifications Improve siRNA Stability and Biological Activity" Nucleic Acids Res. 2009, in press).

Estudi de la relació estructura-funció de les proteïnes CPT1

En aquest treball s’ha analitzat la relació estructura-funció dels enzims CPT1, o Carnitina palmitoïltransferasa 1, que catalitza la reacció de transesterificació dels àcids grassos de cadena llarga a acil-carnitines, per tal que puguin accedir a la matriu mitocondrial i ser oxidats. Aquest enzim es troba estrictament regulat per malonil-CoA, primer intermediari de la síntesi d’àcids grassos, establint-se així una regulació coordinada entre la formació i la degradació de grasses. S’han estudiat els tres isotips de CPT1 descrits fins al moment: CPT1A, CPT1B i CPT1C. Mitjançant l’expressió heteròloga de mutants de CPT1A de rata i CPT1B de porc en el llevat P. pastoris, s’ha estudiat l’efecte sobre la inhibició per malonil-CoA de petits canvis en la seva estructura, per tal de trobar una relació entre la seva funció enzimàtica i la disposició conformacional de la proteïna. Segons els resultats obtinguts, el residu Glu590 de CPT1A de rata estaria impedint la unió de l’inhibidor, mentre que el residu Met593 estaria afavorint aquesta unió. Els estudis amb l’enzim CPT1B de porc demostraren l’existència d’un determinant positiu per la sensibilitat al malonil-CoA en els primers 18 residus de la proteïna, i definiren la posició Glu17 com la responsable de l’alta afinitat a la carnitina i la baixa sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA (8). Es clonà i caracteritzà la regió promotora del gen de CPT1C humana, amb la intenció d’analitzar la funcionalitat de putatius elements de resposta identificats in silico. Cap dels elements estudiats resultà ser funcional in vivo. A més, es demostrà que la manca d’activitat catalítica de la proteïna no és deguda a l’extensió C-terminal que presenta respecte els isotips A i B, tot i presentar un alt percentatge d’identitat de seqüència. S’ha amplificat una isoforma humana de CPT1C (Pubmed Acc. Num. AK299866), corresponent a la regió carboxiterminal de la proteïna, que es pretén utilitzar per obtenir el primer cristall de la part soluble d’una proteïna CPT1.     

FGF signaling controls caudal hindbrain specification through Ras-ERK1/2 pathway

Background: During early steps of embryonic development the hindbrain undergoes a regionalization process along the anterior-posterior (AP) axis that leads to a metameric organization in a series of rhombomeres (r). Refinement of the AP identities within the hindbrain requires the establishment of local signaling centers, which emit signals that pattern territories in their vicinity. Previous results demonstrated that the transcription factor vHnf1 confers caudal identity to the hindbrain inducing Krox20 in r5 and MafB/Kreisler in r5 and r6, through FGF signaling [1].Results: We show that in the chick hindbrain, Fgf3 is transcriptionally activated as early as 30 min after mvHnf1 electroporation, suggesting that it is a direct target of this transcription factor. We also analyzed the expression profiles of FGF activity readouts, such as MKP3 and Pea3, and showed that both are expressed within the hindbrain at early stages of embryonic development. In addition, MKP3 is induced upon overexpression of mFgf3 or mvHnf1 in the hindbrain, confirming vHnf1 is upstream FGF signaling. Finally, we addressed the question of which of the FGF-responding intracellular pathways were active and involved in the regulation of Krox20 and MafB in the hindbrain. While Ras-ERK1/2 activity is necessary for MKP3, Krox20 and MafB induction, PI3K-Akt is not involved in that process.Conclusion: Based on these observations we propose that vHnf1 acts directly through FGF3, and promotes caudal hindbrain identity by activating MafB and Krox20 via the Ras-ERK1/2 intracellular pathway.

Estudi de la interacció de tres complexos de Pt amb proteïnes i oligonucleòtids mitjançant ESI-MS

En aquest treball s’investiga la reactivitat de tres complexos de Pt, cisplatí, complex 1, [Pt(dmba)(aza-N1)(dmso)], complex 2, i [Pt(dmba)(N9-9AA)(PPh3)]+, complex 3; els quals presenten activitat antitumoral, amb diferents proteïnes i oligonucleòtids mitjançant espectrometria de masses (ESI-TOF MS). ). L’estudi del cisplatí, 1, droga molt coneguda i emprada avui en dia pel tractament de molts tipus de càncer, permet comparar la reactivitat dels nous complexos d’estudi, 2 i 3, els quals presenten un IC50 més baix que el cisplatí en algunes línies de cèl·lules tumorals.

Inhibition of Mitogen-Activated Protein Kinase Erk1/2 Promotes Protein Degradation of ATP Binding Cassette Transporters A1 and G1 in CHO and in HuH7 cells.

Signal transduction modulates expression and activity of cholesterol transporters. We recently demonstrated that the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling cascade regulates protein stability of Scavenger Receptor BI (SR-BI) through Proliferator Activator Receptor (PPARα) -dependent degradation pathways. In addition, MAPK (Mek/Erk 1/2) inhibition has been shown to influence liver X receptor (LXR) -inducible ATP Binding Cassette (ABC) transporter ABCA1 expression in macrophages. Here we investigated if Ras/MAPK signaling could alter expression and activity of ABCA1 and ABCG1 in steroidogenic and hepatic cell lines. We demonstrate that in Chinese Hamster Ovary (CHO) cells and human hepatic HuH7 cells, extracellular signal-regulated kinase 1/2 (Erk1/2) inhibition reduces PPARα-inducible ABCA1 protein levels, while ectopic expression of constitutively active H-Ras, K-Ras and MAPK/Erk kinase 1 (Mek1) increases ABCA1 protein expression, respectively. Furthermore, Mek1/2 inhibitors reduce ABCG1 protein levels in ABCG1 overexpressing CHO cells (CHO-ABCG1) and human embryonic kidney 293 (HEK293) cells treated with LXR agonist. This correlates with Mek1/2 inhibition reducing ABCG1 cell surface expression and decreasing cholesterol efflux onto High Density Lipoproteins (HDL). Real Time reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) and protein turnover studies reveal that Mek1/2 inhibitors do not target transcriptional regulation of ABCA1 and ABCG1, but promote ABCA1 and ABCG1 protein degradation in HuH7 and CHO cells, respectively. In line with published data from mouse macrophages, blocking Mek1/2 activity upregulates ABCA1 and ABCG1 protein levels in human THP1 macrophages, indicating opposite roles for the Ras/MAPK pathway in the regulation of ABC transporter activity in macrophages compared to steroidogenic and hepatic cell types. In summary, this study suggests that Ras/MAPK signaling modulates PPARα- and LXR-dependent protein degradation pathways in a cell-specific manner to regulate the expression levels of ABCA1 and ABCG1 transporters.

Descripció geoambiental i paisatgística del sistema platja-duna de cala Borró (cap Ras, Alt Empordà- Costa Brava, Girona)

The geoambiental and landscape description of the beach-dune system of Cala Borró, (Cap Ras), placed in the town of Colera (Alt Empordà), is carried out. The dunar system, developed with orientation and N-S, links three beach pockets following the topographic slopes of the torrential basins. We find coalescence of dunes in the upper zones, which were possibly an object of reafforestation in the 19thC. to avoid erosion

Matemàtica i música amb ADN

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 2005. Estudi sobre l’ADN que té com a finalitat conèixer introductòriament l’utilització del càlcul matemàtic computacional en les investigacions sobre aquest. Els objectius de l’estudi són per una part, conèixer què és l'ADN i quins són els seus mecanismes de duplicació i de transmissió de la informació genètica, així com el paper d'altres molècules que intervenen en aquest procés ; també s’estudia quins han estat els processos de la cèl·lula que l'ésser humà ha estat capaç de copiar o imitar. A partir d’aquesta introducció, es vol conèixer què s'entén concretament per computació amb ADN i alguns dels problemes matemàtics que s'han resolt, així com algunes aplicacions de l'ADN en altres camps. La recerca ha permès arribar a diverses conclusions. Primerament que l'ADN és un excel·lent candidat per poder fer càlculs matemàtics. En segon lloc, tot i que en el present treball no se solucionen problemes computacionalment difícils es mostra la capacitat de les molècules d'ADN per resoldre problemes. En tercer lloc, l'interès mostrat per importants empreses dedicades a la informàtica fa més esperançador que en un futur hi pugui haver ordinadors que funcionin amb molècules d'ADN. Finalment, es demostra que les matemàtiques, la informàtica i la biologia són tres camps que estan interrelacionats. Per tal de trencar una mica amb la serietat del treball, s'acaba descrivint una manera de posar música a les cadenes d'ADN, i es mostren alguns resultats com són les músiques associades als 24 cromosomes humans, així com les corresponents a 29 proteïnes.