Hypoxia and vasculature in models of lung cancer: implications for targeted therapeutics

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Stanford University School of Medicine. Division of Radiation Oncology, Estats Units, entre 2010 i 2012. Durant els dos anys de beca postdoctoral he estat treballant en dos projectes diferents. En primer lloc, i com a continuació d'estudis previs del grup, volíem estudiar la causa de les diferències en nivells d'hipòxia que havíem observat en models de càncer de pulmó. La nostra hipòtesi es basava en el fet que aquestes diferències es devien a la funcionalitat de la vasculatura. Vam utilitzar dos models preclínics: un en què els tumors es formaven espontàniament als pulmons i l'altre on nosaltres injectàvem les cèl•lules de manera subcutània. Vam utilitzar tècniques com la ressonància magnètica dinàmica amb agent de contrast (DCE-MRI) i l'assaig de perfusió amb el Hoeschst 33342 i ambdues van demostrar que la funcionalitat de la vasculatura dels tumors espontanis era molt més elevada comparada amb la dels tumors subcutanis. D'aquest estudi, en podem concloure que les diferències en els nivells d'hipòxia en els diferents models tumorals de càncer de pulmó podrien ser deguts a la variació en la formació i funcionalitat de la vasculatura. Per tant, la selecció de models preclínics és essencial, tant pels estudi d'hipòxia i angiogènesi, com per a teràpies adreçades a aquests fenòmens. L'altre projecte que he estat desenvolupant es basa en l'estudi de la radioteràpia i els seus possibles efectes a l’hora de potenciar l'autoregeneració del tumor a partir de les cèl•lules tumorals circulants (CTC). Aquest efecte s'ha descrit en alguns models tumorals preclínics. Per tal de dur a terme els nostres estudis, vam utilitzar una línia tumoral de càncer de mama de ratolí, marcada permanentment amb el gen de Photinus pyralis o sense marcar i vam fer estudis in vitro i in vivo. Ambdós estudis han demostrat que la radiació tumoral promou la invasió cel•lular i l'autoregeneració del tumor per CTC. Aquest descobriment s'ha de considerar dins d'un context de radioteràpia clínica per tal d'aconseguir el millor tractament en pacients amb nivells de CTC elevats.

CAV2 vector gene transfer into central nervious System

Estudi realitzat a partir d’una estada al Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier, França, entre 2010 i 2012. En aquest projecte s’ha avaluat les avantatges dels vectors adenovirals canins tipus 2 (CAV2) com a vectors de transferència gènica al sistema nerviós central (SNC) en un model primat no-humà i en un model caní del síndrome de Sly (mucopolisacaridosis tipus 7, MPS VII), malaltia monogènica que cursa amb neurodegeneració. En una primera part del projecte s’ha avaluat la biodistribució, l’eficàcia i la durada de l’expressió del transgen en un model primat no humà, (Microcebus murinus). Com ha vector s’ha utilitzat un CAV2 de primera generació que expressa la proteïna verda fluorescent (CAVGFP). Els resultats aportats en aquesta memòria demostren que en primats no humans, com en d’altres espècies testades anteriorment per l’equip de l’EJ Kremer, la injecció intracerebral de CAV2 resulta en una extensa transducció del SNC, siguent les neurones i els precursors neuronals les cèl•lules preferencialment transduïdes. Els vectors canins, servint-se de vesícules intracel•lulars són transportats, majoritàriament, des de les sinapsis cap al soma neuronal, aquest transport intracel•lular permet una extensa transducció del SNC a partir d’una única injecció intracerebral dels vectors virals. En una segona part d’aquest projecte s’ha avaluat l’ús terapèutic dels CAV2. S’ha injectat un vector helper-dependent que expressa el gen la b-glucuronidasa i el gen de la proteïna verda fluorescent (HD-RIGIE), en el SNC del model caní del síndrome de Sly (MPS VII). La biodistribució i la eficàcia terapèutica han estat avaluades. Els nivells d’activitat enzimàtica en animals malalts injectats amb el vector terapèutic va arribar a valors similars als dels animals no afectes. A més a més s’ha observat una reducció en la quantitat dels GAGs acumulats en les cèl•lules dels animals malalts tractats amb el vector terapèutic, demostrant la potencialitat terapèutica dels CAV2 per a malalties que afecten al SNC. Els resultats aportats en aquest treball ens permeten dir que els CAV2 són unes bones eines terapèutiques per al tractament de malalties que afecten al SNC.

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.

Estudi del paper de la JMJD3 en la progressió tumoral induïda per TGFB

La demetilasa d’histones JMJD3 (Jumonji domain containing protein 3), és un enzim capaç de de demetilar específicament la lisina 27 a la histona 3 (H3K27), eliminant així una marca epigenètica relacionada amb la repressió transcripcional. Recentment s’ha descrit que està implicada en el manteniment de la pluripotència de les cèl•lules mare embrionàries (ESCs). A més, també s’ha demostrat el seu paper en la regulació de processos fisiològics d’inflamació, de reprogramació epigenètica i de diferenciació, així com en la progressió del càncer de colon. En aquesta línia, resultats previs del grup han demostrat que l’expressió de JMJD3 està regulada per TGFB, en línies cel•lulars derivades de glioma. Tenint en compte aquests antecedents, l’objectiu principal d’aquest projecte ha estat estudiar el paper principal de la JMJD3 en la regulació epigenètica de la progressió tumoral induïda per TGFB. Els nostres resultats demostren que l’expressió de JMD3 en cèl•lules A549, derivades d’un adenocarcinoma de pulmó, es veu fortament induïda després d’un tractament amb TGFB. Aquest augment es produeix ràpidament i es manté almenys 48 hores, temps en el que té lloc la transició epitelio-mesenquimal (EMT). Per tal d’estudiar el paper de la JMD3 en aquest procés de transdiferenciació, vam generar línies cel•lulars estables mitjançant la infecció amb vectors lentivirals que expressaven shRNAs específics contra la seva seqüència. El knockdown de JMJD3 va bloquejar significativament l’expressió de marcadors mesenquimals, tant a nivell RNA com de proteïna en presència de TGFB. Aquests resultats suggereixen que la demetilasa d’histones JMJD3 té un paper clau en la regulació de la EMT induïda per TGFB.

A general definition and nomenclature for alternative splicing events

Understanding the molecular mechanisms responsible for the regulation of the transcriptome present in eukaryotic cells isone of the most challenging tasks in the postgenomic era. In this regard, alternative splicing (AS) is a key phenomenoncontributing to the production of different mature transcripts from the same primary RNA sequence. As a plethora ofdifferent transcript forms is available in databases, a first step to uncover the biology that drives AS is to identify thedifferent types of reflected splicing variation. In this work, we present a general definition of the AS event along with anotation system that involves the relative positions of the splice sites. This nomenclature univocally and dynamically assignsa specific ‘‘AS code’’ to every possible pattern of splicing variation. On the basis of this definition and the correspondingcodes, we have developed a computational tool (AStalavista) that automatically characterizes the complete landscape of ASevents in a given transcript annotation of a genome, thus providing a platform to investigate the transcriptome diversityacross genes, chromosomes, and species. Our analysis reveals that a substantial part—in human more than a quarter—ofthe observed splicing variations are ignored in common classification pipelines. We have used AStalavista to investigate andto compare the AS landscape of different reference annotation sets in human and in other metazoan species and found thatproportions of AS events change substantially depending on the annotation protocol, species-specific attributes, andcoding constraints acting on the transcripts. The AStalavista system therefore provides a general framework to conductspecific studies investigating the occurrence, impact, and regulation of AS.

Disease-corrected haematopoietic progenitors from Fanconi anemia induced pluripotent stem cells

The generation of induced pluripotent stem (iPS) cells has enabled the derivation of patient-specific pluripotent cells andprovided valuable experimental platforms to model human disease. Patient-specific iPS cells are also thought to hold greattherapeutic potential, although direct evidence for this is still lacking. Here we show that, on correction of the genetic defect,somatic cells from Fanconi anaemia patients can be reprogrammed to pluripotency to generate patient-specific iPS cells. These cell lines appear indistinguishable from human embryonic stem cells and iPS cells from healthy individuals. Most importantly, we show that corrected Fanconi-anaemia-specific iPS cells can give rise to haematopoietic progenitors of the myeloid and erythroid lineages that are phenotypically normal, that is, disease-free. These data offer proof-of-concept that iPS cell technology can be used for the generation of disease-corrected, patient-specific cells with potential value for cell therapy applications.

Generation of mouse-induced pluripotent stem cells by transient expression of a single nonviral polycistronic vector

Induced pluripotent stem (iPS) cells have generated keen interestdue to their potential use in regenerative medicine. They havebeen obtained from various cell types of both mice and humans byexogenous delivery of different combinations of Oct4, Sox2, Klf4,c-Myc, Nanog, and Lin28. The delivery of these transcription factorshas mostly entailed the use of integrating viral vectors (retrovirusesor lentiviruses), carrying the risk of both insertional mutagenesisand oncogenesis due to misexpression of these exogenousfactors. Therefore, obtaining iPS cells that do not carry integratedtransgene sequences is an important prerequisite for their eventualtherapeutic use. Here we report the generation of iPS cell linesfrom mouse embryonic fibroblasts with no evidence of integrationof the reprogramming vector in their genome, achieved by nucleofectionof a polycistronic construct coexpressing Oct4, Sox2, Klf4,and c-Myc

Reprogramming of human fibroblasts to induced pluripotent stem cells under xeno-free conditions

The availability of induced pluripotent stem cells (iPSCs)has created extraordinary opportunities for modeling andperhaps treating human disease. However, all reprogrammingprotocols used to date involve the use of products of animal origin. Here, we set out to develop a protocol to generate and maintain human iPSC that would be entirelydevoid of xenobiotics. We first developed a xeno-free cellculture media that supported the long-term propagation of human embryonic stem cells (hESCs) to a similar extent as conventional media containing animal origin products or commercially available xeno-free medium. We also derivedprimary cultures of human dermal fibroblasts under strictxeno-free conditions (XF-HFF), and we show that they can be used as both the cell source for iPSC generation as well as autologous feeder cells to support their growth. We also replaced other reagents of animal origin trypsin, gelatin, matrigel) with their recombinant equivalents. Finally, we used vesicular stomatitis virus G-pseudotyped retroviral particles expressing a polycistronic construct encoding Oct4, Sox2, Klf4, and GFP to reprogram XF-HFF cells under xeno-free conditions. A total of 10 xeno-free humaniPSC lines were generated, which could be continuously passaged in xeno-free conditions and aintained characteristics indistinguishable from hESCs, including colonymorphology and growth behavior, expression of pluripotency-associated markers, and pluripotent differentiationability in vitro and in teratoma assays. Overall, the resultspresented here demonstrate that human iPSCs can be generatedand maintained under strict xeno-free conditions and provide a path to good manufacturing practice (GMP) applicability that should facilitate the clinical translation of iPSC-based therapies.

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.

A protocol describing the genetic correction of somatic human cells and subsequent generation of IPS cell

The generation of patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCPSCPSCs) offers unprecedented opportunities for modeling and treating human disease. In combination with gene therapy, the iPSCPSCPSC technology can be used to generate disease-free progenitor cells of potential interest for autologous cell therapy. We explain a protocol for the reproducible generation of genetically corrected iPSCPSCPSCs starting from the skin biopsies of Fanconi anemia patients using retroviral transduction with OCT4, SOX2 and KLF4. Before reprogramming, the fibroblasts and/or keratinocytes of the patients are genetically corrected with lentiviruses expressing FANCA. The same approach may be used for other diseases susceptible to gene therapy correction. Genetically corrected, characterized lines of patient-specific iPSCPSCPSCs can be obtained in 4–5 months.

Generation of induced pluripotent stem cells from human cord blood cells with only two factors:OCT4 and SOX2

Induced pluripotent stem cells (iPSC ) provide an invaluable resource for regenerative medicine as they allow the generationof patient-specific progenitors with potential value for cell therapy. However, in many instances, an off-the-shelf approach isdesirable, such as for cell therapy of acute conditions or when the patient’s somatic cells are altered as a consequence of a chronicdisease or aging. Cord blood (CB) stem cells appear ideally suited for this purpose as they are young cells expected to carryminimal somatic mutations and possess the immunological immaturity of newborn cells; additionally, several hundred thousandimmunotyped CB units are readily available through a worldwide network of CB banks. Here we present a detailed protocol for thederivation of CB stem cells and how they can be reprogrammed to pluripotency by retroviral transduction with only two factors(OCT 4 and SO X2) in 2 weeks and without the need for additional chemical compounds.

Lifespan extension by calorie restriction relies on the Sty1 MAP kinase stress pathway

Either calorie restriction, loss of function of the nutrient-dependent PKA or TOR/SCH9 pathways, or activation of stress defences improves longevity in different eukaryotes. However, the molecular links between glucose depletion, nutrient-dependent pathways and stress responses are unknown. Here we show that either calorie restriction or inactivation of nutrient-dependent pathways induces life-span extension in fission yeast, and that such effect is dependent on the activation of the stress-dependent Sty1 MAP kinase. During transition to stationary phase in glucose-limiting conditions, Sty1 becomes activated and triggers a transcriptional stress program, whereas such activation does not occur under glucose-rich conditions. Deletion of the genes coding for the SCH9-homologue Sck2 or the Pka1 kinases, or mutations leading to constitutive activation of the Sty1 stress pathway increase life span under glucose-rich conditions, and importantly such beneficial effects depend ultimately on Sty1. Furthermore, cells lacking Pka1 display enhanced oxygen consumption and Sty1 activation under glucose-rich conditions. We conclude that calorie restriction favours oxidative metabolism, reactive oxygen species production and Sty1 MAP kinase activation, and this stress pathway favours life-span extension.

Genome-wide screen of genes required for caffeine tolerance in fission yeast

Background: An excess of caffeine is cytotoxic to all eukaryotic cell types. We aim to study how cells become tolerant to atoxic dose of this drug, and the relationship between caffeine and oxidative stress pathways.Methodology/Principal Findings: We searched for Schizosaccharomyces pombe mutants with inhibited growth on caffeinecontainingplates. We screened a collection of 2,700 haploid mutant cells, of which 98 were sensitive to caffeine. The genes mutated in these sensitive clones were involved in a number of cellular roles including the H2O2-induced Pap1 and Sty1 stress pathways, the integrity and calcineurin pathways, cell morphology and chromatin remodeling. We have investigated the role of the oxidative stress pathways in sensing and promoting survival to caffeine. The Pap1 and the Sty1 pathways are both required for normal tolerance to caffeine, but only the Sty1 pathway is activated by the drug. Cells lacking Pap1 aresensitive to caffeine due to the decreased expression of the efflux pump Hba2. Indeed, ?hba2 cells are sensitive to caffeine, and constitutive activation of the Pap1 pathway enhances resistance to caffeine in an Hba2-dependent manner. Conclusions/Significance: With our caffeine-sensitive, genome-wide screen of an S. pombe deletion collection, we havedemonstrated the importance of some oxidative stress pathway components on wild-type tolerance to the drug.

Deciphering 3'ss selection in the yeast genome reveals an RNA thermosensor that mediates alternative splicing

Poor understanding of the spliceosomal mechanisms to select intronic 3' ends (3'ss) is a major obstacle to deciphering eukaryotic genomes. Here, we discern the rules for global 3'ss selection in yeast. We show that, in contrast to the uniformity of yeast splicing, the spliceosome uses all available 3'ss within a distance window from the intronic branch site (BS), and that in 70% of all possible 3'ss this is likely to be mediated by pre-mRNA structures. Our results reveal that one of these RNA folds acts as an RNA thermosensor, modulating alternative splicing in response to heat shock by controlling alternate 3'ss availability. Thus, our data point to a deeper role for the pre-mRNA in the control of its own fate, and to a simple mechanism for some alternative splicing.

Generation of cardiomyocytes from new human embrionic stem cell lines derived from poor-quanlity blastocysts

Human embryonic stem (hES) cells represent a potential source for cell replacement therapy of many degenerative diseases. Most frequently, hES cell lines are derived from surplus embryos from assisted reproduction cycles, independent of their quality or morphology. Here, we show that hES cell lines can be obtained from poor-quality blastocysts with the same efficiency as that obtained from good- or intermediate-quality blastocysts. Furthermore, we show that the self-renewal, pluripotency, and differentiation ability of hES cell lines derived from either source are comparable. Finally, we present a simple and reproducible embryoid body-based protocol for the differentiation of hES cells into functional cardiomyocytes. The five new hES cell lines derived here should widen the spectrum of available resources for investigating the biology of hES cells and advancing toward efficient strategies of regenerative medicine.