Utilització de plantes d'Arabidopsis thaliana mutants de CK2 per a l'establiment de línies cel·lulars i per a l'estudi de la implicació de la CK2 en l'estructuració de la cromatina

La proteïna CK2 és una Ser/Thr fosfotransferasa evolutivament conservada. Està formada per dues subunitats diferents, α (catalítica) i β (reguladora), que s’associen en un complex heterotetramèric (α2β2). L’activitat d’aquest enzim està regulada per varis mecanismes que la modulen diferencialment en funció del substrat, entre ells, la localització subcel·lular de les diferents subunitats. A partir de plantes transgèniques que contenen les subunitats de CK2 fusionades a una proteïna fluorescent (GFP o YFP) hem establert línies cel·lulars que permetran analitzar, en treballs futurs, els canvis de localització subcel·lular de les subunitats de CK2 provocats per diferents estímuls. La CK2 intervé en un gran nombre de processos cel·lulars, entre d’altres, metabolisme, transport a nucli, control del cicle cel·lular i reparació del DNA. Amb la finalitat d’estudiar el paper de la CK2 en el desenvolupament de les plantes, membres del grup van generar un mutant dominant negatiu per transformació estable de plantes d’Arabidopsis thaliana. Estudis previs mostraven que la pèrdua d’activitat CK2 en aquestes plantes provocava una alteració de l’activitat mitòtica i un bloqueig del cicle cel·lular. Els resultats obtinguts en aquest treball indiquen que aquests fenotips podrien ser conseqüència de la implicació de la CK2 en processos d’estructuració de la cromatina.

Modelling the evolution and spread of HIV immune escape mutants.

During infection with human immunodeficiency virus (HIV), immune pressure from cytotoxic T-lymphocytes (CTLs) selects for viral mutants that confer escape from CTL recognition. These escape variants can be transmitted between individuals where, depending upon their cost to viral fitness and the CTL responses made by the recipient, they may revert. The rates of within-host evolution and their concordant impact upon the rate of spread of escape mutants at the population level are uncertain. Here we present a mathematical model of within-host evolution of escape mutants, transmission of these variants between hosts and subsequent reversion in new hosts. The model is an extension of the well-known SI model of disease transmission and includes three further parameters that describe host immunogenetic heterogeneity and rates of within host viral evolution. We use the model to explain why some escape mutants appear to have stable prevalence whilst others are spreading through the population. Further, we use it to compare diverse datasets on CTL escape, highlighting where different sources agree or disagree on within-host evolutionary rates. The several dozen CTL epitopes we survey from HIV-1 gag, RT and nef reveal a relatively sedate rate of evolution with average rates of escape measured in years and reversion in decades. For many epitopes in HIV, occasional rapid within-host evolution is not reflected in fast evolution at the population level.

Isolation and characterization of Saccharomyces cerevisiae mutants resistant to aculeacin A

Aculeacin A is a lipopeptide that inhibits ,B-glucan synthesis in yeasts. A number of Saccharomyces cerevisiae mutants resistant to this antibiotic were isolated, and four loci (ACRI, ACR2, ACR3, and ACR4) whose products are involved in the sensitivity to aculeacin A of yeast ceils were defined. Mutants containing mutations in the four loci were also resistant to echinocandin B, another member of this lipopeptide family of antibiotics. In contrast, acri, acr3, and acr4 mutants were resistant to papulacandin B (an antibiotic containing a disaccharide linked to two fatty acid chains that also inhibits P-glucan synthesis), but acr2 mutants were susceptible'to this antibiotic. This result defines common and specific steps in the entry and action of aculeacin A and papulacandin B. The analysis of double mutants revealed an epistatic effect of the acr2 mutation on the other three mutations. Cell walls of the four different mutants did not show significant alterations in composition with respect to the parental strain, and in vitro glucan synthase activity was also unaffected. However, cell surface hydrophobicity in three of the mutants was considerably decreased with respect to the parental strain.

Modelling the Evolution and Spread of HIV Immune Escape Mutants.

During infection with human immunodeficiency virus (HIV), immune pressure from cytotoxic T-lymphocytes (CTLs) selects for viral mutants that confer escape from CTL recognition. These escape variants can be transmitted between individuals where, depending upon their cost to viral fitness and the CTL responses made by the recipient, they may revert. The rates of within-host evolution and their concordant impact upon the rate of spread of escape mutants at the population level are uncertain. Here we present a mathematical model of within-host evolution of escape mutants, transmission of these variants between hosts and subsequent reversion in new hosts. The model is an extension of the well-known SI model of disease transmission and includes three further parameters that describe host immunogenetic heterogeneity and rates of within host viral evolution. We use the model to explain why some escape mutants appear to have stable prevalence whilst others are spreading through the population. Further, we use it to compare diverse datasets on CTL escape, highlighting where different sources agree or disagree on within-host evolutionary rates. The several dozen CTL epitopes we survey from HIV-1 gag, RT and nef reveal a relatively sedate rate of evolution with average rates of escape measured in years and reversion in decades. For many epitopes in HIV, occasional rapid within-host evolution is not reflected in fast evolution at the population level.

Sex Reversal in Zebrafish fancl Mutants is Caused by Tp53-Mediated Germ Cell Apoptosis

The molecular genetic mechanisms of sex determination are not known for most vertebrates, including zebrafish. We identified a mutation in the zebrafish fancl gene that causes homozygous mutants to develop as fertile males due to female-to-male sex reversal. Fancl is a member of the Fanconi Anemia/BRCA DNA repair pathway. Experiments showed that zebrafish fancl was expressed in developing germ cells in bipotential gonads at the critical time of sexual fate determination. Caspase-3 immunoassays revealed increased germ cell apoptosis in fancl mutants that compromised oocyte survival. In the absence of oocytes surviving through meiosis, somatic cells of mutant gonads did not maintain expression of the ovary gene cyp19a1a and did not down-regulate expression of the early testis gene amh; consequently, gonads masculinized and became testes. Remarkably, results showed that the introduction of a tp53 (p53) mutation into fancl mutants rescued the sex-reversal phenotype by reducing germ cell apoptosis and, thus, allowed fancl mutants to become fertile females. Our results show that Fancl function is not essential for spermatogonia and oogonia to become sperm or mature oocytes, but instead suggest that Fancl function is involved in the survival of developing oocytes through meiosis. This work reveals that Tp53-mediated germ cell apoptosis induces sex reversal after the mutation of a DNA-repair pathway gene by compromising the survival of oocytes and suggests the existence of an oocyte-derived signal that biases gonad fate towards the female developmental pathway and thereby controls zebrafish sex determination.

Correlation between in vitro cytotoxicity and in vivo lethal activity in mice of epsilon toxin mutants from Clostridium perfringens

Epsilon toxin (Etx) from Clostridium perfringens is a pore-forming protein with a lethal effect on livestock, producing severe enterotoxemia characterized by general edema and neurological alterations. Site-specific mutations of the toxin are valuable tools to study the cellular and molecular mechanism of the toxin activity. In particular, mutants with paired cysteine substitutions that affect the membrane insertion domain behaved as dominant-negative inhibitors of toxin activity in MDCK cells. We produced similar mutants, together with a well-known non-toxic mutant (Etx-H106P), as green fluorescent protein (GFP) fusion proteins to perform in vivo studies in an acutely intoxicated mouse model. The mutant (GFP-Etx-I51C/A114C) had a lethal effect with generalized edema, and accumulated in the brain parenchyma due to its ability to cross the blood-brain barrier (BBB). In the renal system, this mutant had a cytotoxic effect on distal tubule epithelial cells. The other mutants studied (GFP-Etx-V56C/F118C and GFP-Etx-H106P) did not have a lethal effect or cross the BBB, and failed to induce a cytotoxic effect on renal epithelial cells. These data suggest a direct correlation between the lethal effect of the toxin, with its cytotoxic effect on the kidney distal tubule cells, and the ability to cross the BBB.

Mutants solars

Des de fa un bon grapat de dècades, un dels costums més generalitzats a l'estiu és prendre el sol i permetre que l'astre rei ens escalfi la pell i la bronzegi. Certament, la llum solar exerceix una influència molt beneficiosa sobre el nostre organisme. D'una banda, el nostre cos la necessita per poder aprofitar determinades vitamines, com la vitamina D. També és molt eficaç en determinats processos dolorosos que afecten els ossos, la musculatura i les articulacions. A més, el sistema nerviós respon a la presència de llum solar produint endorfines, unes hormones que s'assemblen als opioides, les quals contribueixen a produir una sensació de benestar general [...].

Estudis funcionals i de plegament dels dominis d'activació de les procarboxipeptidases

Els dominis d’activació (ADs) de les procarboxipeptidases de la subfamília A/B sempre han sorprès ja que representen una quarta part del proenzim. S’han realitzat alguns estudis per intentar descobrir-ne alguna possible funció alternativa, però no han estat fructífers. El descobriment de l’elevada velocitat de plegament del domini d’activació de la procarboxipeptidasa A2 humana, (ADA2h), emperò, va portar a proposar la possibilitat de que realitzessin una funció d’assistència al plegament del domini enzimàtic. Posteriorment, l’anàlisi del plegament d’ADA2h a pH baix va revelar la capacitat d’aquest domini per formar fibres amiloides, a més de demostrar que un increment de l’estabilitat proteica podia prevenir la formació d’aquests agregats. La profunda caracterització del plegament d’ADA2h va fer que aquesta proteïna fos un bon model amiloidogènic, de manera que es van proposar un seguit d’experiments que s’han desenvolupat en el present treball per tal de conèixer millor aquest procés. S’han dut a terme estudis cinètics d’agregació per tal de valorar la contribució dels diferents aminoàcids de la seqüència polipeptídica, utilitzant 29 variants puntuals d’ADA2h. Es va eliminar la contribució de l’estabilitat mitjançant la utilització d’urea, i per dicroïsme circular conjuntament amb un aparell de flux detingut, es van obtenir dues velocitats diferents, v1 i v2, que corresponen a la formació d’un intermediari i a la seva reorganització, respectivament. Experiments complementaris utilitzant espectroscòpia d’infraroig (IR) revelaren la reorganització de l’estat natiu (en aquest cas) per a donar la forma agregada. Les cinètiques d’IR van mostrar que ADA2h forma l’estructura _ típica de les fibres amiloides, previ desplegament les seves hèlixs-_. Finalment, s’han realitzat estudis de biocomputació per tal d’esbrinar possibles funcions alternatives dels ADs. Les superposicions estructurals semblen mostrar similaritat dels ADs amb dominis de reconeixement d’RNA (RRM). Aquesta hipòtesi s’ha comprovat experimentalment amb ADA4h, mostrant una dèbil, però existent, unió a RNA.

Estudio de la patogenia de clostridium perfringens tipo b y d en pequeños rumiantes

Proyecto de investigación realizado a partir de una estancia en la University of California, Davis, Estados Unidos, entre octubre y desembre del 2007. Clostridium perfringens (C. perfringens) tipo C causa enteritis necrotizante en humanos y enterotoxemias en animales domésticos. Esta bacteria produce beta toxina (CPB), alfa toxina (CPA) y perfringolisina (PFO) durante la fase logarítimca de crecimiento. En nuestro estudio se evaluó la relación entre CPB y la virulencia del aislamiento CN3685 de Cl. perfringens tipo C en un modelo caprino con inoculación intraduodenal. De manera similar a la infección natural por C. perfringens tipo C, el cultivo vegetativo del tipo salvaje de CN3685 provocó dolor abdominal, diarrea hemorrágica, enteritis necrotizante, colitis, edema pulmonar, hidropericardio y muerte en 2 cabritos, a las 24 horas postinoculación. Por otro lado, mediante tecnología Targe Tron® se prepararon mutantes isogénicos carentes de toxina CPB, los cuales fueron inoculados siguiendo el modelo anteriormente descrito. Los resultados mostraron que estos mutantes carecían de todo tipo de virulencia, ya que no se observaron signos clínicos durante las primeras 24 h postinoculación ni tampoco lesiones macroscópicas ni histopatológicas. Posteriormente se desarrolló un modelo experimental similar a los anteriores, en los que se había repuesto la capacidad de producción de CPB en los mutantes. Los dos animales inoculados con estos mutantes complementarios presentaron signos clínicos y lesiones similares a las observadas en el caso del tipo salvaje. Estos resultados muestran que la toxina CPB es necesaria y suficiente para inducir la enfermedad causada por CN3685. Esto a su vez, demuestra la importancia de este tipo de toxina en la patogénesis de C. perfringems tìpo C.

Determinació de la regió del genoma o gens implicats en la síntesi del polièster extracel•lular present en la variant llisa de Mycobacterium vaccae mitjançant transformació

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Universidad de Zaragoza, Espanya, entre novembre del 2007 i abril del 2008. Mycobacterium vaccae és un micobacteri ambiental de creixement ràpid molt estudiat pel seu interès com a possible ús immunoterapéutic en el tractament de la tuberculosis i altres malalties. M.vaccae a l’igual que altres micobacteris presenta dues morfologies colonials: llisa i rugosa. M.vaccae ATCC15483T té originàriament una morfologia llisa. Quant aquest es cultiva en medi sòlid a 30ºC apareixen espontàniament variants rugoses estables que no reverteixen a llises. El motiu pel qual aquest procés té lloc no es coneix, encara que s’ha descrit en Mycobacterium smegmatis i en Mycobacterium avium que els lípids de la paret cel•lular es troben involucrats en aquest canvi de morfologia colonial. L’anàlisi dels contingut en lípids i glicolípids de la paret cel•lular de les dos variants morfològiques de M.vaccae, ens ha indicat que les soques llises presenten un compost extracel•lular que no es troba en les rugoses i que mitjançant l’anàlisi estructural d’aquest compost ha sigut identificat com un polièster extracel•lular de cadena llarga. El present estudi s’ha centrat en determinar els gens implicats en la síntesis d’aquest compost. Per a realitzar aquest anàlisi genètic s’ha construit una llibreria de mutants per transposició de la soca llisa de M. vaccae mitjançant un plàsmid ts/sac i un transposó. S’han obtingut colònies de morfologia rugosa on el plàsmid s’ha insertat en la zona del genoma que codifica per aquest compost extracel•lular. Aquests nous mutants s’han analitzat mitjançant tècniques moleculars (PCR, Southern y seqüenciació). A mès, s’ha construit una llibreria genòmica amb DNA de la soca llisa en plàsmids replicatius de micobacteris derivats de pAL5000 i s’ha transformat la soca rugosa seleccionant per a un fenotip llis estudiant els gens que complementen.

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.     

Identificació i caracterització funcional dels complexes proteics dels receptors BRL1 i BRL3 en el teixit vascular d’Arabidopsis Thaliana

Els esteroids juguen papers clau en el creixement I el desenvolupament d’eucariotes multicel•lulars. En plantes, aquestes hormones, anomenades Brassinosteroides (BRs), estan involucrades en una gran varietat de processos biològics essencials per a les plantes. S’han descrit anteriorment dos receptors de BRs del tipus Leucine Rich Repeat Receptor Like Kinase LRR-RLK, BRASSINOSTEROID RECEPTOR LIKE 1 i 3 (BRL1 i BRL3 respectivalemt) que són homòlegs al receptor principal BRI1 i són necessaris pel desenvolupament vascular. Tot i que els principals components de la senyal ja han estat identificats pel seu homòleg més pròxim, el receptor BRI1, els complexes de BRL1 i BRL3 juntament amb els candidats co-receptors així com els components de la ruta de senyalització encara no han sigut identificats. Per tal d’entendre millor la funció molecular d’aquests receptors de BRs en la planta aquesta tesis doctoral planteja dues aproximacions: com a primera aproximació, vaig realitzar un estudi fenotípic del desenvolupament del teixit vascular a la planta model Arabidopsis thaliana (Arabidopsis). Disposant d'una amplia bateria de mutants de síntesis de la hormona i senyalització del receptor BRI1, vam analitzar quantitativament el seu patró vascular a la tija d'Arabidopsis. Vam establir els paràmetres en les plantes silvestres [Col-0 wild type, (WT)] i els vam analitzar a tots i cadascun dels mutants. Això conjuntament amb una col•laboració amb la Dr. Marta Ibañes, física de la Universitat de Barcelona que va construir un model matemàtic per simular la formació del patró vascular ens va permetre el•laborar una hipòtesis que vam demostrar experimentalment i va ser publicada a la revista PNAS. Posteriorment vam observar que les plantes knock-out d'aquests dos receptors BRL1 y BRL3 a diferència de BRI1, no tenien cap fenotip obvi en el teixit vascular de la planta adulta. Així, a continuació, per entendre quina necessitat té la planta de disposar de tres receptors tant altament homòlegs que poden percebre la mateixa hormona, vam utilitzar una aproximació bioquímica en col•laboració amb el Prof. de Vries de la Universitat de Wageningen (Holanda) per tal de purificar els complexes dels receptors in vivo i els seus interactors. Això ens ha permès entendre millor el paper funcional d'aquests receptors en la planta. Els resultats d’aquests experiments estan resumits en un article en preparació que aviat estarà en revisió.

Sox genes in C. elegans: sox-2 role in postembryonic development

Report for the scientific sojourn carried out at the Columbia University, United States, from 2010 to 2012. Expression of SoxB genes correlates with the commitment of cells to a neural fate; however, the relevance of SoxB proteins in early vertebrate neurogenesis has been difficult to prove genetically due to embryonic lethality and presumed redundant functions. The nematode C. Elegants has only 5 sox genes: sox-2 and sox-3 form the SoxB group while sem-2, sox-4 and egl-13 belong to other Sox groups. Our results show that sox-2 and sem-2 are the sox genes expressed earliest and in a broader manner during embryogenesis, being expressed in several neuronal progenitors. sox-3, sox-4 and egl-13 are expressed in few cells during late embryogenesis, when most neurons are already born. Both sox-2 and sem-2 null mutants are early larval lethal but do not show neuronal specification defects during embryonic development as indicated by quantification of a panneuronal reporter. Potential redundancy or compensatory mechanisms between different sox genes have been ruled out, strongly suggesting that sox genes are not required for specification of embryonically-derived neurons. However, at the first larval stage there are still several blast cells that will give rise to different postembryonic lineages, which generate several neurons amongst other cell types. nterestingly, sox-2 is expressed in many of these progenitor cells. Using mosaic analysis we have so far identified neurons derived from two different postembryonic lineages which fail to be generated in C. elegans sox-2 mutants. These results support the idea that postembryonic progenitor competence is compromised in the absence of sox-2.

Proteostasis of aging and stem cells

Estudi realitzat a partir d’una estada a la the Salk Institute, Estats Units, entre 2010 i 2012. L'estabilitat del genoma és essencial per a la supervivència de les cèl • lules mare, però, l'estabilitat del proteoma pot tenir un paper igualment important en la identitat de cèl • lules mare i la seva funció. La nostra hipòtesi és que les cèl • lules mare tenen la capacitat de proteostasis augmentada en comparació amb els seus homòlegs diferenciats i ens varem preguntar si l'activitat del proteasoma és diferent a les cèl • lules mare embrionàries humanes (hESCs). En particular, els nostres resultats mostren que les poblacions de cèl• lules mare presenten una activitat del proteasoma que es correlaciona amb majors nivells de la subunitat 19S del proteasoma PSMD11/RPN-6 i un corresponent augment del ensamblatge del 26S/30S proteasoma. L'expressió ectòpica de PSMD11 és suficient per augmentar l'activitat del proteasoma. Sorprenentment, varem trobar que la llarga vida del GLP-1 C. elegans mutant té també un augment dramàtic en l'activitat del proteasoma associat a nivells augmentats en l'expressió de RPN-6. El factor de transcripció DAF-16 és essencial per l'augment de la longevitat de GLP-1 i els cucs mutants que trobem DAF-16 necessari per a l'augment d'expressió de RPN-6 i, per tant, per l'activació de l'activitat del proteasoma en GLP-1 mutant animals. Una possibilitat interessant és que els gens que regulen la vida i la resistència a l'estrès en C. elegans poden també regular la funció hESCs de mamífer, cèl • lules que son considerades immortals. Aquests resultats ens van portar a la conclusió de que FOXO4, un factor de transcripció sensible a la insulina/IGF-1, regula l'activitat del proteasoma en hESCs, el que suggereix un paper per FOXO4 en la funció d’aquestes cèl • lules. En efecte, FOXO4 es necessari per a la diferenciació en llinatges neuronals de les hESCs. Els nostres resultats estableixen una nova regulació de laproteostasis en hESCs que uneix la longevitat i la resistència a l'estrès en invertebrats amb la funció i identitat de les hESCs.

BDNF impairment in the hippocampus is related to enhanced despair behavior in CB1 knockout mice

Stress can cause damage and atrophy of neurons in the hippocampus by deregulating the expression of neurotrophic factors that promote neuronal plasticity. The endocannabinoid system represents a physiological substrate involved in neuroprotection at both cellular and emotional levels. The lack of CB1 receptor alters neuronal plasticity and originates an anxiety-like phenotype in mice. In the present study, CB1 knockout mice exhibited an augmented response to stress revealed by the increased despair behavior and corticosterone levels showed in the tail suspension test and decreased brain derived neurotrophic factor (BDNF) levels in the hippocampus. Interestingly, local administration of BDNF in the hippocampus reversed the increased despair behavior of CB1 knockout mice, confirming the crucial role played by BDNF on the emotional impairment of these mutants. The neurotrophic deficiency seems to be specific for BDNF since no differences were found in the levels of NGF and NT-3, two additional neurotrophic factors. Moreover, BDNF impairment is not related to the activity of its specific receptor TrkB or the activity of the transcription factor CREB. These results suggest that the lack of CB1 receptor originates an enhanced response to stress and neuronal plasticity by decreasing BDNF levels in the hippocampus that lead to impairment in the responses to emotional disturbances.