Se realizó el aislamiento y caracterización de las células de 20 membranas amnióticas. De cada MA se obtuvo un promedio de 123±12x106 células epiteliales (hAEC) y 5.3x106 células mesenquimales (hAMSC). Las hEAC expresaron SSEA (1, 3 y 4), y TRA (1-60 y 1-81). Las hAMSC expresaron CD73, CD90, CD105 y no CD34, CD45, CD14 ni CD19. Ambas fueron negativas para HLA DR y positivas para transcriptos de Nanog, Oct-4 y Sox-2. En los cultivos primarios las hAEC mostraron menor capacidad de auto-renovación y proliferación que las hAMSC, y en los sub-cultivos desarrollaron Transición Epitelio-Mesénquima. Todas las hAEC mostraron potencialidad para diferenciarse en células de las tres capas germinales (neuroectodérmicas, hepatocíticas y cardiomiocíticas), algunas para diferenciación osteogénica y adipogénica, y ninguna para condrogénica. Todas las hAMSC se diferenciaron hacia líneas osteogénicas, adipogénicas y condrogénicas. En conclusión, la MA representa un reservorio de células madre pluripotenciales y multipotenciales inmunológicamente privilegiadas. / In this study we determine the quantity and quality of amnion cells after isolation and culture from 20 placentas. Following our protocol, primary yields were 123 ±12 x 106 hAECs and 5.3x106 hAMSCs. Flow cytometric characterization showed expression of SSEA (1, 3 and 4) and TRA (1-60 and 1-81) in hAECs. hAMSC expressed CD73, CD90, CD105 and none CD45, CD34, CD14, CD19. Both cells types were negative for HLA-DR and exhibited Nanog, Oct-4 and Sox-2 transcripts. In primary cultures hAECs showed slower proliferation and less clonogenic capacity than hAMSCs, in sub-cultures they exhibited Epithelial Mesenchymal Transition. All hAECs samples were induced to differentiate into neuroectodermal, hepatic and cardiomiocitic cells, while osteogenic y adipogenic capacity varied between them. All hAMSCs samples exhibited osteogenic, adipogenic and chondrogenic differentiation capacity. In conclusion, term amnion may be a useful source of pluripotent and multipotent stem cells that possess a degree of immune privilege.

Although heterochromatin is enriched with repressive traits, it is actively transcribed, giving rise to large amounts of non-coding RNAs. These transcripts are responsible for the formation and maintenance of heterochromatin, but little is known about how their transcription is regulated. In this thesis we show that Snail1 transcription factor represses mouse pericentromeric transcription and regulates heterochromatin organization through the action of the H3K4 deaminase LOXL2. Snail1 has a key role in epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). We show that, also during this process, Snail1 is responsible for pericentromeric transcription regulation. At the onset of EMT, one of the major structural heterochromatin proteins, HP1α, is transiently released from heterochromatin foci in a Snail1/LOXL2 dependent manner, concomitantly with a down-regulation of major satellite transcription. Moreover, prevention of major satellite transcripts down-regulation compromises the migratory and invasive behaviour of EMT resulting mesenchymal cells. We propose that Snail1 and LOXL2 regulate heterochromatin during this process, which may be crucial to allow the genome reorganization required to complete EMT. / Tot i estar enriquida en marques repressores, l’heterocromatina es transcriu activament i dóna lloc a grans quantitats d’ARNs no codificants. Aquests trànscrits són responsables de la formació i el manteniment de l’heterocromatina, però com es regula la seva transcripció segueix sent quelcom poc clarificat. En aquesta tesi demostrem que el factor de transcripció Snail1 reprimeix la transcripció pericentromèrica en cèl·lules de ratolí i regula l’organització de l’heterocromatina a través de l’acció de la LOXL2, que deamina l’H3K4. Snail1 té un paper clau en la transició epiteli-mesènquima (EMT). Aquí demostrem que, també durant aquest procés, Snail1 és responsable de la regulació de la transcripció pericentromèrica. A l’inici de l’EMT, l’HP1α, una de les principals proteïnes estructurals de l’heterocromatina, es desprèn de forma transitòria de l’heterocromatina. Aquest esdeveniment està regulat per Snail1 i LOXL2 i coincideix amb una disminució de la transcripció pericentromèrica. El bloqueig de la baixada dels trànscrits durant l’EMT compromet les capacitats migratòries i invasives de les cèl·lules mesenchimals que en resulten. Així doncs, proposem que Snail1 i LOXL2 regulen l’heterocromatina durant aquest procés, i així permeten que tingui lloc la reorganització genòmica que deu ser necessària per tal que es completi la EMT.

El desarrollo embrionario del núcleo estriado está controlado por gran cantidad de factores de transcripción. En esta tesis, nos centramos en el estudio de los miembros de la familia de factores de transcripción Ikaros. Los miembros de esta familia que se expresan en el primordio embrionario del núcleo estriado, eminencia ganglionar lateral (EGL) son Helios e Ikaros. Helios se expresa en la EGL durante la etapa embrionaria y es completamente ausente en el estriado de animales adultos. Esta proteína se expresa tanto en las zonas donde habitan los precursores neurales como en las zonas de precursores más diferenciados. Presenta una elevada relación con marcadores de precursores neuronales inmaduros como la nestina siendo su expresión completamente ausente en los precursores neurales que se diferenciarán hacia astrocitos. Los estudios realizados in vitro, mediante el uso del ensayo de neurosferas y de cultivos primarios, demuestran que la sobreexpresión de Helios induce un aumento en la neurogénesis y una reducción en la astrogénesis. Al estudiar el otro factor de la familia, Ikaros, observamos que esta proteína se expresa exclusivamente durante las edades embrionarias del desarrollo de la EGL. Está localizada exclusivamente en la zona del manto donde residen los precursores neuronales postmitóticos. La sobreexpresión de Ikaros en el ensayo de neurosferas induce una reducción del número de células proliferantes. En cambio, los precursores derivados de animales deficientes de Ikaros presentan una tasa de proliferación más elevada. Estos resultados nos indican que Ikaros induce la salida de ciclo de los precursores neurales regulando el ciclo celular. El mecanismo de acción por el cual Ikaros induce la salida de ciclo celular es regulando los niveles de la proteína inhibidora de ciclina p21 y favoreciendo así la diferenciación hacia fenotipos neuronales, específicamente neuronas encefalinérgicasl. Además de demostrar la funcionalidad de estas proteínas, nuestros resultados demuestran que existe una relación en el mecanismo de acción de Helios e Ikaros y que ambas proteínas están situadas en la misma vía de diferenciación estriatal de la familia Dlx. Así pues, la presente tesis describe la función de dos factores de transcripción, Helios e Ikaros, que ambos están implicados en el desarrollo embrionario del núcleo estriado. / “Study the role of the family of Ikaros transcription factor during striatum development” TEXT: The embryionic development of striatum is controlled by many transcription factors. In this thesis, we focus on the study of family members of Ikaros transcription factor. The members of this family that are expressed in the striatum embryonic primordium, lateral ganglionic eminence (LGE), are Helios and Ikaros. Helios is expressed during embryonic ages specifically in LGE. During development, Helios is expressed in areas where precursors are inhabited (subventricular zone), as well as in areas where more mature cells are located (mantle zone). This protein has a high relationship with markers of immature neural precursors as nestin. Neurospheres assay that Helios overexpression induces a reduction of proliferative tax in the precursors. Moreover, Helios induces an increase in neurogenesis process and a reduction in astrogenesis differentiation as we can observe studying the overexpression of Helios in primary cultures. The other member of the family expressed in LGE, Ikaros, is expressed only in embryonic ages exclusively in the mantle zone. In vitro studies show that Ikaros overexpression in precursors cultures induce a reduction in proliferative tax. However, precursors from Ikaros knockout mice proliferate more than precursors from wilt type. The reduction of proliferative tax is regulated by cyclin inhibitor protein p21. Cell cycle exit promote enkephalinergic neuronal differentiation as well as astrogenic inhibition as we can observe in neurosphere assay and primary cultures. In order to study Ikaros and Helios function in striatum development, we observe Helios and Ikaros act in the same differentiation involved in striatum development, de Dlx pathways. Both proteins are expressed downstream of Dlx1/2 however the relationship with the other transcription factor Dlx5/6 is different. While Helios is expressed upstream of Dlx5/6, Ikaros is expressed downstream of these transcription factors. In summary, we describe the role of two new proteins involved in striatum development: Helios and Ikaros.

El cerebelo es el órgano encargado de integrar las vías sensitivas y las motoras del sistema nervioso controlando, por ejemplo, los movimientos involuntarios del cuerpo. Su desarrollo comienza en la etapa embrionaria, en la que tiene lugar la formación del órgano y de sus principales capas. Conforme avanza el desarrollo, tiene lugar un crecimiento del órgano debido a una elevada proliferación de los precursores de las células granulares (PNGCs), localizados en su capa más externa. Su desarrollo finaliza en la etapa postnatal, en la que el cerebelo aumenta aun más su tamaño debido al mantenimiento de esta elevada actividad mitogénica. Alcanza su madurez cuando los PNGCs se diferencian y migran hacia la capa más interna. El morfógeno Sonic Hedgehog (Shh) es el responsable de la proliferación de los PNGCs. Esta proteína activa al complejo de receptores constituído por Patched (Ptch) y Smoothened (Smo), que desencadenaran una cascada de señalización dando lugar a la división celular. La actividad de Shh puede ser regulada negativamente por la proteína quinasa A dependiente de AMP cíclico (PKA). En su estado basal, la subunidad catalítica de PKA (PKA-C) se encuentra inhibida por su asociación con la subunidad reguladora (R-PKA). En la presente tesis se demuestra que en presencia de Shh la subunidad PKA-C inactiva se localiza en la base del cilio de PNGCs, estructura celular necesaria para que la señalización de Shh tenga lugar y donde se acumulan varias moléculas de la vía como Smo y Ptch. Cuando los PNGCs son deprivados de Shh tiene lugar una activación y una parcial dispersión de PKA-C de la base del cilio. Mostramos que la subunidad reguladora RII (PKA-RII) de PKA es la responsable del anclaje de la holoenzima a través de su unión a las proteínas de anclaje de PKA (AKAPs). La disrupción de la interacción entre PKA y AKAPs inhibe la actividad de Shh bloqueando la proliferación de los PNGCs. Estos resultados, por lo tanto, demuestran que el pool de PKA localizado en la base del cilio juega un papel esencial en la integración de la transducción de la señal de Shh. En la segunda parte de la presente tesis estudiamos la activación de proteínas G heterotriméricas mediante Smo. Aunque en su secuencia Smo sugiere que pertenece a la familia de los receptores acoplados a proteína G (GPCR), únicamente en Drosophila melanogaster se demostró que la proteína Gαi es necesaria para la actividad de Hedgehog (Hh), mientras que las evidencias de la implicación de las proteínas G como efectoras de la vía de Shh de los vertebrados no son muy claras. En este trabajo demostramos que la inducción de la proliferación de PNGCs se potencia por la expresión de formas activas de proteínas de la clase Gαi/o (Gαi1, Gαi2, Gαi3 y Gαo) pero no por las de la clase Gα12 de proteínas G. Además, observamos que los miembros de la familia de Gαi poseen un patrón de expresión específico en el cerebelo en desarrollo: únicamente Gαi2 y Gαi3 se encuentran altamente expresados en la parte más externa de la capa granular externa, donde tiene lugar la proliferación de los PNGCs. En concordancia con este resultado observamos que la proliferación de los PNGCs se reduce de manera significativa mediante la eliminación de Gαi2 y Gαi3 pero no cuando silenciamos a otros miembros de la familia de Gαi/o. Finalmente, los resultados de la presente tesis demuestran que las subunidades Gαi2 y Gαi3 se localizan en el cilio primario cuando son sobre-expresados en cultivos de PCGCs. Por lo tanto, los efectos proliferativos de Shh en estas células están mediados por la activación combinada de las proteínas Gαi2 y Gαi3 de proteínas G. / During cerebellum development, clonal expansion of cerebellar granular neuronal precursors (CGNPs) takes place in response to Sonic Hedgehog (Shh) signalling pathway. Shh transduces its signals through the Patched (Ptc) and Smoothened (Smo) receptor complex, delivering activated forms of Gli (Ci) transcription factors to the nucleus. PKA is a known negative regulator of the CGNPs mitogenic activity by inducing Gli2/3 phosphorylation and their subsequent degradation by the proteasome generating potent transcriptional repressors of the pathway. In mammals, Shh pathway requires and takes place at a specific cellular structure: the primary cilum, where many of the proteins of the pathway localize. In this thesis we demonstrated that PKA-C subunit accumulates at the base of the primary cilium through PKA-RII subunit that joins to an unknown AKAP. In the absence of Shh, PKA activates and spreads from the primary cilium base and phosphorylates its target proteins. PKA needs to be accumulated at this specific location, since the inhibition of PKA localization to the cilium base reduces CGNPs mitosis. In the second part of the present thesis we demonstrate that any active member of the Gai/o but not of the Ga12/13 family of heterotrimeric G proteins can induce CGNPs proliferation at low but non active doses of Shh. We also show that Gai2 and Gai3 are the only expressed proteins of this family in the external granular layer of the developing cerebellum (EGL), where proliferation takes place. These proteins are the specific members responsible for Shh activity as their ablation by RNAi has a synergic effect in reducing CGNPs mitogenic activity. Moreover, these subunits can exclusively accumulate at the cilium shaft. All together these results indicate that Gai2 and Gai3 are the two specific members that mediate Shh pathway in this cells.

La apoptosis es una forma de muerte controlada por unas proteasas llamadas caspasas. La activación de las caspasas lleva a la desintegración controlada de la célula y a su fagocitación por parte de macrófagos. La necrosis es una forma de muerte que no depende de caspasas, pero que sí que puede tener un control y ser homeostático. Buena parte de los tumores presentan la característica de tener un metabolismo glicolítico superior al de la mayoría de los tejidos. Además, esta gran dependencia en la glucosa hace a las células bastante sensibles tanto a su ausencia como a la inhibición del metabolismo glicolítico. Esta característica es usada tanto en diagnóstico como en tratamientos en pruebas: la 2-deoxiglucosa se está utilizando en ensayos clínicos. Otra característica de las células tumorales es la de ser resistentes a muchos inductores de muerte, tanto de apoptosis como de necrosis mediante la inducción de proteínas anti-apoptóticas de la familia Bcl-2 o la inhibición de las proapoptóticas BH3. Además, muchos tumores sólidos pueden sufrir ambientes con escasez de nutrientes. Se da la coincidencia de que muchos oncogenes están a su vez relacionados con el metabolismo. Todos estos datos hacen interesante el estudio del efecto de la privación de glucosa sobre varios tipos celulares. Por un lado, caracterizar los efectos de la privación de glucosa en células que tienen bloqueada la vía mitocondrial de la apoptosis al ser deficientes en las proteínas Bax y Bak (DKO). Por otro, estudiar los efectos de la privación de glucosa en células tumorales humanas. Dentro de esta caracterización, es importante averiguar si se mueren por apoptosis o necrosis. Qué elementos reguladores están implicados, protectores o sensibilizadores. Si es apoptosis, y la muerte depende de caspasas, averiguar qué caspasas son las iniciadoras y cómo se están activando. Y cuál es el papel del metabolismo en general y de la autofagia en particular en esta muerte. En esta tesis se muestra cómo la privación de glucosa induce actividad caspasa en células deficientes en Bax y Bak. Y que esta actividad caspasa es dependiente de la caspasa iniciadora 8, no sólo en fibroblastos DKO, sino también en células HeLa. Aquí enseñamos que la apoptosis inducida por la privación de glucosa en células DKO induce actividad caspasa, degradación del ADN, condensación atípica de la cromatina, externalización de la fosfatidilserina y demás rasgos típicos de apoptosis como el corte de sustratos específicos de caspasas. Todo esto, excepto la condensación de la cromatina es inhibido por inhibidores de caspasas. Nosotros hemos demostrado que la privación de glucosa induce apoptosis independientemente de la interacción de ligandos y receptores de muerte. Así mismo, hemos demostrado que la activación de caspasa-8 no se inhibe por FLIP, y probablemente FADD no es la molécula adaptadora o reclutadora de caspasa-8. Hemos intentado ver si otros mecanismos de activación de la caspasa-8 que han sido publicados en los últimos años podrían ser la causa. FLIP no está implicados en la muerte inducida por privación de glucosa. Un posible reclutamiento de la caspasa-8 al complejo formado por RIPK1 no es el responsable, ni tampoco la actividad kinasa de RIPK1 ya que la necrostatina no protege de la muerte. El estudio del papel de la autofagia da resultados contradictorios. Por un lado, la autofagia sería un proceso que sensibilizaría a las células a la privación de glucosa, ya que la 3-metil-adenina protege, y las células deficientes en Atg7 están también protegidas. Pero por otro lado, la autofagia no tendría un papel importante, porque la presencia de cloroquina no afecta a la privación de glucosa. La privación de glucosa induce una acumulación de p62, que no parece ser la causa de la activación de la caspasa-8 ya que su silenciamiento no protege. / Apoptosis induced by most stimuli proceeds through the mitochondrial pathway. One such stimulus is nutrient deprivation. In this study we studied death induced by glucose deprivation in cells deficient in Bax and Bak. These cells cannot undergo mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP) during apoptosis, but they undergo necrosis when treated with MOMP-dependent apoptotic stimuli. We find in these cells that glucose deprivation, rather than inducing necrosis, triggered apoptosis. Cell death required caspase activation as inhibition of caspases with peptidic inhibitors prevented death. Glucose deprivation-induced death displayed many hallmarks of apoptosis, such as caspase cleavage and activity, phosphatidyl-serine exposure and cleavage of caspase substrates. Neither overexpression of Bcl-xL nor knockdown of caspase-9 prevented death. However, transient or stable knockdown of caspase-8 or overexpression of CrmA inhibited apoptosis. Cell death was not inhibited by preventing death receptor-ligand interactions, by overexpression of c-FLIP or by knockdown of RIPK1. Glucose deprivation induced apoptosis in the human tumor cell line HeLa, which was prevented by knockdown of caspase-8. Thus, we have found that glucose deprivation can induce a death receptor-independent, caspase-8-driven apoptosis, which is engaged to kill cells that cannot undergo MOMP.

X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) is an inherited neurodegenerative disorder. The genetic bases for all its different phenotypic variants are mutation in the gene encoding the peroxisomal ATP-binding cassette (ABC) transporter ABCD1, which transports very long chain fatty acids from the cytosol into the peroxisome for its degradation. The default manifestation of mutation in ABCD1 is adreno myeloneuropathy (AMN), a slow, progressive dying-back axonopathy affecting both ascending and descending spinal cord tracts as well as in some cases, peripheral neuropathy. In the present study, we use the invertebrate model organism Caenorhabditis elegans to generate a new nematode model of X-ALD. We reveal that the pmp-4(ok396) deletion mutant reproduces the main features of X-ALD such as lipid accumulation, increased mitochondrial oxidative stress, axonopathy and altered locomotion. Given the evidence that oxidative stress plays an important role in VLCFA-induced pathogenesis of ALD, therapeutic efforts aimed at the removal of free-radicals, prevention of their formation, or restoration of ETC function seem promising. Indeed, here we describe the mitochondria-specific pharmacological effects of MitoQ in protecting against VLCFA-induced toxicity and oxidative stress and its ability to rescue the observed X-ALD phenotypes on pmp-4(ok396) mutant worms. / La adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X (ALD-X) es un trastorno neurodegenerativo hereditario, causado por mutaciones en ABCD1. Este gen codifica para un transportador peroxisomal que importa ácidos grasos de cadena muy larga (AGCML) del citosol hacia el peroxisoma para su posterior degradación. La adrenomieloneuropatía (AMN) es la variante fenotípica en adultos y se manifiesta como un axonopatia de progresión lenta en la médula espinal. En este estudio utilizamos el gusano Caenorhabditis elegans para generar un nuevo modelo de ALD-X. Observamos que el mutante pmp-4(ok396) reproduce las principales características de la ALD-X (acumulación de lípidos, incremento del estrés oxidativo mitocondrial, axonopatía y locomoción alterada). Basándonos en evidencias que el estrés oxidativo inducido por acumulación de AGCML juega un papel importante en la patogénesis, estrategias enfocadas en la eliminación de radicales libres, prevención de su formación o normalización de la función de la cadena de transporte de electrones mitocondrial, poseen un prometedor potencial terapéutico. Aquí demostramos que el compuesto MitoQ actua a nivel mitocondrial protegiendo en contra del estrés oxidativo y rescata los fenotipos ALD-X en los gusanos pmp-4(ok396). / La adrenoleucodistròfia lligada al cromosoma X (ALD-X) és un trastorn neurodegeneratiu hereditari, causat per mutacions en ABCD1. Aquest gen codifica per un transportador peroxisomal que importa àcids grassos de cadena molt llarga (AGCML) del citosol cap al peroxisoma per a la seva posterior degradació. La adrenomieloneuropatía (AMN) és la variant fenotípica en adults i es manifesta com una axonopatia de progressió lenta en la medul•la espinal. En aquest estudi utilitzem el cuc Caenorhabditis elegans per generar un nou model d'ALD-X. Observem que el mutant pmp-4 (ok396) reprodueix les principals característiques de l'ALD-X (acumulació de lípids, increment d'estrès oxidatiu mitocondrial, axonopatia i locomoció alterada). Basant-nos en les evidències que l'estrès oxidatiu induït per acumulació d’AGCML juga un paper important en la patogènesi, estratègies enfocades en eliminar radicals lliures, prevenirla seva formació o normalitzar la funció de la cadena de transport d'electrons mitocondrial, posseeixen un prometedor potencial terapèutic. Aquí, demostrem que el compost MitoQ actua a nivell mitocondrial protegint en contra de l'estrès oxidatiu i rescatant els fenotips ALD-X en els cucs pmp-4 (ok396).

Tot i les avantatges que presenta la sang de cordó umbilical (SCU) respecte el moll d’os i la sang perifèrica mobilitzada (SPM) com a font de cèl·lules mare hematopoètiques (CMH), la seva utilització pel tractament de l’aplàsia mieloide queda limitada degut al retard que pateixen els pacients a recuperar els nivells normals de neutròfils i plaquetes en sang. S’especula que aquest fet es deu bàsicament a dos factors: la reduïda dosi de CMH disponible per unitat i a l’estat d’immaduresa de les seves cèl·lules. Tenint en compte aquesta conjuntura, l’objectiu d’aquest treball es centra en el desenvolupament d’un producte de teràpia cel·lular avançada a partir de l’expansió i diferenciació selectiva dels progenitors hematopoètics de la sang de cordó umbilical per tal de superar els inconvenients que en limiten la seva utilització i aprofitar així les múltiples avantatges que presenta com a font cel·lular. En primer lloc s’ha estudiat la cinètica de creixement in vitro dels progenitors hematopoètics aïllats de la SCU amb l’objectiu d’aproximar una estratègia de cultiu que en permeti la seva expansió. Una vegada definida l’estratègia d’expansió, s’ha procedit a la caracterització del producte resultant. Per una banda, s’ha realitzat una caracterització funcional in vitro per tal d’aproximar el mecanisme d’acció de les diferents poblacions cel·lulars generades. Per altra banda, s’han dut a terme els estudis preclínics consistents en la determinació de l’eficàcia i seguretat del producte cel·lular en un model animal. La caracterització funcional in vitro ha posat de manifest que el producte cel·lular resultant del procés d’expansió no tan sols està format per CMH (cèl·lules CD34+), sinó que està compost per progenitors neutròfils en diferent grau de maduració amb activitat fagocítica. A més, també s’ha determinat la presència de cèl·lules mieloides supressores (MDSC) tant de llinatge granulocític com monocític. El estudis de limfoproliferació duts a terme han permès concloure que aquestes cèl·lules presenten la seva activitat immunosupressora característica. A continuació s’han realitzat els estudis preclínics a partir del trasplantament d’igual dosis de CMH en el model murí NOD-scid IL2rynull. Aquests estudis han consistit en determinar la capacitat d’empelt i repoblació de les CMH obtingudes al llarg del cultiu, en comparació amb CMH aïllades de SCU sense expandir. Els resultats obtinguts han permès concloure que sota les condicions de cultiu fixades, s’afavoreix l’expansió dels progenitors hematopoètics amb activitat repobladora a curt termini, mentre que es genera un empobriment de les cèl·lules amb activitat repobladora a llarg termini, resultat positiu tenint en compte que el producte de teràpia cel·lular està orientat a la reducció dels períodes d’aplàsia. Addicionalment s’ha pogut concloure que el producte de teràpia cel·lular no té efectes potencialment tòxics, evidenciant, per tant, la seva seguretat. Finalment, s’ha escalat el procés productiu, assolint uns factors d’expansió que permeten obtenir dosis d’1x106 CD34+/kg de pacient. En les proves pilot realitzades s’ha obtingut una dosi màxima de 92x106 CD34+. A més, aquest escalat s’ha dut a terme de forma paral·lela a la definició de la totalitat del bioprocés sota els estàndards de seguretat fixats per la normativa GMP (Good Manufacturing Practices). / Despite the advantages of umbilical cord blood (UCB) as a source of hematopoietic stem cells (HSC) compared to bone marrow or mobilized peripheral blood, its use for the treatment of aplastic anemia is limited due to the fact that patients undergo a delay in reaching normal levels of neutrophils and platelets. It has been suggested that this problem is due to two main reasons: a reduced amount of available HSC per unit and their immaturity. Given this situation, the aim of this work was to develop an advanced cell therapy product based on the expansion and selective differentiation of hematopoietic progenitor cells from UCB, in order to overcome the disadvantages that limit its use as a stem cell source. First we studied the in vitro growth kinetics of HSC from UCB in order to establish a cell culture strategy for its expansion. After that, the resulting cell product was characterized in vitro and in vivo in order to establish the functional profile and to determine its safety and efficacy in an animal model, respectively. The in vitro functional characterization revealed that the cell product obtained from the expansion culture contained not only HSC (CD34+ cells) but also neutrophil progenitors at different maturation stages with phagocytic activity. Moreover, it was found the presence of myeloid-derived suppressor cells (MDSC) from both granulocytic and monocytic lineages. Lymphocyte proliferation assays revealed that these cells displayed the expected immunosuppressive activity, which is characteristic of this cell type. Preclinical studies consisting in transplantation of equal doses into the murine model NOD-scid IL2rynull were performed. In these experiments, the engraftment and repopulation activity of the expanded product were compared to HSC isolated from UCB. Our results indicated that under the culture conditions developed in this PhD project, short-term repopulating progenitors were expanded, and long-term repopulating progenitors were depleted. These results are positive when considering that the advanced cell therapy product is designed to reduce aplastic periods. Moreover, the safety of this product was confirmed by the absence of toxic effects. Finally, the culture strategy was scaled up, reaching the expansion factor needed to produce clinical doses (1x106 CD34+/kg patient). The maximum dose obtained during a pilot test was 92x106 CD34+. On this, it is worth mentioning that the scaling process was carried out in parallel with the definition of the bioprocess under the standards established by the GMP (Good Manufacturing Practices) regulations.

Diploid organisms including yeast, most animals, and humans, typically carry two copies of each gene. Variation above or below two copies can however sometimes occur. When gene copy number reduction from two to one causes a disadvantage, that gene is considered haploinsufficient (HI). In the first part of my work, I identified associations between Saccharomyces cerevisiae gene properties and genome-scale HI phenotypes from earlier work. I compared HI profiles against 23 gene properties and found that genes with (i) greater numbers of protein interactions, (ii) greater numbers of genetic interactions, (iii) greater gene sequence conservation, and (iv) higher protein expression were significantly more likely to be HI. Additionally, HI showed negative relationships with (v) cell cycle regulation and (vi) promoter sequence conservation. I exploited the aforementioned associations using Linear Discriminant Analysis (LDA) to predict HI in existing data and guide experimental identification of 6 novel HI phenotypes, previously undetected in genome-scale screenings. I also found significant relationships between HI and two gene properties in Schizosaccharomyces pombe, relationships that hold despite the lack of conserved HI between S. cerevisiae and Sz. pombe orthologue gene pairs. These data suggest associations between HI and gene properties may be conserved in other organisms. The relationships and model presented here are a step towards understanding HI and its underlying mechanisms. Increases in copy number can occur through gene duplication. When duplication produces two functional gene copies, both experience relaxed selection and rapid mutation. This sometimes leads to interesting evolutionary events such as gain of novel function (neofunctionalisation). Previous work shows an ancient ancestor of S. cerevisiae underwent whole genome duplication (WGD) followed by massive redundant gene loss. Interestingly some duplicate pairs show retention of both copies, including the pair TUB1 and TUB3. Existing sequence data shows that TUB3 has experienced a very high rate of evolution post-WGD, suggesting neofunctionalisation. To characterise TUB3, I have carried out experiments measuring fitness effects of varying TUB1, TUB2 and TUB3 copy number across many environments. In ethanol media, some TUB1 and TUB3 null mutants interestingly show severe defects. Other data suggest stress response, ethanol tolerance, protein degradation and/or regulatory roles, which may involve the regulatory Snf1p protein kinase complex.

Die Entwicklung des Schädeldachs beginnt beim Menschen bereits in der frühen Embryogenese und ist erst im Erwachsenenalter abgeschlossen. Das Wachstum der Schädelknochen muss sich während der Entwicklung fortwährend dem Gehirnwachstum anpassen. An den Stellen, wo zwei Schädelknochen aufeinandertreffen, formen sich Schädelnähte, die aus mesenchymalem Bindegewebe bestehen und als Wachstumsfugen des Schädels dienen. Tritt eine frühzeitige Verknöcherung innerhalb einer oder mehrerer Schädelnähte auf, spricht man von einer Kraniosynostose. Als Konsequenz wird ein weiteres Knochenwachstum verhindert, sodass sich das Neurokranium in dieser Region nicht dem expansiven Wachstum des Gehirns anpassen kann. Dies geht in der Regel mit einem kompensatorischen Wachstum des Schädels und infolgedessen mit kraniofazialen Dysmorphien und einem erhöhten intrakraniellen Druck einher. Klinische Studien und Forschungen an Modellorganismen konnten bereits eine Vielzahl an Genen mit der Entstehung von Kraniosynostosen assoziieren, darunter die Transkriptionsfaktoren TCF12 und TWIST1. Beim Menschen sind heterozygote Mutationen in TCF12 und TWIST1 mit Kraniosynostosen der Koronarnaht assoziiert. Bei Mäusen hingegen führt eine heterozygote Tcf12 Mutation nur in Kombination mit einer heterozygoten Twist1 Mutation zu Fusionen der Koronarnaht. Der Zebrabärbling (Danio rerio, überwiegend auch Zebrafisch genannt) weist eine bemerkenswerte Ähnlichkeit bezüglich der Anatomie und Morphologie des Schädeldachs zum Menschen auf. Um die genaue Funktion von TCF12 bei der Ausbildung der Schädelnähte zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Zebrafisch als in vivo Modell für die Entstehung tcf12-induzierter Kraniosynostosen etabliert. Zu Beginn der Arbeit wurde das Expressionsmuster von tcf12 über die Entwicklung hinweg analysiert. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einem Expressionsnachweis während der Entwicklung der Schädelplatten und der Schädelnähte. Ein erster Expressionsnachweis von tcf12 mittels PCR-Analysen und Whole-mount RNA in-situ Hybridisierungen zeigte eine breite Expression von tcf12 ab dem 1-3 Somiten Stadium an. Für tiefergehende in vivo Analysen wurden im Zuge dieser Arbeit tcf12:EGFP Reportergenlinien generiert. Mit diesen gelang ein Nachweis der tcf12 Expression entlang der Wachstumsfronten der Schädelplatten, innerhalb der Schädelnähte sowie im Periost und der Dura mater. Mit den tcf12:EGFP Fischen als Referenz wurde in weiterführenden Experimenten die Aktivität drei hochkonservierter CNEs (engl. conserved non-coding elements) in vivo im Zebrafisch untersucht. Zwei der CNEs konnten als tcf12 Enhancer verifiziert werden, die eine Genexpression während der Neurogenese des zentralen Nervensystems (ZNS) steuern. Die beiden Enhancer-Elemente zeichnen sich durch eine hohe Konservierung vom Menschen bis hin zum Zebrafisch aus. Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivität gegenüber einem Funktionsverlust von TCF12 und TWIST1 in Mensch und Maus sollte die Auswirkung eines Knockouts der orthologen Gene auf die Entwicklung der Schädelnähte des Zebrafisches untersucht werden. Mittels CRISPR/Cas9 wurden verschiedene Knockout-Linien für die Gene tcf12, twist1a und twist1b generiert. Analysen der Knockoutmutanten zeigten, dass ein heterozygoter Verlust von tcf12 und twist1b in seltenen Fällen zu partiellen Fusionen der Koronarnähte im Zebrafisch führt. Des Weiteren konnte bei tcf12 und twist1b Einzel- und Doppelmutanten ein abnormes Wachstum der Schädelplatten im Bereich der Suturen beobachtet werden. Die Expressionsstudien und die Analysen der Knockoutmutanten deuten auf eine Regulation von TCF12 bei der Differenzierung der Stammzellen sowie der Proliferation der Osteoblasten innerhalb der Schädelnähte hin. Um die Auswirkung von TCF12 Mutationen auf funktioneller Ebene zu untersuchen wurden im Verlauf dieser Arbeit Luciferase-Reporter Assays durchgeführt. Anhand dieser konnte nachgewiesen werden, dass Mutationen, die die basic helix-loop-helix (bHLH)-Domäne beeinträchtigen, die Transaktivierungsfähigkeit von TCF12 aufheben. Co-Transfektions-Experimente mit TWIST1 offenbarten eine Regulation der Transaktivierung von TCF12 durch TWIST1, sowohl im Menschen, als auch im Zebrafisch. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die genauen Expressionsorte von TCF12 während der Morphogenese des Schädeldachs nachgwiesen und die Funktion von TCF12 und seinem Interaktionspartner TWIST1 bei der Entstehung von Kraniosynostosen weiter aufgeklärt werden. / The morphogenesis of the calvaria is initiated during early embryogenesis and completed during adulthood. The growth of the skull must continuously adapt to the growth of the developing brain. Where two cranial bones meet, fibrous sutures form. The cranial sutures consist of connective tissue and serve as growth sites of the skull. A premature closure (fusion) of one or several of the cranial sutures is a condition called craniosynostosis. Further bone growth in this area is prevented and the neurocranium cannot adapt to the expansive growth of the brain. The result is a compensatory growth of the skull leading to craniofacial dysmorphisms and also, in more severe cases, to an increased intracranial pressure. Clinical studies and research on model organisms have been able to identify a large number of genes involved in suture development and craniosynostosis, including the transcription factors TCF12 and TWIST1. In humans, heterozygous mutations in both, TCF12 and TWIST1, are associated with craniosynostosis. In mice, haploinsufficiency of Tcf12 alone does not lead to coronal suture fusion. Only loss of Twist1 along with loss of Tcf12 results in craniosynostosis of the coronal suture. Zebrafish (Danio rerio) show a remarkable similarity regarding the anatomy and morphology of the skull vault to that of humans. To unravel the function of tcf12 in cranial suture development, this study aimed to establish a zebrafish in vivo model for tcf12 induced craniosynostosis. First, the expression pattern of tcf12 was analyzed throughout zebrafish development. Special focus was placed on examining the expression of tcf12 during development of the skull plates and the cranial sutures. PCR-analysis and whole-mount RNA in-situ hybridization revealed a broad tcf12 expression in different tissues beginning from the 1-3-somites stage. For more in-depth in vivo analyses, transgenic tcf12:EGFP reporter lines were generated. During cranial vault development, the transgenic fish showed a high amount of tcf12 expressing cells along the growth fronts of the skull plates, within the cranial sutures as well as in the periosteum and the Dura mater. In addition, with the tcf12:EGFP fish as a reference, we tested the transcriptional activity of three highly conserved non-coding elements (CNEs) in zebrafish in vivo. We could validate two of the CNEs as tcf12 enhancer elements driving gene expression in the central nervous system during neurogenesis. The two CNEs show a high conservation between humans and zebrafish. Due to the different sensitivities to loss of TCF12 and TWIST1 in humans and mice, the effect of a gene knockout of the orthologous genes on the development of the sutures should be examined in zebrafish. Therefore, various knockout lines for the genes tcf12, twist1a and twist1b were generated using CRISPR/Cas9. Analyses of the knockout mutants showed that, in a few cases, a heterozygous loss of tcf12 or twist1b led to partial fusions of the coronal sutures in zebrafish. Furthermore, abnormal growth of the skull plates in the area of the sutures could be observed in tcf12 and twist1b single and double knockout mutants. The expression studies and the analyses of the knockout mutants indicate a regulation of TCF12 in the differentiation of stem cells and in the proliferation of osteoblasts within the cranial sutures. In order to investigate the effects of TCF12 mutations on a functional level, luciferase reporter assays were performed. Based on the reporter assays it was demonstrated that mutations impairing the basic helix-loop-helix (bHLH) domain compromise the transactivation ability of TCF12 remarkably. Co-transfection experiments with TWIST1 revealed regulation of the transactivation of TCF12 by TWIST1, both in humans and in zebrafish. Within the scope of this work, the exact expression patterns of TCF12 could be demonstrated during the morphogenesis of the cranial vault. Moreover, the function of TCF12 and its interaction partner TWIST1 could be further clarified in the development of craniosynostosis.

The cell cycle genes homology region (CHR) has been identified as a DNA element with an important role in transcriptional regulation of late cell cycle genes. It has been shown that such genes are controlled by DREAM, MMB and FOXM1-MuvB and that these protein complexes can contact DNA via CHR sites. However, it has not been elucidated which sequence variations of the canonical CHR are functional and how frequent CHR-based regulation is utilized in mammalian genomes. Here, we define the spectrum of functional CHR elements. As the basis for a computational meta-analysis, we identify new CHR sequences and compile phylogenetic motif conservation as well as genome-wide protein-DNA binding and gene expression data. We identify CHR elements in most late cell cycle genes binding DREAM, MMB, or FOXM1-MuvB. In contrast, Myb- and forkhead-binding sites are underrepresented in both early and late cell cycle genes. Our findings support a general mechanism: sequential binding of DREAM, MMB and FOXM1-MuvB complexes to late cell cycle genes requires CHR elements. Taken together, we define the group of CHR-regulated genes in mammalian genomes and provide evidence that the CHR is the central promoter element in transcriptional regulation of late cell cycle genes by DREAM, MMB and FOXM1-MuvB.