Bioquímica y BMC.

Regulación génica, fisiología y aplicaciones biotecnológicas de cianobacterias

Responsable de la Línea de Investigación:

María F. Fillat Castejón
María Luisa Peleato Sánchez

Investigadores:

Teresa Bes Fustero
Emma Sevilla Miguel
Andrés Sandoval
Cristina Sarasa Buil
Jorge Guío Martínez
Irene Oliván Muro

RESUMEN

Las cianobacterias son microorganismos que realizan la fotosíntesis oxigénica y son capaces de colonizar los hábitats más extremos. Debido a su abundancia y ubicuidad, las cianobacterias juegan un papel fundamental los ciclos del carbono y del nitrógeno y constituyen la base de la cadena trófica en ecosistemas acuáticos. Algunas especies de cianobacterias son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico y se han utilizado en la producción de fertilizantes. Así mismo, el uso de cianobacterias para la producción de biodiesel o en la eliminación de metales pesados de aguas residuales son áreas de trabajo en continuo desarrollo. Sin embargo, las cianobacterias también pueden ser perjudiciales. Debido a la creciente eutrofización de los cuerpos de agua, cada vez es más frecuente la aparición de floraciones o proliferaciones incontroladas de estos microorganismos en el agua destinada para el consumo o usos recreativos. Varias especies de cianobacterias presentes en estas floraciones pueden producir toxinas que tienen efectos nocivos sobre la salud humana, así como en los animales. Aunque los factores que desencadenan la producción de cianotoxinas son controvertidos, la disponibilidad de hierro parece ser un factor determinante.

En nuestro grupo se estudia la regulación del metabolismo del hierro en las cianobacterias y su relación con el metabolismo del nitrógeno, el estrés oxidativo, la producción de cianotoxinas y la formación de biofilms. Todos estos procesos están interrelacionados por una familia de reguladores transcripcionales denominada FUR (ferric uptake regulator). La mayor parte de las cianobacterias expresan tres parálogos FUR denominados FurA (Fur), Zur (FurB) y PerR (FurC). Aunque la faceta mejor estudiada de estas proteínas es su carácter regulador, en cianobacterias tienen un carácter multifuncional, actuando mediante diversas estrategias no bien caracterizadas, conjuntamente a su actividad como reguladores transcripcionales.

Por otra parte, las proteínas FUR también están implicadas en la expresión de factores de virulencia y la formación de biofilms en numerosos patógenos, tales como Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa o Clostridium difficile, entre otros. Dado que Fur es una proteína esencial para muchos de estos microorganismos, se ha propuesto que podría constituir una nueva diana terapeutica, como alternativa a los mecanismos de los antibióticos tradicionales.

El estudio del potencial de las cianobacterias en biorremediación, en concreto de su capacidad de biodegradar lindano o γ-hexaclorociclohexano (γ-HCH) y sus isómeros (α-,β-,δ-HCH) ha puesto de manifiesto de mutantes de sobreexpresión de FurC  en Anabaena PCC7120,tienen una mayor capacidad de biorremediación. La contaminación de hexaclorociclohexano es un problema a nivel mundial, que en la Comunidad Autónoma de Aragón nos afecta muy directamente, debido a la actividad que la industria productora de lindano, Inquinosa, llevó a cabo en Sabiñánigo hace unos años y a que los vertidos que generó siguen encontrándose almacenados en nuestro territorio. Los estudios realizados en los últimos años, nos han permitido avanzar en la comprensión de la regulación de la expresión de los genes implicados en la degradación del lindano y sus isómeros, e identificar un gen candidato para el diseño de un biosensor. Este biosensor podría permitir una alerta temprana de riesgo en el caso de que estos organoclorados pasaran a cuerpos de agua. En este contexto, trabajaremos en i) el desarrollo de un prototipo de biosensor de HCH de células enteras, y ii) la identificación de los intermediarios de la ruta de degradación de lindano en cianobacterias.

Nuestro grupo de investigación persigue como objetivos principales:

– Estudio funcional de las proteínas FUR en cianobacterias, así como sus potenciales aplicaciones biotecnológicas. Cabe destacar que aunque la faceta mejor estudiada de estas proteínas es su carácter regulador, en cianobacterias las proteínas FUR tienen un carácter multifuncional, actuando mediante diversos mecanismos no bien caracterizados, conjuntamente a su actividad como reguladores transcripcionales.

– Caracterización de los reguladores FUR en los patógenos Pseudomonas aeruginosa y Clostridium difficile y evaluación de estas proteínas como potenciales dianas terapeúticas mediante la alteración de su actividad mediante el escrutinio de quimiotecas.

-Aplicación de las cianobacterias como organismos relevantes en biorremediación. Concretamente estamos estudiando la capacidad de la cianobacteria modelo Anabaena PCC7120 de degradar lindano y sus isómeros. Estos estudios nos han conducido a la obtención de información que puede utilizarse para desarrollar un biosensor para alerta temprana de presencia de lindano en aguas.

PUBLICACIONES RELEVANTES

1.-Fur-like proteins: beyond the Fur uptake regulator (Fur) paralog. Sevilla E, Bes MT, Peleato Ml, Fillat MF.Archives in Biochemistry and Biophysics,701: 108770. doi: 10.1016/j.abb.2021.108770.

2.-2-oxoglutarate modulates the affinity of FurA for the ntcA promoter in Anabaena sp. PCC 7120. Guio, Jorge; Saresa-Buisan, Cristina; Velazquez-Campoy, Adrian; et ál. FEBS LETTERS  Volumen: ‏ 594   Número: ‏ 2   Páginas: ‏ 278-289   Fecha de publicación: 2020

3.- Regulation by FurC in Anabaena Links the Oxidative Stress Response to Photosynthetic Metabolism. Sevilla E, Sarasa-Buisan C, González A, Cases R, Kufryk G, Peleato ML, Fillat MF. Plant Cell Physiol. 2019 Aug 1;60(8):1778-1789. doi: 10.1093/pcp/pcz094.2.

4.- Redox-Based Transcriptional Regulation in Prokaryotes: Revisiting Model Mechanisms. Sevilla E, Bes MT, González A, Peleato ML, Fillat MF. Antioxid Redox Signal. 2019 May 1;30(13):1651-1696. doi: 10.1089/ars.2017.7442. Epub 2018 Sep 18.

5.- Transcriptional regulators: valuable targets for novel antibacterial strategies. González A, Fillat MF, Lanas Á. Future Med Chem. 2018 Mar 1;10(5):541-560. doi: 10.4155/fmc-2017-0181. Epub 2018 Feb 20. Review.

6.- Molecular basis for the integration of environmental signals by FurB from Anabaena sp. PCC 7120. Sein-Echaluce VC, Pallarés MC, Lostao A, Yruela I, Velázquez-Campoy A, Luisa Peleato M, Fillat MF. Biochem J. 2018 Jan 5;475(1):151-168. doi: 10.1042/BCJ20170692.

7.- Microcystin-LR Binds Iron, and Iron Promotes Self-Assembly. Ceballos-Laita L, Marcuello C, Lostao A, Calvo-Begueria L, Velazquez-Campoy A, Bes MT, Fillat MF, Peleato ML. Environ Sci Technol. 2017 May 2;51(9):4841-4850. doi: 10.1021/acs.est.6b05939. Epub 2017 Apr 17.

8.- Pivotal Role of Iron in the Regulation of Cyanobacterial Electron Transport. González A, Sevilla E, Bes MT, Peleato ML, Fillat MF. Journal: Adv Microb Physiol. 2016;68:169-217.

9.- The genome-wide transcriptional response to FurA depletion unveils new roles for this essential cyanobacterial global regulator. González A, Bes MT, Peleato ML and Fillat MF. Journal: PlosOne. 2016 Mar 11;11(3):e0151384. doi: 10.1371/journal.pone.0151384. eCollection

10.- Cysteine mutational studies provide insight into a thiol-based redox switch mechanism of metal and DNA binding in FurA from Anabaena sp. Botello-Morte L, Pellicer S, Contreras LM, Neira JL, Abian O, Velázquez-Campoy A, Peleato ML, Fillat MF and Bes MT. PCC 7120. Journal: Antioxid Redox Signal (PMID:26414804) Fecha: 2015.

11.- The Pkn22 Ser/Thr kinase in Nostoc PCC 7120: role of FurA and NtcA regulators and transcript profiling under nitrogen starvation and oxidative stress. Yingping F, Lemeille S, González A, Risoul V, Denis Y, Richaud P, Lamrabet O, Fillat MF, Zhang CC and Latifi A. Journal: BMC Genomics  2015 Jul 29;16:557. doi: 10.1186/s12864-015-1703-1.

12.- Pivotal role of iron in the regulation of cyanobacterial electron transport. González A, Sevilla E, Bes MT, Peleato ML and Fillat MF. Adv Microb Physiol. 2016;68:169-217. doi: 10.1016/bs.ampbs.2016.02.005. Epub 2016 Mar 15.

13.- Iron homeostasis and environmental responses in cyanobacteria: regulatory networks involving Fur. Peleato ML, Bes MT and Fillat MF. Stress and Environmental Regulation of Gene Expression and Adaptation in Bacteria. Chapter 19. pp. 1067-1078. Frans de Bruijn ed., Wiley-Blackwell.

14.- Zur (FurB) is a key factor in the control of the oxidative stress response in Anabaena sp. PCC 7120. Sein-Echaluce VC, González A, Napolitano M, Luque I, Barja F, Peleato ML, Fillat MF. Journal: Environ Microbiol. 17(6): 2006-2017 (2015). doi: 10.1111/1462-2920.12628.

15.- Mesoscopic Model and Free Energy Landscape for Protein-DNA Binding Sites: Analysis of Cyanobacterial Promoters. Tapia-Rojo R, Mazo JJ, Hernández JÁ, Peleato ML, Fillat MF, Falo F. JOURNAL: PLoS Comput Biol. 2014 Oct 2;10(10):e1003835. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003835.

16.- The FUR (ferric uptake regulator) superfamily: diversity and versatility of key transcriptional regulators. Fillat MF. Journal: Arch Biochem Biophys. 546:41-52 (2014). doi: 10.1016/j.abb.2014.01.029

17.- The FurA regulon in Anabaena sp. PCC 7120: in silico prediction and experimental validation of novel target genes. González A, Angarica VE, Sancho J, Fillat MF. Journal: Nucleic Acids Research. 42(8):4833-46 (2014). doi: 10.1093/nar/gku123

18.- Unraveling the Redox Properties of the Global Regulator FurA from Anabaena sp. PCC 7120: Disulfide Reductase Activity Based on Its CXXC Motifs. Botello-Morte L, Bes MT, Heras B, Fernández-Otal A, Peleato ML, Fillat MF. Journal: Antioxid Redox Signal. 20(9):1396-406 (2014). doi: 10.1089/ars.2013.5376

19.- FurA is the master regulator of iron homeostasis and modulates the expression of tetrapyrrole biosynthesis genes in Anabaena sp. PCC 7120. González, A., Bes, M.T., Valladares, A., Peleato, M.L. and Fillat M.F. Journal: Environ Microbiol. 14(12):3175-87 (2012) doi: 10.1111/j.1462-2920.2012.02897.x.

20.- Site-directed mutagenesis and spectral studies suggest a putative role of FurA from Anabaena sp. PCC 7120 as heme sensor protein. Pellicer S, González A, Peleato ML, Martínez JI, Fillat MF and Bes MT. Journal: The FEBS Journal, 279(12):2231-46 (2012). doi: 10.1111/j.1742-4658.2012.08606.x.

21.- Unravelling the regulatory function of FurA in Anabaena sp. PCC 7120 through 2-D DIGE proteomic analysis. González, A., Bes, M.T., Peleato, M.L. and Fillat M.F. Journal: Journal of Proteomics, 74:660-71 (2011) doi: 10.1016/j.jprot.2011.02.001.

22.- Overexpression of FurA in Anabaena sp. PCC 7120 reveals new targets for this regulator involved in photosynthesis, iron uptake and cellular morphology. González, A., Bes, M.T., Barja, F., Peleato, M.L. and Fillat M.F. Journal: Plant and cell Physiology. Vol 51 (11):1900-1914 (2010). doi: 10.1093/pcp/pcq148.

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

1.- Redes reguladoras implicadas en la respuesta a estrés y la formación de biofilms en cianobacterias. Identificación de nuevas rutas vinculadas a las proteínas FUR. Nombres investigadores principales): María Francisca Fillat Castejón. Nº de investigadores/as: 3. Agencia Estatal de Investigación. Fecha de inicio-fin: 01/06/2020 – 31/05/2024  Duración: 4 años

2.- Multifuncionalidad de las proteínas FUR en cianobacterias: mecanismos alternativos de regulación del metabolismo y contribución a la formación de biofilms. MINECO. Duración: 01/01/2017 – 31/12/2019. Subvención: 140.000 euros. PI: María F. Fillat Castejón. Investigadores: 5.

3.- BFU2012-31458: La superfamilia de reguladores Fur: análisis funcional en cianobacterias, potenciales aplicaciones en biotecnología y como diana terapeútica en patógenos. FONDOS FEDER. MINECO. MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD. Duración: 01/01/2013 – 31/12/2015. Subvención: 114.660 euros. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 5.

4.- B18 BIOLOGÍA ESTRUCTURAL. Gobierno de Aragón. Duración: 01/01/2014 – 31/12/2016. Subvención: 20.609 euros. PI: María Luisa Peleato Sánchez. Investigadores: 16.

5.- 2012/GA LC 003. Evaluación del riesgo asociado al impacto del cambio climático en aguas: proliferación de patógenos oportunistas y cianobacterias potencialmente tóxicas y alteración de la fijación de CO2 atmosférico. DGA-LA CAIXA. Duración: 01/05/2012 – 30/09/2013. Subvención: 42.208,18 euros. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 9.

6.- BFU2009-07424. Transducción de señales redox mediadas por FurA (ferric uptake regulator) en cianobacterias. Consecuencias en la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno. FONDOS FEDER. MINISTERIO DE CIENCIA E INNOVACIÓN. Duración: 01/01/2010 – 31/12/2012. Subvención: 139.150 euros. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 5.

7.- B18 BIOLOGÍA ESTRUCTURAL. Gobierno de Aragón. Duración: 01/01/2011 – 31/12/2012. Subvención: 38.192 euros. PI: Carlos Gómez-Moreno. Investigadores: 23.

8.- Identificación de cianobacterias potencialmente tóxicas y microorganismos patógenos en amebas de vida libre en aguas de Aragón. Diputación general de Aragón-DGA. Duración: 01/10/2009 – 30/09/2011. Subvención: 49.000 euros. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 10.

9.- Equipo para análisis y cuantificación de interacciones moleculares mediante resonancia de plasmón de superficie (SPR) (UNZA08-4E-021). Gobierno de Aragón- FEDER. : Jan 2009 – Dec 2011. Subvención: 384.569,51 euros. PI: José Felix Saenz.

10.- INF2008-BIO-05. INCUBADOR ORBITAL CON ILUMINACIÓN. D.G.A./U.Z. Duración: 10/07/2008 – 31/12/2008. Subvención: 14.373 euros. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 1.

11.- Respuesta de un tapete microbiano de cianobacterias a la contaminación por hidrocarburos. Proyectos Interreg. Departamento de Economía, Hacienda y Empleo de la Diputación General de Aragón. Duración: 01/02/2006 – 31/12/2007. PI: María Francisca Fillat Castejón. Investigadores: 8.

Colaboradores

• Dr. I. Michaud-Soret (Institut de Recherche en Technologie et Science pour le Vivant. CEA, Grenoble)
• Dr. R. Helm (Virginia Tech)
• Dr. F. Barja (Université de Genève)
• Dr. B. Heras (LaTrobe University, Melbourne)
• Dr. B. Landeros (Universidad de Baja California)
• Dr.J.M. Mulet (Univ. Politécnica de Valencia)
• Dr. I. Luque (Instituto de Bioquímica vegetal y Fotosíntesis, CSIC, Sevilla)
• Dr. A. Lostao (Instituto de Nanociencia de Aragón, Universidad de Zaragoza)
• Dr. A. Lanas (Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud, Zaragoza)

Biología evolutiva y genómica comparada de plantas

Responsable de la Línea de Investigación:

Pilar Catalán Rodríguez

Investigadores:

Ernesto Pérez Collazos
Rubén Sancho Cohen
Antonio Díaz Pérez

RESUMEN

Nuestra investigación se enfoca a los estudios de sistemática molecular, genética poblacional, bio/filogeografía, genómica comparada, diversidad y conservación de plantas. El grupo de plantas que constituye nuestro objeto de interés principal son las gramíneas templadas (Poaceae, Festuca, Brachypodium), distribuidas en la mayoría de los continentes y que alberga a diversas especies de alto interés ecológico y económico, así como a otras plantas de montaña, esteparias y de tipo Mediterráneo. Nuestro énfasis investigador se centra en análisis de genómica funcional, filogenia, especiación, hibridación, poliploidización, mecanismos de colonización insular y continental, biología reproductiva, adaptación ecológica, modelización de nicho, genética de la conservación y taxonomía de plantas silvestres. Nuestro laboratorio ha implementado nuevas aproximaciones de análisis de herencia genómica en plantas poliploides y avanzados métodos analíticos filogenómicos y de genómica del paisaje de plantas. En colaboración con nuestros colegas del Joint Genome Institute y del Consorcio Internacional Brachypodium empleamos plantas modelo del género de gramíneas Brachypodium para investigar la evolución y los mecanismos reguladores de caracteres biológicos y adaptativos relevantes, tales como la alopoliploidía, los cambios anualidad/perennialidad y la tolerancia a estreses ambientales.

PUBLICACIONES RELEVANTES

1.- Brachypodium: A monocot grass model genus for plant biology. Scholthof KB, Irigoyen S, Catalán P, Mandadi KK. Plant Cell. 2018. (early publication on line, July 2018), doi: https://doi.org/10.1105/tpc.18.00083.

2.- Reconstructing the biogeography of species’ genomes in the highly reticulate allopolyploid-rich model grass genus Brachypodium using minimum evolution, coalescence and maximum likelihood approaches. Díaz-Pérez A, López-Álvarez D, Sancho R, Catalán P. Molecular Phylogenetics and Evolution. 2018. 127: 256-271. doi 10.1016/j.ympev.2018.06.003.

3.- Comparative plastome genomics and phylogenomics of Brachypodium: flowering time signatures, introgression and recombination in recently diverged ecotypes. Sancho R, Cantalapiedra CP, López-Álvarez D, Gordon SP, Vogel JP, Catalán P, Contreras-Moreira B. New Phytologist. 2018. 218: 1631-1644. doi:10.1111/nph.14926.

4.- Phylogeny of highly hybridogenous Iberian Centaurea L. (Asteraceae) taxa and its taxonomic implications. Arnelas I, Pérez-Collazos E, Devesa JA, López E, Catalán P. Plant Biosystems. 2018. 152:5, 1182-1190. doi:10.1080/11263504.2018.1435569.

5.- Extensive gene content variation in the Brachypodium distachyon pan-genome correlates with phenotypic variation. Gordon SP, Contreras-Moreira B, Daniel Woods D, Des Marais DL, Burgess D, Shu S, Stritt C, Roulin A, Schackwitz W, Tyler L, Martin J, Lipzen A, Dochy N, Phillips J, Barry K, Geuten K, Juenger TE, Amasino R, Caicedo AL, Goodstein D, Davidson P, Mur L, Figueroa M, Freeling M, Catalan P, Vogel JP. Nature Communications. 2017. 19; 8(1): 2184. doi: 10.1038/s41467-017-02292-8.

6.- Contrasting dispersal histories of broad- and fine-leaved temperate Loliinae grasses: range expansion, founder events, and the roles of distance and barriers. Minaya M, Hackel J, Namaganda M, Brochmann C, Vorontsova MS, Besnard G, Catalán P. Journal of Biogeography. 2017. 44: 1980-1993. doi:10.1111/jbi.13012.

7.- Diversity and association of phenotypic and metabolomic traits in the close model grasses Brachypodium distachyon, B. stacei and B. hybridum. López-Alvarez D, Zubair H, Beckmann M, Draper J, Catalán P. Annals of Botany. 2017. 119: 545-561. doi:101093/aob/mcw239.

8.- Past climate changes facilitated homoploid speciation in three mountain spiny fescues (Festuca, Poaceae).  Marques I, Draper D, López-Herranz ML, Segarra-Moragues JG, Catalán P.  Sci Rep. 2016. 6:36283. doi: 10.1038/srep36283.

9.- Recreating stable Brachypodium hybridum allotetraploids by uniting the divergent genomes of B. distachyon and B. stacei. Dinh Thi VA, Coriton O, Le Clainche I, Arnaud D, Gordon SP, Linc G, Catalán P, Hasterok R, Vogel JP, Jahier J, Chalhoub B. PLOsOne 2016. 11(12): e0167171. doi: 10.1371/journal.pone.0167171.

10.- Ant pollination promotes spatial genetic structure in the long-lived Borderea pyrenaica (Dioscoreaceae).  Pérez-Collazos E, Segarra-Moragues JG, Villar L, Catalán P.  Biol J Linnean Soc . 2015. 116: 144-155. doi: 10.1111/bij.12562.

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

1.- Integrative genomic characterization of the Brachypodium polyploid model to unravel bases of success of polyploidy in flowering plants.  Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez. JOINT GENOME INSTITUTE – CSP. 2018-2022.

2.- Evolución de caracteres biológicos y procesos de especiación en el género modelo Brachypodium (Poaceae) mediante análisis de genómica comparada y funcional. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez, Ernesto Pérez Collazos, Rubén Sancho Cohen y Antonio Díaz Pérez. MINECO. 2017-2019.

3.- Perenniality, abiotic stress tolerance, and biomass allocation in Brachypodium, a model grass genus for bioenergy.  Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez. JOINT GENOME INSTITUTE – CSP. 2017-2021.

4.- Origin: The model plant system Trithuria (Hydatellaceae), a new window into the origin of flowering plants and gene function. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez (host researcher). MARIE CURIE IOF. 2013-2016.

5.- Genómica comparada, biogeografía y evolución floral y adaptativa de gramíneas modelo. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez, Ernesto Pérez Collazos y Rubén Sancho Cohen. CICYT. 2013-2015.

6.- Brachypodium adaptation to drought stress across different geographic and ecological clines. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez y Ernesto Pérez Collazos. EPPN. 2013-2014.

7.- Genética y ecología del paisaje de pastos subalpinos pirenaico-cantábricos (Festuca, Gramineae): Conservación de la biodiversidad y restauración vegetal. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez y Ernesto Pérez Collazos. MMAMRM-OAPN. 2010-2012.

8.- Evolución multigenómica de las gramíneas templadas (Pooideae, Poaceae). Biogeografía y filogeografía de especies modelo de pooideas. Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez y Ernesto Pérez Collazos. CICYT. 2010-2012.

9.- Sistemática, evolución y biogeografía de los linajes basales de la subtribu Loliinae y transferencia horizontal de genes en la supertribu Aveneae-Poeae (Gramineae). Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez, Ernesto Pérez Collazos y Antonio Díez Pérez. CICYT. 2006-2009.

10.- Convergencia evolutiva transcontinental y genética de la conservación de los ñames enanos (Dioscoreaceae) críticamente amenazados (Borderea, Epipetrum). Departamento de Ciencias Agrarias y del Medio Natural. Escuela Politécnica Superior de Huesca – Universidad de Zaragoza. Pilar Catalán Rodríguez y Ernesto Pérez Collazos. FBBVA. 2006-2009.

COLABORADORES

• John Vogel. Joint Genome Institute. Walnut Creek CA USA.
• David Des Marais. Massachusetts Institute of Technology. Boston MA USA.
• Richard Amasino. University of Wisconsin-Madison. Madison WI USA.
• Bruno Contreras-Moreira. Estación Experimental de Aula Dei – CSIC. Zaragoza Spain.
• Isabel Marques. Universidade de Lisboa. Lisboa Portugal.
• Antonio Manzaneda. Universidad de Jaén. Jaén Spain.
• Robert Hasterok and Alexander Betekhtin. University of Silesia. Katowice Poland.
• Luis Mur and John Doonan. Aberystwyth University. Aberystwyth UK.
• Liliana Giussani. Instituto Botánico Darwinion – CONICET. Buenos Aires Argentina.
• Marina Olonova. Tomsk State University. Tomsk Russia.
• Teresa Garnatje. Instituto Botánico de Barcelona – CSIC. Barcelona Spain.

http://bifi.es/bioflora/

Genómica funcional del sistema OXPHOS (GENOXPHOS)

Responsable de la Línea de Investigación:

Patricio Fernández Silva

Investigadores:

Patricio Fernández Silva
Patricia Meade Huerta
Raquel Moreno Loshuertos

RESUMEN

Nuestro grupo está dedicado al estudio de la biogénesis, organización estructural y patología del sistema de fosforilación oxidativa (sistema OXPHOS) mediante técnicas de biología molecular y Genética funcional. Los objetivos principales de nuestra investigación son:

• Genética funcional del DNA mitocondrial (mtDNA) de ratón. Con el objetivo de disponer de un mayor número de modelos celulares con alteraciones funcionales del sistema OXPHOS por mutaciones en genes codificados en el mtDNA, hemos desarrollado una tecnología de mutagénesis que nos ha permitido obtener una colección de líneas celulares de ratón portadoras de mutaciones en su mtDNA. Hemos conseguido generar mutantes en todos los complejos respiratorios que tienen subunidades codificadas en el mtDNA (complejos I, III, IV y V) así como un mutante en síntesis de proteínas mitocondriales. Estos modelos, permiten investigar el papel de los genes afectados mediante análisis funcionales y estructurales finos de dichos mutantes.

• Modelos animales de patologías asociadas al mtDNA y posibles terapias. Estamos desarrollando ratones portadores de mutaciones en el mtDNA mediante la transferencia de mitocondrias portadoras de mutaciones seleccionadas de entre las generadas en nuestro laboratorio, a embriones. Por otra parte, hemos generado ratones knock-in que expresan la proteína exógena AOX (alternative oxidase, del hongo Emericella nidulans) y los estamos cruzando con ratones knock-out para genes nucleares de complejo IV en músculo, que presentan una miopatía severa. De esta manera, pretendemos evaluar el potencial de la proteína AOX como posible aproximación terapéutica para fallos en los complejos respiratorios III y IV.

• Efecto de variantes poblacionales del mtDNA. Para poder evaluar la influencia de genotipos del mtDNA (haplogrupos mitocondriales) sobre fenotipos complejos como el envejecimiento, hemos generado modelos de ratones “complásticos”, que son portadores de distintas variantes de mtDNA en un mismo entorno nuclear. Mediante diversas aproximaciones metodológicas como la transcriptómica o la metabolómica, entre otras, hemos demostrado cómo distintas combinaciones de los genomas nuclear y mitocondrial son responsables de diferencias en la metabolismo o la calidad del envejecimiento de los individuos.

• Organización estructural del sistema OXPHOS. Hemos propuesto un nuevo modelo de organización de la cadena de transporte electrónico mitocondrial (modelo de plasticidad) e identificado el primer factor de ensamblaje de supercomplejos (SCAF1). En la actualidad, continuamos analizando los factores tanto genéticos como ambientales implicados en la formación de estas superestructuras y en la regulación de sus niveles así como sus implicaciones funcionales sobre el metabolismo energético.

PUBLICACIONES RELEVANTES

1.- Mitochondrial and nuclear DNA matching shapes metabolism and healthy ageing. Latorre-Pellicer A, Moreno-Loshuertos R, Lechuga-Vieco AV, Sánchez-Cabo F, Torroja C, Acín-Pérez R, Calvo E, Aix E, González-Guerra A, Logan A, Bernad-Miana ML, Romanos E, Cruz R, Cogliati S, Sobrino B, Carracedo Á, Pérez-Martos A, Fernández-Silva P, Ruíz-Cabello J, Murphy MP, Flores I, Vázquez J, Enríquez JA. Nature 2016 Jul 28; 535(7613):561-5.

2.- The CoQH2/CoQ ratio serves as a sensor of respiratory chain efficiency. Guarás, E. Perales-Clemente, E. Calvo, R. Acín-Pérez, E. Nuñez, C. Pujol, I. Martínez-Carrascoso, M. Loureiro-Lopez, F. García-Marqués, M. A. Rodríguez-Hernández, A. Cortés, F. Diaz, A. Pérez-Martos, C. T. Moraes, P. Fernández-Silva, A. Trifunovic, P. Navas, J. Vázquez and J.A. Enríquez. Cell Reports 2016 Apr 5;15 (1), 197-209.

3.- ROS-triggered phosphorylation of complex II by Fgr kinase regulates cellular adaptation to fuel use.  Acín-Pérez R, Carrascoso I, Baixauli F, Roche-Molina M, Latorre-Pellicer A, Fernández-Silva P, Mittelbrunn M, Sanchez-Madrid F, Pérez-Martos A, Lowell CA, Manfredi G, Enríquez JA. Cell Metab. 2014 Jun 3;19(6):1020-33.

4.- Mitochondrial cristae shape determines respiratory chain supercomplexes assembly and respiratory efficiency. Cogliati S, Frezza C, Soriano ME, Varanita T, Quintana-Cabrera R, Corrado M, Cipolat S, Costa V, Casarin A, Gomes LC, Perales-Clemente E, Salviati L, Fernandez-Silva P, Enriquez JA, Scorrano L. Cell, 2013 Sep 26;155(1):160-71.

5.- Supercomplex assembly determines electron flux in the mitochondrial electron transport chain. Lapuente-Brun E, Moreno-Loshuertos R, Acín-Pérez R, Latorre-Pellicer A, Colás C, Balsa E, Perales-Clemente E, Quirós PM, Calvo E, Rodríguez-Hernández MA, Navas P, Cruz R, Carracedo Á, López-Otín C, Pérez-Martos A, Fernández-Silva P, Fernández-Vizarra E, Enríquez JA. Science, 2013 Jun 28;340(6140):1567-70.

6.- Evolution meets disease: penetrance and functional epistasis of mitochondrial tRNA mutations. Moreno-Loshuertos R, Ferrín G, Acín-Pérez R, Gallardo ME, Viscomi C, Pérez-Martos A, Zeviani M, Fernández-Silva P, Enríquez JA. PLoS Genet. 2011 Apr;7(4):e1001379.

7.- A genome-wide shRNA screen for new OxPhos related genes. Bayona-Bafaluy MP, Sánchez-Cabo F, Fernández-Silva P, Pérez-Martos A, Enríquez JA. Mitochondrion. 2011 May; 11(3):467-75.

8.- Tissue-specific differences in mitochondrial activity and biogenesis. Fernández-Vizarra E, Enríquez JA, Pérez-Martos A, Montoya J, Fernández-Silva P. Mitochondrion. 2011 Jan; 11(1):207-13.

9.- Allotopic expression of mitochondrial-encoded genes in mammals: achieved goal, undemonstrated mechanism or impossible task? Perales-Clemente E, Fernández-Silva P, Acín-Pérez R, Pérez-Martos A, Enríquez JA.  Nucleic Acids Res. 2011 Jan; 39(1):225-34.

10.- Five entry points of the mitochondrially encoded subunits in mammalian complex I assembly. Perales-Clemente E, Fernández-Vizarra E, Acín-Pérez R, Movilla N, Bayona-Bafaluy MP, Moreno-Loshuertos R, Pérez-Martos A, Fernández-Silva P, Enríquez JA. Mol Cell Biol. 2010 Jun; 30(12):3038-47.

11.- Respiratory active mitochondrial supercomplexes. Acín-Pérez R, Fernández-Silva P, Peleato ML, Pérez-Martos A, Enriquez JA. Mol Cell. 2008 Nov 21; 32(4):529-39.

12.- Functional genetic analysis of the mammalian mitochondrial DNA encoded peptides: a mutagenesis approach. Bayona-Bafaluy MP, Movilla N, Pérez-Martos A, Fernández-Silva P, Enriquez JA. Methods Mol Biol. 2008; 457:379-90.

13.- Restoration of electron transport without proton pumping in mammalian mitochondria. Perales-Clemente E, Bayona-Bafaluy MP, Pérez-Martos A, Barrientos A, Fernández-Silva P,Enriquez JA. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Dec 2; 105(48):18735-9.

14.- Differences in reactive oxygen species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants. Moreno-Loshuertos R, Acín-Pérez R, Fernández-Silva P, Movilla N, Pérez-Martos A, Rodriguez de Cordoba S, Gallardo ME, Enríquez JA. Nat Genet. 2006 Nov; 38(11):1261-8.

15.- Respiratory complex III is required to maintain complex I in mammalian mitochondria. Acín-Pérez R, Bayona-Bafaluy MP, Fernández-Silva P, Moreno-Loshuertos R, Pérez-Martos A, Bruno C, Moraes CT, Enríquez JA. Mol Cell. 2004 Mar 26; 13(6):805-15.

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

1.- Generación de modelos y ensayo de terapia génica para enfermedades oxphos. FIS (PI12/0129). Investigador principal: Patricio Fernández Silva.

2.- Estudio de factores genéticos y ambientales implicados en el ensamblaje y la estabilidad de los complejos y supercomplejos respiratorios. Universidad de Zaragoza/Ibercaja(JIUZ-2015-BIO-06). Investigador principal: Raquel Moreno Loshuertos.

3.- Estudio del efecto de la modulación del estado Redox y los ROS sobre la formación y estabilidad de los supercomplejos respiratorios. Universidad de Zaragoza (UZ2016-BIO-04). Investigador principal: Raquel Moreno Loshuertos.

4.- B55 genómica funcional del sistema de fosforilación oxidativa (GENOXPHOS). Diputación General de Aragón 2013. Investigador principal: Patricio Fernández Silva.

5.- Grupo Consolidado Biología Estructural (B18). Diputación General de Aragón (B18). Investigador principal: María Luisa Peleato.

6.- Ensayo de la xenoexpresión como terapia génica para las enfermedades mitocondriales. Fundación Ramón Areces (212328). Investigador principal: Patricio Fernández Silva.

7.- Terapia génica de las enfermedades mitocondriales mediante xenoexpresión. FIS (PI09/00946). Investigador principal: Patricio Fernández Silva.

8.- CONSOLIDER. Papel funcional del estrés oxidativo y nitrosativo en grandes sistemas biológicos. Ministerio de Ciencia y Tecnología (CSD2007-00020). Investigador principal: José Antonio Enríquez.

9.- Efecto de los fallos en el sistema OXPHOS sobre la expresión génica y la diferenciación de células ES. Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud (PIPAMER09/05). Investigador principal: Patricio Fernández Silva.

10.- EUMITOCOMBAT: rational treatment strategies combating mitocondrial oxidative phosphorilation (OXPHOS) disorders. Unión Europea (LSHM-CT-2004-503116). Investigador principal: José Antonio Enríquez.

Colaboradores

• Dr. José Antonio Enriquez. Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC). Madrid-Spain
• Massimo Zeviani. MBU-MRC. Cambridge-UK
• Eva Monleón. Dtpo. de Anatomía e Histología Humanas- UZ

Desarrollo de Antimicrobianos y Mecanismos de Resistencia

Responsable de la Línea de Investigación:

José Antonio Aínsa Claver
Santiago Ramón-García

Investigadores:

José Antonio Aínsa Claver, PI
Santiago Ramón-García, PI
Ainhoa Lucía Quintana, Postdoc
Clara Aguilar Pérez, Doctorando
Ernesto Anoz Carbonell, Doctorando
Ana Cristina Millán Placer, Doctorando
Marta María Gómara Lomero, Doctorando
María Pilar Arenaz Callao, Doctorando
Lara Muñoz Muñoz, Doctorando
Begoña Gracia Díaz, Técnico de Laboratorio

RESUMEN

La línea de investigación Desarrollo de Antimicrobianos y Mecanismos de Resistencia tiene como objetivo estudiar los mecanismos de resistencia a antibióticos de diversos patógenos microbianos y utilizar esta información para identificar nuevas moléculas con actividad antimicrobiana y caracterizar sus mecanismos de acción y resistencia. Este trabajo se financia con fondos públicos conseguidos en convocatorias competitivas nacionales e internacionales.

En los últimos años hemos caracterizado diversas bombas de eflujo de Mycobacterium tuberculosis y hemos contribuido a la identificación de compuestos que evaden el mecanismo de resistencia mediado por las bombas de eflujo y por lo tanto presentan mayor actividad antimicrobiana. Estamos caracterizando nuevas dianas para antimicrobianos, tanto en Mycobacterium como en otros patógenos bacterianos, y explorando nuevas moléculas (péptidos, etc.) como alternativas a los antibióticos convencionales.

Durante los últimos 7 años, hemos publicado 15 artículos, hemos obtenido una patente relacionada con la utilidad diagnóstica de un gen de resistencia, y hemos realizado diversas comunicaciones a congresos nacionales e internacionales.

Nuestra investigación también está incorporando nuevas perspectivas, como lo es la utilización de nanopartículas para administrar antimicrobianos, o las combinaciones de moléculas con actividad antimicrobiana.

PUBLICACIONES RELEVANTES

1.- Discovery of antimicrobial compounds targeting bacterial type FAD synthetases. Sebastián M, Anoz-Carbonell E, Gracia B, Cossio P, Aínsa JA, Lans I, Medina M. J Enzyme Inhib Med Chem. 2018 Dec;33(1):241-254. doi: 10.1080/14756366.2017.1411910. PMID: 29258359

2.- The EU approved antimalarial pyronaridine shows antitubercular activity and synergy with rifampicin, targeting RNA polymerase. Mori G, Orena BS, Franch C, Mitchenall LA, Godbole AA, Rodrigues L, Aguilar-Pérez C, Zemanová J, Huszár S, Forbak M, Lane TR, Sabbah M, Deboosere N, Frita R, Vandeputte A, Hoffmann E, Russo R, Connell N, Veilleux C, Jha RK, Kumar P, Freundlich JS, Brodin P, Aínsa JA, Nagaraja V, Maxwell A, Mikušová K, Pasca MR, Ekins S. Tuberculosis (Edinb). 2018 Sep;112:98-109. doi: 10.1016/j.tube.2018.08.004. PMID: 30205975

3.- Synergy between Circular Bacteriocin AS-48 and Ethambutol against Mycobacterium tuberculosis. Aguilar-Pérez C, Gracia B, Rodrigues L, Vitoria A, Cebrián R, Deboosère N, Song OR, Brodin P, Maqueda M, Aínsa JA. Antimicrob Agents Chemother. 2018 Aug 27;62(9). pii: e00359-18. doi: 10.1128/AAC.00359-18. PMID: 29987141

4.- Boldine-Derived Alkaloids Inhibit the Activity of DNA Topoisomerase I and Growth of Mycobacterium tuberculosis. García MT, Carreño D, Tirado-Vélez JM, Ferrándiz MJ, Rodrigues L, Gracia B, Amblar M, Ainsa JA, de la Campa AG. Front Microbiol. 2018 Jul 24;9:1659. doi: 10.3389/fmicb.2018.01659. PMID: 30087665

5.- Total Synthesis of Ripostatin B and Structure-Activity Relationship Studies on Ripostatin Analogs. Glaus F, Dedić D, Tare P, Nagaraja V, Rodrigues L, Aínsa JA, Kunze J, Schneider G, Hartkoorn RC, Cole ST, Altmann KH. J Org Chem. 2018 Jul 6;83(13):7150-7172. doi: 10.1021/acs.joc.8b00193. PMID: 29542926

6.- New active formulations against M. tuberculosis: Bedaquiline encapsulation in lipid nanoparticles and chitosan nanocapsules. L.De Matteis, D.Jary, A.Lucía, S.García-Embid, I.Serrano-Sevilla, D.Pérez, J.A.Ainsa, F.P.Navarro, J.M. de la Fuente. Chemical Engineering Journal. Volume 340, 15 May 2018, Pages 181-191.

7.- Structure Guided Lead Generation toward Nonchiral M. tuberculosis Thymidylate Kinase Inhibitors. Song L, Merceron R, Gracia B, Quintana AL, Risseeuw MDP, Hulpia F, Cos P, Aínsa JA, Munier-Lehmann H, Savvides SN, Van Calenbergh S. J Med Chem. 2018 Apr 12;61(7):2753-2775. doi: 10.1021/acs.jmedchem.7b01570. PMID: 29510037

8.- Ionophore A23187 shows anti-tuberculosis activity and synergy with tebipenem. Huang W, Briffotaux J, Wang X, Liu L, Hao P, Cimino M, Buchieri MV, Namouchi A, Ainsa JA, Gicquel B. Tuberculosis (Edinb). 2017 Dec;107:111-118. doi: 10.1016/j.tube.2017.09.001. PMID: 29050757

9.- How can nanoparticles contribute to antituberculosis therapy? Costa-Gouveia J, Aínsa JA, Brodin P, Lucía A. Drug Discov Today. 2017 Mar;22(3):600-607. doi: 10.1016/j.drudis.2017.01.011. PMID: 28137645

10.- Antituberculosis drugs: reducing efflux=increasing activity. Rodrigues L, Parish T, Balganesh M, Ainsa JA. Drug Discov Today. 2017 Mar;22(3):592-599. doi: 10.1016/j.drudis.2017.01.002. PMID: 28089787

11.- Structure-Activity Relationships of Spectinamide Antituberculosis Agents: A Dissection of Ribosomal Inhibition and Native Efflux Avoidance Contributions. Liu J, Bruhn DF, Lee RB, Zheng Z, Janusic T, Scherbakov D, Scherman MS, Boshoff HI, Das S, Rakesh, Waidyarachchi SL, Brewer TA, Gracia B, Yang L, Bollinger J, Robertson GT, Meibohm B, Lenaerts AJ, Ainsa J, Böttger EC, Lee RE. ACS Infect Dis. 2017 Jan 13;3(1):72-88. doi: 10.1021/acsinfecdis.6b00158. PMID: 28081607

12.- Identification of Aminopyrimidine-Sulfonamides as Potent Modulators of Wag31-mediated Cell Elongation in Mycobacteria. Vinayak Singh, Neeraj Dhar, János Pató, Gaëlle S. Kolly, Jana Korduláková, Martin Forbak, Joanna C. Evans, Rita Székely, Jan Rybniker, Zuzana Palčeková, Júlia Zemanová, Isabella Santi, François Signorino-Gelo, Liliana Rodrigues, Anthony Vocat, Adrian S. Covarrubias, Monica G. Rengifo, Kai Johnsson, Sherry Mowbray, Joseph Buechler, Vincent Delorme, Priscille Brodin, Graham W. Knott, José A. Aínsa, Digby F. Warner, György Kéri, Katarína Mikušová, John D. McKinney, Stewart T. Cole, Valerie Mizrahi, Ruben C. Hartkoorn. Mol Microbiol. 2017 Jan;103(1):13-25. doi: 10.1111/mmi.13535. PMID: 27677649

13.- Lipid transport in Mycobacterium tuberculosis and its implications in virulence and drug development. Bailo R, Bhatt A, Aínsa JA. Biochem Pharmacol. 2015 Aug 1;96(3):159-67. doi: 10.1016/j.bcp.2015.05.001. PMID: 25986884.

14.- Measuring efflux and permeability in mycobacteria. Rodrigues L, Viveiros M, Aínsa JA. Methods Mol Biol. 2015;1285:227-39. doi: 10.1007/978-1-4939-2450-9_13. PMID: 25779319.

15.- Spectinamides: a new class of semisynthetic antituberculosis agents that overcome native drug efflux. Lee RE, Hurdle JG, Liu J, Bruhn DF, Matt T, Scherman MS, Vaddady PK, Zheng Z, Qi J, Akbergenov R, Das S, Madhura DB, Rathi C, Trivedi A, Villellas C, Lee RB, Rakesh, Waidyarachchi SL, Sun D, McNeil MR, Ainsa JA, Boshoff HI, Gonzalez-Juarrero M, Meibohm B, Böttger EC, Lenaerts AJ. Nat Med. 2014 Feb;20(2):152-8. doi: 10.1038/nm.3458. PMID: 24464186.

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

1.- El fenotipo silente de Mycobacterium tuberculosis: persistencia y latencia. Ministerio de Economía y Competitividad. Universidad de Zaragoza. SAF2017-84839-C2-1-R. 01/01/2018 – 31/12/2020. IP  José Antonio Aínsa Claver.

2.- Identification of novel therapies for difficult to treat cystic fibrosis pulmonary infections caused by mycobacteria using an innovative technology: synergy screens of clinically approved drugs. Unión Europea. Universidad de Zaragoza. 01/04/2018 – 31/03/2019. IP: Santiago Ramon Garcia.

3.- NAREB – Nanotherapeutics for antibiotic resistant emerging bacterial pathogens. Unión Europea. Universidad de Zaragoza. 01/02/2014 – 31/07/2018. IP: José Antonio Aínsa Claver.

4.- SAF-2013-48971-C2-2-R: Aplicaciones biomédicas de AS-48: una proteína con amplio espectro de actividad antimicrobiana. MINECO – Ministerio de Economia y Competitividad. Universidad de Zaragoza. 01/01/2014 – 31/07/2018. IP: José Antonio Aínsa Claver.

5.- MM4TB – More medicines for tuberculosis. Unión Europea. Universidad de Zaragoza. 01/02/2011 – 31/01/2016. IP: José Antonio Aínsa Claver.

Colaboradores

• Adela G. De la Campa, Centro Nacional de Microbiología, Instituto de Salud Carlos III (Majadahonda, Madrid, Spain). Desarrollo de inhibidores frente a la topoisomerasa de  tuberculosis.
• Mercedes Maqueda, Universidad de Granada (Granada, Spain). Estudio de actividad antimicrobiana de la bacteriocina AS-48.
• Serge van Calenbergh, Universidad de Gent (Gent, Belgium). Nuevos inhibidores de timidilato kinasa de tuberculosis.
• Concepción González-Bello (Universidad de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela, Spain). Inhibidores de dehidroquinasas en tuberculosis.

http://genmico.unizar.es

Apoptosis y metabolismo

Responsable de la Línea de Investigación:

José Alberto Carrodeguas Villar

Investigadores:

RESUMEN

Nuestro trabajo se ha centrado, durante los últimos años, en varios campos, que se indican a continuación:

1.- Estudio de la función de PSAP/Mtch1 (Presenilin 1-associated protein/mitochondrial carrier homolog 1). PSAP interacciona con la presenilina 1, la cual forma parte del complejo gamma secretasa, implicado en la enfermedad de Alzheimer. PSAP también se conoce como mitochondrial carrier homolog 1 (Mtch1), porque contiene un dominio proteico conservado en transportadores de la membrana interna mitocondrial, aunque se localiza en la membrana externa. Mtch1 induce muerte celular cuando se sobreexpresa en células en cultivo.

Hemos identificado dos isoformas proapoptóticas generadas por splicing alternativo, que se dirigen a la membrana externa mitocondrial mediante varias señales de localización internas y que contienen dos dominios proapoptóticos. Mtch1 puede inducir apoptosis en ausencia de Bax y Bak, miembros proapoptóticos de la familia de Bcl-2. No parece que tenga una función transportadora, pero podría funcionar como un receptor de ligandos todavía desconocidos en la superficie de la mitocondria.

Hemos analizado el knockout de Mtch1 en Drosophila y estamos preparando su publicación, en colaboración con investigadores del Instituto de Investigaciones Biomédicas, CSIC-UAM, en Madrid.

2.- Proteínas Bcl-2. Las proteínas de la familia de Bcl-2 son esenciales en el inicio de la muerte celular, integrando varias señales celulares. Sus funciones principales conocidas dependen de interacciones proteína-proteína para la inducción o la inhibición de los pasos iniciales de la muerte celular. Sin embargo cada vez hay más evidencias de que pueden tener funciones alternativas relacionadas con la regulación del metabolismo. En esta línea, hemos descrito la implicación del dominio transmembrana de Bcl-XL en la dimerización de esta proteína.

3.- PEPCK. Junto con el Dr. Pascual López Buesa, hemos estudiado varios polimorfismos genéticos que afectan a la calidad de la carne de cerdo, habiéndonos centrado en los últimos años en ambas isoformas de la fosfoenolpiruvato carboxikinasa, la citosólica y la mitocondrial. Este trabajo ha evolucionado para estudiar la regulación post-traduccional de esta enzima, esencial para la gluconeogénesis e implicada en patologías como la diabetes o el cáncer. En un trabajo reciente, en colaboración con el Dr. John Denu, del Wisconsin Institute for Discovery, de la Universidad de Wisconsin-Madison y con investigadores de Australia, La Rioja y Harvard, hemos descubierto nuevos mecanismos de regulación posttraduccional de la PEPCK de mamíferos. Este trabajo ha sido publicado recientemente en la revista Molecular Cell.

Estamos concluyendo otra serie de experimentos en esta misma línea.

4.- Enfermedad de Parkinson. Junto con la Dra. Nunilo Cremades. del BIFI, estamos comenzando un proyecto de investigación sobre Parkinson que utiliza un abordaje multidisciplinar, biofísico (Dr. Cremades) y celular (Dr. Carrodeguas), para desarrollar nuevos modelos celulares y utilizar técnicas biofísicas de última generación con el fin de determinar los mecanismos iniciales que producen la agregación de la proteína a-sinucleína en esta patología.

5.- Células madre. Hemos trabajado también en diferenciación y muerte de células madre y vamos a aplicar estos conocimientos en el desarrollo de modelos para Parkinson.

Colaboramos también con otros investigadores del BIFI en distintas líneas de investigación.

PUBLICACIONES RELEVANTES

1. Latorre-Muro P, Baeza J, Armstrong, EA, Hurtado-Guerrero R, Corzana F, Wus LE, Sinclair DA, López-Buesa P, Carrodeguas JA, Denu JM (2018). Dynamic acetylation of cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase toggles enzyme activity between gluconeogenic and anaplerotic reactions. Mol. Cell. 71: 718-732. doi: 10.1016/j.molcel.2018.07.031.
2. Latorre P, Varona L, Burgos C, Carrodeguas JA, López-Buesa P. (2017). O-GlcNAcylation mediates the control of cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase activity via Pgc1α. PLoS One 12: e0179988. doi: 10.1371/journal.pone.0179988.
3. Hidalgo J, Latorre P, Carrodeguas JA, Velázquez-Campoy A, Sancho J, López-Buesa P. (2016). Inhibition of Pig Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Isoenzymes by 3-Mercaptopicolinic Acid and Novel Inhibitors. PLoS One. 11: e0159002. doi: 10.1371/journal.pone.0159002.
4. Escós M, Latorre P, Hidalgo J, Hurtado-Guerrero R, Carrodeguas JA, López-Buesa P. (2016). Kinetic and functional properties of human mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase. Biochem Biophys Rep. 7: 124-129. doi: 10.1016/j.bbrep.2016.06.007. Co-corresponding author.
5. Latorre P, Burgos C, Hidalgo J, Varona L, Carrodeguas JA, López-Buesa P. (2016). c.A2456C-substitution in Pck1 changes the enzyme kinetic and functional properties modifying fat distribution in pigs. Sci Rep. 6: 19617. doi: 10.1038/srep19617. Co-corresponding author.
6. Nelo-Bazán MA, Latorre P, Bolado-Carrancio A, Pérez-Campo FM, Echenique-Robba P, Rodríguez-Rey JC, Carrodeguas JA. (2015). Early growth response 1 (EGR-1) is a transcriptional regulator of mitochondrial carrier homolog 1 (MTCH 1)/presenilin 1-associated protein (PSAP). Gene 578:52-62. doi: 10.1016/j.gene.2015.12.014.
7. Echenique-Robba P, Nelo-Bazán MA, Carrodeguas JA. (2013). Reducing the standard deviation in multiple-assay experiments where the variation matters but the absolute value does not. PLoS One 8: e78205. doi: 10.1371/journal.pone.0078205.
8. Ospina A, Lagunas-Martínez A, Pardo J, Carrodeguas JA (2011). Protein oligomerization mediated by the transmembrane carboxyl terminal domain of Bcl-XL. FEBS Lett. 585: 2935-42. doi: 10.1016/j.febslet.2011.08.012.
9. Conesa C, Doss MX, Antzelevitch C, Sachinidis A, Sancho J, Carrodeguas JA (2012). Identification of specific pluripotent stem cell death–inducing small molecules by chemical screening. Stem. Cell Rev. 2012 Mar;8(1):116-27. doi: 10.1007/s12015-011-9248-4.
10. Lamarca V, Marzo I, Sanz-Clemente A, Carrodeguas JA (2008). Exposure of any of two proapoptotic domains of presenilin 1-associated protein/mitochondrial carrier homolog 1 on the surface of mitochondria is sufficient for induction of apoptosis in a Bax/Bak-independent manner. Eur. J. Cell. Biol. 87: 325-34. doi: 10.1016/j.ejcb.2008.02.004.

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

1.- Modulación de las características del músculo esquelético por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. Facultad de Veterinaria – Universidad de Zaragoza. Pascual López Buesa y José Alberto Carrodeguas Villar. CICYT. 2016-1018.

2.- Modulación de las características del músculo esquelético por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. Instituto Universitario De Investigación De Biocomputación y Física De Sistemas Complejos – Universidad de Zaragoza. José Alberto Carrodeguas Villar. VIC. INV. – APOYO INV. 2016.

3.- PEPCK y sus efectos sobre el metabolismo, los caracteres productivos y la calidad de la carne y la canal del ganado porcino. Facultad De Veterinaria – Universidad de Zaragoza. Pascual Luis López Buesa. VIC. INV. – APOYO INV. 2015.

4.- Identificación de moléculas bioactivas en células troncales mediante cribado funcional de quimiotecas: herramientas para terapias seguras. Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. José Alberto Carrodeguas Villar. Universidad de Zaragoza/Ibercaja. 2012-2013.

5.- Proteínas Mtch: regulación transcripcional en humanos y efectos fenotípicos del mutante en Drosophila. Instituto Universitario De Investigación De Biocomputación y Física De Sistemas Complejos. José Alberto Carrodeguas Villar. Universidad de Zaragoza. 2011.

6.- Genética química para la identificación de compuestos bioactivos que promueven diferenciación específica, proliferación o apoptosis en células madre. Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Facultad de Ciencias. Universidad de Zaragoza. José Alberto Carrodeguas Villar. Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud. 2011.

7.- Regulación de la actividad de proteínas proapoptóticas mitocondriales. Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Facultad de Ciencias. Universidad de Zaragoza. José Alberto Carrodeguas Villar. Ministerio de Ciencia e Innovación. 2010.

8.- Identificación de compuestos químicos que inducen diferenciación celular específica o muerte celular apoptótica en células madre embrionarias de ratón (continuación). Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Facultad de Ciencias. José Alberto Carrodeguas Villar. Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud. 2009-2010.

9.- Identificación de compuestos químicos que inducen diferenciación celular específica o muerte celular apoptótica en células madre embrionarias de ratón (continuación). Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Facultad de Ciencias. José Alberto Carrodeguas Villar. Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud. 2008-2010.

10.- Mecanismos moleculares de proteínas de la membrana externa mitocondrial similares a transportadores implicadas en apoptosis. Papel en enfermedades degenerativas y en cáncer. Facultad de Veterinaria. Universidad de Zaragoza. José Alberto Carrodeguas Villar. MEC. 2006-2009.

Colaboradores

• Miguel Fernández Moreno and Juan José Arredondo. Instituto de Investigaciones Biomédicas. CSIC-UAM. Madrid.
• Javier Sancho, Milagros Medina, Adrián Velázquez Campoy, Ramón Hurtado-Guerrero, Patricio Fernández Silva, Raquel Moreno Loshuertos. Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Facultad de Ciencias. Universidad de Zaragoza.
• José Carlos Rodríguez-Rey. Department of Molecular Biology, University of Cantabria, IDIVAL, Santander, Cantabria, Spain.
• Flor Pérez Campo. Department of Internal Medicine, Hospital U. Marqués de Valdecilla-IDIVAL University of Cantabria, 39008 Santander, Cantabria, Spain.
• John M. . Wisconsin Institute for Discovery, Morgridge Institute for Research, and the Department of 12 Biomolecular Chemistry, University of Wisconsin School of Medicine and Public Health, USA.
• Francisco Corzana. Departamento de Química, Centro de Investigación en Síntesis Química, Universidad de La Rioja.

Genómica computacional y Bio-medicina de sistemas

Responsable de la Línea de Investigación:

Joaquín Sanz

Investigadores:

PhD students:
Mario Tovar
Jorge Cárdenas

Master students:
Ignacio Marchante

Undergrad students:
Santiago Royo
Pablo Pérez
Pilar Cobos.

Alumni:
Jessica Moreira Batista Da Silva
Regina Santesteban Azanza

RESUMEN

En nuestro grupo utilizamos modelos matemáticos para describir enfermedades infecciosas a diferentes escalas de complejidad: desde células y genes hasta individuos y poblaciones. Nuestro principal objetivo es identificar los factores causales, tanto genéticos como ambientales, que configuran la variación en las respuestas inmunitarias a patógenos, así como caracterizar los factores que definen el carácter patológico o funcional de dichas respuestas y estudiar cómo se relacionan con observaciones epidemiológicas.

Para ello, nuestra principal materia prima son datos de secuenciación genómica. Eso incluye datos de variación genética en grandes cohortes humanas, así como transcriptomas y epigenomas de hospedadores y patógenos, tanto en modelos humanos como animales, a menudo a resolución de célula única. En el aspecto epidemiológico, desarrollamos modelos de transmisión de enfermedades comunicables, para interpretar datos tales como registros de incidencia transnacionales, encuestas de prevalencia y resultados de ensayos clínicos. Para lograr estos objetivos, nuestros métodos integran herramientas de genómica computacional, biomedicina de sistemas, bioestadística, ciencia de datos y redes, inferencia bayesiana, epidemiología matemática y física de sistemas complejos.

En la actualidad, hay tres líneas principales de investigación abiertas en el grupo. Estas incluyen la Biología de Sistemas de las interacciones huésped-patógeno en tuberculosis; el desarrollo de herramientas bioinformáticas para el análisis de datos -ómicos a resolución single-cell y el desarrollo de aplicaciones computacionales para el estudio de la genómica del sistema inmunológico.

Biologia de sistemas de tuberculosis

La tuberculosis (TB) es una de las enfermedades infecciosas humanas más antiguas y, con un número estimado de 1,4 millones de muertes en 2019, todavía hoy una de las más mortíferas. Su agente causal, el bacilo Mycobacterium tuberculosis, es posiblemente el más exitoso entre todos los patógenos humanos, considerando su sorprendente capacidad para coexistir con su huésped (se estima que alrededor del 24% de los humanos contemporáneos están infectados con M.tb.) sin comprometer su salud. Entre todas las posibles intervenciones epidemiológicas que se están considerando en la lucha contra la tuberculosis, la introducción de una nueva vacuna capaz de complementar o superar a la vacuna actual del Bacillus Calmette-Guerin (BCG), promete un mayor impacto contra la enfermedad.

En nuestro grupo, combinamos enfoques de biología de sistemas, bioinformática y epidemiología matemática para modelar diferentes aspectos asociados a la infección por M.tb. que operan a diferentes niveles de complejidad. Algunos ejemplos incluyen desde la caracterización genómica de la memoria inmune innata inducida por micobacterias hasta el modelado epidemiológico de la transmisión de la TB a nivel transnacional, para interpretar los resultados de ensayos clínicos y evaluar el impacto de intervenciones epidemiológicas tales como la introducción de nuevas y mejores vacunas.

Fig. 1: Biología de sistemas de la TB. La actividad reciente del grupo en este tema incluye la caracterización de redes reguladoras transcripcionales, a nivel de bacteria individual (un patógeno); el estudio de la inmunidad entrenada innata en colaboración con M. Divangahi (McGill) y su equipo (un huésped); la caracterización de la arquitectura genética de la respuesta de los macrófagos humanos a M.tb. (una población), y el desarrollo de modelos matemáticos de transmisión de la TB, a escala supranacional (muchas poblaciones).

Single-cell -omics: modelización y análisis de datos.

En 2009, Fuchou Tang y sus colaboradores fueron los primeros en utilizar RNA-seq a resolución single-cell, de un blastómero de ratón. Desde entonces, el campo ha experimentado un progreso espectacular en técnicas de microfluidos, automatización de la preparación de librerías y multiplexación, hasta el punto que ahora es posible, y relativamente asequible, compilar datasets que contienen los transcriptomas de cientos de miles de células. Estas mejoras experimentales abren la posibilidad de abordar problemas biológicos más profundos mediante el uso de diseños experimentales complejos.

En el grupo combinamos ciencia de datos, modelado estadístico y métodos de redes complejas para proponer pipelines mejorados para el análisis de datos transcriptómicos a resolución single-cell, prestando especial atención al desarrollo de aplicaciones para la caracterización de respuestas a infección, entrenamiento inmunológico, y vacunación en células inmunes y sus precursores hematopoyéticos.

Genómica computacional del sistema inmunitario

Las respuestas inmunitarias a las agresiones externas son complejas y variables entre individuos. La idoneidad de la respuesta inmune a una infección a menudo depende de su intensidad, rapidez y especificidad; y todas estas son características dinámicas que emergen de una interacción compleja entre numerosos factores causales distintos. Estos factores provienen a su vez de la genética del huésped y del patógeno, así como del contexto ambiental en el que se produce su contacto.

En el laboratorio estudiamos los vínculos de causalidad que conectan los genotipos y las variables ambientales con las respuestas inmunitarias a la infección. Nuestro principal objetivo es la identificación de los componentes de tales respuestas que se ven más fuertemente afectados por dichos factores causales, así como sus implicaciones evolutivas y clínicas.

Fig. 2. Genómica computacional del Sistema inmunitario. Esquema gráfico de los enfoques experimentales implementados en algunos de los últimos proyectos en los que hemos trabajado recientemente, en colaboración con L. Barreiro (U. Chicago), J. Tung (Duke), y sus equipos

Publicaciones relevantes

1. Primate innate immune responses to bacterial and viral pathogens reveals an evolutionary trade-off between strength and specificity. Hawash, M., Sanz, J, Grenier, J. C., Kohn, J., Yotova, V., Johnson, Z., … & Barreiro, L. B. (2020). Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021.
2. tuberculosis Reprograms Hematopoietic Stem Cells to Limit Myelopoiesis and Impair Trained Immunity. Khan¹, Downey, Sanz, J., Kaufmann, Blankenhaus, Pacis, … & Divangahi (2020). Cell, 183(3), 752-770.
3. Social history and exposure to pathogen signals modulate social status effects on gene regulation in rhesus macaques. Sanz, J., Maurizio, P. L., Snyder-Mackler, N., Simons, N. D., Voyles, T., Kohn, J., … & Barreiro, L. B. (2020). Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(38), 23317-23322.
4. Bridging the gap between efficacy trials and model-based impact evaluation for new tuberculosis vaccines. Tovar, M., Arregui, S., Marinova, D., Martín, C., Sanz, J., & Moreno, Y. Nature Communications, 10(1), 1-10. (¹ co-last author) (2019).
5. Natural selection contributed to immunological differences between hunter-gatherers and agriculturalists. Harrison, G.F., Sanz, J., Boulais, J., Mina, M.J., Grenier, J.C., Leng, Y., Dumaine, A., Yotova, V., Bergey, C. M., Nsobya, S.L., Elledge, S.J., Schurr, E., Quintana-Murci, L., Perry, G.H., Barreiro, L.B. Nature Ecology and Evolution 1253-1264 3(8) (2019).
6. Spotting the old foe—revisiting the case definition for TB. Houben, R.M., Esmail, H., Emery, J.C., Joslyn, L.R., McQuaid, C.F., Menzies, N.A., Sanz, J., Shrestha, S., White, R.G., Yang, C. and Cobelens, F., 2019. The Lancet Respiratory Medicine, 7(3), pp.199-201.
7. Social status alters chromatin accessibility and the gene regulatory response to glucocorticoid stimulation in rhesus macaques. Snyder-Mackler, N., Sanz, J., Kohn, J. N., Voyles, T., Pique-Regi, R., Wilson, M. E., … & Tung, J. (2019). Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(4), 1219-1228.
8. Genetic and evolutionary determinants of human population variation in immune responses. Sanz, J., Randolph, H. E., & Barreiro, L. B. (2018). Current opinion in genetics & development, 53, 28-35.
9. Data-driven model for the assessment of Mycobacterium tuberculosis transmission in evolving demographic structures. Arregui, S., Iglesias, M. J., Samper, S., Marinova, D., Martin, C., Sanz, J. , & Moreno, Y. ¹ . (¹ co-last author). (2018). Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(14), E3238-E3245.
10. BCG educates hematopoietic stem cells to generate protective innate immunity against tuberculosis. Kaufmann, E. ¹, Sanz, J. ¹, Dunn, J. L. ¹, Khan, N., Mendonça, L. E., Pacis, A., … & Mailhot-Léonard, F. (¹ co-first author). (2018). Cell, 172(1-2), 176-190.
11. Social status alters immune regulation and response to infection in macaques. N. Snyder-Mackler¹, J. Sanz¹, J.N. Kohn, J.F. Brinkworth, S. Morrow, A.O. Shaver, J.C. Grenier, R. Pique-Regi, Z.P. Johnson, M.E. Wilson, L.B. Barreiro² & J. Tung² (¹ co-first author; ² co-last author); Science, 354 (6315), 1041-1045.
12. Genetic ancestry and natural selection drive population differences in immune responses to pathogens. Y. Nédéléc¹, J. Sanz¹, G. Baharian¹, Z.A. Szpiech, A. Pacis, A. Dumaine, J.C. Grenier, A. Freiman, J. Sams, S. Hebert, A. Pagé-Sabourin, F. Luca, R. Blekhman, R.D. Hernández, R. Piqué-Regi, J. Tung, V. Yotova & L.B.B. Barreiro, (¹ co-first author). Cell 167-3, p657–669.e21 (2016) (The paper was selected for the Issue cover).

Principales proyectos

1. PID2019-106859GA-I00: Enfoques sistémicos a los mecanismos de defensa del hospedador ante enfermedad e infección en M. tuberculosis: causas genéticas y evaluación de impacto en nuevas vacunas, 2020-2023 Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN), Principal Investigator: Joaquín Sanz.
2. Bio-computational approaches applied to the development of TB vaccines: epidemiological modeling, efficacy simulations and immunogenetics analyses. Government of Aragon, Spain. Grant LMP117-18. 2019-2020. PI: Yamir Moreno.
3. Multi-scale approaches to Tuberculosis infection: mathematical epidemiology and functional genomics. National Programme for Recruitment and Incorporation of Human Resources 2018, subprogramme “Ramón y Cajal”. RYC-2017-23560. 2019-2024. Principal Investigator: Joaquín Sanz.
4. Stress and the Genome: Testing the Impact of Social Effects on Gene Regulation. National Institute of Health NIH (USA) Project # 1R01GM102562-01. (2012-2022). Principal Investigator: Dr. Jenny Tung. (Duke University)

Colaboradores

• Maziar Divangahi, McGill University, Canada.
• Eva Kaufmann, McGill University, Canada.
• Luis Barreiro, University of Chicago, USA.
• Genelle Harrison, University of Colorado, USA.
• Jenny Tung, Duke University, Durham, USA.
• Bana Jabri, University of Chicago, USA.
• Valentina Discepolo, Universitá Federico II, Naples, Italy.
• Carlos Martín, unizar.
• Nacho Aguiló, unizar.
• Jesús Gonzalo-Asensio, unizar.
• Yamir Moreno, unizar.
• Pierpaolo Bruscolini, unizar.
• Mario Floría, unizar.
• Jesús Gómez-Gardeñes, unizar.
• Sandro Meloni, IFISC, Palma de Mallorca.

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